汽車ESP實驗系統及其硬件在環仿真研究

陳家琪, 周晶晶

(上海理工大學光電信息與計算機工程學院,上海 200093)

ESP(電子穩定系統)是在汽車防抱死制動系統(ABS)和驅動力控制系統(TCS)等技術的基礎上發展起來的一種新型主動安全控制系統[1].ESP實時監控汽車的運行姿態,依據駕駛員對車輛的操作(包括駕駛員對轉向盤、制動踏板和油門踏板的操作)決策出理想的車輛運行狀態,確保車輛行駛的穩定性和安全性.

ESP是90年代初由德國奔馳公司開發的電子穩定系統.德國BOSCH公司一直是這方面技術的領先者,為國際大多數汽車廠商供應ABS/TCS/ ESP系統.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仿真對ESP系統進行研究.吉林大學、清華大學、上海交通大學及同濟大學等高校和中國重汽集團、上海匯眾汽車制造有限公司等企業也在這方面開展了研究工作.

本文的ESP實驗系統設計采用分層模塊化結構,在建立 9自由度整車模型的基礎上,以 Matlab/ Simulink軟件為主要開發工具,構建一種人機實時交互的ESP硬件在環仿真實驗平臺,介紹了實驗平臺所需要的軟硬件結構,描述了系統軟硬件的關系和交互過程,為電子穩定系統的開發和研究提供實驗條件.

1 ESP實驗系統結構

ESP實驗系統采用分層模塊化設計[2],整個系統共分為控制層、應用層和執行層這3層.ESP實驗系統結構如圖1所示.

控制層根據駕駛員對車輛的輸入和車輛的實際狀態確定需要施加的使車輛恢復穩定狀態的附加橫擺力矩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、側向的加速度;δf為前輪轉角.控制層包含名義橫擺角速度γreq計算模塊[3]和質心側偏角βreq穩定邊界模塊[4],這兩個模塊根據當前駕駛員的輸入和外界環境條件計算出車輛穩定所需要的理想運行狀態.將車輛理想運行狀態(名義橫擺角速度和名義質心側偏角)與實際狀態(橫擺角速度和質心側偏角)提供給橫擺力矩決策模塊,橫擺力矩決策模塊對兩種狀態進行比較判斷,決策出當前車輛恢復穩定狀態所需要的附加橫擺力矩.

圖1 ESP實驗系統結構Fig.1 Structure of ESP experimental system

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

執行層由執行機構和相應的控制模塊組成.輪缸壓力調節模塊將輪缸壓力變化指令通過氣壓控制模塊轉化為泵和電磁閥的狀態指令;發動機扭矩調節模塊將扭矩變化指令轉化為節氣門或噴油量的變化.

2 ESP實驗系統仿真平臺

ESP實驗系統仿真平臺包括用戶操作模塊、數據存儲模塊、網絡通信模塊、動力學模型運算模塊、數據曲線繪制和動畫顯示模塊.其中,用戶操作模塊設置汽車動力學模型的參數和控制運行過程,數據存儲模塊存儲仿真數據,網絡通信模塊負責各個PC機之間的數據通信,動力學模型運行模塊單獨運行在另一臺PC機上,數據曲線模塊實時顯示汽車各個關鍵量的曲線,動畫顯示模塊顯示汽車運行時的姿態動畫.

2.1 硬件組成

ESP實驗系統共由3臺PC機(目標機上裝有多個AD和DA板卡)、方向盤、油門踏板、輪速柜和制動柜實物及發動機CAN(控制器局域網絡)信號模擬的適配器組成.系統硬件組成如圖2所示.

圖2 ESP實驗系統硬件組成Fig.2 Hardware of ESP experimental system

PC1中運行仿真過程中的車輛姿態和軌跡動畫,車輛運行時的狀態數據是由目標機通過UDP協議傳給PC1.PC2中運行用戶設置界面并顯示車輛狀態曲線,同樣通過集線器與目標機相連,可以進行車輛參數修改和仿真的啟動和終止控制.PC3中運行車輛動力學模型,通過AD/DA、RS232串口,并采取UDP協議與外部進行通信.模擬輸出卡PCL726和812PG分別作為DA/AD轉換器使用,在轉換通道上加入光電耦合器,采取光電耦合技術隔離數字地和模擬地,達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,當踏板剎車時傳感器將制動氣室產生的制動力信號通過AD轉換器傳給PC3目標機中的車輛模型.在汽車內部ECU(電子控制單元)里,利用公式計算通過傳感器采集到的脈沖數來反算出車速.車輛模型計算出的當前車速和方向盤轉角通過DA傳遞給ESP控制器,ESP根據當前車輛狀態對發動機和制動系統進行控制,并將發動機的控制信息以CAN信號的方式發向適配器,適配器經過轉換將信息通過RS232串口發給車輛模型,從而完成整個控制過程.其中,RS232串口波特率設為57 600 b/s,以適應模型與ESP之間的快速數據傳輸,并通過檢測接收到的數據幀的首部判斷信息幀的開始,信息幀結束有校驗和.如果校驗和錯誤,則拋棄整個幀,直到收到新的數據幀為止.

2.2 仿真模型

采用Matlab/Simulink實現的車輛動力學模型如圖3所示.

圖3 由Matlab/Simulink實現的車輛動力學模型Fig.3 Vehicle dynaminc model based on Matlab/Simulink

ESP實驗系統選用9自由度整車模型,主要考慮車輛的縱向運動、側向運動、簧上剛體運動、側傾運動、橫擺運動、輪子轉動及側偏運動等.該模型包括整車模型、驅動系、傳動系模型及輪胎模型等部分.輪胎模型采用基于實測數據的經驗公式——魔術公式(magic formula),發動機模型采用MAP圖查表建模.具體的模型結構和組成見文獻[5].

車體模型模塊CarBody輸出車輛的各種運行參數,輪胎模型模塊CarTyre輸出車輛輪胎的縱向力和側向力,發動機模型模塊Engine輸出發動機的輸出扭矩和發動機的轉速,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負責接收ESP通過適配器發送的控制信息,輪速模塊VwOutput負責將當前的各個輪子的轉速發送給輪速柜實物,輪速柜體現出當前的輪子的轉速,通信模塊RS232Send負責將車輛的部分狀態通過適配器傳給ESP,網絡模塊Pack和Send將車輛的部分狀態信息打包并在局域網中廣播發送,PC1和PC2接收到廣播信息并顯示車輛動畫和狀態曲線.

使用RTW(實時仿真)代碼生成工具將構建好的SIMULINK模型自動生成可執行代碼,下載到PC3目標機上進行仿真.該仿真系統可以根據不同的參數設置,合成不同的整車模型進行仿真實驗.

3 ESP實驗結果與分析

3.1 車輛動力學性能分析

為了檢驗車輛動力學模型的有效性,進行了角階躍實驗.車輛以90 km/h的速度在模擬混凝土路面(路面附著系數μ=0.8)上勻速行駛,以盡快的速度(在1 s之內)將方向盤轉到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驗可以看出,本文中所采用的車輛動力學模型符合車輛角階躍穩態實驗的要求,驗證了模型的有效性.

3.2 汽車ESP仿真實驗

為了檢驗ESP實驗系統的性能,車輛以初始車速32 km/h在模擬混凝土路面(μ=0.8)上進行了蛇形穿桿實驗[6],對實車和模型進行比較.仿真初始速度和方向盤轉角均采用實車實驗時的實際數據.實驗數據與仿真數據的對比如圖5所示.α為方向盤轉角.

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

圖5 蛇形穿桿仿真和實驗數據對比Fig.5 Performance comparison of real cars with models through a pylon slalom test

由圖5可以看出,仿真得到的側向加速度和橫擺角速度與實車實驗時的數據保持了較好的一致性,變化趨勢吻合良好,因此,上述ESP仿真實驗模型能滿足ESP控制仿真要求[6].車輛3D姿態顯示界面如圖6所示.

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

4 結束語

根據產品開發的要求設計了ESP實驗系統結構,介紹了該系統的軟硬件組成,描述了系統軟硬件之間的關系及交互過程.

駕駛員對車輛的操縱將直接影響車輛的運行狀態,因此,建立汽車ESP實驗臺必須考慮駕駛員的行為,如駕駛員對轉向盤、制動踏板和油門踏板的操作,構成一個“人車環境”閉環仿真系統.

研發了一種人機實時交互的ESP硬件在環仿真實驗平臺.通過采用角階躍實驗和蛇形穿桿實驗進行分析,結果表明,該系統有效性高、實時性強且功能完備,為汽車ESP產品的開發提供了有效手段,并可用于ESP產品性能的檢驗和展示.

[1] VAN ZANTEN A T.Bosch ESP systems:5 years of experience[J].SAE Paper,2000,16(33):354-364.

[2] 付皓.汽車電子穩定性系統質心側偏角估計與控制策略研究[D].吉林:吉林大學,2008.

[3] 余志生.汽車理論[M].北京:機械工業出版社,2009.

[4] SHOJI Inagaki,IKOU Kshiro,M ASAKI Yamamoto. Analysis on vehicle stability in critical cornering using phase-plane method[J].SAE Paper,1994,3(8): 411-419.

[5] 陳家琪,王偉哲,高超.ESP系統實驗平臺的研發[J].計算機工程與應用,2009,45(19):72-74.

[6] TEI Hong,TSENG Eric,ASHRAFI Behrouz,et al. The development of vehicle stability control at ford [J].IEEE/ASME Transactionson Mechatronics, 1999,4(3):223-234.