车身稳定系统模拟设计

  张松

 （太原科技大学电子信息工程学院，山西  太原  030024）

摘要：应用ESP技术与电子专业知识相结合，通过对电路图进行仿真，对车身稳定系统进行了模拟，从理论上达到了提高车身稳定性能的目的。应用相关元器件，在飞思卡尔车上模拟了使用ESP系统前后车身的稳定性能。并且将SCA60传感器的输出信号通过数模转换模块转换成数字信号，通过LED灯直观显示出车身的稳定性。

关键词：ESP;模拟仿真设计；车身；稳定系统中图分类号：TP273：U46

 0引言

 ESP（Electronic Stability Program是电子稳定控制系统）是一种紧急驾驶条件下防止车身打滑的控制系统，它通过高度灵敏的传感器时刻监测汽车以及其行驶状态并及时识别危险情况，使汽车恢复行驶的稳定。ESP系统于1997年由BOSCH公司研究成功，它的应用使得汽车的交通事故率降低了20%～50%。近年来ESP在行车方面取得了卓越成绩，越来越得到人们的认可，在世界范围内新车ESP装配率得到了显著提高。相对于国外，国内有关汽车动力学稳定性的控制研究比较晚，汽车的ESP装配率还比较低。许多学者对ESP的研究也只是停留在理论研究和模拟仿真解决ESP系统中所遇到的具体问题等层面。本文主要应用ESP技术与电子专业知识相结合，来提高车身系统的稳定性。通过设计电路图和对电路图进行仿真，从理论上达到提高车身稳定性能的目的，并且应用相关元器件在飞思卡尔车上模拟了使用ESP系统前后车身的稳定性能。

1  EPS系统的结构组成及其工作原理

 开发的EPS系统主要由单片机、光电传感器、横向加速度传感器、模数转换模块、流水灯显示等部分组成。其中单片机是本系统的中枢，起到控制的作用，它通过传感器及其模数转换模块传出的数据进行判断并作出相应的处理，以此来保证小车车身的稳定性。光电开关传感器的主要作用是在小车行驶时检测前边的障碍物，然后将信号传给单片机，让单片机发出相应的规避命令。

 EPS系统的工作原理是：利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，以此来检测物体的有无；横向加速度传感器用来检测小车在发生急转弯时所产生的横向加速度，以此来反映车身的稳定性；模数转换模块用来将模拟电压值转换为数字量，通过单片机显示在流水灯上来反映车身的稳定性，通过ADC0809芯片内部的多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟分时输入；三态输出锁存器用于锁存A/D转换完成的数字量，当OE处于高电平时，才能够将锁存器中的数据取出，然后输出；流水灯的主要作用就是将横向加速度传感器传出的模拟电压值直观显示出来，以反映车身的稳定性，通过控制其输入的高低电平来控制灯的亮灭。

2 ESP电子车身稳定系统的模拟设计

2.1  模拟设计的思路

 ESP的最大特点在于其主动性，当车身出现不稳定时能够自动纠正使车身稳定；此次模拟主要采用STM32单片机控制，通过舵机控制智能车拐弯的角度，并通过加速度传感器反馈此时的横向加速度，与提前设定的值进行比较，判断此时小车车身是否处于稳定状态，并反馈给单片机作出相应的动作，如果车身处于稳定状态，则不做出任何动作；若车身出现偏差则进行纠正。此外设计中还会通过一排LED灯来反映横向加速度的强弱，以便直观看出车身的稳定性能。

 模拟过程如下：首先是在没加ESP时让小车直走遇到障碍物时进行拐弯，判断此时小车的横向／纵向速度，并通过流水灯判断其车身的稳定性能；然后是在加上ESP控制技术的基础上进行如上操作。通过两次对比判断系统的稳定性能是否提高了。车身稳定系统模拟设计流程如图1所示。

2.2  系统模块

2.2.1  角加速度传感器SCA60

 角速度传感器SCA60处于水平位置时Vo端输出+0.5 V的模拟电压值，SCA60的实物图如图2所示。图3为LM393双电压比较器集成电路，其工作原理是通过LM393双电压比较器集成电路传出的模拟电压值来反映加速度的大小。图4为SCA60传感器接线图，SCA60可以精确地检测到0～1800的角度范围，当通过舵机控制小车角度变化时，传感器会发生偏转，此时Vo口输出一个对应的模拟电压值。

2.2.2光电开关

 光电开关是光电接近开关的简称，其工作原理图如图5所示。发射器通过整流稳压电路和解调电路将电脉冲调为光脉冲，再经过放大电路进行放大发射出去，其中的时钟电路用于控制其发出脉冲的频率。接收器主要是接收光信号，然后通过调制器转换成电信号。光电开关的工作原理是利用被检测物对光束的遮挡或反射由同步回路选通电路，从而检测物体的有无，物体不限于金属，所有能反射光线的物体均可被检测。光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。

2.2.3  电压比较器模块

 在系统中，选择LM324芯片作为比较器，如图6所示。用LM324正向输入设定的电压值来模拟汽车在稳定行驶时的数据，实际小车测到的实验数据接入比较器负向输入。理想状态下，当实际测得电压值与设定的电压值不相等时，反馈给单片机作出相应的操作使小车保持稳定；当测得的电压值与设定值相等时，则不作出相应操作。

2.2.4模数转换模块

 图7为ADC0809模数转换电路。ADC0809芯片内部有多路开关，可选通8个模拟通道，允许8路模拟分时输入，三态输出锁存器用于锁存A/D转换完成的数字量，当OE处于高电平时，才能够将藏在锁存器的数据取走，然后输出。ADC0809模数转换电路的作用是将传感器输出的模拟电压信号转化成数字信号通过LED灯显示，从而反映车身系统的稳定性。

3 ESP系统软件设计

 ESP电子车身稳定系统工作流程如图8所示。其中，K=1表示“是”，K=0表示“否”。首先让飞思卡尔车在没使用车身稳定系统前在不同的道路上进行急速拐弯，然后加上车身稳定系统再进行测试，观察飞思卡尔车的状况。

 表1为在较光滑的路面流水灯亮的个数，表2为在较粗糙的路面流水灯亮的个数。

通过表1和表2分析可知，不管是在光滑还是在粗糙的路面上，在使用了车身稳定系统后车身的稳定性能有了明显的提高，流水灯亮的个数明显变少。虽然路面的光滑程度对车身稳定性能有些许影响，但通过表1和表2的比较可以明显看出，在使用了车身稳定性系统后稳定性能的提高与路面光滑度无关。

5结论

 通过本次实验，可以清楚地看到在使用车身稳定系统后车身稳定性明显提高，在未使用车身稳定系统前飞思卡尔车在急速拐弯时很容易发生侧滑，在使用车身稳定系统后，飞思卡尔车的侧滑有明显的改善，基本不会发生侧滑。