陳無畏 劉翔宇 楊 軍 黃 鶴

合肥工業(yè)大學(xué),合肥,230009

0 引言

車輛穩(wěn)定性控制(vehicle stability control,VSC)系統(tǒng)是目前在汽車上廣泛應(yīng)用的最復(fù)雜的主動(dòng)安全系統(tǒng)。它在傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)安全系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了車輛橫擺穩(wěn)定控制,主動(dòng)糾正了車身偏離正常行駛狀態(tài)的趨勢(shì),能夠有效避免交通事故的發(fā)生。目前在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家,VSC系統(tǒng)已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn)配置[1]。

VSC系統(tǒng)工作在緊急工況下,不僅控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,而且汽車制動(dòng)系統(tǒng)和路面環(huán)境的建模難度很大。硬件在環(huán)系統(tǒng)由于將系統(tǒng)工作所需的硬件嵌入到了仿真中,尤其是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、建模難度大的硬件,能夠提供系統(tǒng)內(nèi)部和外部真實(shí)信息的反饋,因而在開發(fā)階段可以節(jié)省大量的資金和時(shí)間。基于此,目前國(guó)內(nèi)外大多采用硬件在環(huán)的方式進(jìn)行車輛穩(wěn)定性控制方面的研究[2-3],如文獻(xiàn)[2]采用dSPACE系統(tǒng)建立的VSC硬件在環(huán)平臺(tái)。VSC硬件在環(huán)系統(tǒng)已經(jīng)成為車輛穩(wěn)定性控制研究中重要的工具。

1 硬件在環(huán)系統(tǒng)的構(gòu)成

VSC硬件在環(huán)系統(tǒng)依托于LabVIEW平臺(tái),包括LabVIEW8.6程序和PXI主機(jī)一臺(tái),如圖1所示。VSC硬件在環(huán)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示,它由以下三個(gè)部分組成：①電子控制單元(electronic control unit,ECU)和液壓控制單元(hydraulic control unit,HCU),其中,ECU為自主開發(fā),采用ARM 7嵌入式系統(tǒng),HCU則改裝自原裝VSC系統(tǒng);②車輛制動(dòng)系統(tǒng)和各種傳感器,如方向盤轉(zhuǎn)角傳感器、輪缸壓力傳感器等;③LabVIEW 系統(tǒng),包括主程序和PXI主機(jī)。

圖1 LabVIEW PXI8196主機(jī)

圖2 VSC硬件在環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

傳統(tǒng)的VSC硬件在環(huán)系統(tǒng)一般采用上下位機(jī)結(jié)構(gòu),上位機(jī)在運(yùn)行系統(tǒng)反饋程序的同時(shí),也運(yùn)行控制程序,下位機(jī)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制器,直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。本文開發(fā)了獨(dú)立的ECU運(yùn)行VSC控制程序,因而上位機(jī)僅用于反饋環(huán)節(jié)計(jì)算系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)。系統(tǒng)工作流程如下：首先,通過Lab-VIEW圖形化程序編寫VSC控制策略;然后以ARM 7嵌入式系統(tǒng)開發(fā)VSC的ECU,并將控制程序植入其中;第三步將ECU與改裝后的HCU安裝到車輛底盤上,并將方向盤轉(zhuǎn)角傳感器、輪缸壓力傳感器等信號(hào)接入LabVIEW 的PXI主機(jī);最后PXI主機(jī)將傳感器信號(hào)輸入事先建立好的整車模型中,計(jì)算車輛的運(yùn)行狀態(tài),并通過CAN總線將數(shù)據(jù)發(fā)送給ECU以構(gòu)成閉環(huán)。最后階段采用了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),將車輛模型的輸出結(jié)果以3D動(dòng)畫形式實(shí)時(shí)顯示,使結(jié)果更加直觀。

2 硬件在環(huán)反饋系統(tǒng)

硬件在環(huán)反饋系統(tǒng)包括兩個(gè)部分,第一個(gè)部分是基于LabVIEW程序編寫的整車數(shù)學(xué)模型,它承載著整個(gè)系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)的計(jì)算;第二個(gè)部分是虛擬現(xiàn)實(shí)部分,通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立虛擬試驗(yàn)場(chǎng)景,使整車模型與環(huán)境模型相結(jié)合,以3D圖像來呈現(xiàn)整個(gè)試驗(yàn)的過程,結(jié)果更加逼真和直觀。

2.1 整車模型

本文在硬件在環(huán)系統(tǒng)中建立了如圖3所示的七自由度非線性汽車動(dòng)力學(xué)模型[4],用以替代實(shí)車。這里的七自由度包括縱向、側(cè)向、橫擺和四個(gè)車輪的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

圖3 七自由度非線性汽車動(dòng)力學(xué)模型

式中,vx為縱向速度;vy為側(cè)向速度;γ為橫擺角速度;β為整車質(zhì)心側(cè)偏角;δ為前輪轉(zhuǎn)角;Fxij、Fyij(ij=f l,fr,rl,rr)分別為車輪上的縱向力和側(cè)向力;m為整車質(zhì)量;Iz為整車?yán)@鉛垂軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;a、b分別為整車質(zhì)心至前后軸的距離;d為前后輪輪距。

2.2 輪胎模型

硬件在環(huán)系統(tǒng)中采用了Dugoff非線性輪胎模型[5],它所需的參數(shù)較少,能較好地表達(dá)出輪胎的非線性特征,其表達(dá)式如下：

式中,Cxe、Cye分別為輪胎的縱向剛度和側(cè)向剛度;αe為輪胎側(cè)偏角;Fze為輪胎的垂直載荷;se為輪胎滑移率;μHe為路面最大附著系數(shù)。

各輪的側(cè)偏角表達(dá)式如下：

2.3 輪缸壓力反饋

由于車輛模型計(jì)算車身狀態(tài)時(shí)需要將輪缸壓力傳感器信號(hào)接入整車模型,因此,在LabVIEW中建立的整車模型必須具有壓力轉(zhuǎn)化模塊[6]。車輪的縱向力由車輪轉(zhuǎn)動(dòng)模型計(jì)算。對(duì)于前輪的縱向力可以表示為

后輪的制動(dòng)力可以表示為

式中,KBf、KBr分別為前輪和后輪的制動(dòng)系數(shù);PBfl、PBfr、PBrl、PBrr分別為四個(gè)車輪的輪缸壓力;Ts為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩;rf、rr分別為前后輪半徑。

2.4 虛擬現(xiàn)實(shí)

虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality,VR)是一種以沉浸性、交互性和構(gòu)想性為基本特征的計(jì)算機(jī)高級(jí)人機(jī)界面。它在獲取實(shí)際三維環(huán)境的三維數(shù)據(jù)后,根據(jù)應(yīng)用的需要,利用獲取的三維數(shù)據(jù)建立相應(yīng)的虛擬環(huán)境模型。由于構(gòu)建虛擬的三維場(chǎng)景進(jìn)行仿真,可以使仿真結(jié)果更接近實(shí)際,而且成本更低,還可以縮短開發(fā)周期,故目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于科技研發(fā)中。

LabVIEW支持直接對(duì)VRML和ASE文件的調(diào)用,也可以通過MATLAB作為連接的媒介[7],調(diào)用其他類型的3D文件。本文中虛擬場(chǎng)景首先通過3DMAX創(chuàng)建3D車輛和環(huán)境模型,保存為WRL文件;然后通過VRML編譯軟件,獲取模型的節(jié)點(diǎn);最后在 LabVIEW中創(chuàng)建MATLAB腳本程序,實(shí)現(xiàn)對(duì)WRL文件的調(diào)用。3D場(chǎng)景效果圖見圖4。

圖4 虛擬場(chǎng)景效果圖

3 VSC控制器設(shè)計(jì)

3.1 VSC工作原理

VSC通過對(duì)車輛單側(cè)車輪的主動(dòng)制動(dòng),產(chǎn)生一個(gè)作用于車身的附加橫擺力矩,從而對(duì)車輛運(yùn)行姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整,避免車輛失去控制而釀成危險(xiǎn),如圖5所示[8]。

圖5 VSC的工作原理

VSC控制器具有上下層控制器結(jié)構(gòu),上層控制器以橫擺角速度γ和前輪轉(zhuǎn)角δ作為主動(dòng)制動(dòng)策略的判斷依據(jù);下層控制器則為驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)的滑移率控制控制器,整體結(jié)構(gòu)如圖6所示。圖6中,ΔM為上層控制器計(jì)算出的理論附加橫擺力矩;MACD為牽引力控制力矩;MDYC和MABS分別為VSC控制器和ABS控制器的實(shí)際輸出制動(dòng)力矩。

圖6 VSC控制器結(jié)構(gòu)圖

3.2 上層控制器設(shè)計(jì)

VSC控制器采用主動(dòng)橫擺力矩控制,以橫擺角速度作為控制量,設(shè) γd為期望橫擺角速度,通過兩者之間的偏差確定附加橫擺力矩的大小?？刂扑惴ú捎没？刂芠9],令滑模面s為

則

取控制率

式中,u為控制輸入;?ueq為等效控制量。

由車輛的線性二自由度模型可得

對(duì)于期望值γd則有

式中,k為設(shè)計(jì)參數(shù);kf、kr分別為前后軸的側(cè)偏剛度。

3.3 下層控制器設(shè)計(jì)

下層控制器主要用于計(jì)算各車輪的控制量和主動(dòng)制動(dòng)策略的實(shí)現(xiàn),同時(shí)負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。滑移率控制可參見文獻(xiàn)[10]。當(dāng)在初期進(jìn)行控制策略的開發(fā)時(shí),為了將PXI主機(jī)直接對(duì)液壓控制單元進(jìn)行控制,必須設(shè)計(jì)單獨(dú)的LabVIEW驅(qū)動(dòng)程序。

PXI具有強(qiáng)大的數(shù)字和模擬I/O,但由于電磁閥和泵電機(jī)的工作電流較大,因此,LabVIEW的輸出主要作為控制開關(guān),還需單獨(dú)設(shè)計(jì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電路。LabVIEW驅(qū)動(dòng)程序主要采用其自帶的DAQ輸入輸出模塊編寫,由硬件接口SCB-68輸出。程序設(shè)定電磁閥的極限工作頻率為50Hz,如圖7所示。圖8所示為泵電機(jī)最大功率下增壓和減壓時(shí)的壓力變化曲線。

圖7 電磁閥響應(yīng)圖

圖8 泵電機(jī)響應(yīng)圖

3.4 電子控制單元設(shè)計(jì)

在VSC工作過程中,ECU要采集大量信號(hào)進(jìn)行計(jì)算和判斷,并調(diào)用控制策略輸出,因此對(duì)ECU的實(shí)時(shí)性要求很高。本文采用ARM7芯片作為處理器,采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μc/OS-Ⅱ來滿足VSC系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求。

ECU的電路部分主要包括信號(hào)接收處理部分、CAN 通信、SPI總線、PWM 輸出控制、泵電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和電磁閥驅(qū)動(dòng)電路等,如圖9所示。自主開發(fā)的電子控制單元如圖10所示。

圖9 ECU電路結(jié)構(gòu)示意圖

圖10 VSC電子控制單元

4 硬件在環(huán)仿真結(jié)果

仿真采用正弦轉(zhuǎn)角輸入(圖11),路面附著系數(shù)設(shè)為0.4的濕滑路面、車速為60km/h,車身參數(shù)如表1所示,結(jié)果對(duì)比如圖12～圖14。

表1 車輛部分參數(shù)

圖11 前輪轉(zhuǎn)角

圖12 橫擺角速度

圖13 質(zhì)心側(cè)偏角

圖14 相平面圖

從硬件在環(huán)測(cè)試結(jié)果可以看出,本文設(shè)計(jì)的控制器能夠有效地保持車身姿態(tài)。從圖12和圖13可以看出,在沒有經(jīng)過VSC控制時(shí),車輛在濕滑路面上轉(zhuǎn)向時(shí),橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角絕對(duì)值都急劇增大,這說明了車輛不僅發(fā)生了強(qiáng)烈的“自旋”,而且大幅度地偏離了期望行駛軌跡,完全失去了控制。由于在仿真中設(shè)置車速始終保持60km/h不變,所以圖12和圖13中未經(jīng)控制的質(zhì)心側(cè)偏角和橫擺角速度在車輛失去控制后有無限增大的趨勢(shì)。而經(jīng)過VSC控制后,車輛的橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角基本正常地反映了駕駛員的期望狀態(tài),從圖14的相平面圖可以看出車輛處于穩(wěn)定狀態(tài)。

5 結(jié)束語

本文利用LabVIEW豐富的軟硬件接口組建了車輛穩(wěn)定性控制硬件在環(huán)平臺(tái),設(shè)計(jì)并開發(fā)了車輛穩(wěn)定性控制ECU。在 LabVIEW 中建立了整車模型和車輛制動(dòng)系統(tǒng)的壓力模型,接收車身上的壓力傳感器信號(hào)和轉(zhuǎn)角傳感器信號(hào),計(jì)算車輛的運(yùn)行參數(shù),并將計(jì)算結(jié)果通過CAN總線反饋給了ECU。最后,本文基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)建了3D的車輛和環(huán)境模型,使硬件在環(huán)的測(cè)試結(jié)果更加直觀。

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