汽車ESP實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及其硬件在環(huán)仿真研究

陳家琪, 周晶晶

(上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院,上海 200093)

ESP(電子穩(wěn)定系統(tǒng))是在汽車防抱死制動系統(tǒng)(ABS)和驅(qū)動力控制系統(tǒng)(TCS)等技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型主動安全控制系統(tǒng)[1].ESP實(shí)時監(jiān)控汽車的運(yùn)行姿態(tài),依據(jù)駕駛員對車輛的操作(包括駕駛員對轉(zhuǎn)向盤、制動踏板和油門踏板的操作)決策出理想的車輛運(yùn)行狀態(tài),確保車輛行駛的穩(wěn)定性和安全性.

ESP是90年代初由德國奔馳公司開發(fā)的電子穩(wěn)定系統(tǒng).德國BOSCH公司一直是這方面技術(shù)的領(lǐng)先者,為國際大多數(shù)汽車廠商供應(yīng)ABS/TCS/ ESP系統(tǒng).在中國ESP的研究還處于起步階段,大多通過軟件仿真或硬件在環(huán)仿真對ESP系統(tǒng)進(jìn)行研究.吉林大學(xué)、清華大學(xué)、上海交通大學(xué)及同濟(jì)大學(xué)等高校和中國重汽集團(tuán)、上海匯眾汽車制造有限公司等企業(yè)也在這方面開展了研究工作.

本文的ESP實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用分層模塊化結(jié)構(gòu),在建立 9自由度整車模型的基礎(chǔ)上,以 Matlab/ Simulink軟件為主要開發(fā)工具,構(gòu)建一種人機(jī)實(shí)時交互的ESP硬件在環(huán)仿真實(shí)驗(yàn)平臺,介紹了實(shí)驗(yàn)平臺所需要的軟硬件結(jié)構(gòu),描述了系統(tǒng)軟硬件的關(guān)系和交互過程,為電子穩(wěn)定系統(tǒng)的開發(fā)和研究提供實(shí)驗(yàn)條件.

1 ESP實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

ESP實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用分層模塊化設(shè)計(jì)[2],整個系統(tǒng)共分為控制層、應(yīng)用層和執(zhí)行層這3層.ESP實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.

控制層根據(jù)駕駛員對車輛的輸入和車輛的實(shí)際狀態(tài)確定需要施加的使車輛恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)的附加橫擺力矩ΔM.wfl,wfr,wrl,wrr分別為前左輪、前右輪、后左輪和后右輪的角速度;ax,ay分別為縱向、側(cè)向的加速度;δf為前輪轉(zhuǎn)角.控制層包含名義橫擺角速度γreq計(jì)算模塊[3]和質(zhì)心側(cè)偏角βreq穩(wěn)定邊界模塊[4],這兩個模塊根據(jù)當(dāng)前駕駛員的輸入和外界環(huán)境條件計(jì)算出車輛穩(wěn)定所需要的理想運(yùn)行狀態(tài).將車輛理想運(yùn)行狀態(tài)(名義橫擺角速度和名義質(zhì)心側(cè)偏角)與實(shí)際狀態(tài)(橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角)提供給橫擺力矩決策模塊,橫擺力矩決策模塊對兩種狀態(tài)進(jìn)行比較判斷,決策出當(dāng)前車輛恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)所需要的附加橫擺力矩.

圖1 ESP實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of ESP experimental system

控制層輸出的附加橫擺力矩傳遞給應(yīng)用層.當(dāng)車輛有過度轉(zhuǎn)向趨勢時,可以通過主動制動的方式產(chǎn)生附加橫擺力矩;當(dāng)車輛有不足轉(zhuǎn)向趨勢時,有主動制動和減小發(fā)動機(jī)扭矩這兩種干預(yù)方式.橫擺力矩分配模塊根據(jù)當(dāng)前的車輛狀態(tài)決策出所要采取的干預(yù)方式,以及在主動制動時橫擺力矩的輪間分配.輪缸壓力計(jì)算模塊和發(fā)動機(jī)扭矩計(jì)算模塊將橫擺力矩轉(zhuǎn)化為輪缸壓力的變化量Δ Pi或發(fā)動機(jī)扭矩的變化量ΔT.

執(zhí)行層由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和相應(yīng)的控制模塊組成.輪缸壓力調(diào)節(jié)模塊將輪缸壓力變化指令通過氣壓控制模塊轉(zhuǎn)化為泵和電磁閥的狀態(tài)指令;發(fā)動機(jī)扭矩調(diào)節(jié)模塊將扭矩變化指令轉(zhuǎn)化為節(jié)氣門或噴油量的變化.

2 ESP實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)仿真平臺

ESP實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)仿真平臺包括用戶操作模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、動力學(xué)模型運(yùn)算模塊、數(shù)據(jù)曲線繪制和動畫顯示模塊.其中,用戶操作模塊設(shè)置汽車動力學(xué)模型的參數(shù)和控制運(yùn)行過程,數(shù)據(jù)存儲模塊存儲仿真數(shù)據(jù),網(wǎng)絡(luò)通信模塊負(fù)責(zé)各個PC機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信,動力學(xué)模型運(yùn)行模塊單獨(dú)運(yùn)行在另一臺PC機(jī)上,數(shù)據(jù)曲線模塊實(shí)時顯示汽車各個關(guān)鍵量的曲線,動畫顯示模塊顯示汽車運(yùn)行時的姿態(tài)動畫.

2.1 硬件組成

ESP實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)共由3臺PC機(jī)(目標(biāo)機(jī)上裝有多個AD和DA板卡)、方向盤、油門踏板、輪速柜和制動柜實(shí)物及發(fā)動機(jī)CAN(控制器局域網(wǎng)絡(luò))信號模擬的適配器組成.系統(tǒng)硬件組成如圖2所示.

圖2 ESP實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)硬件組成Fig.2 Hardware of ESP experimental system

PC1中運(yùn)行仿真過程中的車輛姿態(tài)和軌跡動畫,車輛運(yùn)行時的狀態(tài)數(shù)據(jù)是由目標(biāo)機(jī)通過UDP協(xié)議傳給PC1.PC2中運(yùn)行用戶設(shè)置界面并顯示車輛狀態(tài)曲線,同樣通過集線器與目標(biāo)機(jī)相連,可以進(jìn)行車輛參數(shù)修改和仿真的啟動和終止控制.PC3中運(yùn)行車輛動力學(xué)模型,通過AD/DA、RS232串口,并采取UDP協(xié)議與外部進(jìn)行通信.模擬輸出卡PCL726和812PG分別作為DA/AD轉(zhuǎn)換器使用,在轉(zhuǎn)換通道上加入光電耦合器,采取光電耦合技術(shù)隔離數(shù)字地和模擬地,達(dá)到傳輸通道抗干擾的目的.輪速柜與制動柜之間直接連接,制動柜有剎車板,當(dāng)踏板剎車時傳感器將制動氣室產(chǎn)生的制動力信號通過AD轉(zhuǎn)換器傳給PC3目標(biāo)機(jī)中的車輛模型.在汽車內(nèi)部ECU(電子控制單元)里,利用公式計(jì)算通過傳感器采集到的脈沖數(shù)來反算出車速.車輛模型計(jì)算出的當(dāng)前車速和方向盤轉(zhuǎn)角通過DA傳遞給ESP控制器,ESP根據(jù)當(dāng)前車輛狀態(tài)對發(fā)動機(jī)和制動系統(tǒng)進(jìn)行控制,并將發(fā)動機(jī)的控制信息以CAN信號的方式發(fā)向適配器,適配器經(jīng)過轉(zhuǎn)換將信息通過RS232串口發(fā)給車輛模型,從而完成整個控制過程.其中,RS232串口波特率設(shè)為57 600 b/s,以適應(yīng)模型與ESP之間的快速數(shù)據(jù)傳輸,并通過檢測接收到的數(shù)據(jù)幀的首部判斷信息幀的開始,信息幀結(jié)束有校驗(yàn)和.如果校驗(yàn)和錯誤,則拋棄整個幀,直到收到新的數(shù)據(jù)幀為止.

2.2 仿真模型

采用Matlab/Simulink實(shí)現(xiàn)的車輛動力學(xué)模型如圖3所示.

圖3 由Matlab/Simulink實(shí)現(xiàn)的車輛動力學(xué)模型Fig.3 Vehicle dynaminc model based on Matlab/Simulink

ESP實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)選用9自由度整車模型,主要考慮車輛的縱向運(yùn)動、側(cè)向運(yùn)動、簧上剛體運(yùn)動、側(cè)傾運(yùn)動、橫擺運(yùn)動、輪子轉(zhuǎn)動及側(cè)偏運(yùn)動等.該模型包括整車模型、驅(qū)動系、傳動系模型及輪胎模型等部分.輪胎模型采用基于實(shí)測數(shù)據(jù)的經(jīng)驗(yàn)公式——魔術(shù)公式(magic formula),發(fā)動機(jī)模型采用MAP圖查表建模.具體的模型結(jié)構(gòu)和組成見文獻(xiàn)[5].

車體模型模塊CarBody輸出車輛的各種運(yùn)行參數(shù),輪胎模型模塊CarTyre輸出車輛輪胎的縱向力和側(cè)向力,發(fā)動機(jī)模型模塊Engine輸出發(fā)動機(jī)的輸出扭矩和發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速,氣壓采集模塊AirPressure采集氣壓制動柜的制動氣壓,輸出各個輪子上的制動力矩,方向盤模塊DltSelect判斷使用的是模擬方向盤輸入還是真實(shí)方向盤輸入,駕駛員模塊FromDriver采集駕駛員對制動踏板、油門踏板的操作,通信模塊RS232Recv負(fù)責(zé)接收ESP通過適配器發(fā)送的控制信息,輪速模塊VwOutput負(fù)責(zé)將當(dāng)前的各個輪子的轉(zhuǎn)速發(fā)送給輪速柜實(shí)物,輪速柜體現(xiàn)出當(dāng)前的輪子的轉(zhuǎn)速,通信模塊RS232Send負(fù)責(zé)將車輛的部分狀態(tài)通過適配器傳給ESP,網(wǎng)絡(luò)模塊Pack和Send將車輛的部分狀態(tài)信息打包并在局域網(wǎng)中廣播發(fā)送,PC1和PC2接收到廣播信息并顯示車輛動畫和狀態(tài)曲線.

使用RTW(實(shí)時仿真)代碼生成工具將構(gòu)建好的SIMULINK模型自動生成可執(zhí)行代碼,下載到PC3目標(biāo)機(jī)上進(jìn)行仿真.該仿真系統(tǒng)可以根據(jù)不同的參數(shù)設(shè)置,合成不同的整車模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn).

3 ESP實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 車輛動力學(xué)性能分析

為了檢驗(yàn)車輛動力學(xué)模型的有效性,進(jìn)行了角階躍實(shí)驗(yàn).車輛以90 km/h的速度在模擬混凝土路面(路面附著系數(shù)μ=0.8)上勻速行駛,以盡快的速度(在1 s之內(nèi))將方向盤轉(zhuǎn)到25°角的位置.在該角階躍輸入下可以得到車輛4個輪胎所受到的側(cè)向力,如圖4所示,t為時間,γ為橫擺角速度.

在角階躍輸入情況下,車輛最終接近圓周運(yùn)動,車輛的橫擺角速度接近定值.通過上述的車輛角階躍輸入模擬實(shí)驗(yàn)可以看出,本文中所采用的車輛動力學(xué)模型符合車輛角階躍穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)的要求,驗(yàn)證了模型的有效性.

3.2 汽車ESP仿真實(shí)驗(yàn)

為了檢驗(yàn)ESP實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的性能,車輛以初始車速32 km/h在模擬混凝土路面(μ=0.8)上進(jìn)行了蛇形穿桿實(shí)驗(yàn)[6],對實(shí)車和模型進(jìn)行比較.仿真初始速度和方向盤轉(zhuǎn)角均采用實(shí)車實(shí)驗(yàn)時的實(shí)際數(shù)據(jù).實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)的對比如圖5所示.α為方向盤轉(zhuǎn)角.

圖4 角階躍輸入下的橫擺角速度Fig.4 Raw rate with angle step input

圖5 蛇形穿桿仿真和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比Fig.5 Performance comparison of real cars with models through a pylon slalom test

由圖5可以看出,仿真得到的側(cè)向加速度和橫擺角速度與實(shí)車實(shí)驗(yàn)時的數(shù)據(jù)保持了較好的一致性,變化趨勢吻合良好,因此,上述ESP仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ湍軡M足ESP控制仿真要求[6].車輛3D姿態(tài)顯示界面如圖6所示.

圖6 車輛3D姿態(tài)顯示界面Fig.6 Display of vehicle 3D motion figure

4 結(jié)束語

根據(jù)產(chǎn)品開發(fā)的要求設(shè)計(jì)了ESP實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),介紹了該系統(tǒng)的軟硬件組成,描述了系統(tǒng)軟硬件之間的關(guān)系及交互過程.

駕駛員對車輛的操縱將直接影響車輛的運(yùn)行狀態(tài),因此,建立汽車ESP實(shí)驗(yàn)臺必須考慮駕駛員的行為,如駕駛員對轉(zhuǎn)向盤、制動踏板和油門踏板的操作,構(gòu)成一個“人車環(huán)境”閉環(huán)仿真系統(tǒng).

研發(fā)了一種人機(jī)實(shí)時交互的ESP硬件在環(huán)仿真實(shí)驗(yàn)平臺.通過采用角階躍實(shí)驗(yàn)和蛇形穿桿實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析,結(jié)果表明,該系統(tǒng)有效性高、實(shí)時性強(qiáng)且功能完備,為汽車ESP產(chǎn)品的開發(fā)提供了有效手段,并可用于ESP產(chǎn)品性能的檢驗(yàn)和展示.

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