基于路面识别实时控制车轮滑移率的ABS系统

摘要:汽车防抱死制动系统(ABS)是一种很重要的汽车主动安全技术。并针对路面具体情况,对车辆防抱制动系统的滑移率实时控制进行研究。该文在MATLAB/Simulink仿真环境下,建立车辆动力学模型,实现了对路面状况识别,同时对基于滑移率控制的防抱制动系统的计算机仿真。仿真结果表明,该系统能真实地反映汽车ABS系统的实际工作过程,达到了满意的控制效果。

关键词:防抱死制动系统;路面识别;实时监控;仿真

中图分类号:TP391.9 文献标识码:A 文章编号:1009-3044(2009)36-10417-03

Wheel Slip Ratio for ABS System Based on Road to Identify and Real-Time Control

LIU Chang-zhen, CUI Ming-bo

(Computer College, Harbin University of Science and Technology, Haerbin 150080, China)

Abstract: Automobile anti-lock braking system(ABS) is a very important vehicle active safety technology, For the specific circumstances of the road, real-time monitoring of vehicle slip rate of ABS anti-lock braking system to be studied. In this paper, under MATLAB/Simulink simulation environment, establish the vehicle dynamics model, Achieved the recognition of road conditions, and computer simulation based on the anti-lock braking system of controlling the slip rate.

Key words: anti-lock braking system; road identification; real-time monitoring; simulation

汽车防抱死制动系统(ABS)在车辆安全行驶的过程中起着关键的作用,特别是在制动过程中[1]。汽车防抱死制动系统是具有自动控制、调节制动力及防止车轮抱死功能的汽车制动系统。它在制动过程中通过自动调节车轮的制动力矩从而防止车轮抱死,使车辆获得最大地面制动力。当前,汽车防抱制动系统ABS中广泛采用逻辑门限控制方法[2],模糊控制法[3]等,但这些方法在路面识别上存在困难,且整个控制过程中车轮滑移不是保持在最佳滑移率上,而是在它的附近呈较大波动,并未达到最佳的制动效果。因为不同路面产生最大附着系数不同,相应的最佳滑移率也不同,为了进一步提高ABS的性能,使ABS可以实时监控路面状况,并对滑移率加以调整,保持在最佳滑移率状态,因此路面识别系统非常重要[4]。本研究根据相关传感器采集路面信息,然后确定路面具体情况。最后,针对以制动力矩为控制目标的控制器进行仿真研究。

1 车辆动力学模型

1.1 整车模型

根据汽车理论车辆在制动过程的整车受力分析, 二轮汽车制动模式如图1所示。汽车的总质量认为集中在它的质心上,并且质心距后轴距离为C,距地面高度为h。前后车轮认为是相同的,每个有效滚动半径R和转动惯量为J,它们的中心是分开的距离L=b+c。车辆沿着路面在x方向上以速度u(t)=x(t)纵向移动。在水平方向上,前后车轮和路面之间的摩擦力分别为Xr和Xf,地面对前后车轮的支持力分别为Zr和Zf。前后轮的制动机制产生制动力矩Tbi,Tbi>0(i=r,f),并提供摩擦力Xi。该系统是平面的,就是说横向移动,转弯等不考虑。此外,空气阻力和滚动阻力等对车辆减速的影响不纳入模型。

根据整车受力模型,可以得到汽车纵向运动力平衡方程:

Mu=-Xf-Xr (1)

Mg=Zr+Zf (2)

h(Xr+Xf)+cZr=bZf(3)

2.2 车轮模型

车轮受力分析,车轮半径为R0,纵向的速度为u(t)=x(t),角速度为w(t)=φt()。制动力矩Tbi,Tbi>0,提供纵向制动力X,地面支持力Z。 根据牛顿运动定律车轮运动公式如下,m,R,和j分别为车轮质量,有效转动半径,车轮的转动惯量,g为重力加速度。如图2。

车轮运动公式:

(4)

1.3 汽车滑移率

汽车被施以制动时,车身速度由于轮胎与路面间摩擦力的作用而减小,车轮角速度由于制动器的摩擦力矩和地面制动力产生的力矩共同作用而减小,车轮与车身产生速度差,制动车轮产生滑移现象,用滑移率r来表示车轮滑移的程度,即:

(5)

式中,r为滑移率;V为车体速度,m/s;w为车轮角速度,rad/s;r为车轮半径,m。

1.4 轮胎模型

路面附着系数定义如下:

(6)

u是一个包括许多物理变量的非线性函数,如车辆的速度,路面条件和滑移。隆德(瑞典)和格勒诺布尔(法国)自动化控制部门的LuGre摩擦模型众所周知是用来描述某些特殊情况下的摩擦情况[5-6]。加拿大的de-Wit和他的同事已经应用该模型于轮胎建模,并且说明制动力矩作用于轮胎时的动态过程[7-8]。伪稳态下绝对摩擦力的表达为:

(7)

(8)

(9)

数量Vr是一个相对速度,σ0是刚度系数,σ1是的阻尼系数,σ2是粘性相对阻尼系数vs是斯特里贝克相对速度,us是静态摩擦系数,uc是库仑摩擦,L是一个参数,它体现了路面和轮胎之间接触面的动态长度,参数θ代表路面状况的变化情况:例如,通常情况下,θ=1表示干路面,θ=2.5表示湿路面,θ=4表示冰路面。η的公式把公式(5)中定义的制动滑移率s转换成驱动滑移率,公式(8)建立在η的公式转换上。

图3是在θ取不同值的情况下,u和s的关系曲线。这些曲线是根据公式(8),在v=30mph,θ取不同值时得到的。滑移率s从0变化到1,0表示车轮自由滚动,1表示车轮抱死;上述曲线清楚的表明随着θ的增大,u的最大值和在车轮抱死时u的值都减小。值得注意的是,和干路面相比湿路面和冰路面(θ>2.5),u的值减小很多。

2 基于路面识别的滑移率控制系统

2.1 系统整体设计

滑移率控制是一种连续量控制,由于各种路面最佳滑移率值不同,控制器根据路面状况和实际的滑移率,对滑移率进行实时控制,调整制动气压从而使滑移率在峰值附近来回波动。路面识别系统在制动过程中始终工作,不断检测路面状况,一旦发现路面状况发生改即重新设定对应的最佳滑移率参考值。如图4所示。

2.2 路面识别系统设计

目前的发明给机动车辆提供了设备和检测方法来检测的路面情况。这个系统通过一个温度传感器,超声传感器和一个照相机来检测路面数据。这些传感器提供相应的温度数据,粗糙度数据和图像数据。随后,路面数据被过滤。过滤后的数据和参考数据做必较,基于比较筛选路面数据,路面的可靠数据可以获得。过滤后的数据和参考数据做必较可能确定路面条件的环境类型,如干旱,冰,雪,或水。路面的表面情况也可分类,如混凝土,沥青,泥土,草,或砂砾。可靠的数据是结合过滤后的数据和参考数据之间关系的基础上得到的。通过传统的显示面板上的图像或文字告知司机路面的具体情况。车辆稳定性系统,包括系统的制动系统,牵引力控制系统,偏航和滚动稳定系统等。

过滤后的数据和参考数据做必较可能确定路面条件的环境类型,如干旱,冰,雪,或水。路面的表面情况也可分类,如混凝土,沥青,泥土,草,或砂砾。可靠的数据是结合过滤后的数据和参考数据之间关系的基础上得到的。通过传统的显示面板上的图像或文字告知司机路面的具体情况。车辆稳定性系统,包括系统的制动系统,牵引力控制系统,偏航和滚动稳定系统等。

机动车辆检测的路面情况的方法包括,如图5所示。

通过温度传感器检测温度数据,超声传感器检测粗糙度数据,照相机获得图像数据;

过滤路面数据对过滤后的数据和参考数据进行比较,获得可靠数据。在此基础上,获得路面环境类型和路面的表面情况。如图5所示。

2.3 控制器的设计

控制器内存有各种路面情况下的最佳滑移率,接收路面情况和实际的滑移率,针对具体路面情况计算实际的滑移率与最佳滑移率的差值,然后调整制动压力,使路面附着系数在最大值附近,从而保持汽车的稳定性和可操纵性。例如,实际的滑移率与最佳滑移率的差值大于零0.1,说明实际的滑移率已经超出滑移率的允许范围,这时要增加制动压力;反之当实际的滑移率与最佳滑移率的差值小于零0.1时,说明实际的滑移率还没有达到滑移率的允许范围,相应的要减少制动压力。各个路面的最佳滑移率如表1所示。

3 仿真研究

图6显示的是车速仿真结果。a图是整车的加速度。图b是车轮的轮速,而另外一条曲线是a图中的整车加速度曲线,两个曲线都是对整车车速的估计。然而问题就出现了,怎么才能从两条曲线中得到更准确的值呢?图c显示了解决车轮速度问题的估计算法。图d中显示了单轮系统对整车速度的测量,尽管和上述的方法结果非常相似,不能测量出它们之间的区别,但是我们在图e中绘制了它们的不同之处。图e中区别非常小,这样估计的车辆速度能满足防抱死系统的需求,其最大的测量偏移只有0.4m/s。上述所有的正确性验证了该算法。

图6

4 结论

通过加速度值获得车速的值与实际车速仍然有很大的差距;类似的,利用传感器聚焦的方法,运用最小二乘法根据轮速值计算出的车速也有较大误差。这篇论文提供了一个新的评估方法,该方法根据轮速信号和整车加速度信号,并加以实验估测车速值。结果显示估测的速度值和实际速度的值非常接近,可以应用该方法来得到ABS控制系统的参数滑移率 ,并加以有效控制。与此同时,这个算法也非常简单,不需要太多的计算,也很容易实现。

参考文献:

[1] 陈其志,汪祥本.制动防抱死系统(ABS)的现状与发展[J].城市公共交通,2004(3):18-19.

[2] 孙仁云,郭辛,龙行现.基于门限值控制的汽车ABS控制器的研究[J].西南交通大学学报,2003(4):408-413.

[3] 张代胜,李伟.基于滑移率的汽车防抱死模糊控制方法与仿真[J].农业机械学报,2002(2):28-31.

[4] A model-driven approach for real-time road recognition[J].SpringerBerlin/Heidelberg,2001,13(2):95-107.

[5] A sliding mode scheme for optimal braking an destimation of road friction[C].Proc,IEEE,2006,334(14):375-394.

[6] 喻凡.汽车系统动力学[M].北京:机械工业出版社,2005.

[7] Stability and Bifurcation of Longitudinal Vehicle Braking[J].Springer Netherlands,2005,40(4):339-365.

[8] 张新.汽车液压防抱死制动系统的理论与实践[M].长沙:中南大学出版社,2005.