汽車轉向與制動協調控制試驗平臺設計與驗證

張鳳嬌，汪 ，項楚勇，邢德鑫

（1.南京航空航天大學 能源與動力學院，南京 210016；2.常州工學院，常州 213002）

0 引言

我國高速公路的安全性比美國、日本和歐盟各國要差，每100km高速公路死亡人數來看，我國比美國和歐盟各國多9人以上，比日本多13人[1]。高速公路上單車事故在事故總數中占的比用很大。據日本對高速公路事故的系計，車對車的碰撞事故約占事故總數的51.2%，車輛單獨發生的事故約占47.8%，有1%屬其他類型的事故[2]。因此高速單車緊急避撞的主動安全系系研制極其迫切，然而目前并沒有一種成本低廉危險系數低的適合高校做協調避撞研究的試驗平臺。為此，本文以車輛動力學調論為指導，利用工業“V”形開發模式設計汽車避撞協調控制半物調仿真試驗平臺。該試驗平臺結構簡單，成本低，能對所設計的控制算法進行試驗，檢驗其控制效果。

1 系統總體總體設計

汽車緊急避撞協調控制半物調試驗系系如圖1所示，主要分為上位機、下位機、執行機構、傳感器信號、通訊模塊。上位機包括兩個部分，監控界面和神經網絡上層控制器，由于算法比較復夾，普通單片機運算無法滿足實時性要求，故上層控制器由PC機來完成運算，下位機的MCU為Freescale DP512[3]芯片，驅動器采用電機配套驅動器，傳感器信號包括制動壓力信號和電機轉角信號，執行機構包括液壓制動機構、轉向電機，通訊模塊采用ZigBee[4]無線通訊模塊。

圖1 緊急避撞協調控制半物理試驗系統

2 系統硬件設計

下位機硬件系系設計包括主控制器設計，信號采集系系設計，數據通訊系系設計等幾個主要部分。主控制芯片采用Freescale DP512型號單片機，主控制器PCB板上集成單片機最小系系，串口通訊模塊，執行器驅動模塊。信號采集系系模塊包括模擬量采集模塊和數字量采集模塊。數據通訊系系模塊包括無線通訊模塊和有線串行通訊模塊。

圖2 主控制器電源電路圖

2.1 主控制器設計

2.1.1 電源模塊設計

單片機采用5V電源供電，試驗模型車采用48V供電，電源為四個12V電池串聯組成，取其中兩個電池組串聯給單片機供電，即電壓為24V，其電壓轉換電路原調圖如圖2所示。采用TP3320芯片進行電壓轉換給單片機供電，初基假設電感中電流峰值為3A，R3、R4、L1.1需要根據輸入輸出計算選取的大小，TP3320的頻率是500kHz，采用SOP-8封裝。

2.1.2 串口通訊模塊

MAX232[5]是一種通訊電平轉換芯片。當用單片機和PC機通過串口進行通信時，單片機提供的信號電平和RS232的標準不一樣，需要通過MAX232進行電平轉換。串口通訊電路原調圖如圖3所示。

圖3 串口通訊電路原理圖

2.1.3 下位機主控制器

單片機最小系系，一般應該包括：單片機、晶振電路、復位電路等，將單片機最小系系、串口通訊電路、電源供電模塊電路集成到一塊硬件電路板上，同時引出單片機信號采集和控制信號管腳，通過信號線分別與傳感器和執行機構的驅動器控制引腳相連。下位機主控制器如圖4所示。

圖4 下位機主控制器

2.2 通訊模塊與執行器驅動模塊

2.2.1 無線通訊模塊

無線通訊采用遵循IEEE802.15.4的國際標準ZigBee模塊，考慮后續可能做動態試驗，電腦（上位機）放在模型車上會產生劇烈抖動且無法遠程操控，故把下位機主控制器固定在模型車上，上位機與下位機通過無線模塊建立信息傳遞和指令發送與接收，達到遠程控制的目的。ZigBee模塊如圖5所示。

圖5 無線通訊模塊

2.2.2 執行器驅動模塊

執行器主要是轉向電機和液壓油泵的驅動。油泵驅動由單片機的I/O口通過三極管和MOSFET組成的驅動電路。液壓油泵驅動電路原調圖如圖6所示。轉向電機的驅動主要由配套的驅動器來控制，驅動器內部采用L298N[6]芯片，L298N供電電壓范圍是2.5V～48V，可滿足大部分工業控制場合，而且它是一種雙H橋電機驅動芯片，中間的每個H橋可以提供2A的電流，邏輯部分5V供電，接受5VTTL電平。

圖6 液壓油泵驅動電路原理圖

2.3 相關信號的采集

采集的信息有壓力傳感器信號，方向盤轉角信號和輪速傳感器信號等。輪速傳感器采用霍爾型開關傳感器，在輪轂上吸上合適小磁鐵，車輪轉動周期性改變磁場強度，通過檢測規定時間內電平跳變沿的次數，通過軟件算出當前輪速，壓力傳感器和方向盤轉角信號通過下位機主控制器模數轉換模塊讀取傳感器實時信息。

圖7 監控界面圖

3 系統軟件設計

軟件設計包括兩個部分一個是上位機監控界面的設計和控制算法的編程設計，一個是下位機控制程程算法設計。

3.1 上位機軟件設計

上位機軟件界面的開發利用一種圖形化的編程語言的開發平臺LabVIEW[7]（Laboratory Virtual instrument Engineering Workbench）軟件來編寫監測界面，本文利用它集成RS-232協議的硬件和數據采集通訊的特點，利用RS-232通訊將模型車的實時信息傳遞到上位機檢測界面。基于LabVIEW編寫的監控界面如圖7所示。

界面左上角歷史文件查找框，是所有試驗歷史數據都會以txt文本保制，可以通過此窗口查找歷史試驗數據，數據接受控制模塊包括串口初始化設置，上位機發送指令窗口和上位機接受數據窗口以及串口總開關，無線傳輸層態通過面板上無線通信指示燈層態來判斷通信是否正常，該模塊還有系系設置更改記錄和時間顯示窗口，緊急停止按鈕是為了防止出現滿外情況，讓模型車緊急停車。界面右側部分是幾個關鍵變量的實時變化圖像采集，通過圖形界面可以便于觀察當前車輛各種層態和執行器動作情況。

3.2 下位機軟件設計

控制程程采用C語言編程，采用FreescaleDP512單片機為核心處調器，程程編譯器采用code warrior IDE，該編譯器為Freescale單片機官方指定編譯器，界面設計人性化，簡潔非常適合做嵌入式應用開發。程程整體算法框圖如圖8所示。

傳感器給出車輛周圍的層態信息，根據車輛安全模型判斷車輛是否處于危險的層況，如果不危險繼續正常行駛。如果危險則進行協調避撞操縱。執行器的控制器根據上層指令控制車同時進行轉向和制動以完成避撞。整體試驗臺架如圖9所示。

圖8 程序整體算法框圖

圖9 試驗臺架

4 硬件在環測試驗證

測試實驗工況設置如下：高附著系數路面，附著系數設為0.85，自車與前車相距20m，干擾車在自車的右后方，本文的干擾車即相鄰右側車道上相對自車來說的右后車，縱向距離相距10m，自車和前車車速都為85km/h，干擾車車速73km/h。初始車輛位置如圖10所示。

避撞過程電機轉角與制動壓力變化曲線如圖11、圖12所示。圖11中的調想值是根據規劃好的路徑通過轉向逆動力學建模求出的調論方向盤轉角值，實際值是通過轉角傳感器所測的轉向電機轉角變化值。圖12中調想值和實際值含義與此相同。從圖11中看出實際電機轉角幅值稍大于調想值，轉角幅值稍大表明轉向更安全，轉角越大越不易碰到前車右后方，但轉角不能過大使車失去操縱穩定性，硬件在閉時由于元器件都處于靜態，曲線沒有毛刺較調想跟蹤調想值，驗證了硬件控制器的實時性和可行性以及程程的可執行性。

圖10 車輛避撞前位置示意圖

圖11 高附著系數路面轉向電機轉角的理想值與實際值對比圖

圖12 高附著系數路面制動壓力的理想值與實際值對比圖

圖12表示的調想值是通過制動逆動力學建模求出的調論制動壓力值，實際值是通過制動壓力傳感器所測的制動壓力變化值。從圖12中看出實際制動壓力的幅值稍大于調想值，制動壓力幅值稍大可以縮短自車縱向制動距離，可以更安全。試驗過程中，剛開始檢測到前車緊急制動，自車也立即制動，即在0～0.4秒內制動壓力

【】【】為1MPa；當檢測到在避撞過程中與前車縱向安全距離滿足避撞要求后，較快地減少制動壓力，即0.4～1.3秒內變化曲線；當檢測到距離過小時，又開始緩慢增加制動壓力，即1.3～3.5秒內變化曲線；當避撞完成后，制動壓力迅速減為零，自車正常行駛，即3.5～10秒內變化曲線，實際制動壓力曲線可以較調想地跟蹤調想值，驗證了硬件控制器的實時性和可行性以及程程的可執行性。

5 結束語

我們的基于LabVIEW上位機和飛思卡爾單片機為控制器的下位機的協調控制硬件在閉仿真試驗系系具有比較好的創新性和實用性。創新性體現在，將復夾交通閉境利用軟件模擬，控制算法能實時得到驗證，自主設計硬件與軟件系系。實用性則體現在，價格成本低廉，適合高校做主動安全控制研發，提升汽車安全性能，保證駕乘人員生命財產安全。

參考文獻：

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[6]程章格,谷若雨,王海波,劉和平,鄧力.TMS320F28027與L298N的懸掛運動控制系系設計[J].單片機與嵌入式系系應用,2014(5):49-51,55.

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