轎車ABS/ASR/ACC集成化電控系統(tǒng)
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在系統(tǒng)自檢期間，故障警示燈將會(huì)自動(dòng)點(diǎn)亮，如果電子控制裝置發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中存在故障，電子控制裝置將會(huì)以故障代碼的形式存儲(chǔ)故障情況，故障警示燈會(huì)持續(xù)點(diǎn)亮，執(zhí)行機(jī)構(gòu)復(fù)位至常規(guī)狀態(tài)；如果未發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中存在故障，在自檢過(guò)程結(jié)束后，故障警示燈在1.5 秒后會(huì)自動(dòng)熄滅，表示集成系統(tǒng)處于正常運(yùn)行狀態(tài)。
系統(tǒng)啟動(dòng)自檢的內(nèi)容主要包括對(duì)已存故障信息的復(fù)查檢測(cè)和對(duì)制動(dòng)干預(yù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的檢測(cè)，在輪速大于15km/h 后進(jìn)行輪速信號(hào)的檢測(cè)。如果已存故障由輪速信號(hào)故障引起，啟動(dòng)自檢時(shí)故障警示燈將持續(xù)點(diǎn)亮，直到輪速大于15km/h 后進(jìn)行復(fù)查檢測(cè)，如故障排除，故障警示燈會(huì)自動(dòng)熄滅，記錄該故障為臨時(shí)性故障。
4.3 主控制模塊
主控制模塊為ABS/ASR/ACC 集成系統(tǒng)的控制主程序，見(jiàn)圖8 陰影虛線框。主控制模塊自身做無(wú)限的循環(huán)，連續(xù)調(diào)用故障診斷模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、參考車速計(jì)算模塊、路面識(shí)別模塊和車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)識(shí)別模塊，實(shí)時(shí)進(jìn)行車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和外界環(huán)境的判斷。
4.4 數(shù)據(jù)處理模塊
完成對(duì)采集到的數(shù)字和模擬信號(hào)進(jìn)行濾波和平滑處理，剔除奇異點(diǎn)和干擾信號(hào)，保證采集信號(hào)的準(zhǔn)確性。這里主要針對(duì)四個(gè)車輪的輪速信號(hào)進(jìn)行的異點(diǎn)剔除和三點(diǎn)滑動(dòng)平均法處理。
4.5 故障診斷模塊
故障診斷模塊在集成系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程中實(shí)時(shí)檢測(cè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)各電磁閥和電機(jī)的故障反饋端，車輪輪速信號(hào)。輪速的檢測(cè)采用下式：
4.6 參考車速計(jì)算模塊
參考車速計(jì)算模塊用來(lái)計(jì)算車身速度。由于成本等方面的原因，一般車輛上是不安裝車身速度傳感器的，集成系統(tǒng)控制的目標(biāo)就是將車輪的縱向滑動(dòng)率（滑移率或滑轉(zhuǎn)率）控制在合理的范圍內(nèi)，見(jiàn)式（2）和式（3）。因此參考車速確定的精確與否將直接影響到控制效果的優(yōu)劣，各個(gè)廠家有各自的方法，且屬于生產(chǎn)廠家的核心商業(yè)機(jī)密不對(duì)外公布。課題組對(duì)于參考車速進(jìn)行了大量分析研究，采用了自適應(yīng)卡爾曼濾波的參考車速確定方法，計(jì)算的參考車速結(jié)果存儲(chǔ)在參考車速緩沖區(qū)，用于制動(dòng)工況和和驅(qū)動(dòng)工況滑動(dòng)率的計(jì)算，以及ACC 系統(tǒng)控制中主目標(biāo)車輛絕對(duì)車速的計(jì)算。
當(dāng)判斷制動(dòng)踏板已經(jīng)踩下，進(jìn)行滑移率的計(jì)算，否則進(jìn)行滑轉(zhuǎn)率的計(jì)算，同一車輪的滑移率和滑轉(zhuǎn)率存儲(chǔ)在相同地址的緩沖區(qū)中。
4.7 路面識(shí)別模塊
路面識(shí)別方法是集成系統(tǒng)控制中的關(guān)鍵技術(shù)，它的準(zhǔn)確識(shí)別對(duì)于參考車速的準(zhǔn)確確定和合理的邏輯門限值的選取都有重要的意義。我們?cè)诖罅吭囼?yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上通過(guò)深入的理論分析和控制邏輯設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了較為實(shí)用的路面識(shí)別。
4.8 車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)識(shí)別模塊
車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)識(shí)別模塊用來(lái)區(qū)分直線行駛還是彎道行駛，左右后輪的速度差包含了轉(zhuǎn)向信息。在車輛直線行駛工況下，左右后輪的輪速差應(yīng)當(dāng)不超過(guò)一定限度。計(jì)算兩個(gè)后輪轉(zhuǎn)速差 ? ω（rad/s），并設(shè)定判斷參數(shù)λ2，λ2的確定考慮到使用過(guò)程中左、右后輪輪胎胎壓變化和輪胎磨損程度的不同。當(dāng)?ω>λ2時(shí)判斷車輛為轉(zhuǎn)向行駛，否則為直線行駛。識(shí)別結(jié)果存儲(chǔ)于車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)緩沖區(qū)中，以便于ABS、ASR 和ACC子系統(tǒng)調(diào)整相應(yīng)控制參數(shù)。
4.9 控制執(zhí)行模塊
系統(tǒng)控制執(zhí)行模塊包括三個(gè)子模塊，門限值設(shè)置模塊、控制邏輯模塊和執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作模塊。門限值設(shè)置模塊的任務(wù)是根據(jù)工作模式的識(shí)別，設(shè)置控制邏輯模塊的門限值，控制邏輯模塊依據(jù)門限值做出邏輯判斷和發(fā)出控制指令，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作模塊。ABS可視為獨(dú)立的控制模塊，在車速大于15km/h 有效，主要依據(jù)車輪的滑移率 SBi和減速度?ωi 判斷是否執(zhí)行車輪制動(dòng)防抱死控制調(diào)節(jié)。
ASR 也可視為獨(dú)立的控制模塊，在車速0～45km/h 間有效，主要依據(jù)車輪的滑轉(zhuǎn)率SAi判斷是否進(jìn)行驅(qū)動(dòng)力調(diào)節(jié)控制。
ACC 工作在車速大于45km/h 的車輛正常行駛階段，利用ABS 和ASR 的硬件執(zhí)行機(jī)構(gòu)，調(diào)用ASR 的節(jié)氣門控制模塊和制動(dòng)力干預(yù)控制模塊，緊急制動(dòng)工況時(shí)進(jìn)行ABS 防抱死調(diào)節(jié)。分為定速巡航和跟隨兩種工作模式，主要依據(jù)主車與目標(biāo)車輛間的相對(duì)距離和相對(duì)速度進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。
表2 ABS/ASR/ACC 集成系統(tǒng)工作情況 
1）ABS 控制后期主要以縮短制動(dòng)距離為目的，且車速低于15km/h 后ABS 控制模式的退出不影響車輛的穩(wěn)定性。
2）將ASR 控制模式限定在45km/h 以內(nèi)，主要是考慮捷達(dá)GTX 轎車以一擋起步時(shí)這一速度對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為5625 r/min，而發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)速為5800 r/min，如果車輛以二擋行駛，驅(qū)動(dòng)輪發(fā)生滑轉(zhuǎn)的可能性很小，ASR 起作用的機(jī)會(huì)也小。車速在0～15km/h 間屬于車輛起步階段，這時(shí)的ASR 控制主要以提高車輛縱向加速度為控制目標(biāo)，采用驅(qū)動(dòng)輪制動(dòng)力干預(yù)和節(jié)氣門開(kāi)度調(diào)節(jié)綜合控制；車速在15～45km/h 間屬于車輛正常行駛階段，這時(shí)的ASR 控制主要以提高行駛穩(wěn)定性為控制目標(biāo)，主要采用發(fā)動(dòng)機(jī)輸出力矩控制。當(dāng)車輛在高速行駛時(shí)，進(jìn)行驅(qū)動(dòng)力制動(dòng)干預(yù)控制可能使車輛產(chǎn)生橫擺運(yùn)動(dòng)，對(duì)車輛的行駛穩(wěn)定性有十分危險(xiǎn)的影響，綜合考慮，在車速大于45km/h后集成系統(tǒng)退出ASR 控制模式。
3）ACC 自動(dòng)巡航控制系統(tǒng)主要適用與于良好路況的情況下。若汽車低速行駛，頻繁的控制調(diào)節(jié)對(duì)汽車的正常行駛和駕駛員的舒適感都有較大的影響，為了簡(jiǎn)化集成系統(tǒng)控制算法，結(jié)合ASR 的門限值，設(shè)定車速低于45km/h 后集成系統(tǒng)退出ACC 控制模式。
以上對(duì)工作模式的速度劃分點(diǎn)并不是絕對(duì)的，可根據(jù)具體試驗(yàn)的情況進(jìn)行修改。集成系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作模塊包括三個(gè)部分，ABS 壓力調(diào)節(jié)器、工作模式電磁閥和節(jié)氣門控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。通過(guò)對(duì)相應(yīng)通道電磁閥和電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制就可以實(shí)現(xiàn)該通道制動(dòng)壓力的增壓、減壓和保壓的獨(dú)立調(diào)節(jié)。
4.10 數(shù)據(jù)采集中斷服務(wù)程序
數(shù)據(jù)采集模塊由定時(shí)中斷服務(wù)程序完成。集成系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)采集和主控制程序分離的結(jié)構(gòu)型式。由于ABS 電磁閥動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間通常不小于7ms，再加上制動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械滯后，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和控制周期通常不能低于電磁閥動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間。為了使數(shù)據(jù)處理更為方便和準(zhǔn)確，提高數(shù)據(jù)采樣頻率是一種有效的手段之一，因此，集成系統(tǒng)采用了3ms 周期的定時(shí)中斷數(shù)據(jù)采集程序。
為了滿足集成系統(tǒng)的需要，目前采集的數(shù)據(jù)主要包括：四個(gè)車輪轉(zhuǎn)速信號(hào)，蓄能器壓力信號(hào)，節(jié)氣門開(kāi)度信號(hào)、加速踏板開(kāi)度信號(hào)?？紤]到數(shù)據(jù)采集模塊屬于實(shí)時(shí)模塊，對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高，所以在設(shè)計(jì)軟件時(shí)，盡可能的利用硬件資源，減少M(fèi)CU 的占用時(shí)間。
MC9S12DP256 有8 個(gè)增強(qiáng)型定時(shí)器（ECT），每個(gè)定時(shí)器都可以通過(guò)軟件選擇作為輸入捕捉或者輸出比較，其中有四個(gè)帶有輸入保持緩沖器，當(dāng)輪速信號(hào)上升沿（可選為下降沿）來(lái)到時(shí)，MCU 自動(dòng)將輸入捕捉寄存器中的時(shí)間值放入保持緩沖器中，同時(shí)將主計(jì)時(shí)器的當(dāng)前時(shí)間值放入輸入捕捉寄存器中，因此基于測(cè)周法可較為容易地實(shí)現(xiàn)四個(gè)輪速信號(hào)的采集。
節(jié)氣門開(kāi)度信號(hào)和加速踏板開(kāi)度信號(hào)、蓄能器壓力信號(hào)都是模擬信號(hào)，它的采集由MC9S12DP256 內(nèi)部的AD 轉(zhuǎn)換模塊自動(dòng)完成。設(shè)置了模擬信號(hào)AD 轉(zhuǎn)換的完畢中斷，在中斷處理程序中存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換結(jié)果。
4.11 制動(dòng)踏板中斷服務(wù)程序
考慮到駕駛員制動(dòng)動(dòng)作與主動(dòng)制動(dòng)控制的緊急切換，設(shè)計(jì)了制動(dòng)踏板中斷服務(wù)程序。無(wú)論系統(tǒng)處于何種控制方式和控制狀態(tài)，當(dāng)采集到制動(dòng)踏板上升沿觸發(fā)的中斷時(shí)，集成控制系統(tǒng)立即進(jìn)入制動(dòng)踏板中斷服務(wù)程序，對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊進(jìn)行復(fù)位，恢復(fù)常規(guī)制動(dòng)方式，不干預(yù)駕駛員的制動(dòng)動(dòng)作，保證了車輛行駛的安全性。系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)復(fù)位延時(shí)一段時(shí)間后退出中斷，繼續(xù)運(yùn)行主控制模塊循環(huán)控制。例如當(dāng)ASR 系統(tǒng)正在進(jìn)行驅(qū)動(dòng)防滑調(diào)節(jié)時(shí)，駕駛員緊急踩下制動(dòng)踏板，此時(shí)主動(dòng)制動(dòng)干預(yù)系統(tǒng)迅速恢復(fù)常規(guī)制動(dòng)狀態(tài)，保證了駕駛員的制動(dòng)動(dòng)作不受影響。
4.12 通訊模塊
集成系統(tǒng)通訊模塊包括實(shí)時(shí)通訊和非實(shí)時(shí)通訊兩部分。其中實(shí)時(shí)通訊主要指通過(guò)CAN 總線與車距傳感器間的通訊，由于車距尚未購(gòu)買到合適的車距傳感器，這部分僅預(yù)留了相關(guān)的硬件和件接口；非實(shí)時(shí)通訊主要指通過(guò)異步串行通訊（SCI）與外部故障診斷設(shè)備的K-LINE 通訊。
ABS/ASR/ACC 集成電控系統(tǒng)各子模塊的流程框圖見(jiàn)附件2。
5.試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)
在集成系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，需要存儲(chǔ)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，便于分析和比較控制程序的效果。為此設(shè)計(jì)了獨(dú)立的與上位機(jī)通訊的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)，采集和存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)過(guò)程各傳感器信號(hào)，并通過(guò)異步串口通訊（SCI）方式發(fā)送至上位PC 機(jī)，再由上位機(jī)完成試驗(yàn)結(jié)果的保存、分析和處理。這樣做的好處有以下幾點(diǎn)：
1）提高了集成控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。如果與上位機(jī)的通訊和數(shù)據(jù)傳遞也由集成控制系統(tǒng)完成，必然會(huì)影響到控制過(guò)程的實(shí)時(shí)性，采用的獨(dú)立采集系統(tǒng)可以解決這一問(wèn)題。
2）簡(jiǎn)化集成控制系統(tǒng)硬件電路復(fù)雜程度。為了分析和比較控制邏輯，需要采集一些控制邏輯本身不要求的信號(hào)，例如制動(dòng)過(guò)程中四個(gè)輪缸的制動(dòng)壓力信號(hào)和五輪儀輪速信號(hào)。采用獨(dú)立采集系統(tǒng)就可以簡(jiǎn)化集成控制系統(tǒng)電路的復(fù)雜性，試驗(yàn)成功后，根據(jù)產(chǎn)品的要要，進(jìn)行少量的修改，就可以方便地應(yīng)用到實(shí)際產(chǎn)品中。
3）將試驗(yàn)結(jié)果傳送至上位機(jī)，可以充分利用其強(qiáng)大的數(shù)學(xué)運(yùn)算能力，充足的存儲(chǔ)空間，更加直觀、準(zhǔn)確的分析和完善控制邏輯。
與集成系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集信號(hào)相比，與上位機(jī)通訊的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)增加了四個(gè)車輪制動(dòng)管路壓力的采集和五輪儀輪速的采集，同時(shí)利用MC9S12DP256 自帶的串行通訊接口（RS232），設(shè)計(jì)了與上位機(jī)的串行通訊發(fā)送完成中斷服務(wù)程序。
五輪儀輪速信號(hào)采集同樣基于測(cè)周法原理進(jìn)行，利用五輪儀脈沖上升沿中斷記錄兩次主計(jì)時(shí)值，相減便可得到脈沖周期值。與集成控制系統(tǒng)輪速采集程序不同的是利用了MC9S12DP256 不帶保持緩沖區(qū)的輸入捕捉端口。
同時(shí)課題組利用C++ Builder 開(kāi)發(fā)了配套的集成控制系統(tǒng)上位機(jī)數(shù)據(jù)采集處理程序，可實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)的通訊，數(shù)據(jù)的采集和顯示，圖表顯示，讀取和清除故障碼，數(shù)據(jù)保存，傳感器標(biāo)定，數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換等功能。如圖9 所示。
圖9 上位機(jī)數(shù)據(jù)采集和分析處理程序界面
6. 結(jié)束語(yǔ)
系統(tǒng)的集成化包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一體化，性能一體化和控制一體化，這三點(diǎn)在本次設(shè)計(jì)的ABS/ASR/ACC 集成控制系統(tǒng)中都得到很好的體現(xiàn)。
1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一體化：形成了ABS、ASR、ACC 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的共用，ASR 驅(qū)動(dòng)輪制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)是利用ABS 壓力調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)的，ACC 的控制也建立在ABS 和ASR 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，無(wú)需再對(duì)車輛制動(dòng)系統(tǒng)另行改裝。另外，應(yīng)用一個(gè)MCU 實(shí)現(xiàn)了三者控制邏輯的集成，形成了電子控制裝置的一體化。
2）性能一體化：實(shí)現(xiàn)了ABS、ASR、ACC 彼此間的功能完善，優(yōu)化了子系統(tǒng)的性能。例如利用ACC 車距傳感器可獲得的主車與主目標(biāo)車輛的相對(duì)車距和相對(duì)車速的信息，利用ABS 輪速傳感器獲得的主車行駛的絕對(duì)速度信息，從而可獲得前方主目標(biāo)車輛的絕對(duì)車速，便于對(duì)前方主目標(biāo)車輛行駛狀況準(zhǔn)確的判斷。在ACC 起作用期間，如果實(shí)際車距小于理想安全車距（例如巡航過(guò)程中突然有車輛并線），駕駛員未及時(shí)采取處理措施，為保證行駛安全，集成系統(tǒng)立即實(shí)施主動(dòng)制動(dòng)，使車輛減速，在這一過(guò)程中利用ABS 功能提高了車輛的穩(wěn)定性，這樣就更加增加了汽車的行駛安全性。
3）控制一體化：ABS、ASR 和ACC 子系統(tǒng)控制的實(shí)質(zhì)就是對(duì)以調(diào)節(jié)車輪輪缸壓力為目標(biāo)的制動(dòng)干預(yù)模式和以調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出力矩為目標(biāo)的節(jié)氣門開(kāi)度兩種控制方式適當(dāng)組合和合理控制的結(jié)果。ABS/ASR/ACC 集成ECU 實(shí)現(xiàn)了傳感器信號(hào)的共享，形成了軟件控制系統(tǒng)中的信號(hào)處理、參考車速計(jì)算、路面識(shí)別、車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的識(shí)別和執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作公用模塊。實(shí)現(xiàn)了硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)相結(jié)合的控制一體化。
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