車身穩(wěn)定系統(tǒng)模擬設(shè)計(jì)
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張松
（太原科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院，山西 太原 030024）
摘要：應(yīng)用ESP技術(shù)與電子專業(yè)知識相結(jié)合，通過對電路圖進(jìn)行仿真，對車身穩(wěn)定系統(tǒng)進(jìn)行了模擬，從理論上達(dá)到了提高車身穩(wěn)定性能的目的。應(yīng)用相關(guān)元器件，在飛思卡爾車上模擬了使用ESP系統(tǒng)前后車身的穩(wěn)定性能。并且將SCA60傳感器的輸出信號通過數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通過LED燈直觀顯示出車身的穩(wěn)定性。
關(guān)鍵詞：ESP;模擬仿真設(shè)計(jì)；車身；穩(wěn)定系統(tǒng)中圖分類號：TP273：U46
0引言
ESP（Electronic Stability Program是電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)）是一種緊急駕駛條件下防止車身打滑的控制系統(tǒng)，它通過高度靈敏的傳感器時(shí)刻監(jiān)測汽車以及其行駛狀態(tài)并及時(shí)識別危險(xiǎn)情況，使汽車恢復(fù)行駛的穩(wěn)定。ESP系統(tǒng)于1997年由BOSCH公司研究成功，它的應(yīng)用使得汽車的交通事故率降低了20%～50%。近年來ESP在行車方面取得了卓越成績，越來越得到人們的認(rèn)可，在世界范圍內(nèi)新車ESP裝配率得到了顯著提高。相對于國外，國內(nèi)有關(guān)汽車動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性的控制研究比較晚，汽車的ESP裝配率還比較低。許多學(xué)者對ESP的研究也只是停留在理論研究和模擬仿真解決ESP系統(tǒng)中所遇到的具體問題等層面。本文主要應(yīng)用ESP技術(shù)與電子專業(yè)知識相結(jié)合，來提高車身系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通過設(shè)計(jì)電路圖和對電路圖進(jìn)行仿真，從理論上達(dá)到提高車身穩(wěn)定性能的目的，并且應(yīng)用相關(guān)元器件在飛思卡爾車上模擬了使用ESP系統(tǒng)前后車身的穩(wěn)定性能。
1 EPS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成及其工作原理
開發(fā)的EPS系統(tǒng)主要由單片機(jī)、光電傳感器、橫向加速度傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、流水燈顯示等部分組成。其中單片機(jī)是本系統(tǒng)的中樞，起到控制的作用，它通過傳感器及其模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊傳出的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷并作出相應(yīng)的處理，以此來保證小車車身的穩(wěn)定性。光電開關(guān)傳感器的主要作用是在小車行駛時(shí)檢測前邊的障礙物，然后將信號傳給單片機(jī)，讓單片機(jī)發(fā)出相應(yīng)的規(guī)避命令。
EPS系統(tǒng)的工作原理是：利用被檢測物對光束的遮擋或反射，由同步回路選通電路，以此來檢測物體的有無；橫向加速度傳感器用來檢測小車在發(fā)生急轉(zhuǎn)彎時(shí)所產(chǎn)生的橫向加速度，以此來反映車身的穩(wěn)定性；模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊用來將模擬電壓值轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，通過單片機(jī)顯示在流水燈上來反映車身的穩(wěn)定性，通過ADC0809芯片內(nèi)部的多路開關(guān)可選通8個(gè)模擬通道，允許8路模擬分時(shí)輸入；三態(tài)輸出鎖存器用于鎖存A/D轉(zhuǎn)換完成的數(shù)字量，當(dāng)OE處于高電平時(shí)，才能夠?qū)㈡i存器中的數(shù)據(jù)取出，然后輸出；流水燈的主要作用就是將橫向加速度傳感器傳出的模擬電壓值直觀顯示出來，以反映車身的穩(wěn)定性，通過控制其輸入的高低電平來控制燈的亮滅。
2 ESP電子車身穩(wěn)定系統(tǒng)的模擬設(shè)計(jì)
2.1 模擬設(shè)計(jì)的思路
ESP的最大特點(diǎn)在于其主動(dòng)性，當(dāng)車身出現(xiàn)不穩(wěn)定時(shí)能夠自動(dòng)糾正使車身穩(wěn)定；此次模擬主要采用STM32單片機(jī)控制，通過舵機(jī)控制智能車拐彎的角度，并通過加速度傳感器反饋此時(shí)的橫向加速度，與提前設(shè)定的值進(jìn)行比較，判斷此時(shí)小車車身是否處于穩(wěn)定狀態(tài)，并反饋給單片機(jī)作出相應(yīng)的動(dòng)作，如果車身處于穩(wěn)定狀態(tài)，則不做出任何動(dòng)作；若車身出現(xiàn)偏差則進(jìn)行糾正。此外設(shè)計(jì)中還會(huì)通過一排LED燈來反映橫向加速度的強(qiáng)弱，以便直觀看出車身的穩(wěn)定性能。
模擬過程如下：首先是在沒加ESP時(shí)讓小車直走遇到障礙物時(shí)進(jìn)行拐彎，判斷此時(shí)小車的橫向／縱向速度，并通過流水燈判斷其車身的穩(wěn)定性能；然后是在加上ESP控制技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行如上操作。通過兩次對比判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性能是否提高了。車身穩(wěn)定系統(tǒng)模擬設(shè)計(jì)流程如圖1所示。
2.2 系統(tǒng)模塊
2.2.1 角加速度傳感器SCA60
角速度傳感器SCA60處于水平位置時(shí)Vo端輸出+0.5 V的模擬電壓值，SCA60的實(shí)物圖如圖2所示。圖3為LM393雙電壓比較器集成電路，其工作原理是通過LM393雙電壓比較器集成電路傳出的模擬電壓值來反映加速度的大小。圖4為SCA60傳感器接線圖，SCA60可以精確地檢測到0～1800的角度范圍，當(dāng)通過舵機(jī)控制小車角度變化時(shí)，傳感器會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，此時(shí)Vo口輸出一個(gè)對應(yīng)的模擬電壓值。
2.2.2光電開關(guān)
光電開關(guān)是光電接近開關(guān)的簡稱，其工作原理圖如圖5所示。發(fā)射器通過整流穩(wěn)壓電路和解調(diào)電路將電脈沖調(diào)為光脈沖，再經(jīng)過放大電路進(jìn)行放大發(fā)射出去，其中的時(shí)鐘電路用于控制其發(fā)出脈沖的頻率。接收器主要是接收光信號，然后通過調(diào)制器轉(zhuǎn)換成電信號。光電開關(guān)的工作原理是利用被檢測物對光束的遮擋或反射由同步回路選通電路，從而檢測物體的有無，物體不限于金屬，所有能反射光線的物體均可被檢測。光電開關(guān)將輸入電流在發(fā)射器上轉(zhuǎn)換為光信號射出，接收器再根據(jù)接收到的光線的強(qiáng)弱或有無對目標(biāo)物體進(jìn)行探測。
2.2.3 電壓比較器模塊
在系統(tǒng)中，選擇LM324芯片作為比較器，如圖6所示。用LM324正向輸入設(shè)定的電壓值來模擬汽車在穩(wěn)定行駛時(shí)的數(shù)據(jù)，實(shí)際小車測到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)接入比較器負(fù)向輸入。理想狀態(tài)下，當(dāng)實(shí)際測得電壓值與設(shè)定的電壓值不相等時(shí)，反饋給單片機(jī)作出相應(yīng)的操作使小車保持穩(wěn)定；當(dāng)測得的電壓值與設(shè)定值相等時(shí)，則不作出相應(yīng)操作。
2.2.4模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊
圖7為ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。ADC0809芯片內(nèi)部有多路開關(guān)，可選通8個(gè)模擬通道，允許8路模擬分時(shí)輸入，三態(tài)輸出鎖存器用于鎖存A/D轉(zhuǎn)換完成的數(shù)字量，當(dāng)OE處于高電平時(shí)，才能夠?qū)⒉卦阪i存器的數(shù)據(jù)取走，然后輸出。ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的作用是將傳感器輸出的模擬電壓信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號通過LED燈顯示，從而反映車身系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
3 ESP系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
ESP電子車身穩(wěn)定系統(tǒng)工作流程如圖8所示。其中，K=1表示“是”，K=0表示“否”。首先讓飛思卡爾車在沒使用車身穩(wěn)定系統(tǒng)前在不同的道路上進(jìn)行急速拐彎，然后加上車身穩(wěn)定系統(tǒng)再進(jìn)行測試，觀察飛思卡爾車的狀況。
表1為在較光滑的路面流水燈亮的個(gè)數(shù)，表2為在較粗糙的路面流水燈亮的個(gè)數(shù)。
通過表1和表2分析可知，不管是在光滑還是在粗糙的路面上，在使用了車身穩(wěn)定系統(tǒng)后車身的穩(wěn)定性能有了明顯的提高，流水燈亮的個(gè)數(shù)明顯變少。雖然路面的光滑程度對車身穩(wěn)定性能有些許影響，但通過表1和表2的比較可以明顯看出，在使用了車身穩(wěn)定性系統(tǒng)后穩(wěn)定性能的提高與路面光滑度無關(guān)。
5結(jié)論
通過本次實(shí)驗(yàn)，可以清楚地看到在使用車身穩(wěn)定系統(tǒng)后車身穩(wěn)定性明顯提高，在未使用車身穩(wěn)定系統(tǒng)前飛思卡爾車在急速拐彎時(shí)很容易發(fā)生側(cè)滑，在使用車身穩(wěn)定系統(tǒng)后，飛思卡爾車的側(cè)滑有明顯的改善，基本不會(huì)發(fā)生側(cè)滑。
