一種ESP電子車身穩(wěn)定系統(tǒng)地模擬設計

為了演示ESP在提高汽車操縱穩(wěn)定性方面的作用，結合電子專業(yè)的技術知識，通過設計電路圖以及對電路圖的仿真，并應用相關電手元器件，在玩具小車上模擬ESP的預險警示爭主動控制功能，實物運行效果良好。該設計思路和方法推廣應用可使更多學生受益。
0 引言
ESP(Electronic Stability Program)是一種主動的智能安全系統(tǒng)，通過高度靈敏的傳感器時刻監(jiān)測汽車的行駛狀態(tài)，及時識別危險情況，使汽車恢復行使的穩(wěn)定。ESP系統(tǒng)最早由德國博世(BOSCH)公司于1997年研制成功，該公司的統(tǒng)計表明ESP在汽車上的應用使乘用車的交通事故率降低了20％～50％。近年來ESP在行車方面的卓越功效越來越得到人們的認可，世界范圍內新車的ESP裝配率顯著的提高，根據(jù)德國博世公司的統(tǒng)計，2005年德國新車ESP裝配率約為72％，西歐的新車平均裝配率約為44％，北美約為21％，日本約為15％，在2006年，我們國內的ESP的裝配率只有3％，遠遠低于歐美地區(qū)。而在2012年的今天，國內車輛的ESP裝備情況仍然不容樂觀，只有18％，僅達到韓國2006年的水平。相比于國外，國內汽車行業(yè)對汽車動力學穩(wěn)定性控制的研究起步較晚，國內ESP的裝配率還比較低，由于科學技術水平的差距，大多數(shù)學者對ESP的研究也只是停留理論研究和模擬仿真解決ESP系統(tǒng)的設計中所具體遇到的問題。同樣，這部分市場也完全掌握在外資企業(yè)手中，國內企業(yè)幾乎無法涉足，所以，要努力攻克ESP設計的理論與關鍵技術，對提高國產(chǎn)汽車的自主開發(fā)能力、縮短與發(fā)達國家的差距具有重要的現(xiàn)實意義。
本文正是基于ESP電子車身穩(wěn)定系統(tǒng)的原理，結合電子專業(yè)的技術知識，通過設計電路圖以及對電路圖的仿真，從理論上達到了ESP系統(tǒng)警示駕駛員和主動制動汽車的目的，并且應用相關電子元器件，在玩具小車上模擬ESP系統(tǒng)的預險警示和主動控制功能。該設計演示了ESP在提高汽車操縱穩(wěn)定性方面的作用。
1 ESP控制汽車運動流程
ESP電子車身穩(wěn)定系統(tǒng)是一種提高車輛曲線行駛穩(wěn)定性的主動安全系統(tǒng)。當出現(xiàn)異常情況時，ESP會根據(jù)實際情況作出反應，而不是盲目地服從于駕駛員，使汽車行駛安全性大大提高。ESP電腦計算出保持車身穩(wěn)定的理論值，與偏轉率傳感器和橫向加速度傳感器測的的數(shù)據(jù)進行比較，發(fā)出平衡糾偏指令，使汽車回到預定的軌道行駛，保持車輛正常行駛系統(tǒng)控制流程如圖1所示。

基本控制程序如下所述：
(1)汽車在正常行駛狀態(tài)下，ESP控制單元(圖中的ECU模塊)接受來自轉向盤角度傳感器和輪速傳感器的信號，經(jīng)過計算和監(jiān)測，獲知駕駛員操縱汽車穩(wěn)定行駛的方向信息，并儲存這些數(shù)據(jù)。
(2)ESP控制單元ECU同時接收來自橫擺角速度傳感器和橫向加速度傳感器的信號，經(jīng)過計算，獲取實際車輛行駛的狀態(tài)。并將數(shù)據(jù)和(1)中監(jiān)測的數(shù)據(jù)進行對比，判斷汽車此時是否處于穩(wěn)定行駛狀態(tài)(駕駛員對汽車操控行駛的方向信息和穩(wěn)定行駛的方向信息對比一致則為汽車穩(wěn)定行駛狀態(tài))。
(3)經(jīng)過對比，如若兩者信息一致，則ESP控制單元判斷汽車此時處于安全行駛的穩(wěn)定狀態(tài)，ESP系統(tǒng)處于待命狀態(tài)。如若兩者信息不一致，ESP控制單元判斷汽車此時處于非穩(wěn)定行駛狀態(tài)，ESP控制單元下達控制命令到執(zhí)行器(液壓調節(jié)單元)，通過對發(fā)動機的干涉，利用液壓執(zhí)行器對每個車輪進行制動，及時糾正車輛的不穩(wěn)定行駛狀態(tài)，確保人身安全。
2 ESP電子車身穗定系統(tǒng)的模擬設計
2．1 模擬設計的思路及原理分析
根據(jù)ESP電子車身穩(wěn)定系統(tǒng)的原理，ESP最大的特點在于它的主動性，能夠在發(fā)生危險時及時提醒駕駛員，起到事先提醒的作用。圖2為預警功能模塊電路板的設計流程圖，通過加速度傳感器的取值和預先設定的電壓值(模擬實際ESP系統(tǒng)電子控制單元的穩(wěn)定值)進行比較，根據(jù)實際模型小車的行駛情況，來判斷是向左加速還是向右加速，從而通過指示燈的亮滅給駕駛員發(fā)出警告，車輛出現(xiàn)的不穩(wěn)定行駛狀態(tài)。

2．2 模擬設計的電路原理圖
在汽車的實際行駛過程中，由于各種原因出現(xiàn)側滑或者轉向過度、躲避障礙物等突發(fā)情況，ESP電子車身穩(wěn)定系統(tǒng)會主動感知到汽車行駛的不穩(wěn)定狀態(tài)，電子控制單元通過對各個傳感器采集數(shù)據(jù)的分析和判斷，主動采取干預措施，防止發(fā)生意外事故。但在實際的測試中，由于實驗條件的差異性，無法模擬到真實汽車在遇險時的處理過程，主要是模擬小車在急速轉彎的情況下，實驗小車出現(xiàn)不穩(wěn)定性行駛狀態(tài)，ESP電子車身穩(wěn)定系統(tǒng)開始由待命狀態(tài)進入工作狀態(tài)。
圖3是模擬處理采集信號的過程，依次對采集到的傳感器信號進行放大、比較處理，從而通過發(fā)光LED燈來判斷實驗小車的行駛狀態(tài)。