基于XC2365和模糊算法的車輛ESP系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

王愛軍，孫　明(新鄉(xiāng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息系，河南新鄉(xiāng)453000)

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基于XC2365和模糊算法的車輛ESP系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

王愛軍*，孫明
(新鄉(xiāng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息系，河南新鄉(xiāng)453000)

摘要:設(shè)計(jì)了基于模糊控制算法技術(shù)和微控制器XC2365的車輛電子穩(wěn)定系統(tǒng)ESP(Electronic Stability Program)。該系統(tǒng)通過傳感器收集車輛的行駛狀態(tài)數(shù)據(jù)，并將系統(tǒng)送至微控制器XC2365，控制器根據(jù)模糊算法進(jìn)行車輛行駛輔助控制。整個(gè)系統(tǒng)通過MATLAB軟件仿真，滿足ESP控制策略要求。通過實(shí)地實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)安全性強(qiáng)，能夠適應(yīng)各種路況要求，保證車輛在行駛過程的穩(wěn)定性和駕駛員的人身安全。

關(guān)鍵詞:車輛電子穩(wěn)定系統(tǒng);微控制器; MATLAB;模糊控制

隨著汽車普及率的逐年提高，人們對(duì)汽車安全性的標(biāo)準(zhǔn)逐漸提高，因此車內(nèi)的安全系統(tǒng)功能不斷完善。在車內(nèi)安全系統(tǒng)領(lǐng)域中汽車穩(wěn)定系統(tǒng)ESP(Electronic Stability Program)是一個(gè)重要的發(fā)展方向。ESP系統(tǒng)通過車內(nèi)的多種傳感器對(duì)車輛進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)給ECU進(jìn)行分析計(jì)算，識(shí)別駕駛員的駕駛意圖，對(duì)可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)形式作出輔助控制，從而保證車輛的架勢(shì)穩(wěn)定性。有數(shù)據(jù)顯示，安裝ESP系統(tǒng)的車輛的交通事故率下降了21%～51%。因此ESP系統(tǒng)得到了廣泛的認(rèn)可［1－2］。

國內(nèi)配備ESP系統(tǒng)的車輛僅占19%，遠(yuǎn)低于歐美國家的75%的裝配率，主要國內(nèi)汽車動(dòng)力學(xué)研究較晚。本文將ESP系統(tǒng)的原理與電子、自動(dòng)化多專業(yè)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了車輛ESP系統(tǒng)［3－5］。

1　系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

ESP系統(tǒng)主要是在路面濕滑、轉(zhuǎn)彎、高速躲避障礙物的情況下對(duì)車輛行駛時(shí)的轉(zhuǎn)向不足、甩尾等危險(xiǎn)狀態(tài)及時(shí)作出修正和輔助控制。

整個(gè)ESP系統(tǒng)如圖1所示，由傳感器模塊、制動(dòng)單元和控制器模塊構(gòu)成。結(jié)合圖1，整個(gè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1　ESP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

ESP系統(tǒng)對(duì)方向盤轉(zhuǎn)角傳感器和4路車輛輪速傳感器的信號(hào)進(jìn)行計(jì)算分析，得到車輛實(shí)時(shí)的穩(wěn)定狀態(tài)和方向信息。橫擺角速度傳感器和橫向加速度信號(hào)傳至主控制器后，主控制器會(huì)進(jìn)行計(jì)算并和先前得到的車輛穩(wěn)定狀態(tài)信息、方向信息做對(duì)比。經(jīng)過對(duì)比，兩者數(shù)據(jù)信息對(duì)應(yīng)一致，則ESP系統(tǒng)可以確定車輛處于安全駕駛狀態(tài);若不一致，則車輛處于轉(zhuǎn)向不足和甩尾的危險(xiǎn)駕駛狀態(tài);此時(shí)ESP系統(tǒng)中的主控制器會(huì)發(fā)出控制命令到電磁閥單元，對(duì)車輪進(jìn)行制動(dòng)或加速，來糾正車輛的危險(xiǎn)駕駛狀態(tài)。

圖2　ESP系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

ESP系統(tǒng)的主控制器采用英飛凌公司的XC2365，XC2365內(nèi)部集成了同步串行控制器(SSC)接口。XC2365通過SSC接口與從控制器相連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。從控制器采用的是英飛凌公司的XC866芯片。從控制器根據(jù)主控制器發(fā)送的信息判斷各個(gè)傳感器信號(hào)和主控制器工作狀態(tài)是否正常。從控制器會(huì)在主控制器發(fā)生故障時(shí)，會(huì)接管整個(gè)ESP系統(tǒng)的控制器優(yōu)先權(quán)。

2．1 CAN總線網(wǎng)絡(luò)模塊電路設(shè)計(jì)

XC2365集成了CAN控制器，需要配合CAN總線收發(fā)器TLE6251GS實(shí)現(xiàn)連接到整個(gè)車輛的CAN總線網(wǎng)絡(luò)上。CAN總線通信硬件電路圖如圖3所示。橫擺角速度和加速度的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過CAN總線網(wǎng)絡(luò)傳送至主控制器XC2365。

圖3　CAN總線通信模塊電路原理圖

2．2傳感器模塊電路設(shè)計(jì)

橫擺角速度傳感器采用AD公司的陀螺儀ADXRS62X，電路圖如圖4所示。陀螺儀內(nèi)部集成了角速率傳感器和信號(hào)調(diào)理電路，輸出信號(hào)為模擬信號(hào)，且與參考電壓成比例。車輛的橫擺角速度是為了說明車輛在垂直方向的偏轉(zhuǎn)程度，偏轉(zhuǎn)程度代表著汽車安全行駛的穩(wěn)定程度。

圖4　橫擺角速度傳感器電路原理圖

車輛水平方向加速度信號(hào)(X軸和Y軸)的測量主要是使用AD公司的加速度計(jì)ADXL203，電路原理圖如圖5所示。4路輪速信號(hào)的采集主要是使用霍爾傳感器，霍爾傳感器輸出的信號(hào)首先需要經(jīng)過濾波電路，濾去高頻的干擾信號(hào)。再經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路比較、整形成方波信號(hào)，最后送至主控制器XC2365。

圖5　加速度傳感器硬件電路原理圖

2．3系統(tǒng)電源供電設(shè)計(jì)

整個(gè)ESP系統(tǒng)的硬件電路部分需要12 V直流電供電。供電電源采用車輛的電平供電，由于ESP系統(tǒng)需要穩(wěn)定的直流供電，所以采用英飛凌公司的TLE4254GA電源轉(zhuǎn)換芯片，該芯片的輸入電壓范圍是4 V～45 V，電路原理圖如圖6所示。

圖6　電源模塊電路原理圖

2．4執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

車輛處于危險(xiǎn)狀態(tài)下，ESP系統(tǒng)會(huì)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的電磁閥發(fā)出控制命令，對(duì)車輛的特定車輪施加制動(dòng)力或增加動(dòng)力。針對(duì)電磁閥的驅(qū)動(dòng)主要采用英飛凌公司的TLE6228芯片，以此實(shí)現(xiàn)電磁閥的增壓或減壓。

3　模糊控制器設(shè)計(jì)

在進(jìn)行ESP控制算法設(shè)計(jì)方面，本設(shè)計(jì)將整個(gè)車輛作為一個(gè)整體，看作是二自由度的模型。車輛的行駛方向?yàn)閄軸，側(cè)向運(yùn)動(dòng)方向?yàn)閅軸，車輛運(yùn)行平面的垂直方向?yàn)閆軸。二自由度分別是Y軸和Z軸。車輛的穩(wěn)定性穩(wěn)定可以基于二自由度模型，簡化為側(cè)向和橫擺運(yùn)動(dòng)方向的模型。

橫擺運(yùn)動(dòng)方向的信號(hào)可以通過橫擺角速度傳感器ADXRS62X測量得到，而在側(cè)向方向的信號(hào)為質(zhì)心側(cè)偏角。質(zhì)心側(cè)偏角通過二自由度車輛運(yùn)動(dòng)微分方程得到:

式中: m為車輛質(zhì)量; u為輪速;為后輪側(cè)偏剛度; l為車輛軸距; a為質(zhì)心到前軸的距離; b為質(zhì)心到后軸的距離［6－7］。

3．1輸入量的獲取和輸出量

控制算法采用模糊控制，模糊控制器的輸入量選擇理論中理想質(zhì)心側(cè)偏角和實(shí)際質(zhì)心側(cè)偏角的差值為E，以及它們差值的變化率EC。車輛的ESP系統(tǒng)在輔助控制時(shí)依靠4個(gè)車輪的制動(dòng)力，因此模糊控制器的輸出量選為車輪制動(dòng)力的橫擺力矩M。模糊控制器結(jié)構(gòu)原理如圖7所示。

3．2模糊控制策略

(1)模糊化:為了保證ESP控制的精度，模糊控制器的2個(gè)輸入量和1個(gè)輸出量都定義了5個(gè)語言變量:“負(fù)大(NB)”、“負(fù)中(NS)”、“零(Z)”、“正小(PS)”、“正大(PB)”。輸入量E的論域設(shè)置為［－1，1］; EC的論域［－0．5，+ 0．5］;輸出量M的論域［－1，1］。

(2)模糊推理:根據(jù)輸入輸出之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，采用”IF－THEN”語句得到模糊邏輯控制規(guī)則如表1所示。

圖7　模糊控制器結(jié)構(gòu)圖

表1　橫擺力矩推理規(guī)則

(3)解模糊: E的量化因子KE=1，EC的量化因子KEC=0．19，M的量化因子為K= 4 900根據(jù)模糊推理規(guī)則所得結(jié)果乘以量化因子，即可得到車輪制動(dòng)力所產(chǎn)生的橫擺力矩輸出值。

模糊控制器通過在MATLAB軟件中的，應(yīng)用Fuzzy工具箱實(shí)現(xiàn)。

4　系統(tǒng)驗(yàn)證

本系統(tǒng)在黑河冬季汽車試驗(yàn)場進(jìn)行了初步試驗(yàn)，以某型號(hào)汽車為研究對(duì)象，該車輛參數(shù):整車質(zhì)量2 326 kg;橫擺轉(zhuǎn)動(dòng)慣量4 133 kg·m·m;輪距1．5 m;軸距3．027 m;質(zhì)心高度0．55 m;前輪總側(cè)偏剛度－41 000 N·rad;后輪總側(cè)偏剛度－47 000 N·rad;試驗(yàn)車輛安裝硬件在環(huán)數(shù)據(jù)采集測試系統(tǒng)。試驗(yàn)環(huán)境如圖8所示，通過數(shù)據(jù)采集測試系統(tǒng)收集到的數(shù)據(jù)分析車輛具有良好的穩(wěn)定性。

圖8　試驗(yàn)環(huán)境結(jié)構(gòu)圖

5　結(jié)論

本文主要針對(duì)目前ESP系統(tǒng)技術(shù)的研究，將模糊控制和MCU等技術(shù)應(yīng)用于車輛安全系統(tǒng)的研究。ESP系統(tǒng)工作電壓范圍9 V～16 V;工作溫度－40℃～125℃;整個(gè)系統(tǒng)采用雙芯片框架設(shè)計(jì)，滿足失效安全機(jī)制;可以實(shí)現(xiàn)與ABS、TCS系統(tǒng)功能的無縫結(jié)合。本系統(tǒng)適用于各種路面，穩(wěn)定可靠，魯棒形強(qiáng)。

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王愛軍(1968－)，男，山東濟(jì)陽人，高級(jí)實(shí)習(xí)指導(dǎo)教師，新鄉(xiāng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息系，主要研究方向?yàn)殡娮釉O(shè)計(jì)與芯片級(jí)維修技術(shù)，79046248@ qq．com。

收稿日期:2014－04－23修改日期: 2014－05－16

中圖分類號(hào):TP273．4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1005－9490(2015) 02－0469－04