基于FlexRay通信的汽車(chē)線控制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郭超++張鳳登

摘要：隨著汽車(chē)電氣自動(dòng)化的深入發(fā)展，線控技術(shù)成為汽車(chē)控制領(lǐng)域的重要研究課題之一。為提高系統(tǒng)在故障狀態(tài)下的運(yùn)行能力，提高這類(lèi)強(qiáng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的可靠性、安全性和穩(wěn)定性，提出了汽車(chē)在制動(dòng)節(jié)點(diǎn)故障狀態(tài)下的制動(dòng)力分配策略。建立了一種線控制動(dòng)模型，通過(guò)對(duì)線控制動(dòng)系統(tǒng)提出的制動(dòng)力分配策略，對(duì)節(jié)點(diǎn)故障下制動(dòng)力分配策略進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)與分析驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)表明，該制動(dòng)力分配策略可使汽車(chē)在節(jié)點(diǎn)故障的情況下順利完成汽車(chē)減速或停止動(dòng)作，提高了系統(tǒng)安全性和可靠性。

關(guān)鍵詞：線控制動(dòng)；FlexRay；制動(dòng)力分配；故障運(yùn)行

DOIDOI：10.11907/rjdk.171660

中圖分類(lèi)號(hào)：TP319文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：16727800（2017）010011203

0引言

隨著車(chē)速和車(chē)重的不斷提高，對(duì)汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)的要求也越來(lái)越高，制動(dòng)性能已成為檢驗(yàn)汽車(chē)安全可靠性能的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)[1]。相較于傳統(tǒng)液/氣壓制動(dòng)系統(tǒng)，線控制動(dòng)系統(tǒng)具有顯著優(yōu)勢(shì)[2]。在線控制動(dòng)系統(tǒng)中，用導(dǎo)線取代了液壓管路，無(wú)液體媒介參與，因而對(duì)制動(dòng)命令的響應(yīng)速率比液壓制動(dòng)系統(tǒng)快得多，同時(shí)，電子執(zhí)行器的響應(yīng)頻率比氣/液壓要高很多。與此同時(shí)，響應(yīng)速率的加快，較好地改善了防滑性。由于去掉了液壓配件，失效危險(xiǎn)大大降低，提升了安全性，也減輕了質(zhì)量[3]。

1線控制動(dòng)系統(tǒng)

1.1線控制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

線控制動(dòng)系統(tǒng)共設(shè)計(jì)5個(gè)節(jié)點(diǎn)完成整個(gè)制動(dòng)操作。其中，中央控制節(jié)點(diǎn)1個(gè)，制動(dòng)力控制節(jié)點(diǎn)4個(gè)。

1.2制動(dòng)力分配策略

1.2.1三輪制動(dòng)模式

當(dāng)某一制動(dòng)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)，汽車(chē)必須啟動(dòng)緊急制動(dòng)方案，這時(shí)必然存在一側(cè)單輪制動(dòng)，一側(cè)雙輪制動(dòng)[4]。Control of Brake and SteerbyWire Systems During Brake Actuator Failure一文中提到，在三輪制動(dòng)過(guò)程中，單側(cè)車(chē)輪制動(dòng)力等于另外一側(cè)雙輪制動(dòng)力之和時(shí)車(chē)輛不會(huì)跑偏[5]。在車(chē)速很高的情況下，必須在有限保證車(chē)輛穩(wěn)定的前提下施加制動(dòng)力。當(dāng)車(chē)速降到一個(gè)比較安全的范圍后再逐漸增大雙輪制動(dòng)側(cè)的制動(dòng)力，以便迅速使車(chē)輛安全制動(dòng)。這時(shí)車(chē)輛兩側(cè)制動(dòng)力分配不均勻，但由于車(chē)速較低，可通過(guò)調(diào)整方向盤(pán)來(lái)保持車(chē)輛穩(wěn)定性。三輪制動(dòng)模式的制動(dòng)力分配曲線如圖1所示。

圖1三輪制動(dòng)力變化曲線

（1）假設(shè)故障輪在左側(cè)，則在高速段按如下策略進(jìn)行制動(dòng)力分配：

FL=FRF+FRR（1）

其中，F(xiàn)L為左側(cè)制動(dòng)力，F(xiàn)RF、FRR為施加在右側(cè)前后車(chē)輪制動(dòng)力大小。

（2）在過(guò)渡段按如下策略進(jìn)行制動(dòng)力分配：

在故障側(cè)達(dá)到最大附著極限之前制動(dòng)力分配策略同公式（1）。故障側(cè)達(dá)到附著極限以后，緩慢增加右前輪制動(dòng)力：

FRR=FRF·FZRdynFZFdyn（2）

（3）在低速段，F(xiàn)RR制動(dòng)力分配策略同公式（2），F(xiàn)L制動(dòng)力分配策略相同，見(jiàn)公式（1）。

1.2.2兩輪制動(dòng)模式

兩輪制動(dòng)分同軸制動(dòng)和對(duì)角制動(dòng)兩種情況。當(dāng)同軸的兩個(gè)車(chē)輪制動(dòng)器發(fā)生故障時(shí)，無(wú)故障軸左右兩個(gè)車(chē)輪的制動(dòng)力應(yīng)保持相等。隨著制動(dòng)意圖增加，當(dāng)制動(dòng)力達(dá)到最大地面附著極限時(shí)，制動(dòng)力保持最大不變。對(duì)角制動(dòng)時(shí)，由于前后輪可提供的最大制動(dòng)力不同，隨著制動(dòng)意圖的增大，后輪會(huì)優(yōu)先達(dá)到最大附著極限，后輪制動(dòng)力不再隨著制動(dòng)意圖的增大而增加，這時(shí)可緩慢增大前輪制動(dòng)力，使其達(dá)到前輪附著極限，最大利用地面附著系數(shù)。

（1）同軸制動(dòng)力分配策略如下：

FL=FR≤Fmax（3）

其中FL、FR分別為無(wú)故障左側(cè)、右側(cè)車(chē)輪制動(dòng)力，F(xiàn)max為后輪最大制動(dòng)力。

（2）對(duì)角制動(dòng)力分配策略如下：

FR=FF·FZRdynFZFdyn（4）

其中FL、FR分別為無(wú)故障左側(cè)、右側(cè)車(chē)輪制動(dòng)力。

1.2.3同側(cè)雙輪與單輪制動(dòng)模式

當(dāng)汽車(chē)發(fā)生同側(cè)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)故障或三節(jié)點(diǎn)同時(shí)故障時(shí)，需要盡可能地應(yīng)對(duì)當(dāng)前危險(xiǎn)狀態(tài)。在單輪制動(dòng)情況，不能單純依靠制動(dòng)節(jié)點(diǎn)制動(dòng)，此時(shí)應(yīng)充分發(fā)揮主觀能動(dòng)性，通過(guò)控制方向盤(pán)來(lái)保持車(chē)體方向。在速度較高情況下，施加較小的制動(dòng)力，隨著車(chē)速的降低再逐漸增大汽車(chē)制動(dòng)力?？梢蚤g歇式施加制動(dòng)力，在保障汽車(chē)方向的前提下盡可能讓汽車(chē)停止前進(jìn)。

2線控制動(dòng)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1硬件設(shè)計(jì)方案

線控制動(dòng)系統(tǒng)共設(shè)計(jì)5個(gè)節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2線控制動(dòng)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.2微控制器MC9S12XF512最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

線控制動(dòng)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)采用Freescale公司的16位車(chē)用微處理器，可滿足線路板空間有限且又要求具有高性能、高穩(wěn)定性、可靠性的應(yīng)用，具有高速率、高穩(wěn)定性、成本低等特點(diǎn)[7]。

2.3制動(dòng)意圖采集模塊設(shè)計(jì)

采用壓力傳感器模擬駕駛員制動(dòng)意圖信息。壓力傳感器選用電阻應(yīng)變式傳感器，將力學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。壓力傳感器將制動(dòng)意圖（力信號(hào)）轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)傳給微控制器。微控制器根據(jù)采集到的數(shù)字信號(hào)和制動(dòng)力分配算法來(lái)控制制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作[8]。

3線控制動(dòng)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)軟件架構(gòu)

線控制動(dòng)系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖3所示，該圖清晰地描述了整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流向：中央節(jié)點(diǎn)1采集壓力傳感器數(shù)據(jù)，以此判斷駕駛員制動(dòng)意圖；根據(jù)其余4個(gè)節(jié)點(diǎn)采集并傳送到中央控制節(jié)點(diǎn)的輪速，由制動(dòng)力分配算法合理分配制動(dòng)力矩，然后傳送到4個(gè)節(jié)點(diǎn)；4個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)此數(shù)據(jù)控制磁粉制動(dòng)器制動(dòng)，以完成可靠有效的停車(chē)制動(dòng)。

本系統(tǒng)控制邏輯主要由節(jié)點(diǎn)1完成。節(jié)點(diǎn)1起著故障監(jiān)測(cè)及制動(dòng)力分配的重要作用。節(jié)點(diǎn)1循環(huán)監(jiān)測(cè)制動(dòng)意圖以及故障情況，當(dāng)監(jiān)測(cè)到駕駛員制動(dòng)意圖時(shí)會(huì)迅速判斷節(jié)點(diǎn)故障狀態(tài)。當(dāng)有節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，節(jié)點(diǎn)會(huì)根據(jù)相應(yīng)的制動(dòng)力分配策略分配制動(dòng)力[9]。endprint

3.3線控制動(dòng)系統(tǒng)從節(jié)點(diǎn)

本系統(tǒng)通過(guò)控制PWM波實(shí)現(xiàn)磁粉制動(dòng)器的線性控制。從節(jié)點(diǎn)的主要作用就是接收中央控制節(jié)點(diǎn)的制動(dòng)力分配策略，根據(jù)駕駛員制動(dòng)意圖完成汽車(chē)減速或者停車(chē)。此外制動(dòng)節(jié)點(diǎn)還要實(shí)時(shí)采集當(dāng)前輪速，反饋給中央控制節(jié)點(diǎn)，從而更加安全合理地分配制動(dòng)策略。

4實(shí)驗(yàn)及分析

4.1實(shí)驗(yàn)方法

采用TrueTime Simulator & RealTime Debugger進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真，數(shù)據(jù)采集采用PC端仿真器，制動(dòng)力采集采用輸入磁粉制動(dòng)器兩端電壓進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)人為多次改變制動(dòng)意圖，觀測(cè)4個(gè)制動(dòng)力執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出的制動(dòng)力大小[10]，通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)參數(shù)的變化判斷系統(tǒng)性能。

4.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

設(shè)置制動(dòng)節(jié)點(diǎn)故障，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)相應(yīng)故障狀態(tài)下的制動(dòng)策略。在故障狀態(tài)下，施加制動(dòng)意圖，通過(guò)測(cè)量不同時(shí)速下從施加制動(dòng)意圖到汽車(chē)停止的距離得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖4所示?！稒C(jī)動(dòng)車(chē)運(yùn)行安全技術(shù)條件》要求汽車(chē)緊急制動(dòng)情況下，初始速度在30km/h時(shí)制動(dòng)距離應(yīng)小于38.0m。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本系統(tǒng)在單節(jié)點(diǎn)故障、兩節(jié)點(diǎn)故障情況下，在初始速度為30km/h時(shí)，制動(dòng)距離均小于38.0m，滿足了緊急情況下對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)的要求。系統(tǒng)三節(jié)點(diǎn)故障和同側(cè)兩節(jié)點(diǎn)故障屬于嚴(yán)重故障，此時(shí)可以保障汽車(chē)安全停止，但為了優(yōu)先保障安全性，制動(dòng)距離和制動(dòng)時(shí)間有所增加。所以，本系統(tǒng)采用的制動(dòng)策略可以保障汽車(chē)在故障狀態(tài)下穩(wěn)定停車(chē)。

5結(jié)語(yǔ)

本文論述了基于FlexRay通信的汽車(chē)線控制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，選擇一種汽車(chē)線控制動(dòng)方案來(lái)搭建汽車(chē)線控制動(dòng)硬件模型，并提出了一種新的制動(dòng)力分配策略，使本系統(tǒng)可以在制動(dòng)節(jié)點(diǎn)故障狀態(tài)下，完成三輪制動(dòng)、兩輪制動(dòng)、單輪制動(dòng)，很大程度上提高了系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。

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責(zé)任編輯（責(zé)任編輯：杜能鋼）endprint