一種ESP電子車身穩(wěn)定系統(tǒng)地模擬設(shè)計(jì)

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，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)電手元器件，在玩具小車上模擬ESP的預(yù)險警示爭主動控制功能，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。
0 引言
ESP(Electronic Stability Program)是一種主動的智能安全系統(tǒng)，通過高度靈敏的傳感器時刻監(jiān)測汽車的行駛狀態(tài)，及時識別危險情況，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)。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。相比于國外，國內(nèi)汽車行業(yè)對汽車動力學(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，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)警示駕駛員和主動制動汽車的目的，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)險警示和主動控制功能。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)定性的主動安全系統(tǒng)。當(dāng)出現(xiàn)異常情況時，ESP會根據(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，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，并儲存這些數(shù)據(jù)。
(2)ESP控制單元ECU同時接收來自橫擺角速度傳感器和橫向加速度傳感器的信號，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)動機(jī)的干涉，利用液壓執(zhí)行器對每個車輪進(jìn)行制動，及時糾正車輛的不穩(wěn)定行駛狀態(tài)，確保人身安全。
2 ESP電子車身穗定系統(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)在于它的主動性，能夠在發(fā)生危險時及時提醒駕駛員，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)。

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)會主動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傳感器采集數(shù)據(jù)的分析和判斷，主動采取干預(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)汽車在遇險時的處理過程，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的過程，依次對采集到的傳感器信號進(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)。