汽车底盘集成控制系统设计与开发

摘要

汽车制动防抱死控制(ABS)、驱动防滑控制(TCS)和直接横摆力矩控制(DYC)是目前最典型的底盘主动安全控制技术，它们对于提高车辆的制动性能、牵引性能、操纵性能和稳定性能，避免危险交通事故发生具有重要的意义，因而受到广泛关注。本文主要采用实用化技术围绕上述三种控制系统，设计开发平台，研究控制方法和控制策略，探索一种汽车电子产品的开发方法和思路，力求理论分析更加深入、开发产品更接近实际使用要求。 车辆系统动力学模型的建立使整个研究工作的基础。在深入分析底盘集成控制系统的组成和工作原理之后，建立了比较完整的多自由度车辆系统动力学模型，包括整车的动力模型、发动机模型、传动系统模型、液压制动系统模型、Pacejka非线性轮胎模型和制动器模型等部分。通过仿真结果和仿真数据的比较，表明所建立的模型具有一定的精度，可以满足本文研究工作的需要。 硬件在环仿真技术(HIL)在汽车电子领域已经得到了广泛应用，本文应用这一新技术，以工控机(带数据采集卡)为载体，嵌入电控单元、电磁阀等实际部件，建立底盘集成控制混和仿真试验台。采用高级语言C++设计系统仿真控制软件，它具有良好的可视化界面，灵活进行操控和修改控制参数。同时，制作了接口电路和传感器信号模拟电路，实现电控单元与工控机之间的数据通讯。 基于FreeScale(飞思卡尔)16位单片机--MC9S12DP256设计了底盘集成控制系统电控单元(ECU)，主要包括单片机最小系统电路和外围输入输出信号处理电路。同时，由于控制策略的复杂性和多样性，本文成功将嵌入式实时操作系统UC/OS-II移植到该单片机上，大大提高单片机的效率和处理多任务的能力。在实时操作系统下，编制了底盘集成控制程序。最后的仿真结果验证了控制系统硬件、软件的可靠性和实时性。 深入研究目前主动安全性的实用化技术，采用逻辑门限控制方法为基本控制策略，分别设计了制动防抱死、驱动防滑和直接横摆力矩控制算法，并成功将三者有机结合在一起，实现底盘综合控制。制动防抱死控制算法以加速度门限为主控制参数、滑移率为辅助控制参数，实时对路面进行识别，以获得良好控制效果。驱动防滑控制算法以左右轮速差门限控制为主，滑移率控制为辅，实现车辆在分离路面和低附路面的起步加速防滑。横摆力矩控制算法横摆角速度和质心侧偏角为主要控制参数，基于线性两自由度模型估算名义横摆角速度和名义侧偏角，与实际传感器测得的横摆角速度和侧偏角的差值判断车辆的失稳程度，而以滑移率为目标实现单轮制动获得附加横摆力矩，保持车辆的行驶轨迹和方向稳定性。 在前面建立的硬件在环仿真试验台上，嵌入所设计的电控单元和电磁阀，进行制动防抱死、驱动防滑和附加横摆力矩多工况仿真试验，验证和评价控制器硬件电气特性和内部控制策略，实时给出仿真结果，不断完善修改控制参数，直到获得满意控制效果。从仿真结果看，该底盘集成控制系统能有效对车辆制动、起步和高速弯道行驶等工况进行干预、调节，有利于提高车辆的安全性、操控性。 最后，本文对模糊控制理论在汽车防抱死制动系统上的应用进行了研究，开发了基于滑移率模糊控制算法。利用MATLAB模糊工具箱设计了常规ABS模糊控制器，进行模糊化、反模糊化处理，制定了模糊规则。而且，基于MATLAB/Simulink建立车辆系统动力学仿真模型。通过仿真，证明了基于滑移率的模糊控制算法控制下的车辆具有良好的制动性能，车轮滑移率始终控制在最佳滑移率范围内。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1选题背景

1.2主动安全控制研究国内外进展

1.2.1制动防抱研究

1.2.2驱动防滑研究

1.2.3车辆动力学稳定性控制研究

1.2.4底盘综合控制的研究

1.3本文的主要研究内容

第2章底盘集成控制系统建模

2.1研究对象的系统组成与结构

2.1.1液压调节器

2.1.2传感器

2.1.3电控单元

2.2系统模型总体结构

2.3整车动力学模型

2.3.1车辆坐标系

2.3.2整车运动方程

2.4发动机模型

2.5传动系系统模型

2.6非线性轮胎模型

2.6.1 Pace jka轮胎模型表达式

2.6.2 Pace jka轮胎纵向力的计算

2.6.3 Pacejka轮胎侧向力的计算

2.6.4 Pace jka轮胎回正力矩的计算

2.6.5联合工况下轮胎力的计算

2.7液压系统模型

2.8制动器模型

2.9模型的验证

本章小结

第3章半实物仿真试验台设计

3.1硬件在环仿真技术概述

3.2试验台的工作原理

3.2.1试验台的组成

3.2.2试验台的工作过程

3.2.3试验台的功能

3.3试验台硬件设计

3.4试验台软件编程

3.4.1试验台程序主界面

3.4.2试验台程序流程

本章小结

第4章基于嵌入式系统的底盘集成控制器设计

4.1单片机在汽车电子领域的发展和应用

4.2电控单元ECU设计

4.2.1 电控单元组成

4.2.2 MC9S12DP256单片机

4.2.3输入信号处理电路

4.2.4输出通道设计

4.2.5电源转换电路

4.2.6系统抗干扰设计

4.3单片机程序设计

4.3.1单片机开发环境

4.3.2嵌入式实时操作系统UC／OS-Ⅱ移植

4.3.3控制程序设计

本章小结

第5章底盘集成控制算法设计

5.1集成控制决策

5.2制动防抱控制策略

5.2.1逻辑门限值控制算法

5.2.2逻辑门限值控制过程

5.2.3逻辑门限值控制方法的修正

5.3驱动防滑控制策略

5.3.1驱动防滑控制实现途径

5.3.2驱动防滑控制方案

5.3.3分离路面驱动防滑控制逻辑

5.4横摆力矩控制策略

5.4.1横摆力矩控制实现途径

5.4.2单轮制动产生横摆力矩

5.4.3横摆力矩控制算法设计

本章小结

第6章半实物仿真结果与分析

6.1 ABS仿真结果

6.1.1仿真参数设置

6.1.2低附路面仿真结果

6.1.3高附路面仿真结果

6.1.4分离路面仿真结果

6.1.5跳变路面仿真结果

6.1.6结论

6.2 TCS仿真结果

6.2.1均一低附路面仿真结果

6.2.2分离路面仿真结果

6.2.3结论

6.3横摆力矩控制仿真结果

6.3.1角阶跃输入仿真

6.3.2双移线仿真

6.3.3蛇行仿真

6.3.4结论

本章小结

第7章模糊控制在底盘集成控制中的应用研究

7.1模糊控制理论数学基础

7.1.1模糊集合与经典集合的区别

7.1.2隶属度函数

7.1.3模糊关系与模糊矩阵

7.1.4模糊语言

7.1.5模糊推理

7.2 ABS模糊控制器设计

7.2.1确定模糊控制器输入输出变量的论域

7.2.2输入输出变量隶属度

7.2.3建立模糊规则表

7.2.4模糊化与反模糊化

7.3仿真模型及仿真结果

7.4与逻辑门方法限控制效果对比

本章小结

第8章结论与展望

8.1结论

8.2进一步工作的方向

致谢

参考文献

个人简历在读期间发表的学术论文与研究成果