（光学工程专业论文）车辆稳定性控制系统的接口设计及抗干扰研究.pdf

东南大学硕士学位论文 车辆稳定性控制系统的接口设计和抗干扰研究 研究生姓名：丁晟华导师：陈南教授 ( 东南大学) 摘要 汽车四轮转向( f o u rw h e e ls t e e r i n g ，4 w s ) 技术足改善汽车转向操纵性能的手段之一，车辆 稳定性系统( v e h i c l es t a b i l i t yc o n t r o ls y s t e m ，v s c ) 是先进的主动安全技术，作为v s c 系 统的重要组成部分，直接横摆力矩控制( d i r e c ty a wm o m e n tc o n t r o l ，d y c ) 能史好地提高操纵稳 定性，进而增加车辆行驶的主动安全性。而防抱死制动系统( a b s ) 控制着车辆的侧向稳定性。它 们的有机结合将会改善和提高车辆的机动灵活性能、操纵性能和稳定性能，对于预防事故的发 生有着非常重要的意义。本文研究将4 w s ，a b s 和d y c 有机结合起来的v s c 系统的接口设计，以 及设计中抗干扰研究，主要内容包括： 1 车辆稳定性控制系统接口硬件电路设计主要包括a b s 和d y c 之间如何实现切换，在行车过 程中d y c 控制着车辆横向动力学操纵稳定性，当遇到紧急状况从d y c 切换为a b s 工作控制车 辆侧向稳定性，从经济性和电路简单可行性考虑，用两片7 4 l s 3 7 3 即可实现所需功能：4 w s 和d y c 的结合也是先进车辆稳定性控制系统的重要技术，传统的四轮转向仿真实验过程中用 接通和关闭离合器的电源来达到控制离合器的吸合和断开，效率及其低。设计一款电磁离合 器通断的电路来检测四轮转向中后轮转角的情况，当转角超过预期范围，也即车辆将不稳定 操纵时，电磁离合器通断控制电机的转和停，通过后轮执行机构带动后轮转或不转。 2 车辆稳定性控制系统中4 w s 与a b s d y c 之间实现传感器采集到的数据的交换和传送。本课 题中研究了基于c a n 总线的e c u 之间的通信。考虑到传感器采集到信号的特点和c a n 总线智 能节点的成本，对于采集到的数字信号用飞利浦公司的c a n 控制器s j a l 0 0 0 和收发器 p c a 8 2 c 2 5 0 实现c a n 数据的封装和收发，微处理器采用简单的5 1 单片机；对于采集到的模拟 信号需先通过信号调理，然后通过目前比较流行的d s p 自带的a d 转换器和c a n 控制器实现数 据的封装；由于整个系统对实时性要求很高，e c u 对数据处理的能力要求很高，所以对于e c u 的智能节点采用了处理数据能力较强的d s p 2 8 1 2 作为微处理器。最后通过c a n 总线实现了各 个e c u 和传感器之间数据的传送和共享。 3 由于c a n 只提供了物理层和数据链路层，对于应用层的定义需由用户根据自己的需要制定 通信协议，本文介绍了基于c a n 总线的结合了4 w s ，d y c ，a b s 的车辆稳定性控制系统的通信 协议制定 4 最后文章介绍了对于系统抗干扰采取的一些措施，着重在硬件制作过程中p c b 板以及现场 调试过程中采取的一些措施。 通过硬件的设计、制作、调试以及硬件在环仿真实验，为实现4 w s ，a b s ，d y c 结合的车辆稳定 性控制系统搭建了硬件平台，用目前较为流行的车载总线c a n 总线实现各个e c u 与传感器之间 的通信，既可以减少线束，又可实现实时性控制，为以后做进一步的研究做好准备。 关键词：车辆稳定性控制系统四轮转向横摆力矩控制c a n 总线智能节点硬件在环仿真 东南大学硕士学位论文 s t u d i e so nt h ei n t e r f a c ea n da n t i - j a m m m go fv e h i c l e s t a b i l i t vc o n t r o ls y s t e m d i n gs h e n g h u ac h e nn a n ( s o u t h e a s tu n i v e r s i t y ) a d s t r a c t s f o n rw h e e ls t e e r i n gt e c h n o l o g yi s 锄i m p o r t a n tm e t h o dt oi m p r o v ev e h i c l es t e e r i n gp e r f o r m a n c e v 曲i c l es t a b i l i t yc o n t r o ls y s t e mi sal e a d i n gt e c h n o l o g yi na c t i v es a f e t y a sa l li m p o r t a n tp a r to f v s c s y s t e m d i r e c ty a w - m o m e n tc o n t r o l i m p r o v e st h ep e r f o r m a n c eo fh a n d l i n gs t a b i l i t ym u c hb e t t e r , t l l 锄 i n c r e a s e st h ea c t i v es a f e t yp e r f o r m a n c e a n t i l o c kb r e a ks y s t e mc o n t r o l st h el a t e r a lo f t h ev e h i c l e t h e c o n n e c t i o no ft h e s et e c h n o l o g i e sw i l li m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fh a n d l i n ga n ds t a b i l i t y , a n dh a s i m p o r t a n te f f e c tf o ra v o i d i n gt r a f f i c t h i sd i s s e r t a t i o ni n t r o d u e c dt h ed e s i g no ft h e i n t e r f a c 2o ft h e v e h i c l es t a b i l i t yc o n t r o ls y s t e mw h i c hw o u l dc o n n e c tt h e4 w s d y ca n da b s n l em a i nc o n t e n t s c o n t a i n ： 1 t h eh a r d w a r ed e s i g nc o n s i s t so f t w op a r t so n ei sh o wt or e a l i z et h es w i t c hb e t w e e nt h ea b sa n d d y c d y cc o n t r o l st 1 1 et r a n s v e r s eo fv e h i c l es t a b i l i t ya n da b sd o e si tw o r kw h e nm e e t sae m e r g e n t c o n d i t i o ni no r d e rt oc o n t r o lt h e1 a t e r a lo ft h ev e h i c l es t a b i l i t y b u ta b sa n dd y ca r ei n t e g r a t e d t o g e t h e r c o n s i d e r e dt h ec o s ta n dt h ef e a s i b i l i t yo ft h ed e s i g n , t h ea u t h o ro n l yu s e dt w op i e c c so f 7 4 l s 3 7 3t oa c h i e v et h eo b j e c t i v e ；c o n n e c t i o no f4 w sa n dd y ci sa ni m p o r t a n tt e c h n o l o g yo ft h e a d v a n c e dv e h i c l es t a b i l i t y c o n t r o ls y s t e m i n t r a d i t i o n a lh a r d w a r e i n t h e l o o p e x p e r i m e n t o f f o u r w h e e l a t e e r i n gs y s t e mt h ec l u t c h so na n do f r i sc o n t r o l l e db yt h ep o w e r so na n do f f i tj st o oi r e f f i c i e n t s o ak i n do f c i r c u i tw h i c hw o u l dc o u l dd e t e c tt h ea n g l eo f t h er e a l * w h e e lw a si m p l e m e n t e d t h ec l u t c h s o na n do f fw e u l dc e n t r e lt h es t a r ta n ds t o po ft h em o t o r , t h u st h er e a rw h e e l ss t e e r i n gh a db e e n c o n t r o l l e d 2 t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h ee c u sa n da 1 1k i n d so f s e n s o r s t h i sp r o j e c td i ds o m er e s e a r c h e s o nt h ec a nb u s c a ni sa na c r o n y md e r i v ef r o mc o n t r o la r e an e t w o r kw h i c hi so n eo ft h em e s t p o p u l a rb u s w i t h i nt h ev e h i c l e u s i n gt h i sa p p r o a c ha l l o w st h ee c u sa n ds c l l s o r sw o r kr e l i a b l y c o n s i d e r i n gt h ep r o p e r t i e so fs i g n a l sw h i c hw e r ec o l l e c t e db yt h es e n s o r sa n dt h ec o s to fe a c hc a n n o d e , d i 行e r e n ts i g n a l su s e dd i f f e r e n tm i e r o c o n t r o l l e r a e c o r d i n gt ot 1 1 ed i g i t a ls i g n a l su s e d5 l c o n t r o l l e ra st h eb r a i n , s j a l 0 0 0a n dp c a 8 2 c 2 5 0w h i c hw e r ep r o d u c t e db yp h i l i p s u s i n gt h e s et w o c h i p sa n dt h ee m b e d d e ds o f t w a r es ot h a tt h es i g n a l sc o l l e c t e db yt h es e n s o r sc o u l db et r a n s f e r r e di n t o c a nm e s s a g e st h u st h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h ee c u sa n ds e n s o r sb a s e do nt 1 1 ec a nb u sw a s i m p l e m e n t e d , b u ta c c o r d i n gt ot h ea n a l o gs i g n a l sm u s tb er e g u l a t e df i r s tt h e l lu s e dd s p ( d i g i t a l s i g n a lp r o c e s s o r ) w h i c hi n t e g r a t e dw i t ha da n dc a nc o n t r o l l e rt oc h a n g et h em e s s a g e si n t oc a n m a s s a g e s b e c a u s ea l lt h em e s s a g e sm u s tb er e c e i v e db yt h ee c u sa ss o o na sp o s s i b l ei tw a ss a i d r e a l - t i m e s ot h ee c un o d eu s e dd s p 2 8 1 2w h i c hw a sa na d v a n c e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o rw i t l it h e h i g ha n do c e u l a t eo p e r a t i o na b i l i t y u s i n gt h e s ei n t e l l i g e n tc a nn o d e st h ec o m m u n i c a t i o no ft h e w h o l ev e h i e l es t a b i l i t yc o n t r o ls y s t e mw a sa c h i e v e d 3 c a ni sd e f i n e dp h y s i c a ll a y e ra n dd a t al i n kl a y e r t h ea p p l i c a t i o nl a y e rj sd e f i n e db yt h eu s e r s t h e m s e l v e s i tm e a n st h ep r o t o c o lw i l lb ew r i t t e nb yo n e s e l f t h i sd i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e dt h ep r o t o c o l o f t h ev e h i c l es t a b i l i t yc o a t r o ls y s t e mw h i c hc o n s i s t e do f a b s d y ca n d4 w s 4 a l l a s t , t h ed i s s e r t a t i o n n t r o d u e e dt h em e t h o d so fa n t i - j a m m i n g , e s p e c i a l l yf o c u s e do nt h ep c b l a y e ra n dt h e j a m si nt h ev e h i c l et e s t s t h r o b g hd e s i g n i n g , d o i n g , d e b u g g i n gt h eh a r d w a r ea n dh a r d w a r ei nl o o pe x p e r i m e n t , i tc a nb es e e n t h 砒t h ep l a t f o r mo ft h ev e h i c l es t a b i l i t yc e n t r e ls y s t e mw h i c hc o n s i s t so fa b s d y ca n d4 w sh a s b e e nb u i l t w h a t sm o l e t h ea d v a n t a g e so fc o m m u n i c a t ew i t he c u sa n ds e n s o r sb a s e do nt h ec a n b u sa r en o to n l yr e d u c e dt h eq u a n t i t i e so fw i r e sb t i ta l s om a d et h ew h o l es y s t e mw o r kr e l i a b l v p r e p a r i n gf o rt h ef u t u r e sr e s e a r c h k e yw o r d s ：v e h i c l es t a b i l i t yc o n t r o l ，f o o lw h e e ls t e e r i n g ，d i r e c ty a wc o n t r o l , c a nb u s ，i n t e l l i g e n t n o d e , h a r d w a r ei nl o o ps y s t e m 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师攒导下进行的研究童佟及取得的研 究藏莱。尽我掰絮，除了文孛特羯热菝稼注窝羧瀑豹逡方终，论文审不寇会萁毽夫 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含菇获得东南大学或其它教宵机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢懑。 一撕 目瓤加口；刁 关于学僮论文使舅l 授权酶说鞠 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论 文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印域熊他复制手段保存论文。本人电子 文档的内容和纸质论文的内容楣一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查 阕纛爨阕，爵疆公毒( 篷摆稳登) 论文豹全零或部分蠹窖。论文豹公攀( 镪瑟程登) 授较 东南大学研究生院办理。 签名：导师签名 。删 嚣勰少 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 汽车的操纵稳定性是影响汽车高速安全行驶的一项重要性能，车祸、废气和噪声通常被称 为汽车的三大公害，特别是车祸给人类带来了严重的创伤随着现代汽车技术的发展，汽车行驶 速度的提高，改善车辆操纵稳定性，提高汽车高速行驶安全性正日益受到汽车界专家的重视。我 国是世界上交通事故最为严重的国家之一，严峻的现实使人们不能不正视汽车安全性问题。尽 管被动安全技术( 如安全气囊、安全带等) 可以有效地减轻事故灾害，但主动安全技术更为重 要，它可以避免人员及车辆的损伤，尤其是可以避免事后由于交通堵塞引起的可观的间接经济 损失，因此日益受到重视。 主动安全技术指改善车辆操纵灵活性和稳定性的技术，主要包括：4 w s ( f o u rw h e e l s t e e r i n g ，四轮转向) 、4 w d ( f o u rw h e e ld r i v i n g ，四轮驱动) 、e c s ( e l e c t r i cc o n t r o ls u s p e n s i o n ， 主动悬挂) 、a b s ( a n t i l o c kb r a k i n gs y s t e m ，防抱死系统) 、a s r ( a n t is 1 i pr e g u l a t i o n ， 防滑驰动系统) 、v s c ( v e h i c l es t a b i l i t yc o n t r o l ，车辆操纵稳定性系统) 、c c s ( c r u i s ec o n t r o l s y s t e m ，巡航控制系统) 、d y c ( d i r e c ty a w - m o m e n tc o n t r o l ，直接横摆力矩控制) 等的综合控 制系统。 随着汽车行驶速度的提高，以及道路行车密度的增大，对于汽车操纵稳定性和行驶安全性 的要求也越来越高。为了全囱提高汽车动力学的各项性能，先进底盘控制技术是现代汽车发展 的重要方向。一般来说汽车主动底盘控制技术需要控制汽车在三维空日j 里的六种运动( 纵向， 侧向，垂直方向以及侧倾，横摆和仰俯运动) ，从而改善汽车的操纵稳定性、平顺性以及动力性 和制动性。 车辆操纵稳定性控制系统( v s c ) 是利用车辆动力学状态变量反馈来调节车轮纵向力大小及 匹配，使车辆在各种路面和各种工况下都获得良好的操纵稳定性和方向性的一种新型主动安全 控制技术。 作为车辆的主动安全控制技术，v s c 、a b s 、a s r 有各自的应用范围和控制方法，但也存在 一定的联系。与a b s 、a s r 相比，v s c 具有以下特点：1 ) v s c 虽然也调节纵向力，但a b s a s r 只把 车轮作为控制系统，而它是把整个车辆作为一个控制系统来调节各个车轮的纵向力大小及匹配； 2 ) 在汽车处于侧向临界状态时，能够主动辅助驾驶员操纵车辆；3 ) 汽车在任何行驶状态下，如紧 急制动、部分制动、滑行、加速和轴荷转移等均可使汽车的稳定性和按预定轨迹行驶的能力提 高；4 ) 当驾驶员f h 于惊慌而过度转向或过多制动时该系统能有效地阻止汽车急转；5 ) 汽车轮胎与 路面附着系数得到更有效的利用；6 ) 由于汽车在极限行驶状态时易于操作，驾驶员可将注意力 集中到处理可能出现的交通事故上；7 ) 车辆的动态特性一般在较高速度下才发生变化，所以v s c 一般在较高速度下才能启动。以上是v s c 的主要特点，尽管如此，v s c 与a s s a s r 也有许多共同 点，它们之间也是相互联系的，v s c 有些功能需要由a b s a s r 来完成。所以有很多v s c 系统是在 a b s a s r 的基础上开发的“1 。 主动底盘控制系统的概观图”1 如图卜1 所示，主要由转向控制、悬架控制以及驱动力和制 动力控制等部分构成。如何将这些控制总成有机结合起来以获得最佳的综合控制效果，乃是当 今主动底盘技术发展的难点。 东南大学硕士学位论文 围1 - 1 主动褒盘控裁系统摄蕊 1 2 车辆动力学稳定性控制系统研究的概况和意义 1 。2 。1 磅究霸轮转瘸控秘襄车骥稳定毪羟蒯系统穰獯豹蠢义 在2 0 世纪9 0 年代之前，四轮转向系统和车辆稳定性控制系统在以往的研究当中都是区分 开采独立进行开发研究的。对于四轮转向系统的研究相对较早，其发展历程可以大致分为三个 酚段4 “； 一，2 。夔纪韧蕊2 。世纪，卡年代中期 这一阶段主要怒4 w s 系统的萌芽和初步应用。在上世纪初人们就设想通过采用前后轮同 时转向的办法来减小汽车转弯时的转弯半径。1 9 0 7 年，日本政府颁发了一个关于咧轮转向系统 的专利，这种结构通过一根轴将前厩轮的转向机构连接起来1 3 1 。当率辆低速行驶转向时，后轮 与翦转趣轮反稷转肉来获簿较小静转弯半径，以提嶷车辆的视动瑟滔 生，所颤这耱绩掏最秘应 蠲予黠车辆静撬动毂要求毫瓣军瓣率瓣和工程车辆。 二：、2 0 世纪八十年代后期至2 0 世纪9 0 年代中艏期 这阶段主鬻是纯4 w s 系统的快速发展及应用。随着对车辆动力学的研究的深入，尤其是 认识到4 w s 系统对提高车辆高速的操纵稳定性确璧簧意义，世界务犬汽车公刊加大了对该项技 术的研究与开发，龙以嚣本的研发引入瞩疆，m a z d a 公司于1 9 8 7 年蜜先研制出车速媾麻式4 w s 系统并装备轿车。之嚣各丈汽车公司嚣l 辩稀院掰簌撵当瓣的辩按永乎，藏结章每形式帮控鞠簧略 2 第一章绪论 研究出形式各异的4 w s 系统。4 w s 系统类型的划分也主要依据这一阶段的有关产品。 三、2 0 世纪9 0 年代后期至今 这一阶段主要是底盘综合控制的研究。由于近年来欧美和日本等国家对自动高速公路系统 ( a u t o m a t e d h i g h w a ys y s t e m ，简称a h s ) 及智能汽车系统( i n t e l l i g e n t v e h i c l e s y s t e m ，简称i v s ) 等重人项目的重视，各国科研人员从驾驶员一车辆一环境闭环系统出发，综合研究汽车的纵向、 侧向和垂向的动力学控制，进一步发展出4 w s 、4 w d ( f o u r - w h e e ld r i v i n g ，四轮驱动) 、e c s ( e l e c t r i c c o n t r o ls u s p e n s i o n ，主动悬挂) 、a b s ( a n t i 1 0 c k b r a k i n gs y s t e m ，防抱死系统) 和v s c ( v e h i c l es t a b i l i t yc o n t r o l ，车辆稳定性控制系统) 等的综合控制系统。研究表明，底盘综 合系统能够有效改善汽车的各项性能。当然，它还在不断发展和完善中。 对于车辆稳定性控制系统( v s c ) 的研究相对较晚，其发展历程可以大致分为二个阶段”“”： 一、2 0 世纪8 0 年代中后期至2 0 世纪9 0 年代中期 在这一阶段主要足车辆稳定性控制系统概念的提出和初步应用。最初的车辆稳定性控制是 在a b s a s r 的基础上加以算法改进，使之能部分解决车辆的稳定性问题，但此时的系统还不 能完全称之为车辆稳定控制系统。在9 0 年代初，通过对车辆稳定性的理论分析，提出了直接对 车辆横摆运动进行控制的概念( 如d y c ：d i r e c ty a wc o n t r 0 1 ) ，它通过采集方向盘转角的信息 来判断驾驶员的转向意图，并通过制动力或驱动力在车轮上的分配来调节车辆的横摆运动，直 接保障车辆的稳定性，这是标志着汽车稳定性控制概念的出现。1 9 9 2 年b m w 公司和b o s c h 公司合作在a b s a s r 的基础上开发了车辆稳定性控制系统，并称之为d s c i ，应用于 b m w 8 5 0 c i 轿车上。1 9 9 4 年b m w 公司和b o s c h 公司再次合作，在d s c i 的基础上进一步发 展为d s c 2 ，并引入了c a n 总线与发动机管理系统通讯。但是考虑到系统的成本，最早出现的 稳定性控制系统所使用传感器很少，车辆的横摆角速度大多是通过内外车轮的转速差间接估计 得到的，因此在一些车辆行驶的复杂工况下很难保证车辆的稳定。 二、二十世纪9 0 年代中期至今 在这一阶段主要是车辆稳定性控制系统的快速发展和应用。1 9 9 5 年之后，随着b o s c h 、 b m w 、f o r d 、t o y o t a 等公司相应推出了使用横摆角速度和侧向加速度传感器的新一代车辆 稳定性控制系统，车辆稳定性控制的基本形式得到了确认。1 9 9 6 年b m w 公司和b o s c h 公司 再次合作推出了d s c 3 系统，1 9 9 7 年 c a d t yk e l s e y - h a y e s 和l u c a sp l c 合并，联手开发v s c 系 统。由于性能的不断改进以及成本的不断降低，车辆稳定性控制系统得到了很快的发展，并开 始作为选装配件装备于一些中、高档轿车上。 随右先进底盘控制技术的不断发展，将四轮转向控制和车辆稳定性控制系统有机结合起来， 获得最佳的综合控制效果将足车辆发展的一个重要方向。但是我国在此方面的研究还处于初期 阶段，仅仅在一些高校当中做过此力血的理论研究，如北京理工大学、吉林大学、上海交通大 学等。由于硬件资源、科研经费等客观条件的限制，众多的研究人员仅仅从控制器的角度考虑， 研究其对车辆操纵稳定性的影响，并没有对实际的物理样机做深入的探讨分析，所以至今也没 有在我圈自主研发生产的汽车上得到应用。 四轮转向系统和车辆稳定性控制系统有机结合，发扬各自的优点，是主动底盘控制技术发 展的一个方向。因而，本论文在东南大学机械工程系陈南教授第三期福特一中国研究与发展基 金( 编号：5 0 1 2 2 1 5 3 ) “基于综合鲁棒控制的四轮转向汽车的瞬态操纵稳定性”和江苏省 十五科技攻关项目( b e 2 0 0 3 0 1 3 ) 一一“先进车辆稳定性控制系统和e c u 快速仿真平台开发及应 用示范”两个项目资助下进行了车辆稳定性控制系统横向稳定性控制和车辆操纵稳定性方面的 研究。 3 东南大学硕士学位论文 1 2 2 研究防抱死制动系统、直接横摆力矩控制和车辆稳定性控制系统的概况和意 义 防抱死制动系统( a b s ) 和驱动防滑系统( a s r ) 目前几乎成为了车辆的标准配置。汽车防抱 制动系统( a b s ) 是一个与车辆系统、轮胎力学特性、液压系统、行车环境等因素都紧密相关的非 线性控制系统。在a b s 和a s r 纵向动力学控制的基础上，又进一步发展了横向动力学控制技 术。车辆行驶时常遇到转向工况或受到侧向风的影响，当轮胎侧向力接近附着极限或达到饱和时 车辆将丧失动力学稳定性。特别是高速行驶的车辆在变道或转向时，易发生侧滑或打转，即侧向 失控现象，此时转向盘转角控制对车辆动力学稳定性的改善已经失去作用。 车辆横向稳定性控制系统直接横摆力矩( d y c ) 就是在这种背景下产生和发展起来的一种先 进汽车电子控制系统，它实时调整车辆运动状态使之按照期望的工况运行，从而提高车辆行驶的 安全性和减少交通事故的发生。车辆横向稳定性控制正成为国际汽车电子工程师研究的新热点， 部分国外高级轿车已经装备了该系统。v s c 系统通过直接横摆力矩防止不足和过度转向，提高 车辆操纵稳定性，冈而对于直接横摆力矩的研究得到了广泛的重视。m a s a on a g a i 等人提出7 跟踪理想模型的横摆力矩控制策略，该策略使稳态侧偏角达到零，但该方法使得稳态横摆角速 度显著降低，使得驾驶员路感降低。t o h r uy o s h i o k a 等人则采用滑模控制的横摆力矩控制，来 达到转向时的操纵稳定性。而基于四轮转向跟踪理想模型的横摆力矩控制则能实现对侧偏角和 横摆角速度的多目标控制，但在实际的实现较为复杂。, l o n gh y e o np a r k 等人采用h o 。跟踪控制 力法对车辆操纵稳定性进行了分析。国内进行此项研究则刚刚开始，西北工业丈学赵治幽博士 采用滑模变结构的方法对车辆稳定性进行了研究“。吉林大学郭孔辉院士等对车辆动力学稳定 性控制策略进行了研究，提出了基于横摆角速度门限值控制策略，并在吉林大学动态模拟国家 重点试验室的驾驶模拟器上对车辆动力学稳定性控制进行了研究”。 1 2 3 车辆稳定性控制系统的历史与发展 梅赛德斯一奔驰公司从1 9 9 4 年开始对车辆稳定性控制系统( v s c ) 系统进行了全面的实用性 和可靠性测试。并于1 9 9 5 年首先生产配备v s c 系统的s 级轿车，该车在冰冻湖面上行驶时表现 了惊人的稳定性，为汽车提供了紧急情况下的安全保障，大大降低了各种路况下转弯发生翻转 的可能性，另外，还加强了弯道时汽车线内行驶的能力。1 9 9 7 年l o 月，梅赛德斯一奔驰公司邀 请欧洲汽车媒体记者们试驾新型a 级车，一位记者在迅速躲避撞车的急转弯中翻车了，这样的 急转弯操作便称作“麋鹿试验”。该试验极大地损坏了a 级车的形象，为此对该车做了改进，就 是将v s c 作为标准设备用到了车上。该事件的发生，对其在欧洲的迅速发展也起到了很大的作 用。1 9 9 8 年，梅赛德斯一奔驰公司成功在a 级车中安装v s c 系统。今天，v s c 系统已经足该公司 s _ 6 0 0 、c l 6 0 0 等高性能车上的杯准配置了。 目前，v s c 已不是豪华车的奢侈品。到2 0 0 4 年，占欧洲轻型车销最1 3 的车( 5 0 0 万辆) 已 装上v s c 。2 0 0 0 年年底，北美汽车市场的普通型汽车已开始逐步考虑v s c 的市场效应。v s c 的 价格约5 0 0 美元，随着v s c 的产量增加，其价格会进一步下降。目前，北美对v s c 的使用刚刚 起步，但美国汽车上的安装数量已超过了欧洲，预计在6 年内，9 0 9 6 的轻型车和6 5 的轿车将配 置v s c 1 。 现代汽车的动力学控制系统对于横向动力学也要加以控制，并有效地防止诸如侧滑之类的 失稳现象。为了实现这一目标，除了汽车的纵向动力学状态外，该系统还必须能进一步掌握横 向动力学状态。为此奔驰公司作了广泛的试验研究，并取得了重要的成果。它选取了如下几个 最少但必要的信息输入单元：轮速传感器、前轮转角传感器和横摆角速度传感器等。当汽车的 行驶状态通过这些参量得到了精确的反映后，就不必在行驶稳定性和牵引性能上作较大妥协了， 4 第一章绪论 而可以依据不同状态对两者进行最佳的调节和控制。 v s c 系统构成如图卜2 所示，主要包括：传感装置检测车辆动作和驾驶员操作情况； 数据处理装置对测得的数据进行计算处理，推测出车辆出现横向侧偏状态，并给出恢复车 辆行驶稳定性所必需的转向力矩和减速力；调节器根据计算结果，调节控制车轮制动力和 发动机输出功率；信息检测装置检测出车辆处于不稳定状态的情报信息，并通知驾驶员采 取必要的措施。 目前，v s c 有3 种类型：1 4 通道或4 轮系统。能自动地向4 个车轮独立施加制动力。2 2 通道系统。只能对2 个前轮独立施加制动力。3 3 通道系统。能对2 个前轮施加制动力，而对 后轮只能一同施加制动力“”。 图l - 2v s c 系统构成 v s c 运作通常包括以下步骤：1 检测车辆状况和驾驶员的操作情况；2 推断车辆的不稳定 程度；3 计算出饮复车辆行驶稳定性所必需的转向力矩、减速力、控制各车轮的制动力和发动 机的输出功率，如图卜3 所示。 图卜3v s c 运作流程图卜4v s c 对不足转向和过度转向的纠正 汽车与路面之间力的作用全靠轮胎，轮胎通过纵向、横向滑转来传递地面施加的纵向及侧 向力。轮胎力和其他外力决定了汽车的运动，也由此决定了其稳定性。根据附着椭圆我们知道 轮胎的纵向附着力和侧向附着力是此消彼长的关系。v s c 通过对每个车轮滑动率的精确控制， 使各个车轮的纵向分力和侧向分力迅速改变，从而在所有工况下均能获得所期望的操纵稳定性。 5 东南大学硕士学位论文 一旦出现过度转向，驱动力分配系统就会降低驱动力矩，以提高后轴的侧向附着力。地面 作用于后轴的侧向力相应会提高，从而产生一个与过度转向相反的横摆力矩。位于弯道外侧的 非驱动前轮开始时几乎不滑动，若仅依靠动力分配系统还不能制止开始发生的不稳定状态，控 制系统将自动对该前轮实施瞬时制动，使它产生较高的滑动率，导致该车轮受到的侧向力迅速 减少而纵向制动力迅速增大，于是也产生一个与横摆方向相反的横摆力矩。由于对一个前轮制 动，车速也会降低，从而获得了一个附带产生的有利于稳定性的因素。 一旦v s c 判定汽车具有较大的不足转向倾向，控制系统会自动对位于弯道内侧的后轮实施 瞬时制动，以产生预定的滑动率，导致该车轮受到的侧向力迅速减少而纵向制动力迅速增大， 于是产生了一个与横摆方向相同的横摆力矩。此外还获得了两个附带的减少不足转向倾向的因 素。首先，由于制动而使车速降低；其次，由于差速器的作用，对内侧后轮制动从而导致外侧 后轮被加速，即外侧后轮受到的驱动力增加而侧向力减少，于是产生了又一个所期望的横摆力 矩。 v s c 的设计思想始终强调车人环境的系统工程，运用车辆的主体是人，特别是驾 驶员，因此，让人事先感知车辆的不稳定预兆是十分必要的，视觉和听觉传感器的功能就是在 车辆临近转向侧偏极限的时候，将情况及时告知驾驶员，以采取必要的措施保证汽车安全、平 稳地运行“。 1 3 本文研究意义和内容 本文课题来源于：扛苏省十五科技攻关项目：先进车辆稳定性控制系统和e c u 快速仿真开 发平台开发及应用示范( n o ：b e 2 0 0 3 1 3 ) 和福特一中国与研究发展基金“基于综合鲁棒控 制的四轮转向汽车的瞬态操纵稳定性”( n m5 0 1 2 2 1 5 3 ) 先进车辆稳定性控制系统e c u 快速仿真开发平台的开发除了包括对各个e c u 控制器的设计 外，还有一个很关键的问题，如果让各个e c u 控制器结合在一起有效地、可靠地对车辆稳定性 进行控制，这涉及到对仿真开发平台各个e c u 接 j 的设计。包括以下几个方面： 一、车辆稳定性控制系统接口硬件设计： ( 1 )a b s 与d y c 如何进行切换； ( 2 ) 4 w s 硬件在环仿真中如何对电机进行控制； 二、车辆稳定性系统e c u 与传感器之间的通信： ( 3 ) 4 w s 、a b s o y c 之间如何根据既定的协议进行数据的共享及通信 三、车辆稳定性系统接口设计过程中抗干扰研究： ( 4 )众所周知，对于像车辆这样一个复杂的工作环境，必定存在很多干扰，如何降低干扰， 让该系统在恶劣的环境中可靠地工作以及在设计通信接口电路板时，如何对电路板进行抗干扰 设计也是本课题的重点及难点。 本文内容包括以下几个方面： 第一章介绍了车辆稳定性控制系统研究的概况和内容以及课题的研究背景 第二章介绍了车辆稳定性控制系统的原理、特点、仿真环境及硬件设计，详细介绍了防抱 死制动系统和直接横摆力矩控制切换的接口电路的设计方法和四轮转向硬件在环仿真过程中如 何解决连接电机和后轮转向机构的电磁离合器的通断电路的设计 第三章介绍了车辆稳定性系统中e c u 与传感器之间的通信，包招基于c a n 总线传感器及e c u 智 能节点的硬件及相关软件设计 第四章介绍了基于c a n 总线的车辆稳定性控制系统e c u 与传感器之问的通信协议及通信过程 第五章介绍了车辆稳定性控制系统e c u 仿真平台接口电路设计过程中抗干扰的研究 第六章对整个工作进行总结，提出进一步研究的问题 6 第二章车辆稳定性控制系统接口的硬件设计 第二章车辆稳定性控制系统接口的硬件设计 2 1 车辆稳定性控制系统简介 汽车在转向或受侧向分力作用时，侧向力常常接近附着极限或达到饱和状态，使车辆的转 向特性发生明显改变，从而出现侧滑、急转、侧翻或转向反应迟钝等丧失车辆动力学稳定性的 危险局面，所以通过调节车轮纵向力大小及匹配来改善车辆在转向时或受侧向风作用时具有良 好操纵稳定性的车辆稳定性控制( v e h i c l es t a b i l i t yc o n t r o l ，简记为v s c ) 对于提高车辆 的主动安全性，减少事故，减轻驾驶员负担具有重要的意义。目前在国外这项技术已经进入实 用阶段，而在我国对它的研究刚刚起步。 汽车在路面上行驶时，时常要作曲线运动或受到侧向风的影响，当侧向力接近附着极限或 达到饱和时，车辆将丧失动力稳定性此时车辆容易发生不足转向和过度转向，v s c 系统能够有 效的阻抑车辆所产生的较大的不足转向和过度转向。 当车辆前轮达到附着极限时，车辆将产生较丈的不足转向 6 1 7 j ，如图2 1 所示。此时，e c u 根据转向不足趋势的程度，对发动机的输出功率进行控制，并对后轮刹车制动，给汽车提供一 瞬时的反向横摆力矩，以控制转向不足，使车辆处于稳定的运动状态，其方法如图2 - 2 所示。 当车辆后轮达到附着极限时，汽车将产生较大的过度转向”“，如图2 3 所示。此时，e c u 根据转向过度趋势的稃度，控制发动机的输出功率，并对前轮外侧转向轮进行刹车制动，使车 辆产生向外方向的一个瞬态惯性横摆力矩，对过度转向进行阻抑，使车辆处于稳定的运动状态， 有时也对后轮进行控制，其方法如图2 4 所示。 t 图2 - i 不足转向图2 - 2 不足转向控制 图2 - 3 过度转向 7 图2 _ 4 过度转向控制 东南大学硕士学位论文 车辆稳定性控制系统( v e h i c l es t a b i l i t ys y s t e m ，简称v s c ) 具有以下特点： 1 ) v s c 系统和a b s a s r 系统一样都是靠调节车轮的纵向力，使车辆处于稳定的运动状态， 但是它把整个车辆作为一个控制系统，来调节各个车轮的纵向力的大小和匹配； 2 ) 在车辆处于临界状态时，能够主动的辅助驾驶员操纵车辆； 3 ) 车辆在任何行驶状态下，如紧急制动、部分制动、滑行、加速和载荷转移等均可使汽车 的稳定性和按预定轨迹行驶的能力提高； 4 ) 当驾驶员由于惊惶而过度转向或者过多制动时，该系统能够有效的阻止车辆急转； 5 ) 车辆轮胎与路面附着系数得到了更好的利用； 6 ) 汽车在极限行驶状态时易于操作，驾驶员可将注意力集中到处理可能出现的交通事故上； 7 ) 车辆的动态特性一般在较高速度下才发生变化，所以v s c 系统一般在较高车速下才能 起到明显的作用。 减小侧向力可通过转向盘转角控制或通过制动力控制产生减小侧向力的外部横摆力矩来实 现。当时冈为车辆丧失动力学稳定性足，多是在侧向力已接近于轮胎与路向的附着极限条件下， 此时转向盘转角控制对于车辆动力学稳定性的改善并不显著，所以一般小使用转向箍转角控制。 增大侧向力潜能在不同的行驶状态下由不同的方式。如在驱动行驶状态下，可通过减小驱 动力( 如减小发动机节气门开度、延迟点火或减少燃油供给等) 或在驱动轮上施加制动力来实 现；在制动行驶状态下，可通过减小制动力来实现。 冈为车辆丧失动力学稳定性时，轮胎