基于XC2365和模糊算法的車輛ESP系統研究與設計

2015-02-21 09:00:31王愛軍新鄉職業技術學院電子信息系河南新鄉453000

電子器件 2015年2期

王愛軍，孫　明(新鄉職業技術學院電子信息系，河南新鄉453000)

王愛軍*，孫明
(新鄉職業技術學院電子信息系，河南新鄉453000)

摘要:設計了基于模糊控制算法技術和微控制器XC2365的車輛電子穩定系統ESP(Electronic Stability Program)。該系統通過傳感器收集車輛的行駛狀態數據，并將系統送至微控制器XC2365，控制器根據模糊算法進行車輛行駛輔助控制。整個系統通過MATLAB軟件仿真，滿足ESP控制策略要求。通過實地實驗結果表明該系統安全性強，能夠適應各種路況要求，保證車輛在行駛過程的穩定性和駕駛員的人身安全。

關鍵詞:車輛電子穩定系統;微控制器; MATLAB;模糊控制

隨著汽車普及率的逐年提高，人們對汽車安全性的標準逐漸提高，因此車內的安全系統功能不斷完善。在車內安全系統領域中汽車穩定系統ESP(Electronic Stability Program)是一個重要的發展方向。ESP系統通過車內的多種傳感器對車輛進行實時監控，將實時數據發給ECU進行分析計算，識別駕駛員的駕駛意圖，對可能出現的危險形式作出輔助控制，從而保證車輛的架勢穩定性。有數據顯示，安裝ESP系統的車輛的交通事故率下降了21%～51%。因此ESP系統得到了廣泛的認可［1－2］。

國內配備ESP系統的車輛僅占19%，遠低于歐美國家的75%的裝配率，主要國內汽車動力學研究較晚。本文將ESP系統的原理與電子、自動化多專業相結合，設計了車輛ESP系統［3－5］。

1　系統的總體設計

ESP系統主要是在路面濕滑、轉彎、高速躲避障礙物的情況下對車輛行駛時的轉向不足、甩尾等危險狀態及時作出修正和輔助控制。

整個ESP系統如圖1所示，由傳感器模塊、制動單元和控制器模塊構成。結合圖1，整個系統的硬件結構如圖2所示。

圖1　ESP系統結構圖

ESP系統對方向盤轉角傳感器和4路車輛輪速傳感器的信號進行計算分析，得到車輛實時的穩定狀態和方向信息。橫擺角速度傳感器和橫向加速度信號傳至主控制器后，主控制器會進行計算并和先前得到的車輛穩定狀態信息、方向信息做對比。經過對比，兩者數據信息對應一致，則ESP系統可以確定車輛處于安全駕駛狀態;若不一致，則車輛處于轉向不足和甩尾的危險駕駛狀態;此時ESP系統中的主控制器會發出控制命令到電磁閥單元，對車輪進行制動或加速，來糾正車輛的危險駕駛狀態。

圖2　ESP系統硬件結構圖

2　系統硬件設計

ESP系統的主控制器采用英飛凌公司的XC2365，XC2365內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，實現數據通信。從控制器采用的是英飛凌公司的XC866芯片。從控制器根據主控制器發送的信息判斷各個傳感器信號和主控制器工作狀態是否正常。從控制器會在主控制器發生故障時，會接管整個ESP系統的控制器優先權。

2．1 CAN總線網絡模塊電路設計

XC2365集成了CAN控制器，需要配合CAN總線收發器TLE6251GS實現連接到整個車輛的CAN總線網絡上。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時數據通過CAN總線網絡傳送至主控制器XC2365。

圖3　CAN總線通信模塊電路原理圖

2．2傳感器模塊電路設計

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。陀螺儀內部集成了角速率傳感器和信號調理電路，輸出信號為模擬信號，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程度，偏轉程度代表著汽車安全行駛的穩定程度。

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(X軸和Y軸)的測量主要是使用AD公司的加速度計ADXL203，電路原理圖如圖5所示。4路輪速信號的采集主要是使用霍爾傳感器，霍爾傳感器輸出的信號首先需要經過濾波電路，濾去高頻的干擾信號。再經過信號調理電路比較、整形成方波信號，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系統電源供電設計

整個ESP系統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系統需要穩定的直流供電，所以采用英飛凌公司的TLE4254GA電源轉換芯片，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執行機構設計

車輛處于危險狀態下，ESP系統會對執行機構中的電磁閥發出控制命令，對車輛的特定車輪施加制動力或增加動力。針對電磁閥的驅動主要采用英飛凌公司的TLE6228芯片，以此實現電磁閥的增壓或減壓。

3　模糊控制器設計

在進行ESP控制算法設計方面，本設計將整個車輛作為一個整體，看作是二自由度的模型。車輛的行駛方向為X軸，側向運動方向為Y軸，車輛運行平面的垂直方向為Z軸。二自由度分別是Y軸和Z軸。車輛的穩定性穩定可以基于二自由度模型，簡化為側向和橫擺運動方向的模型。

橫擺運動方向的信號可以通過橫擺角速度傳感器ADXRS62X測量得到，而在側向方向的信號為質心側偏角。質心側偏角通過二自由度車輛運動微分方程得到:

式中: m為車輛質量; u為輪速;為后輪側偏剛度; l為車輛軸距; a為質心到前軸的距離; b為質心到后軸的距離［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心側偏角和實際質心側偏角的差值為E，以及它們差值的變化率EC。車輛的ESP系統在輔助控制時依靠4個車輪的制動力，因此模糊控制器的輸出量選為車輪制動力的橫擺力矩M。模糊控制器結構原理如圖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個輸入量和1個輸出量都定義了5個語言變量:“負大(NB)”、“負中(NS)”、“零(Z)”、“正小(PS)”、“正大(PB)”。輸入量E的論域設置為［－1，1］; EC的論域［－0．5，+ 0．5］;輸出量M的論域［－1，1］。

(2)模糊推理:根據輸入輸出之間的經驗關系，采用”IF－THEN”語句得到模糊邏輯控制規則如表1所示。

圖7　模糊控制器結構圖

表1　橫擺力矩推理規則

(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根據模糊推理規則所得結果乘以量化因子，即可得到車輪制動力所產生的橫擺力矩輸出值。

模糊控制器通過在MATLAB軟件中的，應用Fuzzy工具箱實現。

4　系統驗證

本系統在黑河冬季汽車試驗場進行了初步試驗，以某型號汽車為研究對象，該車輛參數:整車質量2 326 kg;橫擺轉動慣量4 133 kg·m·m;輪距1．5 m;軸距3．027 m;質心高度0．55 m;前輪總側偏剛度－41 000 N·rad;后輪總側偏剛度－47 000 N·rad;試驗車輛安裝硬件在環數據采集測試系統。試驗環境如圖8所示，通過數據采集測試系統收集到的數據分析車輛具有良好的穩定性。