ABS／ASR／ACC集成系统车载实验平台开发＊

裴晓飞 刘昭度 齐志权 张 彪 李志远

（北京理工大学机械与车辆学院1） 北京 100081） （河北大学机械与建筑工程学院2） 保定 071000）

根据日本ASV（advanced safety vehicle）项目的研究成果［1］，汽车安全产品根据事故发生的相对时间，可分为安全驾驶辅助系统、增强型动力学系统、主动避撞系统三大类.其中汽车主动巡航系统（ACC）属于第一类，通过车辆的定速巡航或安全车距保持控制，提高正常行车特别是高速驾驶时的主动安全性，同时也可减轻驾驶员工作强度，有利于乘坐的舒适性.制动防抱死系统（ABS）和驱动防滑系统（ASR）同属第二类，主要作用于极限工况，分别通过调节制动力和驱动力来使得车轮滑移率控制在一理想范围内，以获得最优的地面附着力.近十余年来，国内外各高校和汽车公司进行了大量的针对性工作［2－4］，并获得了丰富的研究成果.清华大学已在国内率先实现ABS的产品化工作［5］，博世公司也拥有种类齐全的汽车主动安全设备［6］，但将三者集成化的电控系统却仍未出现.

同时系统在基于实车实验的开发工程中，车载平台无疑是必不可少的辅助设备［7］.通过实时记录控制系统的内部参数和外部车辆的运动姿态，能方便直观地反映出控制器的性能，并且大大加快研发的进度.东南大学的张为公和清华大学的杨殿阁等人研制的车载数据采集系统［8－9］仅能对车辆外在状态实行监测，对控制器的研发未能起到有效帮助.因此本文介绍了ABS／ASR／ACC集成系统的组成和意义，给出了为实现此集成系统而专门开发的车载实验平台的总体架构，分析了各个子模块的功能和结构，并设计了平台内部通信协议.通过实车实验表明车载平台性能良好，满足集成系统的研究需要.

1 ABS／ASR／ACC集成控制系统

随着汽车上以主动安全为目的的电控产品越来越多，必然会导致不同系统和执行器之间相互干涉和性能冲突问题，而ABS／ASR／ACC集成控制系统的提出符合电控产品系统集成化的趋势［10］.ABS，ASR，ACC 3个控制子系统同属于汽车纵向动力学研究范畴，尽管各自的作用范围不尽相同，但功能和控制目标互有补充，集成控制能显著提高汽车整体的纵向安全性；另一方面从实现手段上看，ASR，ACC均可视为在ABS基础上的自然延伸，三者能共用大部分传感器和执行机构，通过资源共享实现降低成本.而在控制器软件设计中，基于明确界定的各子系统功能，建立控制优先级判断逻辑，通过共享变量和函数，实行合理的资源调配，提高编程效率.表1给出了3个子系统之间的异同点和相互切换逻辑；图1则显示了协调控制策略流程图.

图1 ABS／ASR／ACC协调控制策略

表1 集成系统的组成

2 基于CAN总线的车载实验平台

2.1 平台总体架构

根据ABS／ASR／ACC集成系统的特点，基于模块化的思想，按车载实验平台的功能将其划分为：集成控制，数据采集，雷达信息处理，人机交互等四个模块，并通过CAN总线采取分布式协同工作.图2给出了车载平台的硬件组成.

图2 车载平台硬件框图

2.2 子模块设计

2.2.1 集成控制模块 集成控制模块将独立ABS，ASR，ACC控制器在软硬件上有机结合，通过对各个传感器的信息融合，实时对当前的行车状态和驾驶员操作进行判断，并调用相应的控制程序，驱动节气门或制动执行机构对车辆进行主动调节，是车载平台中发挥车辆控制功能的核心单元.图3给出了ABS／ASR／ACC集成控制器的结构框架.

图3 集成控制模块结构组成

2.2.2 数据采集模块 利用五轮仪采集车速信息，通过六路压力传感器得到实时主缸和轮缸压力，由车轮扭矩传感器感知地面作用力大小，通过陀螺仪测得车辆行驶中的横摆角速度和横向／纵向加速度，利用前轮转角传感器获得方向盘输入信息.数据采集模块对全面了解车辆实时信息，辅助控制策略应用起着重要作用.

2.2.3 雷达处理模块 在ACC系统中，应用了美国Delphi公司的车载毫米波雷达，来获取前车的相对车速，相对车距，方位角等信息，最多能同时跟踪64个目标.由于雷达获取信息量较大，同时相关目标控制算法较复杂，因此单独设置子CAN网，专门实现雷达信号的获取与处理，保证了集成系统的实时性和可靠性.

2.2.4 人机交互模块 基于Linux嵌入式操作系统，负责平台的输入指令和输出显示等整体操作.因此不必像往常通过笔记本电脑，借助车载平台即可直接方便的完成实车试验的各项任务.图4给出了人机交互模块的硬件结构，其具有以下功能.

1）实时显示 接收车载平台各子模块经CAN总线传来的变量，进行数据还原和分类，并通过液晶屏显示.

2）指令输入 由键盘负责输入指令，操作实验的进程和显示界面的切换.

3）数据存储 在实时显示的同时，将CAN总线上的试验数据通过USB主机储存到U盘上.按不同时间，不同的实验类型以文件的形式储存.

4）故障诊断 若实验中ABS／ASR／ACC系统发生故障，可对存储于EEPROM中的故障码进行离线显示和人工清除.

5）结果后处理 实验结束后可将U盘中的分类数据通过USB从机发送PC上，进行曲线拟合等进一步分析.

图4 人机交互模块硬件结构

2.3 平台通信协议

由于安全电控系统对实时性和可靠性有着苛刻的要求，选用了传输速率500k／bit，11位ID的CAN通信协议作为平台的控制总线.各个子模块按照协议中对节点地址和信息场的分配，将数据打包后以一定的帧格式向CAN总线上发送，并由显控模块最终接收，并解析还原成实际值.在信息场中包含有模拟信号和数据信号.模拟信号一般为1或2字节，如轮速信号，有一定的采样周期，因此也为周期传送；数字信号属于事件类，如制动踏板的开合，属于位传输.搭建完成CAN网络之后，需要利用CAN－USB工具进行数据标定，并对网络负载率和错误率进行测试.

3 车载平台性能实车验证

图5给出了所设计的车载集成控制器在整个实车试验平台中应用的示意图.在完成ABS／ASR／ACC控制策略开发后，即可基于实车平台对集成控制系统的性能进行试验验证.

3.1 ABS－ASR联合实验

图5 实车平台总体示意图

在低附着路面上制动和驱动过程中，车轮极容易出现过大的滑移率，同时车辆失稳.因此利用集成控制系统进行了ABS－ASR控制切换实验，结果如图6所示，反映了右前轮和左后轮的轮速关系.在8.5s采取紧急制动后，调用ABS控制防止车轮的抱死；从11s开始，车辆加速，由于驱动轮容易打滑，利用ASR调节保证了车辆的加速性能.

图6 ABS－ASR切换实验结果

3.2 雷达信号验证实验

雷达信号处理的好坏直接决定了集成系统中ACC控制效果，因此需对雷达ECU输出结果进行标定.如图7所示，图7a）为由前车装备的速度传感器采集得到的车速；图7b）为车速根据雷达测量出的相对车速加上自车车速估计得到的前车车速.实验结果显示两条曲线基本吻合，由此得到雷达ECU能准确反映出前方目标信息，并提供给集成系统应用.

图7 雷达信号验证实验结果

3.3 ACC车距保持实验

利用集成系统的ACC功能，可以辅助驾驶员驾驶，实现对前车的安全距离保持，实验结果如图8所示.图中，前车以80s周期作类似正弦运动，自车v能以较小的速度误差跟随前车vp进行正弦运动；同时，实际相对车距R较好的符合虚线所代表的安全时距Rd，因此集成系统较好的实现了车辆自适应巡航的功能.

图8 ACC车距保持实验结果

4 结 论

1）所开发的ABS／ASR／ACC集成控制系统能有效实现各个子系统的功能，同时协调控制有利于进一步提高汽车的主动安全性.

2）所开发的车载实验平台，各个模块协同工作能满足多项技术要求，为ABS／ASR／ACC控制策略的调试提供的良好的硬件支持.

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［2］王伟达，丁能根，余贵珍.ABS／ASR集成控制系统ECU开发与验证［J］.工业控制计算机，2008，21（11）：49－51.

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［4］Yi K，Lee S，Kwon Y D.An investigation of intelligent cruise control laws for passenger vehicles［C］／／Proc IMechE，2001，Vol.215，Part D：159－168.

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［6］德国BOSCH公司.汽车安全性与舒适性系统／Safety，Comfort and Convenience System［M］.魏春源，译.北京：北京理工大学出版社，2007.

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