操控系统无线通信

2024-09-09

操控系统无线通信（精选4篇）

操控系统无线通信篇1

0 引言

经过半个多世纪的发展,游戏机已经逐步从有线操控系统演变成无线操控系统,极大地方便了广大游戏机用户。操控系统是游戏机的重要部分,是用户参与游戏的唯一途径,因此无线操控手柄的灵活性、可靠性是无线操控系统设计的关键。

VxWorks操作系统是美国WindRiver公司设计开发的嵌入式实时操作系统。该系统以其良好的可靠性、卓越的实时性和灵活的可裁减性被广泛地应用于通信、航天航空、家用电器等领域,是一种良好的嵌入式开发系统。

本文以VxWorks为开发环境,研究设计一种基于无线传输的操控系统,采用自适应的跳频技术和纠错编码技术,以克服普通无线操控系统传输速率低、容易受干扰和可靠性差等缺点。

1 系统设计技术指标

1.1 系统基本要求

对于一个无线手柄操控系统,其基本要求包括:

①无线手柄网络的响应时间必须和有线手柄网络的响应时间基本相同。

②系统具有优良的可扩展性。当新用户加入系统时,几乎不对其他在线用户产生影响。

③无线手柄的有效距离必须严格控制。多个控制台之间的无线手柄不会相互产生干扰。

④有线通信和无线通信之间的接口良好。

1.2 系统数据传输速率

1.2.1 基本传输数据

作为一般的手柄控制设备,它应该包含

①2个拇指型摇杆,用作对X/Y轴的位置控制,共8 Bytes。

②2个触发型按键,每个都作8 bit传输,共2 Bytes。

③4个方向按键,2个菜单引导键,2个数字侧翼按键,2个拇指操纵杆,1个绑定功能键,1个Xe按键,需2 Bytes。这些按键的具体定义如表1所示。

④1个用作D-pad的按键,1Byte。

因此,无线手柄传送的数据共

8+2+2+1=13 Bytes (1)

另外,在控制台方面支持手柄两种类型(单发动机型和双发动机型)操作的控制信号,需要8 Bytes;同时控制台还要支持4个单独的LED显示不同的类型,需要1Byte。因此,控制台传送的数据是

8+1=9 Bytes (2)

1.2.2 语音传输

根据G.726@16kHz和G.726@8kHz标准,语音传输的上行数据流速率为64kb/s,下行数据流速率为32kb/s。

1.2.3 系统带宽

对于无线手柄和控制台来说,数据采集周期为0.008s。因此,一个4手柄系统的数据速率

[(13+9)×8÷0.008+64+32]×4=472kb/s (3)

考虑到数据纠错编码和系统的其它一些开销,系统的传输数据速率设置为4/3Mb/s。

2 系统通信协议设计

2.1 帧结构

一个控制台和四个手柄共同组成的无线操控系统帧结构分19个时隙,包括上行数据和语音、下行数据和语音以及空闲时隙等部分。

为了满足系统4/3Mb/s的传输速率要求,每帧的长度必须是10666.67bit。因此,在每3个帧中有一帧为10666bit,其余两帧为10667bit,而多余的一个bit位被安排在帧的空闲时隙里。由于在每一帧中都包含一个2bit的帧号码,这个数是经过被3整除后得到的,如果帧号码等于00,那就表示这是一个短帧。

2.2 差错检测

差错检测包含对语音头部的循环冗余检验(CRC)和数据部分的前向纠错(FEC)编码。

一旦接受方收到语音包,接受方首先进行CRC检测,并作出相应输出:

①如果检测成功,语音包全部输出。

②对第一个检测失败的包,用上一个成功包的80%音量输出。

③对连续检测失败的第二个包,用上一个成功包的50%音量输出。

④对连续检测失败的第三个包(或三个以上),设置为静音状态,系统没有音量输出。

系统采用的检测多项式为

f(x)=x16+x10+x8+x7+x3+1 (4)

对于数据包,采用FEC码进行编码。因此,在接收端解码后不仅可以发现错误,而且能够判断错误码元所在的位置,并自动纠错。最常用的FEC码是Reed Solomon(RS)码。RS码除了具有很强的纠正随机错误能力以外,还非常适合纠正突发错码。这对提高本系统的抗突发干扰能力十分有利。本系统采用RS(255,249)码,理论上最多可以纠错3个错码,但为了减少系统误码率,实际上最多只用于纠正2个错码。FEC码多项式为

f(x)=x8+x4+x3+x2+1 (5)

如果接收方成功纠错,接收到的数据包将被送往上层作进一步处理,否则将被丢弃。

2.3 扰码

为了避免数据中出现长“0”串或者长“1”串,以免影响系统同步,需要对数据进行扰码处理。其中,包的头部不需要进行扰码,但包的其余部分,包括CRC/FEC都要进行扰码处理。扰码器的输出是数据包的原始数据和扰码序列的模2加,即

di=bi♁ci (6)

其中,di是扰码器输出的第i个比特,bi是原始数据的第i个数据比特,ci是扰码序列的第i个比特。本系统采用了31 bit长的伪随机扰码序列,由5阶移位寄存器产生最大长度序列,如图1所示。

2.4 多址信道算法

系统的多址信道算法采用基于跳频的两级多址算法,其中第一级是基于帧分配的跳频信道,第二级是基于时隙分配的跳频信道,根据两级跳频图样构成微微网。这样可以获得比较满意的频率分集效果,提高了系统的多址容量。

①基于帧分配的跳频信道

根据无线手柄的相关协议,系统工作在2.4GHz频段(2.402GHz～2.482GHz),共分41个子信道,编号为0～40,每个子信道间隔2MHz。跳频码采用19位的m序列,其中低7位被用于帧信道的选择。该低7位对41求余数,如果余数小于或等于41,则该余数就是帧传输信道的子信道编号,如果该余数大于41,则丢弃该跳频序列,而使用下一个跳频序列。

②基于时隙分配的跳频信道

在帧信道被确定以后,需要对每一帧中的19个时隙进行信道分配。这19个时隙在9个不同的子信道中传输,具体的分配如表2 所示,其中fn为该帧选择的子信道编号,(·)41表示求41的余数。

3 系统实现

3.1 软件模块

在软件模块实现中,把传统的传输层,数据链路层和媒体接入层简单地分为了两层:UMAC层和LMAC层。UMAC层用来控制协议的具体逻辑,实现基本的流程控制,LMAC层管理协议对物理传输的实现。另外还有互通协作单元层(IWU)用来交换无线模块(Wireless Module)和USB层的数据,低层管理实体层(LLME)用来和低层交换一些状态和设备信息。整个系统的软件模型如图2所示。

无线模块层是运行通信协议的实体,对IWU层和USB层来说它是透明的。它把从IWU接收到的数据传送给触发模式处理器(BMP),或者把BMP收到的数据传送给IWU层,包括产生和解析手柄数据、广播数据以及声音数据、维持通信通道等。

3.2 硬件系统

系统的硬件框图如图3所示,它由中央处理器(CPU)、现场可编程门阵列(FPGA)、收发器(R/T)、语音编解码器(Codec)和可编程时钟发生器(CLK)组成。

CPU采用MCU+DSP双内核的OMAP5910实现,该芯片具有新一代增强型多媒体应用所需的实时性和低功耗性能,并具有极强的数据处理能力和逻辑运算能力;FPGA采用含有40kB、16比特分布式RAM的XC2S100E芯片;收发器采用低功耗、高集成的UAA3548构成,该芯片经常被使用在ISM2.4GHz频段的无线应用系统中;语音编解码器采用具有16比特模数转换(A/D)和数模转换D/A的AD73311L芯片,该芯片采样频率为8kHz～64kHz可编程控制,A/D、D/A通道的增益分别在38dB和21dB范围内可编程调节,并且还具有一个串行通信口,很容易于标准的DSP接口连接;时钟发生器采用可编程的CY22393时钟发生器。

4 结束语

对所设计的无线手柄进行测试,结果显示每一帧的持续时间都精确在8ms,每一帧的各个时隙控制符合设计要求;在信道良好的情况下,手柄和控制台都能准确同步地进行跳频,并且维持长时间的通信稳定;在恶劣信道情况下,一旦系统出现突发性包丢失,系统通信不会因此而间断;系统的综合测试也完全满足系统设计要求。

参考文献

[1]Microsoft Xenon Wireless Protocol Specification[S].Ver1.0,2005.

[2]OMAP5910 Dual-Core Processor Data Manual[EB/OL].http://focus.ti.com.cn/cn.

[3]OMAP5910 Dual-Core Processor DSP Subsystems Reference Guide[S].2003.

[4]樊永显,许勇,张向文,等.基于STC89C54RC/RD+单片机的游戏机系统设计[J].湖南工业大学学报,2007,21(5):66-69.

推土机操控系统的改进研究篇2

关键词：推土机,工程机械,操控系统,可靠性

推土机是一种工程车辆, 是土方工程机械的主要机种, 在建筑施工、道路建设、工程采矿等工程中普遍应用。按其行走方式可分为履带式和轮胎式两种类型, 其中履带式推土机最为常见应用最广泛。本文针对履带式推土机的电液伺服操控系统及其抗干扰性和可靠性进行改进性研究。

1 电液伺服操控系统在推土机中的应用

工程机械学中, 将电子信号处理信息的能力与液压动力技术结合是十分有意义的, 可以充分发挥电气与液压两方面的优势:控制精度高、响应速度快、输出功率大、信号处理灵活, 能够轻易地实现各种机械参量, 尤其适合于负载质量大又需要灵敏响应的场合。功率在120KW以上的履带式推土机中, 绝大多数采用液力———机械传动。目前国内的履带式推土机的电液操控换挡只能实现半自动操控, 虽然在舒适度上有所提高, 但操控系统的抗干扰性及可靠性还不能完全保证, 这也在一定程度上限制了推土机电液操控系统的发展。随着工程机械的发展, 电液伺服技术集合了电气自动化、单片机、机械传动、液压等技术, 实现了机电液一体化。电液操控系统通过电子控制信号来控制液压回路中电磁阀的通断, 来实现车辆的各种动作, 如换挡、转向、制动等。该系统将车辆的这些功能集成到控制手柄中, 简化了机械结构, 操控起来也异常方便。现代社会对工程机械的可靠性要求及车辆工况的复杂性都要求推土机的操控系统能够融入更多高科技含量的抗干扰性和车辆运行的可靠性。

2 电液操控系统的设计改进

电液操纵行驶控制系统是一个集合了机械、电子电路单片机控制、液压传动等技术的机电液一体化系统。推土机工作时的复杂工况决定了其本身必须要具备相当的可靠性和抗干扰能力, 电液伺服操控系统的设计中加入抗干扰与可靠性的改进, 能够有效保障车辆的稳定运行。

2.1 电液操控系统设计

电液操控系统是推土机的指挥中心, 其主要的功能是能够按照驾驶员的指令及机器本身的运行状态, 改变和调整机械传动系统的传动比和作业状态, 最终实现车辆的命令执行。根据履带式推土机的功能特性, 其操控系统一般包括信号传输系统、电子控制单元、信号输出系统和功能执行部分组成。推土机操控系统中的信号传输系统通常是通过开关信号与对应的控制单元进行信号传送和接收, 并能够准确识别并最终实现驾驶员对车辆的操控指令。电子控制单元 (ECU) 是电液伺服操控系统的核心部分, 主要是对来自驾驶员的操控指令及当前各个开关信号所处的状态进行分析, 通过单片机的逻辑计算, 向各个开关信号发出状态改变的指令, 以达到最终系统的输出控制。信号的输出和最终执行部件的动作状态改变, 包括:换挡、转向、制动等操作都是靠信号的输出控制信号来改变执行部件的工作状态来实现的。电液伺服控制系统是通过电子信号实现机械、液压传动的控制, 电子控制单元直接控制于各开关信号, 开关信号作用于电磁阀, 通过电磁阀的不同组合实现液压油路的切换, 最终实现档位、离合、制动等的控制。

2.2 系统抗干扰和可靠性改进

推土机的应用主要在各个建设工程中, 通常工作环境恶劣, 工况也十分复杂, 其控制系统除了要承受恶劣环境带来的振动和冲击, 还需要应对周围环境的电磁干扰, 这就给系统的抗干扰性和可靠性提出了更高的要求。推土机的操控系统的设计改进就必须从抗干扰性和可靠性两方面都采取一定的措施来适应或消除外界干扰, 保证操控系统的稳定运行。

2.2.1 系统抗干扰设计

电液伺服操控系统是通过模拟信号来实现各种控制的, 环境中的噪声与电磁干扰能够降低模拟信号的灵敏度, 造成模拟信号的有效分辨能力下降, 在信号的传输过程中产生误差, 引起执行元件的误动作, 而推土机的实际工作要求又注定噪声与干扰是无法消除的。因此, 在操控系统中进行抗噪、抗干扰能力的改进是保障车辆稳定运行的关键。

1) 开关信号输入通道:在开关量输入电路加入光电祸和器可以有效隔离外界的干扰波, 利用光电耦合器能够将混进电路的干扰脉冲隔挡在输入回路之前, 不至于影响到下一侧电路的信号传输。此外, 光电耦合器极高的耐压能力还能对贿赂起到安全保护的作用, 可以承受500V甚至更高的压降。

2) 电源:控制系统的电源在车辆运行中遇到意外或紧急情况时易诱发瞬间高电压, 造成内部电路的击穿或过热损毁。系统设计中在电源的输入并联进一个瞬态电压抑制二极管, 可以有效避免瞬态电压带来的电路故障。在电源的选择针对其工作特点选择高抗干扰和高可靠性的稳压电源, 并在各有源器件中加入一个旁置电容, 在电源电压过低或过高时启动报警并将信号传输给ECU作处理。

2.2.2 系统可靠性改进

电液伺服控制通过电子控制单元对各开关信号的状态改变来实现系统的伺服控制, 在复杂的工况环境中由于受到各种干扰, 其操纵机构、电子控制单元和执行机构发生故障的频率很高, 对系统的抗干扰改进设计虽然可以从一定程度上减少故障的出现, 但无法从根本上消除影响。为保障车辆的稳定运行, 提高电液伺服操控系统的可靠性, 在控制系统出现故障时能够有效避免引起车辆性能的骤然下降, 或者在一些部件失效时能够及时诊断并能够临时修复或发出报警信息提示。为提高控制系统的可靠性, 在系统中加入故障诊断技术与容错技术是十分必要的。

1) 故障信号诊断:电子控制单元按照每个部件的输入信号都预先设定有一个源程序, 工作中通过程序的控制来对执行机构发出信号指令实现车辆的相应动作。故障信号诊断系统可以在车辆启动时对各参量的初始值及相关信号的状态进行诊断, 避免车辆在故障的情况下启动;在车辆运行过程中故障诊断系统依然活跃, 对各个开关信号实时检测, 发现异常信号, 立即进行报警提示, 并由控制单元判定故障的影响程度以防止车辆的误动作。

2) 容错方法:在系统的软件中加入报警程序, 当控制系统的外部电路发生故障时, 系统提示报警信息, 为防止车辆在此时进行误动作, 可以加入关闭系统开关以便在电路故障时启动机械应急系统。相对于外部电路来说, 电子控制单元的可靠性较高, 然而其一旦出现故障将会造成更为严重的后果, 可能导致系统的完全失控。应对这种情况的容错方法主要依靠机械应急系统, 能够在电子控制单元失灵的情况下利用机械操作控制住车辆, 避免发生更为严重的后果。

参考文献

[1]陆军伟.推土机电液操纵行驶控制系统的开发和研究[D].山东:同济大学, 2007.

[2]梁杰, 于明进, 路晶.现代工程机械电气与电子控制[M].北京:人民交通出版社, 2005.

操控系统无线通信篇3

一、化学业生产设备现状

化工设备是化学工业生产中所用的机器和设备的总称。化工生产中为了将原料加工成一定规格的成品, 往往需要经过原料预处理、化学反应以及反应产物的分离和精制等一系列化工过程, 实现这些过程所用的机械, 常常都被划归为化工设备。

1、化工机器。

指主要作用部件为运动的机械, 如各种过滤机, 破碎机, 离心分离机、旋转窑、搅拌机、旋转干燥机以及流体输送机械等。化工企业中, 机器多数是大型操控装置, 为生产线提供人工自动化平台, 满足了科技化生产规划要求。

2、化工设备。

指主要作用部件是静止的或者只有很少运动的机械, 如各种容器 (槽、罐、釜等) 、普通窑、塔器、反应器、换热器、普通干燥器、蒸发器, 反应炉、电解槽、结晶设备、传质设备、吸附设备、流态化设备、普通分离设备以及离子交换设备等。

二、伺服系统用于自动化操控

伺服系统是工业自动化控制重点, 其可以实现工业运行过横着的重复运作, 并且把最终产生的结果反馈给控制中心。伺服系统即“随动系统”, 具有较强的灵活运转能力, 如图1, 适用于多种工业自动化运行平台。从实际应用情况看, 伺服系统可以让被控制对象按照预定轨迹运行, 从位置、线路、方位、动态等方面执行定位控制, 并且根据控制要去任意调节。

1、开环系统。

现有工业控制理论下, 开环系统是伺服系统的主要形式之一, 其分为驱动电路、执行元件、机床等3个核心构成, 每一部分都发挥着相对应的功能作用。实际应用过程中, 步进电机是执行元件, 按照化工设备控制时的功率要求, 由步进电机执行各项动态命令。驱动电路主要是依据指令脉冲转化过程, 由驱动装置执行不同的信号任务。

2、闭环系统。

闭环系统也是伺服系统的一大构成, 此系统主要构件包括:执行元件、检测单元、比较环节、驱动电路、机床等部分, 如图2。为了促进化工设备功能的最优化升级, 闭环控制利用检测元件收集机床工作数据, 确定机床具体位置之后利用转换器调节, 将数据结果传输至比较环节, 多项运算对比以确定最终的控制结果。现代闭环控制检测元件不但具备检测功能, 对也可对工作台装置进行传动误差检测, 判断机械设备是否存在传动失效等问题。

三、基于伺服系统的自动化操控流程

伺服系统用于化工设备控制可完成多项任务, 通常是控制功率大小、交换频率指标等, 维持驱动装置工作动态的稳定性。化工设备控制中, 伺服系统就可以对控制量的机械运动情况适时反馈, 把机械运动时间、位移、速度等要素反馈给控制中心。

1、数据处理。

自动控制系统延续了数字计算机特性, 具有很强的数据处理功能, 可根据化工设备状态处理数据, 及时将结果反馈给模糊控制平台, 如图2。化工计算机存储了许多计算方法, 为工业自动化调节提供运算决策, 丰富了数据的自调节功能。一般来说, 伺服系统可内存几百个数字运算函数, 化学企业可按照实际计算要求筛选, 进一步优化被控对象的数据处理流程, 建立函数运算处理模型。

2、图形处理。

“可视化”操作是DEH系统的新技术, 由视频界面对被监控区域动态进行监测, 由伺服系统执行数据可视化操作。为了保证设备数字电调作业的稳定性, 仿真软件要假设某种生产状况, 在特定范围内用图像模拟系统控制过程。对于视频截取的监控画面, 对图形处理具有较强的完善功能, 比如, 二维曲线、三维曲面、图形绘制等, 都是自动化操控处理功能的详细表现。

3、程序接口。

选定程序接口是为化工设备系统传输提供端口, 化工设备运行阶段可快速地传递程序指令, 缩短模糊系统控制命令执行的耗时量。现有工业控制软件已在原有功能上升级, 选配了更高几倍的编译器、数据库、图形库等, 将仿真模拟程序转变为C和C++代码, 方便化学生产设备中程序语言的相互交换。未来, 自动化操控系统功能更加广泛, 自动化系统应用子程序更加独立, 可自行完成逻辑运算、网络调节等工作。

结论

我国工业科技正处于改革阶段, 电力行业技术是科技领域研究重点, 实施自动化控制模式是产业化发展趋势。随着控制理论研究工作深入开展, 一些先进的控制体系在工业调度中得到充分利用, 改变了早期人工、半自动等控制模式的不足。其中, “智能化”是现代工业控制的主流方向, 这对传统控制系统功能提出更高要求, 自动化操控系统具有多方面的应用价值。

摘要：化学工业是工业生产体系的主要构成, 注重化学业生产设备自动化控制是硬性要求。近年来化工设备在企业生产中发挥了多方面作用, 大大减小了人工参与控制作业的南段, 体现了工业自动化控制系统的应用价值。但是, 化学工业设备运行也面临着诸多风险, 建立自动化操控系统有助于防范各类设备问题。本文分析了化工生产设备的主要类别, 探讨了伺服系统在设备自动化操控中的应用, 为生产自动化调度创造了有利条件。

关键词：化工设备,伺服系统,自动化,操控

参考文献

[1]周杰.我国耐蚀非金属化工设备现状及展望[J].四川化工与腐蚀控制.1999 (02) .

[2]张翀, 沈小平, 孙东川, 孙文.化工设备参数化设计系统CEE-PDS开发研究[J].计算机与应用化学.2001 (03) .

[3]郭强, 刘乃妮, 刘福军.油品储罐的安全技术与节能环保控制措施[J].中国科技信息.2012 (01) .

操控系统无线通信篇4

运动型多用途汽车(SUV)具有良好的动力性和较大的乘坐空间,所以随着人们生活水平的提高,逐渐获得了较高的市场占有率。然而,随着汽车行驶速度的逐渐提高,汽车的行车安全性逐渐引起人们的重视,而汽车的操纵稳定性对车辆高速行驶安全性有主要的影响作用。

SUV由于有良好的越野通过能力,底盘离地间隙较大,因此该型汽车在高速行驶遇突发事件需紧急制动时,极易出现侧倾、滑移等危险现象,严重时会出现侧翻等安全事故[1]。而德国的Bosch公司推出的ABS(防抱死系统)能帮助汽车在制动时有效地将制动力调节至适应轮胎-地面所能提供的附着力,防止车轮在紧急制动情况下出现抱死,从而提高车轮的制动稳定性,SUV型轿车相对于普通乘用车重心更高些,高速行驶时更易出现危险工况,因此在紧急制动工况下的安全性更需要进一步进行分析。本文基于CarSim平台建立SUV整车动力学模型来模拟车辆以一定时速制动时的运行工况,同时与Simulink建立联合仿真模型,将CarSim输出制动压力值发送至Simulink从而反映到制动时车速的变化以及车辆横移角速度、侧偏角和侧偏位移等影响车辆操纵稳定性参数的变化,通过对比制动工况下有无ABS对这些参数变化的影响,最终确定ABS对SUV车辆紧急制动时操纵稳定性具有极大的改善作用。

1、CarSim整车模型

CarSim是国内外汽车主机厂普遍采用的一款商业化车辆动力学仿真软件,它在车辆整车建模方面具有参数化、简洁化、智能化等优点,广泛应用于汽车整车和子系统研发部门,像Bosch、福特、本田、丰田、铃木,沃尔沃等。采用CarSim建模时,用户只需通过一个简单友好的GUI界面就能根据整车模型参数轻松建立所需的整体车辆模型;它可以设置一定的仿真参数模拟整车在道路的行驶过程,以三维仿真动画和动态输出曲线的形式响应仿真参数的变化过程。该软件通过建立的整车模型,设定一定的工况,并且模拟道路行驶实验,可以对车俩的相关性能指标进行检验,如动力性,燃油经济性,制动性,操纵稳定性以及平顺性等[2]。

CarSim以参数化形式进行简化建模,其中涵盖了汽车的各个子系统,如动力系统、制动系统、转向系统、悬架、车轮轮胎等,在进行分析时把空气动力学,路况信息等影响因素包括在内,在一个三维的虚拟场景里对汽车建立坐标系进行离线仿真分析,即以下做的整车仿真分析过程是一种可视化仿真过程[3],形象逼真。下图为SUV部分参数模型:

本文研究的是车辆路面附着系数较低且出现分隔开的摩擦系数工况下SUV车辆的制动情况,在此仿真过程中车辆会出现危险状况如侧滑和甩尾等,通过对比安装有ABS和无ABS两种情况下车辆侧偏角、横移角速度和偏移位移等参数的变化来分析汽车的操纵稳定性的差别。运用CarSim软件来仿真这些危险工况,相比实车测试更节约时间和费用成本,安全性更好,测试的重复度更好。

另外,CarSim软件对于制动轮胎模型的建立表现的很精确,对4个轮胎可以实现差动制动控制[4],而且还可以分别针对每个轮胎的运行工况做出仿真曲线,通过结合每个轮胎的工作曲线并做一定的对比来反应相关参数的变化,从而推断出车辆在制动工况中整个运动过程。另一方面,在与Simulink软件建立联合仿真的过程中,利用CarSim导出四个车轮的制动压力的数据,然后通过像差动制动ABS制动控制策略一样来改变汽车的运动状态,进而对汽车进行稳定性控制[5,6,7]。本仿真中选择的路面工况是对开的冰面,这是由于路面附着系数较低时,对汽车的稳定性控制才显得更加重要,同时仿真结果更加直观明显。

2、建立联合仿真模型

在CarSim中设置的车辆仿真参数如表1所示。定义了SUV车辆制动前系统的一些仿真参数,如初始车速和开环的节气门开度,制动压力的变化过程,转向系统和闭环控制转向位置以及其它额外数据等[8]。

整车在冰面的滑移率s计算的准确性将直接关系到整个仿真正确性,滑移率的定义公式为:

式中,v——车轮中心的速度(m/s);r—一车轮的滚动半径(m);ω——车轮转动角速度。并且定义车轮纯滚动时,s=0;纯滑动时,s=100%。

车辆在紧急制动工况下,整车的运动状态需要通过车速以及车轮转速来确定,而这两个参数值与车轮的制动状态相关,即由车轮上制动液压缸的工作状态最终决定。因此,在CarSim与Simulink建立联合仿真模型后,输出至Simulink模型中的变量依次定义为:Vx＿L1 (左前轮速/(km/h))、Vx＿R1(右前轮速/(km/h))、Vx＿L2 (左后轮速/(km/h))、Vx＿R2 (右后轮速/(km/h))、Vx＿SM (汽车质心处的速度/(km/h))、Pbk＿Con (主缸压力的控制输入/MPa)。在Simulink中设置车辆制动过程中ABS控制策略,结合控制程序运行仿真过程,从而得到紧急制动过程中整车的运动状态,整车联合仿真模型如图3所示[9,10]。在制动过程中车轮受到液压缸产生的制动力矩,要防止车轮抱死,即控制该制动力矩的数值变化。

3、仿真结果

利用CarSim建立的4轮SUV整车动力学模型,与Simulink建立的防抱死制动的控制策略相集成,组成一个联合仿真模型。联合仿真测试的具体图形及曲线如图4～图8所示。

图4中反映出装有防抱死装置的车辆在制动情况下行驶路径有稍微偏移,但不影响安全行驶,而无ABS的SUV突遇紧急制动时会出现滑移,易出安全事故。

从上图可以看出,有无防抱死装置对于车辆质心的速度有很大的影响作用,无ABS装置的车辆在制动时会在摩擦分离路面上产生滑移,反映到曲线上就是车辆质心的速度包括各个轮胎是上下跳动,呈非线性降速,导致汽车无法操纵,同时稳定性较差,极易出现安全事故;而加装防抱死装置的汽车在制动情况下车速均匀变化,几乎成线性减速,车辆的操纵稳定性较好,是我们需要的制动情况下的工况。

图6中反映出制动过程中有ABS时车辆的横移角速度几乎变化不大,无防抱死装置时车辆横移角速度最高可达150deg/s,当然该值随着制动时车速的变化而变化。

图7反映出有ABS时车辆制动时车轮轮胎的侧偏角在4～5度之间,这是由于仿真测试时左侧车轮与右侧车轮行驶路面的附着系数不同(冰面和正常路面),车轮侧偏角会有稍微变化;而无防抱死装置从开始制动车轮侧偏角就一直在变化,最大可达到将近90度,从而反映出无ABS的车辆紧急制动时已经失稳,操纵性较差。

上图反映出有ABS时车辆制动过程中偏移原始路径的位移很小,几乎是一条直线,而无防抱死装置的车辆制动时出现滑移,偏离正常行驶路径达到6米,反映出汽车已经严重偏离行驶路面。

结合两个软件联合仿真得到车辆在紧急制动工况下车速、横移角速度、侧偏角以及偏移位移等参数的变化曲线,数据表明在无防抱死系统时SUV制动条件下的操纵稳定性变差。

4、结论

本文通过CarSim和Simulink联合仿真实验方法,在实验室环境下模拟有ABS和无ABS两种SUV在对开路面的紧急制动过程,得到影响操纵稳定性的多个参数变化曲线,对比分析这些曲线证明,有ABS相对无ABS对车辆操纵稳定性有极大的改善作用。

同时,本文用到的软件联合试验仿真手段,客观性地评价了车辆操纵稳定性,同时还能模拟侧滑、侧倾等危险工况,相对于道路测试车辆操纵稳定性,不仅节约了时间和金钱成本,而且测试重复度更好,总体看来,仿真分析具有实用性价值,为进一步研究汽车动力学性能提供了有效的研究手段。

参考文献

[1]余志生.汽车理论第五版[M].北京:机械工业出版社.2010.

[2]郭孔辉,付皓,丁海涛.基于CarSim的车辆稳定性系统控制器开发[J].汽车技术,2008(3):1-5.

[3]姜立标,代攀,陈泽茂.汽车操纵稳定性可视化仿真技术分析[J].重庆大学学报.2012.(9).

[4]王培.基于差动制动的汽车动力学稳定性控制策略研究[D].长沙理工大学硕士学位论文.2010.4.