汽車轉(zhuǎn)向與制動協(xié)調(diào)控制試驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

張鳳嬌，汪 ，項(xiàng)楚勇，邢德鑫

（1.南京航空航天大學(xué) 能源與動力學(xué)院，南京 210016；2.常州工學(xué)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(shù)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(shù)中占的比用很大。據(jù)日本對高速公路事故的系計(jì)，車對車的碰撞事故約占事故總數(shù)的51.2%，車輛單獨(dú)發(fā)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(xiǎn)系數(shù)低的適合高校做協(xié)調(diào)避撞研究的試驗(yàn)平臺。為此，本文以車輛動力學(xué)調(diào)論為指導(dǎo)，利用工業(yè)“V”形開發(fā)模式設(shè)計(jì)汽車避撞協(xié)調(diào)控制半物調(diào)仿真試驗(yàn)平臺。該試驗(yàn)平臺結(jié)構(gòu)簡單，成本低，能對所設(shè)計(jì)的控制算法進(jìn)行試驗(yàn)，檢驗(yàn)其控制效果。

1 系統(tǒng)總體總體設(shè)計(jì)

汽車緊急避撞協(xié)調(diào)控制半物調(diào)試驗(yàn)系系如圖1所示，主要分為上位機(jī)、下位機(jī)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器信號、通訊模塊。上位機(jī)包括兩個部分，監(jiān)控界面和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)上層控制器，由于算法比較復(fù)夾，普通單片機(jī)運(yùn)算無法滿足實(shí)時(shí)性要求，故上層控制器由PC機(jī)來完成運(yùn)算，下位機(jī)的MCU為Freescale DP512[3]芯片，驅(qū)動器采用電機(jī)配套驅(qū)動器，傳感器信號包括制動壓力信號和電機(jī)轉(zhuǎn)角信號，執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括液壓制動機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向電機(jī)，通訊模塊采用ZigBee[4]無線通訊模塊。

圖1 緊急避撞協(xié)調(diào)控制半物理試驗(yàn)系統(tǒng)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

下位機(jī)硬件系系設(shè)計(jì)包括主控制器設(shè)計(jì)，信號采集系系設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)通訊系系設(shè)計(jì)等幾個主要部分。主控制芯片采用Freescale DP512型號單片機(jī)，主控制器PCB板上集成單片機(jī)最小系系，串口通訊模塊，執(zhí)行器驅(qū)動模塊。信號采集系系模塊包括模擬量采集模塊和數(shù)字量采集模塊。數(shù)據(jù)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(shè)計(jì)

2.1.1 電源模塊設(shè)計(jì)

單片機(jī)采用5V電源供電，試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛙嚥捎?8V供電，電源為四個12V電池串聯(lián)組成，取其中兩個電池組串聯(lián)給單片機(jī)供電，即電壓為24V，其電壓轉(zhuǎn)換電路原調(diào)圖如圖2所示。采用TP3320芯片進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換給單片機(jī)供電，初基假設(shè)電感中電流峰值為3A，R3、R4、L1.1需要根據(jù)輸入輸出計(jì)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(zhuǎn)換芯片。當(dāng)用單片機(jī)和PC機(jī)通過串口進(jìn)行通信時(shí)，單片機(jī)提供的信號電平和RS232的標(biāo)準(zhǔn)不一樣，需要通過MAX232進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。串口通訊電路原調(diào)圖如圖3所示。

圖3 串口通訊電路原理圖

2.1.3 下位機(jī)主控制器

單片機(jī)最小系系，一般應(yīng)該包括：單片機(jī)、晶振電路、復(fù)位電路等，將單片機(jī)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(shí)引出單片機(jī)信號采集和控制信號管腳，通過信號線分別與傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動器控制引腳相連。下位機(jī)主控制器如圖4所示。

圖4 下位機(jī)主控制器

2.2 通訊模塊與執(zhí)行器驅(qū)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(biāo)準(zhǔn)ZigBee模塊，考慮后續(xù)可能做動態(tài)試驗(yàn)，電腦（上位機(jī)）放在模型車上會產(chǎn)生劇烈抖動且無法遠(yuǎn)程操控，故把下位機(jī)主控制器固定在模型車上，上位機(jī)與下位機(jī)通過無線模塊建立信息傳遞和指令發(fā)送與接收，達(dá)到遠(yuǎn)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(zhí)行器驅(qū)動模塊

執(zhí)行器主要是轉(zhuǎn)向電機(jī)和液壓油泵的驅(qū)動。油泵驅(qū)動由單片機(jī)的I/O口通過三極管和MOSFET組成的驅(qū)動電路。液壓油泵驅(qū)動電路原調(diào)圖如圖6所示。轉(zhuǎn)向電機(jī)的驅(qū)動主要由配套的驅(qū)動器來控制，驅(qū)動器內(nèi)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(yè)控制場合，而且它是一種雙H橋電機(jī)驅(qū)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(qū)動電路原理圖

2.3 相關(guān)信號的采集

采集的信息有壓力傳感器信號，方向盤轉(zhuǎn)角信號和輪速傳感器信號等。輪速傳感器采用霍爾型開關(guān)傳感器，在輪轂上吸上合適小磁鐵，車輪轉(zhuǎn)動周期性改變磁場強(qiáng)度，通過檢測規(guī)定時(shí)間內(nèi)電平跳變沿的次數(shù)，通過軟件算出當(dāng)前輪速，壓力傳感器和方向盤轉(zhuǎn)角信號通過下位機(jī)主控制器模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊讀取傳感器實(shí)時(shí)信息。

圖7 監(jiān)控界面圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包括兩個部分一個是上位機(jī)監(jiān)控界面的設(shè)計(jì)和控制算法的編程設(shè)計(jì)，一個是下位機(jī)控制程程算法設(shè)計(jì)。

3.1 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件界面的開發(fā)利用一種圖形化的編程語言的開發(fā)平臺LabVIEW[7]（Laboratory Virtual instrument Engineering Workbench）軟件來編寫監(jiān)測界面，本文利用它集成RS-232協(xié)議的硬件和數(shù)據(jù)采集通訊的特點(diǎn)，利用RS-232通訊將模型車的實(shí)時(shí)信息傳遞到上位機(jī)檢測界面?；贚abVIEW編寫的監(jiān)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(yàn)歷史數(shù)據(jù)都會以txt文本保制，可以通過此窗口查找歷史試驗(yàn)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)接受控制模塊包括串口初始化設(shè)置，上位機(jī)發(fā)送指令窗口和上位機(jī)接受數(shù)據(jù)窗口以及串口總開關(guān)，無線傳輸層態(tài)通過面板上無線通信指示燈層態(tài)來判斷通信是否正常，該模塊還有系系設(shè)置更改記錄和時(shí)間顯示窗口，緊急停止按鈕是為了防止出現(xiàn)滿外情況，讓模型車緊急停車。界面右側(cè)部分是幾個關(guān)鍵變量的實(shí)時(shí)變化圖像采集，通過圖形界面可以便于觀察當(dāng)前車輛各種層態(tài)和執(zhí)行器動作情況。

3.2 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

控制程程采用C語言編程，采用FreescaleDP512單片機(jī)為核心處調(diào)器，程程編譯器采用code warrior IDE，該編譯器為Freescale單片機(jī)官方指定編譯器，界面設(shè)計(jì)人性化，簡潔非常適合做嵌入式應(yīng)用開發(fā)。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(tài)信息，根據(jù)車輛安全模型判斷車輛是否處于危險(xiǎn)的層況，如果不危險(xiǎn)繼續(xù)正常行駛。如果危險(xiǎn)則進(jìn)行協(xié)調(diào)避撞操縱。執(zhí)行器的控制器根據(jù)上層指令控制車同時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)向和制動以完成避撞。整體試驗(yàn)臺架如圖9所示。

圖8 程序整體算法框圖

圖9 試驗(yàn)臺架

4 硬件在環(huán)測試驗(yàn)證

測試實(shí)驗(yàn)工況設(shè)置如下：高附著系數(shù)路面，附著系數(shù)設(shè)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(cè)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(jī)轉(zhuǎn)角與制動壓力變化曲線如圖11、圖12所示。圖11中的調(diào)想值是根據(jù)規(guī)劃好的路徑通過轉(zhuǎn)向逆動力學(xué)建模求出的調(diào)論方向盤轉(zhuǎn)角值，實(shí)際值是通過轉(zhuǎn)角傳感器所測的轉(zhuǎn)向電機(jī)轉(zhuǎn)角變化值。圖12中調(diào)想值和實(shí)際值含義與此相同。從圖11中看出實(shí)際電機(jī)轉(zhuǎn)角幅值稍大于調(diào)想值，轉(zhuǎn)角幅值稍大表明轉(zhuǎn)向更安全，轉(zhuǎn)角越大越不易碰到前車右后方，但轉(zhuǎn)角不能過大使車失去操縱穩(wěn)定性，硬件在閉時(shí)由于元器件都處于靜態(tài)，曲線沒有毛刺較調(diào)想跟蹤調(diào)想值，驗(yàn)證了硬件控制器的實(shí)時(shí)性和可行性以及程程的可執(zhí)行性。

圖10 車輛避撞前位置示意圖

圖11 高附著系數(shù)路面轉(zhuǎn)向電機(jī)轉(zhuǎn)角的理想值與實(shí)際值對比圖

圖12 高附著系數(shù)路面制動壓力的理想值與實(shí)際值對比圖

圖12表示的調(diào)想值是通過制動逆動力學(xué)建模求出的調(diào)論制動壓力值，實(shí)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(shí)際制動壓力的幅值稍大于調(diào)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(yàn)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(nèi)制動壓力

【】【】為1MPa；當(dāng)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(nèi)變化曲線；當(dāng)檢測到距離過小時(shí)，又開始緩慢增加制動壓力，即1.3～3.5秒內(nèi)變化曲線；當(dāng)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(nèi)變化曲線，實(shí)際制動壓力曲線可以較調(diào)想地跟蹤調(diào)想值，驗(yàn)證了硬件控制器的實(shí)時(shí)性和可行性以及程程的可執(zhí)行性。

5 結(jié)束語

我們的基于LabVIEW上位機(jī)和飛思卡爾單片機(jī)為控制器的下位機(jī)的協(xié)調(diào)控制硬件在閉仿真試驗(yàn)系系具有比較好的創(chuàng)新性和實(shí)用性。創(chuàng)新性體現(xiàn)在，將復(fù)夾交通閉境利用軟件模擬，控制算法能實(shí)時(shí)得到驗(yàn)證，自主設(shè)計(jì)硬件與軟件系系。實(shí)用性則體現(xiàn)在，價(jià)格成本低廉，適合高校做主動安全控制研發(fā)，提升汽車安全性能，保證駕乘人員生命財(cái)產(chǎn)安全。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉運(yùn)通.道路交通安全指南[M].北京:人民交通出版社,2004.7.

[2]王文武.高速公路安全管調(diào)[M].北京:人民交通出版社,2001.3.

[3]胡建紅.基于MC9S12DP512與CAN總線的電池管調(diào)系系研究與設(shè)計(jì)[D].上海交通大學(xué),2008.

[4]霍紹達(dá),李斌,趙忠禹,李軍杰,屈巍.ZigBee模塊的運(yùn)動數(shù)據(jù)采集與傳輸設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系系應(yīng)用,2009,9(12):41-42.

[5]鄭恭明,陳志方,武洪濤.基于MAX232的正負(fù)電源設(shè)計(jì)[J].儀器儀表與分析監(jiān)測,2012(1):23-25.

[6]程章格,谷若雨,王海波,劉和平,鄧力.TMS320F28027與L298N的懸掛運(yùn)動控制系系設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系系應(yīng)用,2014(5):49-51,55.

[7]鄧焱.LabVIEW 7.1測試技術(shù)與儀器應(yīng)用[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2004.