裴曉飛 劉昭度 齊志權(quán) 張 彪 李志遠(yuǎn)

（北京理工大學(xué)機械與車輛學(xué)院1） 北京 100081） （河北大學(xué)機械與建筑工程學(xué)院2） 保定 071000）

根據(jù)日本ASV（advanced safety vehicle）項目的研究成果［1］，汽車安全產(chǎn)品根據(jù)事故發(fā)生的相對時間，可分為安全駕駛輔助系統(tǒng)、增強型動力學(xué)系統(tǒng)、主動避撞系統(tǒng)三大類.其中汽車主動巡航系統(tǒng)（ACC）屬于第一類，通過車輛的定速巡航或安全車距保持控制，提高正常行車特別是高速駕駛時的主動安全性，同時也可減輕駕駛員工作強度，有利于乘坐的舒適性.制動防抱死系統(tǒng)（ABS）和驅(qū)動防滑系統(tǒng)（ASR）同屬第二類，主要作用于極限工況，分別通過調(diào)節(jié)制動力和驅(qū)動力來使得車輪滑移率控制在一理想范圍內(nèi)，以獲得最優(yōu)的地面附著力.近十余年來，國內(nèi)外各高校和汽車公司進行了大量的針對性工作［2－4］，并獲得了豐富的研究成果.清華大學(xué)已在國內(nèi)率先實現(xiàn)ABS的產(chǎn)品化工作［5］，博世公司也擁有種類齊全的汽車主動安全設(shè)備［6］，但將三者集成化的電控系統(tǒng)卻仍未出現(xiàn).

同時系統(tǒng)在基于實車實驗的開發(fā)工程中，車載平臺無疑是必不可少的輔助設(shè)備［7］.通過實時記錄控制系統(tǒng)的內(nèi)部參數(shù)和外部車輛的運動姿態(tài)，能方便直觀地反映出控制器的性能，并且大大加快研發(fā)的進度.東南大學(xué)的張為公和清華大學(xué)的楊殿閣等人研制的車載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)［8－9］僅能對車輛外在狀態(tài)實行監(jiān)測，對控制器的研發(fā)未能起到有效幫助.因此本文介紹了ABS／ASR／ACC集成系統(tǒng)的組成和意義，給出了為實現(xiàn)此集成系統(tǒng)而專門開發(fā)的車載實驗平臺的總體架構(gòu)，分析了各個子模塊的功能和結(jié)構(gòu)，并設(shè)計了平臺內(nèi)部通信協(xié)議.通過實車實驗表明車載平臺性能良好，滿足集成系統(tǒng)的研究需要.

1 ABS／ASR／ACC集成控制系統(tǒng)

隨著汽車上以主動安全為目的的電控產(chǎn)品越來越多，必然會導(dǎo)致不同系統(tǒng)和執(zhí)行器之間相互干涉和性能沖突問題，而ABS／ASR／ACC集成控制系統(tǒng)的提出符合電控產(chǎn)品系統(tǒng)集成化的趨勢［10］.ABS，ASR，ACC 3個控制子系統(tǒng)同屬于汽車縱向動力學(xué)研究范疇，盡管各自的作用范圍不盡相同，但功能和控制目標(biāo)互有補充，集成控制能顯著提高汽車整體的縱向安全性；另一方面從實現(xiàn)手段上看，ASR，ACC均可視為在ABS基礎(chǔ)上的自然延伸，三者能共用大部分傳感器和執(zhí)行機構(gòu)，通過資源共享實現(xiàn)降低成本.而在控制器軟件設(shè)計中，基于明確界定的各子系統(tǒng)功能，建立控制優(yōu)先級判斷邏輯，通過共享變量和函數(shù)，實行合理的資源調(diào)配，提高編程效率.表1給出了3個子系統(tǒng)之間的異同點和相互切換邏輯；圖1則顯示了協(xié)調(diào)控制策略流程圖.

圖1 ABS／ASR／ACC協(xié)調(diào)控制策略

表1 集成系統(tǒng)的組成

2 基于CAN總線的車載實驗平臺

2.1 平臺總體架構(gòu)

根據(jù)ABS／ASR／ACC集成系統(tǒng)的特點，基于模塊化的思想，按車載實驗平臺的功能將其劃分為：集成控制，數(shù)據(jù)采集，雷達信息處理，人機交互等四個模塊，并通過CAN總線采取分布式協(xié)同工作.圖2給出了車載平臺的硬件組成.

圖2 車載平臺硬件框圖

2.2 子模塊設(shè)計

2.2.1 集成控制模塊 集成控制模塊將獨立ABS，ASR，ACC控制器在軟硬件上有機結(jié)合，通過對各個傳感器的信息融合，實時對當(dāng)前的行車狀態(tài)和駕駛員操作進行判斷，并調(diào)用相應(yīng)的控制程序，驅(qū)動節(jié)氣門或制動執(zhí)行機構(gòu)對車輛進行主動調(diào)節(jié)，是車載平臺中發(fā)揮車輛控制功能的核心單元.圖3給出了ABS／ASR／ACC集成控制器的結(jié)構(gòu)框架.

圖3 集成控制模塊結(jié)構(gòu)組成

2.2.2 數(shù)據(jù)采集模塊 利用五輪儀采集車速信息，通過六路壓力傳感器得到實時主缸和輪缸壓力，由車輪扭矩傳感器感知地面作用力大小，通過陀螺儀測得車輛行駛中的橫擺角速度和橫向／縱向加速度，利用前輪轉(zhuǎn)角傳感器獲得方向盤輸入信息.數(shù)據(jù)采集模塊對全面了解車輛實時信息，輔助控制策略應(yīng)用起著重要作用.

2.2.3 雷達處理模塊 在ACC系統(tǒng)中，應(yīng)用了美國Delphi公司的車載毫米波雷達，來獲取前車的相對車速，相對車距，方位角等信息，最多能同時跟蹤64個目標(biāo).由于雷達獲取信息量較大，同時相關(guān)目標(biāo)控制算法較復(fù)雜，因此單獨設(shè)置子CAN網(wǎng)，專門實現(xiàn)雷達信號的獲取與處理，保證了集成系統(tǒng)的實時性和可靠性.

2.2.4 人機交互模塊 基于Linux嵌入式操作系統(tǒng)，負(fù)責(zé)平臺的輸入指令和輸出顯示等整體操作.因此不必像往常通過筆記本電腦，借助車載平臺即可直接方便的完成實車試驗的各項任務(wù).圖4給出了人機交互模塊的硬件結(jié)構(gòu)，其具有以下功能.

1）實時顯示 接收車載平臺各子模塊經(jīng)CAN總線傳來的變量，進行數(shù)據(jù)還原和分類，并通過液晶屏顯示.

2）指令輸入 由鍵盤負(fù)責(zé)輸入指令，操作實驗的進程和顯示界面的切換.

3）數(shù)據(jù)存儲 在實時顯示的同時，將CAN總線上的試驗數(shù)據(jù)通過USB主機儲存到U盤上.按不同時間，不同的實驗類型以文件的形式儲存.

4）故障診斷 若實驗中ABS／ASR／ACC系統(tǒng)發(fā)生故障，可對存儲于EEPROM中的故障碼進行離線顯示和人工清除.

5）結(jié)果后處理 實驗結(jié)束后可將U盤中的分類數(shù)據(jù)通過USB從機發(fā)送PC上，進行曲線擬合等進一步分析.

圖4 人機交互模塊硬件結(jié)構(gòu)

2.3 平臺通信協(xié)議

由于安全電控系統(tǒng)對實時性和可靠性有著苛刻的要求，選用了傳輸速率500k／bit，11位ID的CAN通信協(xié)議作為平臺的控制總線.各個子模塊按照協(xié)議中對節(jié)點地址和信息場的分配，將數(shù)據(jù)打包后以一定的幀格式向CAN總線上發(fā)送，并由顯控模塊最終接收，并解析還原成實際值.在信息場中包含有模擬信號和數(shù)據(jù)信號.模擬信號一般為1或2字節(jié)，如輪速信號，有一定的采樣周期，因此也為周期傳送；數(shù)字信號屬于事件類，如制動踏板的開合，屬于位傳輸.搭建完成CAN網(wǎng)絡(luò)之后，需要利用CAN－USB工具進行數(shù)據(jù)標(biāo)定，并對網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率和錯誤率進行測試.

3 車載平臺性能實車驗證

圖5給出了所設(shè)計的車載集成控制器在整個實車試驗平臺中應(yīng)用的示意圖.在完成ABS／ASR／ACC控制策略開發(fā)后，即可基于實車平臺對集成控制系統(tǒng)的性能進行試驗驗證.

3.1 ABS－ASR聯(lián)合實驗

圖5 實車平臺總體示意圖

在低附著路面上制動和驅(qū)動過程中，車輪極容易出現(xiàn)過大的滑移率，同時車輛失穩(wěn).因此利用集成控制系統(tǒng)進行了ABS－ASR控制切換實驗，結(jié)果如圖6所示，反映了右前輪和左后輪的輪速關(guān)系.在8.5s采取緊急制動后，調(diào)用ABS控制防止車輪的抱死；從11s開始，車輛加速，由于驅(qū)動輪容易打滑，利用ASR調(diào)節(jié)保證了車輛的加速性能.

圖6 ABS－ASR切換實驗結(jié)果

3.2 雷達信號驗證實驗

雷達信號處理的好壞直接決定了集成系統(tǒng)中ACC控制效果，因此需對雷達ECU輸出結(jié)果進行標(biāo)定.如圖7所示，圖7a）為由前車裝備的速度傳感器采集得到的車速；圖7b）為車速根據(jù)雷達測量出的相對車速加上自車車速估計得到的前車車速.實驗結(jié)果顯示兩條曲線基本吻合，由此得到雷達ECU能準(zhǔn)確反映出前方目標(biāo)信息，并提供給集成系統(tǒng)應(yīng)用.

圖7 雷達信號驗證實驗結(jié)果

3.3 ACC車距保持實驗

利用集成系統(tǒng)的ACC功能，可以輔助駕駛員駕駛，實現(xiàn)對前車的安全距離保持，實驗結(jié)果如圖8所示.圖中，前車以80s周期作類似正弦運動，自車v能以較小的速度誤差跟隨前車vp進行正弦運動；同時，實際相對車距R較好的符合虛線所代表的安全時距Rd，因此集成系統(tǒng)較好的實現(xiàn)了車輛自適應(yīng)巡航的功能.

圖8 ACC車距保持實驗結(jié)果

4 結(jié) 論

1）所開發(fā)的ABS／ASR／ACC集成控制系統(tǒng)能有效實現(xiàn)各個子系統(tǒng)的功能，同時協(xié)調(diào)控制有利于進一步提高汽車的主動安全性.

2）所開發(fā)的車載實驗平臺，各個模塊協(xié)同工作能滿足多項技術(shù)要求，為ABS／ASR／ACC控制策略的調(diào)試提供的良好的硬件支持.

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