計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)在汽車ABS部件試驗(yàn)臺(tái)上的運(yùn)用分析

摘要：作為保障車輛安全的關(guān)鍵性系統(tǒng)組件，ABS系統(tǒng)能夠規(guī)避車輛制動(dòng)失控風(fēng)險(xiǎn)，在汽車緊急制動(dòng)時(shí)為其提供良好的操縱狀態(tài)，因此加強(qiáng)汽車ABS部件檢測(cè)試驗(yàn)工作具有重要意義。以計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)在ABS試驗(yàn)臺(tái)中的作用作為切入點(diǎn)，分析了計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求，同時(shí)分別基于硬件架構(gòu)以及軟件體系兩方面分析了汽車ABS試驗(yàn)臺(tái)中計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)的應(yīng)用情況，并給出了相應(yīng)的應(yīng)用實(shí)例，以期為有關(guān)從業(yè)者提供參考。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)；車輛制動(dòng)；性能檢測(cè)；體系設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：U467" 收稿日期：2023-06-22

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.12.021

1 前言

汽車ABS系統(tǒng)又稱制動(dòng)防抱死系統(tǒng)，其能夠在車輛制動(dòng)過程中合理控制制動(dòng)力的大小，使車輪始終處于抱死臨界點(diǎn)，有效提升了車輪與路面之間的附著力。但受到技術(shù)因素的影響和制約，在傳統(tǒng)的汽車工業(yè)生產(chǎn)過程中，對(duì)車輛ABS部件進(jìn)行的試驗(yàn)與檢測(cè)工作往往較為粗放，相關(guān)數(shù)據(jù)信息的整合不夠全面，很難適應(yīng)現(xiàn)代汽車市場(chǎng)有關(guān)ABS系統(tǒng)的需求，因此從業(yè)者應(yīng)當(dāng)明確計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)在試驗(yàn)檢測(cè)領(lǐng)域當(dāng)中的價(jià)值，推動(dòng)車輛ABS系統(tǒng)性能的不斷優(yōu)化與進(jìn)步。

2 計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)在ABS試驗(yàn)臺(tái)中的作用

2.1 降低檢測(cè)成本

傳統(tǒng)的汽車ABS試驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)主要包括平板式檢測(cè)臺(tái)檢測(cè)技術(shù)、實(shí)車道路檢測(cè)技術(shù)等幾種形式，而上述檢測(cè)技術(shù)往往需要大規(guī)?？臻g予以支持，這樣才能將車輛的制動(dòng)性能、操縱性能等相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與整合，支出規(guī)模較大。而通過在ABS試驗(yàn)臺(tái)性能檢測(cè)中應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)，能夠有效減少試驗(yàn)檢測(cè)過程對(duì)空間與成本的占用，提升ABS系統(tǒng)設(shè)計(jì)與檢測(cè)效益[1]。

2.2 提升檢測(cè)效率

相較于傳統(tǒng)的ABS部件試驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)方法，采用計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)予以支持，能夠?qū)⑵湫阅軝z測(cè)周期進(jìn)一步縮短，單次檢測(cè)時(shí)長(zhǎng)能夠控制在5 min以內(nèi)，因此具有大規(guī)模推廣的價(jià)值。

2.3 準(zhǔn)確進(jìn)行故障定位

運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)進(jìn)行汽車ABS部件的性能試驗(yàn)與檢測(cè)工作，能夠較為準(zhǔn)確地定位系統(tǒng)運(yùn)行過程中所發(fā)生的各項(xiàng)故障，積極判斷車輛ABS運(yùn)行過程中的狀態(tài)，使ABS系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)能夠得到及時(shí)優(yōu)化，保障車輛運(yùn)行安全。

3 計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求

為了更好地在車輛ABS部件試驗(yàn)臺(tái)中發(fā)揮出計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)的價(jià)值和作用，相關(guān)技術(shù)團(tuán)隊(duì)以及從業(yè)者應(yīng)當(dāng)針對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)與功能需求進(jìn)行全面定位，使其能夠充分契合車輛運(yùn)行設(shè)計(jì)特點(diǎn)。

3.1 輪速曲線與車身速度曲線

在我國當(dāng)前的汽車工業(yè)發(fā)展進(jìn)程中，尚未針對(duì)ABS部件的相關(guān)性能指標(biāo)進(jìn)行明確規(guī)定，因此在針對(duì)ABS試驗(yàn)臺(tái)中計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的同時(shí)，有關(guān)從業(yè)者可以基于實(shí)際交通運(yùn)行狀況以及其他國家的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行綜合分析，進(jìn)而使車輛ABS系統(tǒng)的整體性能能夠更好地展現(xiàn)在計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)中。

從車輛行駛與制動(dòng)原理來看，對(duì)于正常運(yùn)作的ABS系統(tǒng)與部件，其車身速度曲線往往較為穩(wěn)定，而為了進(jìn)一步控制車輛在制動(dòng)狀態(tài)下的穩(wěn)定性與操縱性，還應(yīng)確保車輪輪速曲線分布于車身速度曲線周邊，并伴隨車身速度曲線不斷呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，直至車輛完全制動(dòng)，車速降至最低。在這一過程中，及時(shí)掌握輪速曲線與車身速度曲線之間的關(guān)聯(lián)性特征即能夠有效明確車輛ABS系統(tǒng)的運(yùn)行特征，從而實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)與檢測(cè)目標(biāo)。在針對(duì)計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與構(gòu)建的同時(shí)，應(yīng)確保其具備制動(dòng)過程模擬以及速度信息采集等相關(guān)功能，同時(shí)還能針對(duì)輪速與車身速度之間的關(guān)聯(lián)特性進(jìn)行可視化處理，形成函數(shù)圖像，使ABS總成的裝配能夠具備更加準(zhǔn)確的參考信息。

3.2 滑移率曲線

滑移率，主要指的是車輛在制動(dòng)過程當(dāng)中滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)所占的比重，是影響車身姿態(tài)以及操作性能的一項(xiàng)關(guān)鍵性指標(biāo)。其計(jì)算公式為：

[λ=uw-rr0ωwuw×100%]

式中，[uw]為車輛行駛過程中車輪中心的速度；[rr0]為理想狀態(tài)下的車輪運(yùn)動(dòng)半徑；[ωw]為車輪的角速度，通過實(shí)踐與計(jì)算過后能夠得出結(jié)論，當(dāng)滑移率為10%～25%之間時(shí)，車輛輪胎與地面之間的附著能力較好，同時(shí)車輛的制動(dòng)效能與可操縱性能夠達(dá)到相應(yīng)的平衡，是確保車輛運(yùn)行安全的關(guān)鍵所在。在針對(duì)計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)功能模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)的同時(shí)，應(yīng)確保其具備滑移率的計(jì)算能力以及曲線變化分析能力，使車輛在制動(dòng)狀態(tài)下ABS介入時(shí)輪胎滑移率得到有效展現(xiàn)，使技術(shù)團(tuán)隊(duì)能夠針對(duì)ABS系統(tǒng)介入有效性以及車輛制動(dòng)過程中的安全性具備相應(yīng)的認(rèn)知，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)化提供支持。

3.3 附著系數(shù)利用率

在車輛的正常行駛過程中，整車對(duì)于地面的附著系數(shù)往往與地面強(qiáng)度、輪胎花紋、輪胎氣壓、驅(qū)動(dòng)輪負(fù)荷以及車輛行駛速度等相關(guān)因素相關(guān)，而這也是車輛ABS系統(tǒng)介入與運(yùn)行效率的一項(xiàng)關(guān)鍵性體現(xiàn)。通過計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)，能夠針對(duì)制動(dòng)情況下車輛對(duì)地面的附著系數(shù)進(jìn)行分析，使ABS系統(tǒng)的性能能夠得到更加客觀的評(píng)估與檢測(cè)。按照歐洲關(guān)于ABS系統(tǒng)介入過程中對(duì)路面附著系數(shù)利用情況的要求，在基于計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)對(duì)ABS系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)的同時(shí)，應(yīng)確保路面的附著系數(shù)利用率在75%～100%之間，并保障測(cè)量權(quán)威性以及測(cè)量精度，進(jìn)一步強(qiáng)化車輛行駛安全以及制動(dòng)安全[2]。

3.4 制動(dòng)距離

在車輛行駛制動(dòng)過程中，關(guān)系到行車安全的另一項(xiàng)重要因素就是車輛的制動(dòng)距離，這一指標(biāo)主要指的是車輛在制動(dòng)過程中從啟動(dòng)制動(dòng)裝置到車輛完全停止所行駛過的距離，該指標(biāo)還能夠成為制動(dòng)器性能檢測(cè)以及最佳制動(dòng)車速分析的關(guān)鍵性依據(jù)。在運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)助力車輛制動(dòng)時(shí)應(yīng)分別針對(duì)ABS介入情況以及整車制動(dòng)距離兩項(xiàng)基本參數(shù)進(jìn)行綜合分析，使車輛的制動(dòng)性能能夠得到直觀展現(xiàn)，提升車輛的制動(dòng)效果。

3.5 制動(dòng)工況

車輛制動(dòng)系統(tǒng)主要可分為鼓式制動(dòng)器、盤式制動(dòng)器等兩種，且上述制動(dòng)設(shè)備以及制動(dòng)器材在運(yùn)行過程中受到環(huán)境因素的影響，可能會(huì)產(chǎn)生較為明顯的故障與問題，其中包括制動(dòng)器過熱、回位不良、氣路漏氣、彈簧強(qiáng)度不足等，對(duì)車輛的試驗(yàn)測(cè)試可能會(huì)造成一定的負(fù)面影響。因此相關(guān)技術(shù)團(tuán)隊(duì)以及從業(yè)者應(yīng)當(dāng)立足于實(shí)際針對(duì)車輛的制動(dòng)工況進(jìn)行合理分析，同時(shí)掌握ABS介入后制動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，確保制動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行壽命與可靠性都能夠達(dá)到預(yù)期要求。

4 硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)

為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)與要求，促進(jìn)車輛ABS部件試驗(yàn)測(cè)試流程的進(jìn)一步優(yōu)化，提升技術(shù)團(tuán)隊(duì)對(duì)計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)運(yùn)行情況的掌握力度，需要針對(duì)性優(yōu)化系統(tǒng)硬件架構(gòu)，使部件試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)試安全性、控制功能性以及穩(wěn)定性得到進(jìn)一步提升，有效緩解外部環(huán)境因素給計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)帶來的干擾，提升輔助系統(tǒng)運(yùn)行過程中的容錯(cuò)率與兼容能力，使其能夠?yàn)檐囕vABS系統(tǒng)的正常運(yùn)行提供更加有效的支持。

4.1 信號(hào)采集模塊

在車輛制動(dòng)以及ABS相關(guān)系統(tǒng)部件的運(yùn)行過程中，可能會(huì)涉及輪速、溫度、壓力等多項(xiàng)數(shù)據(jù)指標(biāo)，如何針對(duì)上述信號(hào)進(jìn)行采集與整合成為計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)在ABS試驗(yàn)臺(tái)中的重要應(yīng)用目的。在輪速采集模塊的設(shè)計(jì)與搭建過程主要涵蓋了車身速度以及四個(gè)不同車輪的輪速，對(duì)于信號(hào)采集的實(shí)時(shí)性與采集精度均提出了一定的要求。為此選用E6B2-CWZ3E編碼器作為主要測(cè)定與采集元件。與此同時(shí)，基于光電編碼器的原理及其信號(hào)輸出頻率特征，可采用側(cè)頻法對(duì)回傳的輪速信號(hào)進(jìn)行采集與處理，在一定時(shí)間周期中對(duì)信號(hào)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而掌握車輛運(yùn)行以及制動(dòng)過程中的輪速狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的采集目標(biāo)。在本次研究過程中，選用雙片計(jì)數(shù)器進(jìn)行測(cè)定，并將其分別作為脈沖發(fā)生器以及脈沖數(shù)記錄器，使ABS介入狀態(tài)下車輛運(yùn)行過程中的輪速數(shù)據(jù)和信號(hào)能夠得到及時(shí)回傳與采集[3]。

除了采用光電編碼器針對(duì)車輛制動(dòng)過程中的輪速進(jìn)行計(jì)數(shù)與監(jiān)控之外，還需要對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)溫度、壓力等相關(guān)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，技術(shù)人員應(yīng)按照信號(hào)采集要求分別采用傳感器接入計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)，使試驗(yàn)臺(tái)檢測(cè)過程當(dāng)中的性能表現(xiàn)以及關(guān)鍵指標(biāo)變化情況能夠得到及時(shí)處理，盡可能減少檢測(cè)與采集過程中所存在的各項(xiàng)誤差。

4.2 數(shù)據(jù)處理與控制模塊

在ABS試驗(yàn)臺(tái)數(shù)據(jù)信號(hào)的采集過程中，由于受到環(huán)境因素的影響，所以系統(tǒng)性能信號(hào)可能會(huì)遭遇一定的干擾，影響其參考價(jià)值。因此在對(duì)ABS系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)之前，還需要借助計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)對(duì)采集過后的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行預(yù)處理，有效消除干擾噪聲給信號(hào)造成的影響與污染，確保ABS系統(tǒng)在車輛制動(dòng)時(shí)的正常運(yùn)行。在本次研究過程中的數(shù)據(jù)預(yù)處理以及抗干擾，分別選用了濾波器、光電耦合隔離、屏蔽線等硬件設(shè)施，實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的有效控制，使模擬信號(hào)、外界光源、靜電以及環(huán)境噪聲對(duì)ABS系統(tǒng)運(yùn)行信號(hào)的影響得到針對(duì)性控制，使數(shù)據(jù)信息的傳輸更加規(guī)范。

在計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)的控制模塊中，選用了AT89S52單片機(jī)作為主控核心。該產(chǎn)品是AT89C52的全面升級(jí)與換代，具有功耗較低、兼容性強(qiáng)、性能完善、可自定義進(jìn)行編程等優(yōu)勢(shì)和特征，能夠?yàn)橄到y(tǒng)提供靈活高效的控制方案。在AT89S52單片機(jī)內(nèi)部，具備256字節(jié)RAM、32位I/O總線、定時(shí)器、數(shù)據(jù)指針、片內(nèi)晶振以及時(shí)鐘電路等。與此同時(shí)，依托AT89S52單片機(jī)還能實(shí)現(xiàn)不同狀態(tài)電能驅(qū)動(dòng)下的運(yùn)行模式調(diào)整，能夠充分延長(zhǎng)其運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)，減少對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部功能與壽命造成的影響。

4.3 指令執(zhí)行模塊

指令執(zhí)行模塊主要由I/O板、固態(tài)繼電器、調(diào)節(jié)控制設(shè)備組成，當(dāng)計(jì)算機(jī)針對(duì)車輛制動(dòng)狀態(tài)下的ABS系統(tǒng)介入情況做出分析與研判后，能夠輸出相應(yīng)的指令，進(jìn)而對(duì)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行進(jìn)一步控制。指令信號(hào)由單片機(jī)系統(tǒng)發(fā)出，經(jīng)I/O板、光電隔離設(shè)施，進(jìn)而對(duì)ABS系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)的電機(jī)、支撐臺(tái)以及軸距進(jìn)行調(diào)節(jié)與控制，使其能夠完成相應(yīng)的試驗(yàn)檢測(cè)項(xiàng)目，提升檢測(cè)精度。

5 軟件功能設(shè)計(jì)

通過計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)的智能化與自動(dòng)化控制，能夠使車輛ABS試驗(yàn)臺(tái)的運(yùn)行更好地模擬車輛制動(dòng)過程中的常見工況，使中樞計(jì)算機(jī)芯片能夠?qū)BS系統(tǒng)的運(yùn)行信號(hào)反饋進(jìn)行進(jìn)一步分析，使試驗(yàn)檢測(cè)工作的開展更加便捷，檢測(cè)成本得到更優(yōu)控制。

5.1 行程控制

在車輛ABS系統(tǒng)的試驗(yàn)與檢測(cè)過程中，及時(shí)針對(duì)車輛行程以及試驗(yàn)臺(tái)狀態(tài)進(jìn)行控制是保障試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果信度的關(guān)鍵所在。在軟件控制模塊設(shè)計(jì)過程中，由單片機(jī)對(duì)上位機(jī)指令進(jìn)行分析和研判，同時(shí)基于分析結(jié)果針對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部繼電器進(jìn)行控制，由CPLD對(duì)ABS試驗(yàn)臺(tái)的移動(dòng)情況進(jìn)行檢驗(yàn)，并及時(shí)向繼電器下達(dá)控制指令，同時(shí)由傳感器對(duì)試驗(yàn)臺(tái)移動(dòng)距離進(jìn)行測(cè)定與計(jì)算，由上位機(jī)明確試驗(yàn)臺(tái)與車輛是否到位，同時(shí)針對(duì)定時(shí)器運(yùn)行情況進(jìn)行及時(shí)控制，使ABS部件的運(yùn)行狀態(tài)得到及時(shí)反饋[4]。具體流程見圖1。

5.2 升降臺(tái)控制

為了進(jìn)一步適應(yīng)車輛ABS試驗(yàn)檢測(cè)要求，由計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)模擬車輛在制動(dòng)過程中的工況狀態(tài)，還需要基于軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)升降臺(tái)的針對(duì)性控制。由系統(tǒng)內(nèi)部的單片機(jī)設(shè)備接收上位機(jī)指令，并進(jìn)行分析，按照時(shí)間要求對(duì)升降臺(tái)高度進(jìn)行控制，進(jìn)而滿足試驗(yàn)檢測(cè)過程中的工況要求。

5.3 輪速采集

作為反映車輛制動(dòng)狀態(tài)下ABS系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的一項(xiàng)關(guān)鍵性指標(biāo)，明確車輛制動(dòng)輪速對(duì)實(shí)現(xiàn)ABS系統(tǒng)的試驗(yàn)檢測(cè)目標(biāo)具有關(guān)鍵性作用。在軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與規(guī)劃過程中，由CPLD以10 ms為周期向單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)信號(hào)的傳送，同時(shí)針對(duì)相關(guān)信號(hào)以及控制指令進(jìn)行分析和明確，進(jìn)而結(jié)合實(shí)際情況對(duì)外部中斷進(jìn)行打開或屏蔽，使車輛制動(dòng)過程中的輪速表現(xiàn)情況得到及時(shí)調(diào)控。

5.4 制動(dòng)檢測(cè)

車輛制動(dòng)檢測(cè)主要包括電機(jī)控制、數(shù)據(jù)量測(cè)、軸重分析等相關(guān)內(nèi)容，由單片機(jī)對(duì)上位機(jī)指令進(jìn)行辨識(shí)與分析，并針對(duì)定時(shí)器進(jìn)行打開或屏蔽，使車輛的制動(dòng)狀態(tài)以及ABS系統(tǒng)的介入情況都能夠得到更加直觀的展現(xiàn)。

6 系統(tǒng)測(cè)試與分析

基于上文可知，計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)具有界面明確、操作便捷、個(gè)性化選項(xiàng)豐富等特征，在車輛ABS部件試驗(yàn)臺(tái)中發(fā)揮著關(guān)鍵性作用。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)與搭建完成過后，可立足于實(shí)際項(xiàng)目展開相應(yīng)測(cè)試工作，進(jìn)而明確計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)的性能狀態(tài)。本次研究過程中，分別對(duì)ABS系統(tǒng)液壓調(diào)節(jié)器性能、氣動(dòng)電磁閥性能以及系統(tǒng)運(yùn)行可靠性等指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明，計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)能夠?yàn)锳BS系統(tǒng)的試驗(yàn)與測(cè)試提供關(guān)鍵渠道和支持，對(duì)提升車輛安全性能具有重要作用。

7 結(jié)語

采用單片機(jī)作為系統(tǒng)核心的計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)在ABS部件試驗(yàn)臺(tái)的信息采集、數(shù)據(jù)處理以及系統(tǒng)控制等方面均發(fā)揮著關(guān)鍵性作用。相關(guān)技術(shù)團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)當(dāng)優(yōu)化對(duì)計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)的認(rèn)知，促進(jìn)ABS試驗(yàn)測(cè)試準(zhǔn)確性的不斷進(jìn)步。

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作者簡(jiǎn)介：

吳美麗，女，1980年生，研究方向?yàn)樵O(shè)備自動(dòng)化控制和設(shè)備維護(hù)、機(jī)械設(shè)計(jì)和工藝編制。