基于单片机的车身稳定系统的研究*

张 松，李 鹏，张 山，杜季轩

(太原科技大学 电子信息工程学院，山西 太原 030024)

汽车行业是每个国家科技前沿的体现，同时随着人们生活观念的不断提高，对安全性的意识不断增强。对于提高汽车的主动安全性具有明显的社会效益和明显的经济效益，刹车防抱死制动系统ABS 在轿车上已成为一种标准配置，车身电子稳定系统(ESP)已成为趋势，它能在紧急情况下挽救生命。

1 车身稳定系统的简介

1.1 汽车防侧滑的概念

当汽车以较高的车速在表面潮湿或有冰雪的路面上紧急制动时，很可能会出现这样一些危险的情况比如，车尾在制动的过程中偏离行进的方向，严重的时候会出现汽车旋转掉头，汽车失去方向稳定性，这种现象称为侧滑。

1.2 汽车制动侧滑的危害

汽车在行驶中常因制动引起汽车偏离原定的行驶方向，造成侧向滑移，甚至翻车而引发交通事故。当汽车在高速时制动，会使汽车完全丧失操纵，尤其后轴侧滑将引起汽车剧烈的回转运动，导致翻车、撞车等恶性事故。汽车的侧滑是目前发生车祸的重要原因之一，如果我们能够提高车身稳定性能避免侧滑对现在社会以及减低交通事故率有很大帮助。

1.3 引起汽车侧滑的因素

引起汽车侧滑的因素有很多，比如说机件失调、前桥变形或主销与销套松旷、横直拉杆球头松旷与双横拉杆结构汽车的前束调整不当，轮毂轴承松旷，边梁断裂等。同时在不同的路面其附着系数不同，且当车左右不对称时车轮载荷过重都会有横向力的作用，引起侧滑。在一些装有防抱死(ABS)制动装置的汽车，也会因路面凸形不均或其他不良因素而引起侧滑。如果汽车在高速行驶时也会因其附着力小而引起汽车发生侧滑。另外，单纯使用手制动或脚制动(制动间隙不一致)，如果前轮制动轻，后轮制动重，都极易产生侧滑。汽车前后轮制动力不均匀，轮胎气压不一样，轮胎花纹磨平等也会引起制动侧滑。

1.4 汽车制动侧滑的预防措施

由于汽车发生侧滑的因素很多，这里主要针对一些常见情况进行预防。首先针对附着力小的问题，这主要是由于路面的光滑或者有泥泞或者冰雪引起的。在这种情况下最好的办法就是降低车速。还有就是某些车虽然装有ABS 但不知时常去检修，使得其制动性能下降。针对这种情况应该经常检修其功能。目前造成交通事故的原因有很多是因为装载过多引起的车身侧滑，所以我们应该合理的装载。

2 基于单片机控制的稳定系统

本系统的研究基于装有数据采集装置测距传感器、角度传感器SCA60 和数据处理模块STC90C516RD+单片机以及飞思卡尔小车。基本原理是通过超声波测距传感器测量障碍物的距离，通过AD/DA 转换模块将模拟量转换成数字量，与预定值进行比较，若达到条件控制电动机减速或控制舵机转向，从而躲避障碍物。系统的原理图如图1 所示。

图1 系统原理图

在转向时，简化为两种特殊情况:过度转向和转向不足，此时对车身稳定系统研究就显得尤为重要。

1)过度转向表现为车体扭转角度大于转向角度。若产生纵向加速度，加速度传感器反馈数据，控制系统在数据反馈后作出降低驱动的处理，以提高后轴的侧向的附着力，同时给前轮适量相反转向的信号从而处理过度转向的问题。

2)对于转向不足，表现为车辆需要更多的转向轮角度来保持所需行进线路。转向不足是前轮轮胎与地面接触面的偏滑角建立速度大于后轮轮胎与地面接触面的偏滑角建立速度造成的。一旦判断有转向不足倾向，控制系统会自动对转向圆周小的车轮做瞬时制动处理，以产生预定的滑动率。由于惯性作用，会使小车产生转向，这样一来转向不足就会被克服。

3 控制方法

该系统采用模糊控制算法，当小车产生纵向加速度时，不止产生使其侧滑和不侧滑的加速度，其值是在一定范围内变化。模糊控制算法将这些加速度与隶属函数相比较而产生相应的隶属度，从而控制单片机作出属于该隶属度下的命令，使得小车不论在侧滑前、侧滑、侧滑后都可以产生相应的校正动作。利用这种控制算法增强系统的控制响应速度及对不确定性因素的适应性。算法流程如图2 所示。

图2 模糊控制算法

原理:

1)模糊化:其主要功能是根据输入变量的隶属度函数，求出精确的输入值相对输入变量各个语言值的隶属度。设定输入变量为u(u 为纵向瞬时加速度与发生侧滑时加速度的比值)，输出变量v(v 是小车前轮转角)，E(偏差)和EC(偏差变化率)是经过输入量化后的语言变量，V(模拟控制器输出的语言变量)。v 为经过输出量化后的实际输出值，其模糊语言变量的隶属函数分别设计为:

2)V:{LB，LM，LS，M，RS，RM，RB};

3)论域为{－45，－30，－15，0，15，30，45};

4)LB:左大;LM:左中;LS:左小;M:中;RS:右小;RM:右中;RB:右大。

5)模糊规则推理:模糊推理的输入量是所有输入变量的输入精确值相对输入变量所有语言值的隶属度;输出是输出各语言值的隶属度，模糊规则是模糊控制器的核心，可分为前提和结论两部分:前提部分描述原因;结论部分描述与控制行为相关的结果，结构为FR:IF A THEN B［1］。

模糊规则表采用两输入单输出结构，输入输出如表1所示。

表1 模糊规则表

模糊推理:采用MAX—MIN 法进行模糊推理［2］。设定E，EC，U 的隶属度分别是u1，u2，u3，则

反模糊化:将控制变量变为精准的控制量，其输入是各语言值的隶属度，输出是系统输出变量的精确输出值。公式:U=∑U5 ×U/∑U5。

4 结论

在小车转弯时，通过加速度传感器采集当前信号，利用算法对小车当前车身状态作出判断，通过单片机对车身作出向左大幅度转向、向左微转向、不转向、向右大幅度转向、向右微转向等合理角度的判断，进一步作出调整，使得小车纵向加速度减小从而减小车身侧滑，实现车身稳定，使小车平稳转弯。

［1］(克罗)科瓦稀奇，(克罗)波格丹.模糊控制器设计理论与应用［M］.胡玉玲，张立权，译.北京:机械工业出版社，2010.

［2］李士勇.模糊控制［M］.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，2011.