張 松，李 鵬，張 山，杜季軒

(太原科技大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，山西 太原 030024)

汽車行業(yè)是每個(gè)國(guó)家科技前沿的體現(xiàn)，同時(shí)隨著人們生活觀念的不斷提高，對(duì)安全性的意識(shí)不斷增強(qiáng)。對(duì)于提高汽車的主動(dòng)安全性具有明顯的社會(huì)效益和明顯的經(jīng)濟(jì)效益，剎車防抱死制動(dòng)系統(tǒng)ABS 在轎車上已成為一種標(biāo)準(zhǔn)配置，車身電子穩(wěn)定系統(tǒng)(ESP)已成為趨勢(shì)，它能在緊急情況下挽救生命。

1 車身穩(wěn)定系統(tǒng)的簡(jiǎn)介

1.1 汽車防側(cè)滑的概念

當(dāng)汽車以較高的車速在表面潮濕或有冰雪的路面上緊急制動(dòng)時(shí)，很可能會(huì)出現(xiàn)這樣一些危險(xiǎn)的情況比如，車尾在制動(dòng)的過(guò)程中偏離行進(jìn)的方向，嚴(yán)重的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)汽車旋轉(zhuǎn)掉頭，汽車失去方向穩(wěn)定性，這種現(xiàn)象稱為側(cè)滑。

1.2 汽車制動(dòng)側(cè)滑的危害

汽車在行駛中常因制動(dòng)引起汽車偏離原定的行駛方向，造成側(cè)向滑移，甚至翻車而引發(fā)交通事故。當(dāng)汽車在高速時(shí)制動(dòng)，會(huì)使汽車完全喪失操縱，尤其后軸側(cè)滑將引起汽車劇烈的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致翻車、撞車等惡性事故。汽車的側(cè)滑是目前發(fā)生車禍的重要原因之一，如果我們能夠提高車身穩(wěn)定性能避免側(cè)滑對(duì)現(xiàn)在社會(huì)以及減低交通事故率有很大幫助。

1.3 引起汽車側(cè)滑的因素

引起汽車側(cè)滑的因素有很多，比如說(shuō)機(jī)件失調(diào)、前橋變形或主銷與銷套松曠、橫直拉桿球頭松曠與雙橫拉桿結(jié)構(gòu)汽車的前束調(diào)整不當(dāng)，輪轂軸承松曠，邊梁斷裂等。同時(shí)在不同的路面其附著系數(shù)不同，且當(dāng)車左右不對(duì)稱時(shí)車輪載荷過(guò)重都會(huì)有橫向力的作用，引起側(cè)滑。在一些裝有防抱死(ABS)制動(dòng)裝置的汽車，也會(huì)因路面凸形不均或其他不良因素而引起側(cè)滑。如果汽車在高速行駛時(shí)也會(huì)因其附著力小而引起汽車發(fā)生側(cè)滑。另外，單純使用手制動(dòng)或腳制動(dòng)(制動(dòng)間隙不一致)，如果前輪制動(dòng)輕，后輪制動(dòng)重，都極易產(chǎn)生側(cè)滑。汽車前后輪制動(dòng)力不均勻，輪胎氣壓不一樣，輪胎花紋磨平等也會(huì)引起制動(dòng)側(cè)滑。

1.4 汽車制動(dòng)側(cè)滑的預(yù)防措施

由于汽車發(fā)生側(cè)滑的因素很多，這里主要針對(duì)一些常見情況進(jìn)行預(yù)防。首先針對(duì)附著力小的問(wèn)題，這主要是由于路面的光滑或者有泥濘或者冰雪引起的。在這種情況下最好的辦法就是降低車速。還有就是某些車雖然裝有ABS 但不知時(shí)常去檢修，使得其制動(dòng)性能下降。針對(duì)這種情況應(yīng)該經(jīng)常檢修其功能。目前造成交通事故的原因有很多是因?yàn)檠b載過(guò)多引起的車身側(cè)滑，所以我們應(yīng)該合理的裝載。

2 基于單片機(jī)控制的穩(wěn)定系統(tǒng)

本系統(tǒng)的研究基于裝有數(shù)據(jù)采集裝置測(cè)距傳感器、角度傳感器SCA60 和數(shù)據(jù)處理模塊STC90C516RD+單片機(jī)以及飛思卡爾小車。基本原理是通過(guò)超聲波測(cè)距傳感器測(cè)量障礙物的距離，通過(guò)AD/DA 轉(zhuǎn)換模塊將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，與預(yù)定值進(jìn)行比較，若達(dá)到條件控制電動(dòng)機(jī)減速或控制舵機(jī)轉(zhuǎn)向，從而躲避障礙物。系統(tǒng)的原理圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)原理圖

在轉(zhuǎn)向時(shí)，簡(jiǎn)化為兩種特殊情況:過(guò)度轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)向不足，此時(shí)對(duì)車身穩(wěn)定系統(tǒng)研究就顯得尤為重要。

1)過(guò)度轉(zhuǎn)向表現(xiàn)為車體扭轉(zhuǎn)角度大于轉(zhuǎn)向角度。若產(chǎn)生縱向加速度，加速度傳感器反饋數(shù)據(jù)，控制系統(tǒng)在數(shù)據(jù)反饋后作出降低驅(qū)動(dòng)的處理，以提高后軸的側(cè)向的附著力，同時(shí)給前輪適量相反轉(zhuǎn)向的信號(hào)從而處理過(guò)度轉(zhuǎn)向的問(wèn)題。

2)對(duì)于轉(zhuǎn)向不足，表現(xiàn)為車輛需要更多的轉(zhuǎn)向輪角度來(lái)保持所需行進(jìn)線路。轉(zhuǎn)向不足是前輪輪胎與地面接觸面的偏滑角建立速度大于后輪輪胎與地面接觸面的偏滑角建立速度造成的。一旦判斷有轉(zhuǎn)向不足傾向，控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)向圓周小的車輪做瞬時(shí)制動(dòng)處理，以產(chǎn)生預(yù)定的滑動(dòng)率。由于慣性作用，會(huì)使小車產(chǎn)生轉(zhuǎn)向，這樣一來(lái)轉(zhuǎn)向不足就會(huì)被克服。

3 控制方法

該系統(tǒng)采用模糊控制算法，當(dāng)小車產(chǎn)生縱向加速度時(shí)，不止產(chǎn)生使其側(cè)滑和不側(cè)滑的加速度，其值是在一定范圍內(nèi)變化。模糊控制算法將這些加速度與隸屬函數(shù)相比較而產(chǎn)生相應(yīng)的隸屬度，從而控制單片機(jī)作出屬于該隸屬度下的命令，使得小車不論在側(cè)滑前、側(cè)滑、側(cè)滑后都可以產(chǎn)生相應(yīng)的校正動(dòng)作。利用這種控制算法增強(qiáng)系統(tǒng)的控制響應(yīng)速度及對(duì)不確定性因素的適應(yīng)性。算法流程如圖2 所示。

圖2 模糊控制算法

原理:

1)模糊化:其主要功能是根據(jù)輸入變量的隸屬度函數(shù)，求出精確的輸入值相對(duì)輸入變量各個(gè)語(yǔ)言值的隸屬度。設(shè)定輸入變量為u(u 為縱向瞬時(shí)加速度與發(fā)生側(cè)滑時(shí)加速度的比值)，輸出變量v(v 是小車前輪轉(zhuǎn)角)，E(偏差)和EC(偏差變化率)是經(jīng)過(guò)輸入量化后的語(yǔ)言變量，V(模擬控制器輸出的語(yǔ)言變量)。v 為經(jīng)過(guò)輸出量化后的實(shí)際輸出值，其模糊語(yǔ)言變量的隸屬函數(shù)分別設(shè)計(jì)為:

2)V:{LB，LM，LS，M，RS，RM，RB};

3)論域?yàn)閧－45，－30，－15，0，15，30，45};

4)LB:左大;LM:左中;LS:左小;M:中;RS:右小;RM:右中;RB:右大。

5)模糊規(guī)則推理:模糊推理的輸入量是所有輸入變量的輸入精確值相對(duì)輸入變量所有語(yǔ)言值的隸屬度;輸出是輸出各語(yǔ)言值的隸屬度，模糊規(guī)則是模糊控制器的核心，可分為前提和結(jié)論兩部分:前提部分描述原因;結(jié)論部分描述與控制行為相關(guān)的結(jié)果，結(jié)構(gòu)為FR:IF A THEN B［1］。

模糊規(guī)則表采用兩輸入單輸出結(jié)構(gòu)，輸入輸出如表1所示。

表1 模糊規(guī)則表

模糊推理:采用MAX—MIN 法進(jìn)行模糊推理［2］。設(shè)定E，EC，U 的隸屬度分別是u1，u2，u3，則

反模糊化:將控制變量變?yōu)榫珳?zhǔn)的控制量，其輸入是各語(yǔ)言值的隸屬度，輸出是系統(tǒng)輸出變量的精確輸出值。公式:U=∑U5 ×U/∑U5。

4 結(jié)論

在小車轉(zhuǎn)彎時(shí)，通過(guò)加速度傳感器采集當(dāng)前信號(hào)，利用算法對(duì)小車當(dāng)前車身狀態(tài)作出判斷，通過(guò)單片機(jī)對(duì)車身作出向左大幅度轉(zhuǎn)向、向左微轉(zhuǎn)向、不轉(zhuǎn)向、向右大幅度轉(zhuǎn)向、向右微轉(zhuǎn)向等合理角度的判斷，進(jìn)一步作出調(diào)整，使得小車縱向加速度減小從而減小車身側(cè)滑，實(shí)現(xiàn)車身穩(wěn)定，使小車平穩(wěn)轉(zhuǎn)彎。

［1］(克羅)科瓦稀奇，(克羅)波格丹.模糊控制器設(shè)計(jì)理論與應(yīng)用［M］.胡玉玲，張立權(quán)，譯.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［2］李士勇.模糊控制［M］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2011.