基于單片機的車身穩(wěn)定系統(tǒng)的研究*

張 松，李 鵬，張 山，杜季軒

(太原科技大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，山西 太原 030024)

汽車行業(yè)是每個國家科技前沿的體現(xiàn)，同時隨著人們生活觀念的不斷提高，對安全性的意識不斷增強。對于提高汽車的主動安全性具有明顯的社會效益和明顯的經(jīng)濟效益，剎車防抱死制動系統(tǒng)ABS 在轎車上已成為一種標準配置，車身電子穩(wěn)定系統(tǒng)(ESP)已成為趨勢，它能在緊急情況下挽救生命。

1 車身穩(wěn)定系統(tǒng)的簡介

1.1 汽車防側(cè)滑的概念

當汽車以較高的車速在表面潮濕或有冰雪的路面上緊急制動時，很可能會出現(xiàn)這樣一些危險的情況比如，車尾在制動的過程中偏離行進的方向，嚴重的時候會出現(xiàn)汽車旋轉(zhuǎn)掉頭，汽車失去方向穩(wěn)定性，這種現(xiàn)象稱為側(cè)滑。

1.2 汽車制動側(cè)滑的危害

汽車在行駛中常因制動引起汽車偏離原定的行駛方向，造成側(cè)向滑移，甚至翻車而引發(fā)交通事故。當汽車在高速時制動，會使汽車完全喪失操縱，尤其后軸側(cè)滑將引起汽車劇烈的回轉(zhuǎn)運動，導(dǎo)致翻車、撞車等惡性事故。汽車的側(cè)滑是目前發(fā)生車禍的重要原因之一，如果我們能夠提高車身穩(wěn)定性能避免側(cè)滑對現(xiàn)在社會以及減低交通事故率有很大幫助。

1.3 引起汽車側(cè)滑的因素

引起汽車側(cè)滑的因素有很多，比如說機件失調(diào)、前橋變形或主銷與銷套松曠、橫直拉桿球頭松曠與雙橫拉桿結(jié)構(gòu)汽車的前束調(diào)整不當，輪轂軸承松曠，邊梁斷裂等。同時在不同的路面其附著系數(shù)不同，且當車左右不對稱時車輪載荷過重都會有橫向力的作用，引起側(cè)滑。在一些裝有防抱死(ABS)制動裝置的汽車，也會因路面凸形不均或其他不良因素而引起側(cè)滑。如果汽車在高速行駛時也會因其附著力小而引起汽車發(fā)生側(cè)滑。另外，單純使用手制動或腳制動(制動間隙不一致)，如果前輪制動輕，后輪制動重，都極易產(chǎn)生側(cè)滑。汽車前后輪制動力不均勻，輪胎氣壓不一樣，輪胎花紋磨平等也會引起制動側(cè)滑。

1.4 汽車制動側(cè)滑的預(yù)防措施

由于汽車發(fā)生側(cè)滑的因素很多，這里主要針對一些常見情況進行預(yù)防。首先針對附著力小的問題，這主要是由于路面的光滑或者有泥濘或者冰雪引起的。在這種情況下最好的辦法就是降低車速。還有就是某些車雖然裝有ABS 但不知時常去檢修，使得其制動性能下降。針對這種情況應(yīng)該經(jīng)常檢修其功能。目前造成交通事故的原因有很多是因為裝載過多引起的車身側(cè)滑，所以我們應(yīng)該合理的裝載。

2 基于單片機控制的穩(wěn)定系統(tǒng)

本系統(tǒng)的研究基于裝有數(shù)據(jù)采集裝置測距傳感器、角度傳感器SCA60 和數(shù)據(jù)處理模塊STC90C516RD+單片機以及飛思卡爾小車?；驹硎峭ㄟ^超聲波測距傳感器測量障礙物的距離，通過AD/DA 轉(zhuǎn)換模塊將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，與預(yù)定值進行比較，若達到條件控制電動機減速或控制舵機轉(zhuǎn)向，從而躲避障礙物。系統(tǒng)的原理圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)原理圖

在轉(zhuǎn)向時，簡化為兩種特殊情況:過度轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)向不足，此時對車身穩(wěn)定系統(tǒng)研究就顯得尤為重要。

1)過度轉(zhuǎn)向表現(xiàn)為車體扭轉(zhuǎn)角度大于轉(zhuǎn)向角度。若產(chǎn)生縱向加速度，加速度傳感器反饋數(shù)據(jù)，控制系統(tǒng)在數(shù)據(jù)反饋后作出降低驅(qū)動的處理，以提高后軸的側(cè)向的附著力，同時給前輪適量相反轉(zhuǎn)向的信號從而處理過度轉(zhuǎn)向的問題。

2)對于轉(zhuǎn)向不足，表現(xiàn)為車輛需要更多的轉(zhuǎn)向輪角度來保持所需行進線路。轉(zhuǎn)向不足是前輪輪胎與地面接觸面的偏滑角建立速度大于后輪輪胎與地面接觸面的偏滑角建立速度造成的。一旦判斷有轉(zhuǎn)向不足傾向，控制系統(tǒng)會自動對轉(zhuǎn)向圓周小的車輪做瞬時制動處理，以產(chǎn)生預(yù)定的滑動率。由于慣性作用，會使小車產(chǎn)生轉(zhuǎn)向，這樣一來轉(zhuǎn)向不足就會被克服。

3 控制方法

該系統(tǒng)采用模糊控制算法，當小車產(chǎn)生縱向加速度時，不止產(chǎn)生使其側(cè)滑和不側(cè)滑的加速度，其值是在一定范圍內(nèi)變化。模糊控制算法將這些加速度與隸屬函數(shù)相比較而產(chǎn)生相應(yīng)的隸屬度，從而控制單片機作出屬于該隸屬度下的命令，使得小車不論在側(cè)滑前、側(cè)滑、側(cè)滑后都可以產(chǎn)生相應(yīng)的校正動作。利用這種控制算法增強系統(tǒng)的控制響應(yīng)速度及對不確定性因素的適應(yīng)性。算法流程如圖2 所示。

圖2 模糊控制算法

原理:

1)模糊化:其主要功能是根據(jù)輸入變量的隸屬度函數(shù)，求出精確的輸入值相對輸入變量各個語言值的隸屬度。設(shè)定輸入變量為u(u 為縱向瞬時加速度與發(fā)生側(cè)滑時加速度的比值)，輸出變量v(v 是小車前輪轉(zhuǎn)角)，E(偏差)和EC(偏差變化率)是經(jīng)過輸入量化后的語言變量，V(模擬控制器輸出的語言變量)。v 為經(jīng)過輸出量化后的實際輸出值，其模糊語言變量的隸屬函數(shù)分別設(shè)計為:

2)V:{LB，LM，LS，M，RS，RM，RB};

3)論域為{－45，－30，－15，0，15，30，45};

4)LB:左大;LM:左中;LS:左小;M:中;RS:右小;RM:右中;RB:右大。

5)模糊規(guī)則推理:模糊推理的輸入量是所有輸入變量的輸入精確值相對輸入變量所有語言值的隸屬度;輸出是輸出各語言值的隸屬度，模糊規(guī)則是模糊控制器的核心，可分為前提和結(jié)論兩部分:前提部分描述原因;結(jié)論部分描述與控制行為相關(guān)的結(jié)果，結(jié)構(gòu)為FR:IF A THEN B［1］。

模糊規(guī)則表采用兩輸入單輸出結(jié)構(gòu)，輸入輸出如表1所示。

表1 模糊規(guī)則表

模糊推理:采用MAX—MIN 法進行模糊推理［2］。設(shè)定E，EC，U 的隸屬度分別是u1，u2，u3，則

反模糊化:將控制變量變?yōu)榫珳实目刂屏?，其輸入是各語言值的隸屬度，輸出是系統(tǒng)輸出變量的精確輸出值。公式:U=∑U5 ×U/∑U5。

4 結(jié)論

在小車轉(zhuǎn)彎時，通過加速度傳感器采集當前信號，利用算法對小車當前車身狀態(tài)作出判斷，通過單片機對車身作出向左大幅度轉(zhuǎn)向、向左微轉(zhuǎn)向、不轉(zhuǎn)向、向右大幅度轉(zhuǎn)向、向右微轉(zhuǎn)向等合理角度的判斷，進一步作出調(diào)整，使得小車縱向加速度減小從而減小車身側(cè)滑，實現(xiàn)車身穩(wěn)定，使小車平穩(wěn)轉(zhuǎn)彎。

［1］(克羅)科瓦稀奇，(克羅)波格丹.模糊控制器設(shè)計理論與應(yīng)用［M］.胡玉玲，張立權(quán)，譯.北京:機械工業(yè)出版社，2010.

［2］李士勇.模糊控制［M］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2011.