CN101178581A - 汽车底盘的集成控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种汽车底盘的集成控制装置，该装置的单片机的输入端与轮速处理电路、分流处理电路、数字量输入通道、电源模块连接，单片机的输出经功率放大电路送至电磁阀驱动电路，单片机还经一驱动电路控制报警灯的输出，单片机经转接电路输出至工控机接口，单片机的串行口模块经另一驱动电路与工控机连接，单片机控制输入的信号，获取车轮的状态信息，输出信号控制汽车的底盘。本发明的优点是分别进行制动防抱、驱动防滑和横摆力矩的控制，将三者有机协调，实现底盘的综合控制。

Description

汽车底盘的集成控制装置及方法

技术领域

本发明涉及一种控制装置及方法，特别涉及一种汽车底盘的集成控制装置及方法。

背景技术

目前汽车底盘的电子控制装置几乎毫无例外地围绕某单一功能来开发的，这些单一功能包括制动、牵引、悬挂和转向等，但车辆的每种运动都是通过轮胎与路面间的接触力而发生紧密联系，各个控制装置间的在一定的车辆行驶工况下存在潜在的相互干涉和影响，为了改善车辆的动力学性能，避免单一控制装置的相互干扰，必须对各个控制装置进行集成控制，可获得对汽车底盘最佳的控制效果。

发明内容

本发明的技术问题是要提供一种能控制多个汽车底盘任务的集成化的汽车底盘的集成控制装置及方法。

为了解决以上的技术问题，本发明提供了一种汽车底盘的集成控制装置，该装置的单片机的输入端与轮速处理电路、分流处理电路、数字量输入通道、电源模块连接，单片机的输出经功率放大电路送至电磁阀驱动电路，单片机还经一驱动电路控制报警灯的输出，单片机经转接电路输出至工控机接口，单片机的串行口模块经另一驱动电路与工控机连接，单片机控制输入的信号，获取车轮的状态信息，输出信号控制汽车的底盘。

所述的轮速处理电路，其为磁电式传感受器测量汽车四个轮子的速度。轮速信号为脉冲量信号，共有四路，分别为左前轮速、右前轮速、左后轮速、右后轮速，轮速测量采用磁电式传感器，输出的是频率和振幅变化的正弦波，其频率与所测轮速成正比，这种模拟信号不易被CPU直接读取，需经过滤波、放大和整形处理。

所述的分流处理电路，其对输入的模拟信号进行分流处理。模拟量输入信号一共有三路，其为方向盘转角信号、横摆角速度信号和侧向加速度信号，分流处理电路把三路模拟信号分别进行分流处理，引入最小系统的PAD口。

所述的数字量信号是制动开关和加速踏板信号，直接输入单片机的I/O口。

一种汽车底盘的集成控制方法，该控制方法的步骤如下：

1)传感器信号采集、计算；

2)横摆力矩ESP/制动ABS/驱动防滑TCS决策控制；

3)横摆力矩ESP/制动ABS/驱动防滑TCS左前轮控制；

4)横摆力矩ESP/制动ABS/驱动防滑TCS右前轮控制；

5)横摆力矩ESP/制动ABS/驱动防滑TCS左后轮控制；

6)横摆力矩ESP/制动ABS/驱动防滑TCS右后轮控制。

所述的横摆力矩ESP/制动ABS/驱动防滑TCS决策控制步骤是：

1)开始；

2)判断tab恒为1吗？

是，设置ABS＝1，计算ABS控制参数，转第2)步；

3)否，判断acc恒为1吗？

是，判断max(ω1，ω2)《ω；

是，设置TCS＝1，计算TCS控制参数，转第2)步；

否，转第4)步；

4)否，设置ESP＝1，计算ESP控制参数，转第2)步。

所述的ABS控制参数，是计算车轮轮速、车轮角加速度、参考车速、滑移率。

所述的TCS控制参数，是计算滑转率、车轮角加速度。

所述的ESP控制参数，是计算横摆角速度、侧向加速度。

所述的各车轮控制步骤是：

1)开始；

2)判断ABS恒为1吗？

是，进行ABS控制逻辑，转第2)步；

3)否，判断TCS恒为1吗？

是，进行TCS控制逻辑，转第2)步；

4)否，判断ESP恒为1吗？

是，进行ESP控制逻辑，转第2)步；

否，转第2)步。

本发明的优越功效在于：

1)基于飞思卡尔16位单片机MC9S12DT128设计了电控装置，包括最小系统电路和外围信号处理电路设计，采用先进的控制芯片和可靠电路，所设计的电控装置的电气特性、抗干扰能力均达到使用要求；

2)所述的轮速信号处理电路是磁电式传感器测量汽车四个轮子的速度，使单片机准确获取车轮运转状态；

3)所述的电磁阀驱动电路，采用可靠芯片，确保电磁阀的快速响应系统控制信号；

4)将嵌入式实时操作系统UC/OS-II代码移植到该单片机上，与传统单片机相比，嵌入式实时操作系统能够合理地调度多任务、充分利用CPU资源，保证了程序执行的实时性、可靠性，并且能减少开发时间，保证软件质量；

5)采用实用化技术，分别设计了制动防抱、驱动防滑和横摆力矩控制算法，并成功将三者有机协调，实现底盘综合控制。

附图说明

图1为本发明的原理方框图；

图2为本发明的轮速处理电路图；

图3为本发明的模拟信号分流处理电路图；

图4为本发明的电磁阀驱动电路图；

图5为本发明的报警灯电路图；

图6为本发明的电源转换电路图；

图7为本发明的决策控制流程图；

图8为本发明的各车轮控制流程图；

图9为本发明的轮速计算的程序图；

图10为ABS控制程序流程图；

图11为本发明的加速门限控制的压力曲线图；

图12为阶段4中对路面的识别图；

图13为TCS控制程序流程图；

图14为ESP控制程序流程图。

图中标号说明

1-单片机；

2-轮速处理电路；

21-左前轮速；      22-右前轮速；

23-左后轮速；      24-右后轮速；

3-分流处理电路；

31-方向盘转角信号； 32-横摆角速度；

33-侧向加速度；

4-制动开关信号；    5-加速踏板信号；

6-电源转换电路；    7-功率放大电路；

8-电磁阀；          9-驱动电路；

10-报警灯；         11-转接电路；

12-工控机接口。

具体实施方式

请参阅附图所示，对本发明作进一步的描述。

如图1所示，本发明提供了一种汽车底盘的集成控制装置，该装置的单片机1的输入端与轮速处理电路2、分流处理电路3、数字量输入通道、电源模块6连接，单片机1的输出经功率放大电路7送至电磁阀8驱动电路，单片机1还经一驱动电路9控制报警灯10的输出，单片机1经转接电路11输出至工控机接口12，单片机1的串行口模块经另一驱动电路与工控机接口12连接，单片机1控制输入的信号，获取车轮的状态信息，输出信号控制汽车的底盘。采用飞思卡尔HC12系列中的MC9S12DT128单片机作为中央处理器CPU，外围电路包括轮速处理电路2、分流处理电路3、电磁阀驱动电路8和电源转换电路6几个部分。

ECU对传感器信号进行预处理，变成单片机1易于识别的规范信号，单片机CPU对这些信号进行计算，实时发出控制指令，驱动电磁阀，同时将控制指令传递给工控机，使得ECU嵌入硬件在环仿真系统中。

所述的轮速处理电路2，其为磁电式传感受器测量汽车四个轮子的速度。轮速信号为脉冲量信号，共有四路，分别为左前轮速21、右前轮速22、左后轮速23、右后轮速24，轮速测量采用磁电式传感器，输出的是频率和振幅变化的正弦波，其频率与所测轮速成正比，这种模拟信号不易被CPU直接读取，需经过滤波、放大和整形处理。如图2所示，轮速信号先经过滤波，去掉高频噪声。滤波后的信号被两个二极管钳位在±0.7V，经过运算放大器放大，再经过反相器完成整形变成标准的方波信号，最后送入ECU的增强型定时器模块ECT进行脉冲数统计，如图2中的放大器的两个二极管D1和D2主要起过载保护功能，使放大后的信号不致高过VCC+0.7V，也不致低于-0.7V。ECT模块共八路输入捕捉通道，使用T0～T3四个通道进行脉冲个数统计，系统初始化后，ECT模块会自动记录脉冲数，计时时间到后立即触发中断，保存记录结果，通知CPU读取。

所述的分流处理电路3，其对输入的模拟信号进行分流处理。如图3所示，模拟量输入信号共有三路，分别为方向盘转角信号、横摆角速度信号和侧向加速度信号，单片机MC9S12DT128的A/D模块的输入阻抗很高，模拟输入引脚漏电流仅100nA，在输入电压为2.5V时，相当于输入电阻25MΩ，加上参考电压可以在0～5V之间选择，因此外部可以不加缓冲或放大器而直接测量满量程在5V以下的被测信号，考虑到系统可靠性，把三路模拟信号分别进行分流处理，引入最小系统的PAD口。

所述的数字量信号是制动开关4和加速踏板5信号，直接输入单片机的I/O口。

如图4所示，对电磁阀的控制信号由单片机的I/O口发出，经过光藕TLP181隔离后送入BTS621，每个芯片控制一对输入和输出两路信号，BTS621的5号引脚为反馈引脚，作为故障诊断信号。电磁阀正常工作时，BTS621的输入脚接收到高电平信号后5号脚会输出低电平，一旦电磁阀出现故障，5号脚将输出高电平，通知ECU电磁阀出现故障。

如图5所示，报警灯在系统自检时使用，如果系统出现故障，报警灯亮，采用BTS117控制灯的开关，前面设置两个三极管Q1、Q3并联，D14二极管作为保护元件。

如图6所示，由于车载蓄电池多为+12V或者+24V，大车多为+24V。本发明设计了+24V电源转换电路，提供单片机和其他芯片所需要的+5V工作电压，因此必须进行电压转换，采用LM2576进行转换，输出端串连一个电感，用来稳压，消除转换电压的波动。

本发明还增加单片机串行口SCI模块与工控机的通信功能，方便程序的调试和算法仿真验证。

本发明对实时性要求很高，四个轮子需要单独控制，而每个轮速控制又分为很多控制阶段，在控制过程中需要实时采集当前轮速，横摆角速度、方向盘转角以及制动踏板信号等，对于这种多任务系统，本发明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。

嵌入式实时操作系统UC/OS-II首先对控制对象进行任务划分，在此我们分配了以下6个主要任务，见表1所示，系统启动之后，嵌入式实时操作系统UC/OS-II首先判断任务的优先级，确定最先执行哪一个任务，然后启动该任务的执行。

表1

任务编号	任务说明	优先级
			Task1	传感器信号采集、计算	1
Task2	横摆力矩/ABS/TCS决策	2
			Task3	横摆力矩/ABS/TCS左前轮控制	3
Task4	横摆力矩/ABS/TCS右前轮控制	4
			Task5	横摆力矩/ABS/TCS左后轮控制	5
Task6	横摆力矩/ABS/TCS右后轮控制	6

在Task1中基于中断原理实时采集4个轮速信号，采样时间设置为20ms，同时读取方向盘转角、横摆角速度、侧向加速度、制动踏板开关信号和加速踏板开关信号。

如图7所示，Task2根据这些信号，进行横摆力矩/ABS/TCS控制决策，所述的横摆力矩ESP/制动ABS/驱动防滑TCS决策控制步骤是：

1)开始；

2)判断tab恒为1吗？

是，设置ABS＝1，计算ABS控制参数，转第2)步；

3)否，判断acc恒为1吗？

是，判断max(ω1，ω2)《ω；

是，设置TCS＝1，计算TCS控制参数，转第2)步；

否，转第4)步；

4)否，设置ESP＝1，计算ESP控制参数，转第2)步。

其中在进行TCS决策时，由于只对起步驱动防滑进行控制，根据前两轮的最小值判断车辆是否已经达到较高车速，在高速行驶时候只进行横摆力矩控制，如果驾驶员进行制动，则进入ABS控制。各个状态标志都是唯一的，一旦决策出其中一个标志为1，则其他标志设置为0。

Task3～Task6是根据Task2的决策标志对各个车轮的单独控制，如图8所示，所述的各车轮控制步骤是：

1)开始；

2)判断ABS恒为1吗？

是，进行ABS控制逻辑，转第2)步；

3)否，判断TCS恒为1吗？

是，进行TCS控制逻辑，转第2)步；

4)否，判断ESP恒为1吗？

是，进行ESP控制逻辑，转第2)步；

否，转第2)步。

单片机1根据传感器的信号计算所需要的控制参数，所述的ABS控制参数，是计算车轮轮速、车轮角加速度、参考车速、滑移率；所述的TCS控制参数，是计算滑转率、车轮角加速度；所述的ESP控制参数，是计算横摆角速度、侧向加速度。

以轮速计算为例，如图9所示，说明计算过程。轮速采集的方法通常有周期法和脉冲计数法，本发明采用脉冲计数法，脉冲计数法是利用一定时间内轮速传感器采集进来的齿圈个数即脉冲数来计算轮速，计算公式为：

ω＝(2πr/N)×(n/Δt)

其中ω-车轮角速度；

r-车轮半径；

N-齿圈齿数；

n-记录的脉冲个数；

Δt-测量时间间隔。

车轮角加速度的计算，利用单片机1的中断原理，实时统计前后两次中断的脉冲个数，根据中断时间以及脉冲数目差值估算。参考车速的估计，在ABS执行的某一阶段进行，此阶段的车轮角加速度较小，可获得参考车速，从而估算各个车轮的滑移率。

由于TCS控制采用两轮控制方式，因此可以利用非驱动轮的轮速作为参考车速，计算驱动轮的滑移率以及车轮角加速度。

ESP系统的有专门横摆角速度传感器和侧向加速度传感器，系统根据方向盘转角、车速以及整车结构参数，计算两自由度理想车辆的横摆角速度和侧向加速度，与传感器实际测得的信号进行比较，从而判断车辆的稳定程度。

如图10本发明的ABS控制程序流程图所示，选择车轮加速度门限和滑移率门限来控制制动压力的增压、减压或保压，以获得车轮的滑移率控制在最佳滑移率附近。

制动压力P变化曲线如图11所示。开始进入紧急刹车，增压至车轮减速度 $\stackrel{.}{\mathrm{\&omega;}}R<-a_1$ (-a₁为下门限)——阶段1；在刚进入保压过程中，估算出参考车速，计算滑移率，一直保压至滑移率S＜S₁——阶段2；减压至 $\stackrel{.}{\mathrm{\&omega;}}R>-a_1$ ——阶段3；等待车轮恢复转动，低压区保压至 $\stackrel{.}{\mathrm{\&omega;}}R>+\mathrm{Ak}$ (+Ak为上门限)——阶段4；车轮恢复转动后，阶梯增压至 $\stackrel{.}{\mathrm{\&omega;}}R<-a_1$ ——阶段5；车轮又即将抱死，减压至 $\stackrel{.}{\mathrm{\&omega;}}R>-a_1$ ——阶段6；而后，阶段4、5、6交替循环，直至车辆基本停止(一般当车速小于10km/h)，ABS退出，用常规刹车使车辆彻底停止。

本发明在阶段4中进行路面识别，如图12所示，在阶段4中增加一个门限+a₂，如果在规定的时间Δt内车轮加速度

不能够达到+a₂，则认为车轮处于低附着系数路面，若超过+a₂门限则继续保压，在继续保压过程中可能出现两种情况，一是车轮加速度没超过第二门限值+Ak就回到+a₂内；二是角加速度超过了第二门限值+Ak，对后者则属于高附着系数路面。

如图13为TCS控制程序流程图所示，分离路面控制逻辑都采用发动机低选控制保证低附着一侧车轮不打滑，而通过驱动轮独立制动控制保证两侧车轮轮速差在一定范围内，即采用两侧车轮轮速差和车轮加速度作为控制门限。对于两轮驱动工况下，采用非驱动轮轮速平均值作为实际车速；对左右两侧驱动轮轮速进行判断，选取高转速的车轮进行控制。另外，当驾驶员踩下制动踏板时，TCS立即退出控制。所选车型为后轮驱动，ω_i(i＝1，2，3，4)分别表示左前轮、右前轮、左后轮和右后轮的轮速，TCS控制过程如下：

①用非驱动轮转速平均值作为实际车速：v＝(ω₁+ω₂)R/2动轮轮速。同时读取两个驱动轮的轮速：左后轮v₁＝ω₃R/2，右后轮v₂＝ω₄R/2；

②在分离路面上对车轮进行独立控制时，两轮路面附着力的不同会产生一个横摆力矩，车速越高时这个横摆力矩的负作用越明显，可能导致驾驶员失去对汽车的控制，因此，设定速度限值V，当v＞V时，不进行制动控制，转为由横摆力矩控制，TCS退出；

③判断两个驱动轮的轮速差，确定哪一侧的车轮处于高附路面，哪一侧处于低附路面或者两者处于均一路面，处于高附路面的一侧不进行TCS控制；

④根据轮速差，首先判断是否超过第一门限Δv₁，如果没有超过此门限，说明车辆处于均一路面，应以发动机输出扭矩控制为主，此时需要根据非驱动轮计算两个驱动轮的滑移率，以滑移率门限为控制目标进行控制；

⑤判断轮速差是否超过第二门限Δv₂，如果超过此门限，说明两轮轮速分离已经达到较严重的程度，应对打滑车轮施加制动，即增加制动力；

⑥如果轮速差在两个门限之内，增加车轮加速度门限dv，如果打滑车轮加速度没有超过此门限，说明两个车轮虽然存在轮速差，但打滑车轮轮速变化较为平稳，此时需要保压处理，否则开始增加制动压力。

如图14本发明ESP控制程序流程图所示，根据名义角速度ω_r0和名义侧偏角β₀计算公式，ω_r0max＝μg/u， ${\mathrm{\&beta;}}_{0\max }=\mathrm{\&mu;g}(\frac{b}{u^2}+\frac{\mathrm{ma}}{k_{2}L}),$ 需要测量的变量包括车速u和方向盘转角δ，方向盘转角δ可由传感器直接测量获得，而车速u的计算需要根据不同工况采用不同的轮速进行估算；非制动状态下，采用下列方法估算车速，在左转时，不论过度转向还是不足转向，需要施加制动力控制的车轮只有左后轮或者右前轮，此时我们根据右后轮和左前轮的平均值作为参考车速。同样，在车辆右转时，可以根据左后轮和右前轮的平均值作为参考车速。同时，在进行横摆力矩控制时候，可以利用参考车速计算施加制动力控制车轮的滑移率，一旦该车轮的滑移率超过一定门限，则需要进行ABS控制，防止车轮抱死。

Claims (10)

1.一种汽车底盘的集成控制装置，其特征在于：

一单片机的输入端与轮速处理电路、分流处理电路、数字量输入通道、电源模块连接，单片机的输出经功率放大电路送至电磁阀驱动电路，单片机还经一驱动电路控制报警灯的输出，单片机经转接电路输出至工控机接口，单片机的串行口模块经另一驱动电路与工控机连接，单片机控制输入的信号，获取车轮的状态信息，输出信号控制汽车的底盘。

2.按权利要求1所述的一种汽车底盘的集成控制装置，其特征在于：

所述的轮速处理电路，其为磁电式传感器测量汽车四个轮子的速度。

3.按权利要求1所述的一种汽车底盘的集成控制装置，其特征在于：

所述的分流处理电路，其对输入的模拟信号进行分流处理。

4.一种汽车底盘的集成控制方法，其特征在于：

该控制方法的步骤如下：

1)传感器信号采集、计算；

2)横摆力矩ESP/制动ABS/驱动防滑TCS决策控制；

3)横摆力矩ESP/制动ABS/驱动防滑TCS左前轮控制；

4)横摆力矩ESP/制动ABS/驱动防滑TCS右前轮控制；

5)横摆力矩ESP/制动ABS/驱动防滑TCS左后轮控制；

6)横摆力矩ESP/制动ABS/驱动防滑TCS右后轮控制。

5.按权利要求4所述的一种汽车底盘的集成控制方法，其特征在于：

所述的横摆力矩ESP/制动ABS/驱动防滑TCS决策控制步骤是：

1)开始；

2)判断tab恒为1吗？

是，设置ABS＝1，计算ABS控制参数，转第2)步；

3)否，判断acc恒为1吗？

是，判断max(ω1，ω2)《ω；

是，设置TCS＝1，计算TCS控制参数，转第2)步；

否，转第4)步；

4)否，设置ESP＝1，计算ESP控制参数，转第2)步。

6.按权利要求4所述的一种汽车底盘的集成控制方法，其特征在于：

所述的ABS控制参数，是计算车轮轮速、车轮角加速度、参考车速、滑移率。

7.按权利要求4所述的一种汽车底盘的集成控制方法，其特征在于：

所述的TCS控制参数，是计算滑转率、车轮角加速度。

8.按权利要求4所述的一种汽车底盘的集成控制方法，其特征在于：

所述的ESP控制参数，是计算横摆角速度、侧向加速度。

9.按权利要求4所述的一种汽车底盘的集成控制方法，其特征在于：

所述的各车轮控制步骤是：

5)开始；

6)判断ABS恒为1吗？

是，进行ABS控制逻辑，转第2)步；

7)否，判断TCS恒为1吗？

是，进行TCS控制逻辑，转第2)步；

8)否，判断ESP恒为1吗？

是，进行ESP控制逻辑，转第2)步；

否，转第2)步。

10.一种汽车底盘的集成控制器，其特征在于：

该控制器包括如下：

1)传感器信号采集、计算装置；

2)横摆力矩ESP/制动ABS/驱动防滑TCS决策控制装置；

3)横摆力矩ESP/制动ABS/驱动防滑TCS左前轮控制装置；

4)横摆力矩ESP/制动ABS/驱动防滑TCS右前轮控制装置；

5)横摆力矩ESP/制动ABS/驱动防滑TCS左后轮控制装置；

6)横摆力矩ESP/制动ABS/驱动防滑TCS右后轮控制装置。

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