摘 要：為了演示ESP在提高汽車操縱穩(wěn)定性方面的作用，結(jié)合電子專業(yè)的技術(shù)知識(shí)，通過設(shè)計(jì)電路圖以及對電路圖的仿真，并應(yīng)用相關(guān)電子元器件，在玩具小車上模擬ESP的預(yù)險(xiǎn)警示和主動(dòng)控制功能，實(shí)物運(yùn)行效果良好。該設(shè)計(jì)思路和方法推廣應(yīng)用可使更多學(xué)生受益。

關(guān)鍵詞：汽車主動(dòng)安全； ESP； 模擬仿真設(shè)計(jì)； 加速度傳感器

中圖分類號(hào)：TN0234 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004373X（2012）22016704

0 引 言

ESP（ Electronic Stability Program）是一種主動(dòng)的智能安全系統(tǒng)，通過高度靈敏的傳感器時(shí)刻監(jiān)測汽車的行駛狀態(tài)，及時(shí)識(shí)別危險(xiǎn)情況，使汽車恢復(fù)行使的穩(wěn)定。ESP系統(tǒng)最早由德國博世（BOSCH）公司于1997年研制成功，該公司的統(tǒng)計(jì)表明ESP在汽車上的應(yīng)用使乘用車的交通事故率［12］降低了20%～50%。近年來ESP在行車方面的卓越功效越來越得到人們的認(rèn)可，世界范圍內(nèi)新車的ESP裝配率顯著的提高，根據(jù)德國博世公司的統(tǒng)計(jì)，2005年德國新車ESP裝配率約為72%，西歐的新車平均裝配率約為44%，北美約為21%，日本約為15%，在2006年，我們國內(nèi)的ESP的裝配率只有3%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于歐美地區(qū)［3］。而在2012年的今天，國內(nèi)車輛的ESP裝備情況仍然不容樂觀，只有18%，僅達(dá)到韓國2006年的水平［45］。相比于國外，國內(nèi)汽車行業(yè)對汽車動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性控制的研究起步較晚，國內(nèi)ESP的裝配率還比較低，由于科學(xué)技術(shù)水平的差距，大多數(shù)學(xué)者對ESP的研究也只是停留理論研究和模擬仿真解決ESP系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中所具體遇到的問題。同樣，這部分市場也完全掌握在外資企業(yè)手中，國內(nèi)企業(yè)幾乎無法涉足，所以，要努力攻克ESP設(shè)計(jì)的理論與關(guān)鍵技術(shù)，對提高國產(chǎn)汽車的自主開發(fā)能力、縮短與發(fā)達(dá)國家的差距具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本文正是基于ESP電子車身穩(wěn)定系統(tǒng)的原理，結(jié)合電子專業(yè)的技術(shù)知識(shí)，通過設(shè)計(jì)電路圖以及對電路圖的仿真，從理論上達(dá)到了ESP系統(tǒng)警示駕駛員和主動(dòng)制動(dòng)汽車的目的，并且應(yīng)用相關(guān)電子元器件，在玩具小車上模擬ESP系統(tǒng)的預(yù)險(xiǎn)警示和主動(dòng)控制功能。該設(shè)計(jì)演示了ESP在提高汽車操縱穩(wěn)定性方面的作用。

1 ESP控制汽車運(yùn)動(dòng)流程

ESP 電子車身穩(wěn)定系統(tǒng)是一種提高車輛曲線行駛穩(wěn)定性的主動(dòng)安全系統(tǒng)［68］。當(dāng)出現(xiàn)異常情況時(shí)，ESP會(huì)根據(jù)實(shí)際情況作出反應(yīng)，而不是盲目地服從于駕駛員，使汽車行駛安全性大大提高。ESP 電腦計(jì)算出保持車身穩(wěn)定的理論值，與偏轉(zhuǎn)率傳感器和橫向加速度傳感器測的的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，發(fā)出平衡糾偏指令，使汽車回到預(yù)定的軌道行駛，保持車輛正常行駛［911］系統(tǒng)控制流程如圖1所示。

基本控制程序如下所述：

（1） 汽車在正常行駛狀態(tài)下，ESP 控制單元（圖中的ECU模塊）接受來自轉(zhuǎn)向盤角度傳感器和輪速傳感器的信號(hào)，經(jīng)過計(jì)算和監(jiān)測，獲知駕駛員操縱汽車穩(wěn)定行駛的方向信息，并儲(chǔ)存這些數(shù)據(jù)。

（2） ESP 控制單元ECU同時(shí)接收來自橫擺角速度傳感器和橫向加速度傳感器的信號(hào)，經(jīng)過計(jì)算，獲取實(shí)際車輛行駛的狀態(tài)。并將數(shù)據(jù)和（1）中監(jiān)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，判斷汽車此時(shí)是否處于穩(wěn)定行駛狀態(tài)（駕駛員對汽車操控行駛的方向信息和穩(wěn)定行駛的方向信息對比一致則為汽車穩(wěn)定行駛狀態(tài)）。

（3） 經(jīng)過對比，如若兩者信息一致，則ESP控制單元判斷汽車此時(shí)處于安全行駛的穩(wěn)定狀態(tài)，ESP系統(tǒng)處于待命狀態(tài)。如若兩者信息不一致，ESP 控制單元判斷汽車此時(shí)處于非穩(wěn)定行駛狀態(tài)，ESP 控制單元下達(dá)控制命令到執(zhí)行器（液壓調(diào)節(jié)單元），通過對發(fā)動(dòng)機(jī)的干涉，利用液壓執(zhí)行器對每個(gè)車輪進(jìn)行制動(dòng)，及時(shí)糾正車輛的不穩(wěn)定行駛狀態(tài)，確保人身安全。

圖1 ESP系統(tǒng)控制流程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)的思路及原理分析

根據(jù)ESP 電子車身穩(wěn)定系統(tǒng)的原理，ESP 最大的特點(diǎn)在于它的主動(dòng)性，能夠在發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)及時(shí)提醒駕駛員，起到事先提醒的作用。圖2為預(yù)警功能模塊電路板的設(shè)計(jì)流程圖，通過加速度傳感器的取值和預(yù)先設(shè)定的電壓值（模擬實(shí)際ESP系統(tǒng)電子控制單元的穩(wěn)定值）進(jìn)行比較，根據(jù)實(shí)際模型小車的行駛情況，來判斷是向左加速還是向右加速，從而通過指示燈的亮滅給駕駛員發(fā)出警告，車輛出現(xiàn)的不穩(wěn)定行駛狀態(tài)。

圖2 模擬設(shè)計(jì)流程圖2.2 模擬設(shè)計(jì)的電路原理圖

在汽車的實(shí)際行駛過程中，由于各種原因出現(xiàn)側(cè)滑或者轉(zhuǎn)向過度、躲避障礙物等突發(fā)情況，ESP電子車身穩(wěn)定系統(tǒng)會(huì)主動(dòng)感知到汽車行駛的不穩(wěn)定狀態(tài)，電子控制單元通過對各個(gè)傳感器采集數(shù)據(jù)的分析和判斷，主動(dòng)采取干預(yù)措施，防止發(fā)生意外事故。但在實(shí)際的測試中，由于實(shí)驗(yàn)條件的差異性，無法模擬到真實(shí)汽車在遇險(xiǎn)時(shí)的處理過程，主要是模擬小車在急速轉(zhuǎn)彎的情況下，實(shí)驗(yàn)小車出現(xiàn)不穩(wěn)定性行駛狀態(tài)，ESP電子車身穩(wěn)定系統(tǒng)開始由待命狀態(tài)進(jìn)入工作狀態(tài)。

圖3是模擬處理采集信號(hào)的過程，依次對采集到的傳感器信號(hào)進(jìn)行放大、比較處理，從而通過發(fā)光LED燈來判斷實(shí)驗(yàn)小車的行駛狀態(tài)。

圖3 警示模塊仿真圖2.2.1 電壓放大模塊

在該設(shè)計(jì)的模塊中，由于實(shí)驗(yàn)小車的本身的速度的局限性通過加速度傳感器采集到的電壓信號(hào)較弱，需要對電壓信號(hào)進(jìn)行放大。主要采用芯片LM324 對模擬信號(hào)進(jìn)行放大，便于后面的電壓比較器處理。由于采用的加速度傳感器芯片的特殊性質(zhì)，在0 g或者靜止的情況下，輸出模擬電壓大概為1.2 V，經(jīng)過電壓放大模塊以后，電壓由原來的1.2 V放大到1.8 V左右。由圖3可以看出，采用同相比例電壓放大，由管腳1輸出來的電壓就是1.8 V，根據(jù)設(shè)計(jì)的原理圖，由反饋回路上的兩電阻比值得知，運(yùn)算放大倍數(shù)為3倍，由于實(shí)際測試的時(shí)候LM324運(yùn)算放大器采用3 V直流電源供電，所以同相比例放大器沒有按照理論上的3倍進(jìn)行放大，而僅僅放大了1.5倍，經(jīng)過放大的1.8 V的模擬電壓信號(hào)經(jīng)過濾波電路，接入到比較器的6管腳，與設(shè)定的電壓值進(jìn)行比較。

2.2.2 電壓比較器模塊

在電壓比較模塊中，選擇LM324芯片作為比較器，比較器正向輸入設(shè)定的電壓值，以此來模擬汽車在穩(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)際測得電壓值小于設(shè)定的電壓時(shí)，比較器邏輯出高電平，則根據(jù)電路原理圖可知，LED1 不發(fā)光，而LED2發(fā)光，相反，如果實(shí)際測得電壓數(shù)據(jù)大于設(shè)定的理論值，則比較器邏輯出低電平，此時(shí)LED1燈發(fā)光而LED2燈不發(fā)光。通過LED的亮滅，來判斷此時(shí)小車是否是加速度過大，是否是穩(wěn)定行駛的狀態(tài)。

在測試過程中，由于電壓比較器的供電電壓也是3 V的直流電源，所以模塊一經(jīng)上電，LED1就會(huì)點(diǎn)亮，表示電路工作正常，模擬實(shí)際汽車行駛的安全狀態(tài)，此時(shí)ESP 不工作；當(dāng)加速度傳感器感應(yīng)到危險(xiǎn)狀態(tài)，輸出模擬電壓較大電壓時(shí)，實(shí)驗(yàn)小車不在預(yù)定的狀態(tài)行駛，此時(shí)LED2點(diǎn)亮，而LED1熄滅，LED2燈點(diǎn)亮發(fā)出警告此時(shí)小車處于不穩(wěn)定行駛狀態(tài)，同時(shí)也預(yù)示，汽車的ESP系統(tǒng)要從待命狀態(tài)進(jìn)入工作狀態(tài)。在實(shí)際演示過程中，經(jīng)過多次試驗(yàn)，設(shè)定的電壓值為1.8 V是比較合適的。

2.3 實(shí)驗(yàn)制動(dòng)模塊的模擬設(shè)計(jì)

ESP電子車身穩(wěn)定系統(tǒng)在工作時(shí)，當(dāng)ECU接收到輪速傳感器傳來的信號(hào)時(shí)，電子控制單元就會(huì)下達(dá)相關(guān)指令到執(zhí)行器液壓調(diào)節(jié)器。液壓調(diào)節(jié)器通過控制各個(gè)車輪的制動(dòng)回路，來主動(dòng)調(diào)節(jié)汽車行駛的不穩(wěn)定狀態(tài)，及時(shí)糾正汽車的行駛方向，使汽車主動(dòng)回到預(yù)定的行駛軌道，保證行車安全。

2.3.1 制動(dòng)模塊模擬設(shè)計(jì)的原理分析

考慮到實(shí)驗(yàn)小車的驅(qū)動(dòng)模塊已存在，無法對驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行干涉，在模擬設(shè)計(jì)中，主要采用繼電器對小車的驅(qū)動(dòng)后輪電機(jī)進(jìn)行短暫的制動(dòng)，繼電器主要起轉(zhuǎn)換電路的作用，通過三極管NPN9013 的導(dǎo)通與截止，來控制繼電器工作，當(dāng)繼電器工作時(shí)，繼電器線圈有電流通過，產(chǎn)生電磁力，吸引繼電器內(nèi)部銜鐵轉(zhuǎn)換電路，切斷后輪電機(jī)的工作回路，電機(jī)停止工作；短暫的時(shí)間后，繼電器斷電，內(nèi)部開關(guān)主動(dòng)回到原來的位置，小車?yán)^續(xù)工作。

2.3.2 制動(dòng)模塊模擬設(shè)計(jì)的原理仿真圖

該設(shè)計(jì)模塊主要模擬ESP電子車身穩(wěn)定系統(tǒng)在工作時(shí)，對汽車行駛狀態(tài)進(jìn)行主動(dòng)干涉效果。由圖4可知，當(dāng)預(yù)險(xiǎn)警示模塊得到邏輯高電平時(shí)，三極管基極得到高電平。此時(shí)三極管導(dǎo)通，繼電器線圈瞬間有電流通過，產(chǎn)生電磁力，吸合銜鐵，圖4中的繼電器內(nèi)部開關(guān)由靜觸點(diǎn)換擋到動(dòng)觸點(diǎn)，此時(shí)，電路導(dǎo)通，LED4燈點(diǎn)亮，表明有信號(hào)輸入，且信號(hào)為高電平。

在實(shí)驗(yàn)過程中，無法動(dòng)態(tài)測試實(shí)驗(yàn)小車制動(dòng)模塊的電壓，只能通過繼電器的轉(zhuǎn)換電路功能來控制小車的后輪電機(jī)，將繼電器的公共端和靜觸點(diǎn)位置這兩段接入后輪電機(jī)的回路，以此來判斷小車是否被制動(dòng)。而在電路圖的仿真過程中，由于硬件的原因，直觀看不到繼電器的內(nèi)部開關(guān)有所變化，所以，將LED4燈接入電路，測試電路是否工作，LED4燈點(diǎn)亮，說明電路正常工作，見圖5。

圖4 制動(dòng)模塊仿真圖

圖5 繼電器工作制動(dòng)效果由模擬仿真圖可以看出，當(dāng)小車出現(xiàn)急速轉(zhuǎn)彎的情況下，電壓比較器出邏輯高電平，LED2燈發(fā)光，依次警告駕駛員小車的不穩(wěn)定行駛狀態(tài)，高電平約為3.8 V，到達(dá)三極管基極電壓約為0.89 V，此時(shí)三極管導(dǎo)通，繼電器線圈兩端電壓約為4.9 V，由于繼電器的工作電壓是5 V，繼電器線圈有電流通過，產(chǎn)生電磁力，繼電器內(nèi)部的銜鐵由靜觸點(diǎn)變換到動(dòng)觸點(diǎn)，由于公共端接6 V電壓，電路導(dǎo)通，LED4發(fā)光，此時(shí)表示繼電器完成制動(dòng)。當(dāng)實(shí)驗(yàn)小車正常行駛時(shí)，即電壓比較器出低電平，此時(shí)，三極管截止，繼電器的線圈無電流通過，繼電器保持原始態(tài)。

2.3.3 實(shí)驗(yàn)小車的實(shí)物圖

實(shí)驗(yàn)小車的實(shí)物如圖6所示。

3 結(jié) 語

本文介紹了ESP電子車身穩(wěn)定系統(tǒng)的工作原理和控制流程，將理論與實(shí)踐結(jié)合，模擬出ESP 系統(tǒng)在行車過程中的功效。通過設(shè)計(jì)電路圖以及對電路圖的仿真，從理論上達(dá)到了ESP系統(tǒng)警示駕駛員和主動(dòng)制動(dòng)汽車的目的。在模擬設(shè)計(jì)的警示模塊中，對加速度傳感器采集到的模擬信號(hào)進(jìn)行放大、比較處理，得到高低邏輯電平，當(dāng)出現(xiàn)邏輯低電平時(shí)，表示ESP 系統(tǒng)處于待命狀態(tài)；當(dāng)出現(xiàn)邏輯高電平時(shí)，相應(yīng)的LED燈點(diǎn)亮，表示ESP 系統(tǒng)從待命狀態(tài)進(jìn)入工作狀態(tài)。此時(shí)制動(dòng)模塊接收到命令，開始對小車的行駛狀態(tài)進(jìn)行干涉，繼電器轉(zhuǎn)換電路，內(nèi)部銜鐵由靜觸點(diǎn)變換到動(dòng)觸點(diǎn)，切斷小車后輪電機(jī)的驅(qū)動(dòng)回路，達(dá)到制動(dòng)目的。

圖6 實(shí)驗(yàn)小車實(shí)物圖由于實(shí)驗(yàn)條件的局限性以及理論與實(shí)踐的差距，實(shí)驗(yàn)小車在急速轉(zhuǎn)彎行駛過程中，加速度傳感器捕捉到危險(xiǎn)信號(hào)的時(shí)間較短，LED燈瞬間點(diǎn)亮，繼電器工作切斷驅(qū)動(dòng)回路，制動(dòng)小車，此時(shí)再控制小車運(yùn)動(dòng)，只能通過信號(hào)指示燈來判斷是想要前行還是后退。

總之本文利用較簡單的設(shè)計(jì)思想實(shí)現(xiàn)了ESP系統(tǒng)在行車過程中提高汽車操縱穩(wěn)定性方面的作用演示，小車模型軌跡跟隨性較好。希望這一設(shè)計(jì)思路對電子專業(yè)的理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)有一定的輔助作用，讓學(xué)生在探索的過程中，綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，理論聯(lián)系實(shí)際，提高發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力。該模擬設(shè)計(jì)實(shí)物運(yùn)行效果良好，此設(shè)計(jì)思路和方法推廣應(yīng)用可使更多學(xué)生受益。

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作者簡介： 陳 菁 女，1980年出生，山東人，博士，講師。研究方向?yàn)榱孔有畔?、電子教學(xué)。