摘要：為了演示ESP在提高汽車操縱穩(wěn)定性方面的作用，結(jié)合電子專業(yè)的技術(shù)知識(shí)，通過設(shè)計(jì)電路圖以及對電路圖的仿真，并應(yīng)用相關(guān)電手元器件，在玩具小車上模擬ESP的預(yù)險(xiǎn)警示爭主動(dòng)控制功能，實(shí)物運(yùn)行效果良好。該設(shè)計(jì)思路和方法推廣應(yīng)用可使更多學(xué)生受益。
關(guān)鍵詞：汽車主動(dòng)安全；ESP；模擬仿真設(shè)計(jì)；加速度傳感器

0 引言
    ESP(Electronic Stability Program)是一種主動(dòng)的智能安全系統(tǒng)，通過高度靈敏的傳感器時(shí)刻監(jiān)測汽車的行駛狀態(tài)，及時(shí)識(shí)別危險(xiǎn)情況，使汽車恢復(fù)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(jì)表明ESP在汽車上的應(yīng)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(rèn)可，世界范圍內(nèi)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(jì)，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(nèi)的ESP的裝配率只有3％，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于歐美地區(qū)。而在2012年的今天，國內(nèi)車輛的ESP裝備情況仍然不容樂觀，只有18％，僅達(dá)到韓國2006年的水平。相比于國外，國內(nèi)汽車行業(yè)對汽車動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性控制的研究起步較晚，國內(nèi)ESP的裝配率還比較低，由于科學(xué)技術(shù)水平的差距，大多數(shù)學(xué)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(shè)計(jì)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(nèi)企業(yè)幾乎無法涉足，所以，要努力攻克ESP設(shè)計(jì)的理論與關(guān)鍵技術(shù)，對提高國產(chǎn)汽車的自主開發(fā)能力、縮短與發(fā)達(dá)國家的差距具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
    本文正是基于ESP電子車身穩(wěn)定系統(tǒng)的原理，結(jié)合電子專業(yè)的技術(shù)知識(shí)，通過設(shè)計(jì)電路圖以及對電路圖的仿真，從理論上達(dá)到了ESP系統(tǒng)警示駕駛員和主動(dòng)制動(dòng)汽車的目的，并且應(yīng)用相關(guān)電子元器件，在玩具小車上模擬ESP系統(tǒng)的預(yù)險(xiǎn)警示和主動(dòng)控制功能。該設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)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(dòng)安全系統(tǒng)。當(dāng)出現(xiàn)異常情況時(shí)，ESP會(huì)根據(jù)實(shí)際情況作出反應(yīng)，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(jì)算出保持車身穩(wěn)定的理論值，與偏轉(zhuǎn)率傳感器和橫向加速度傳感器測的的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，發(fā)出平衡糾偏指令，使汽車回到預(yù)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(zhuǎn)向盤角度傳感器和輪速傳感器的信號，經(jīng)過計(jì)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(chǔ)存這些數(shù)據(jù)。
    (2)ESP控制單元ECU同時(shí)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(jì)算，獲取實(shí)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(jìn)行對比，判斷汽車此時(shí)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(shí)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(shí)處于非穩(wěn)定行駛狀態(tài)，ESP控制單元下達(dá)控制命令到執(zhí)行器(液壓調(diào)節(jié)單元)，通過對發(fā)動(dòng)機(jī)的干涉，利用液壓執(zhí)行器對每個(gè)車輪進(jìn)行制動(dòng)，及時(shí)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(shè)計(jì)
2．1 模擬設(shè)計(jì)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(diǎn)在于它的主動(dòng)性，能夠在發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)及時(shí)提醒駕駛員，起到事先提醒的作用。圖2為預(yù)警功能模塊電路板的設(shè)計(jì)流程圖，通過加速度傳感器的取值和預(yù)先設(shè)定的電壓值(模擬實(shí)際ESP系統(tǒng)電子控制單元的穩(wěn)定值)進(jìn)行比較，根據(jù)實(shí)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(shè)計(jì)的電路原理圖
    在汽車的實(shí)際行駛過程中，由于各種原因出現(xiàn)側(cè)滑或者轉(zhuǎn)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(huì)主動(dòng)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(gè)傳感器采集數(shù)據(jù)的分析和判斷，主動(dòng)采取干預(yù)措施，防止發(fā)生意外事故。但在實(shí)際的測試中，由于實(shí)驗(yàn)條件的差異性，無法模擬到真實(shí)汽車在遇險(xiǎn)時(shí)的處理過程，主要是模擬小車在急速轉(zhuǎn)彎的情況下，實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(jìn)行放大、比較處理，從而通過發(fā)光LED燈來判斷實(shí)驗(yàn)小車的行駛狀態(tài)。

2．2．1 電壓放大模塊
    在該設(shè)計(jì)的模塊中，由于實(shí)驗(yàn)小車的本身的速度的局限性通過加速度傳感器采集到的電壓信號較弱，需要對電壓信號進(jìn)行放大。主要采用芯片LM324對模擬信號進(jìn)行放大，便于后面的電壓比較器處理。由于采用的加速度傳感器芯片的特殊性質(zhì)，在0 g或者靜止的情況下，輸出模擬電壓大概為1．2 V，經(jīng)過電壓放大模塊以后，電壓由原來的1．2 V放大到1．8 V左右。由圖3可以看出，采用同相比例電壓放大，由管腳1輸出來的電壓就是1．8 V，根據(jù)設(shè)計(jì)的原理圖，由反饋回路上的兩電阻比值得知，運(yùn)算放大倍數(shù)為3倍，由于實(shí)際測試的時(shí)候LM324運(yùn)算放大器采用3 V直流電源供電，所以同相比例放大器沒有按照理論上的3倍進(jìn)行放大，而僅僅放大了1．5倍，經(jīng)過放大的1．8 V的模擬電壓信號經(jīng)過濾波電路，接入到比較器的6管腳，與設(shè)定的電壓值進(jìn)行比較。
2．2．2 電壓比較器模塊
    在電壓比較模塊中，選擇LM324芯片作為比較器，比較器正向輸入設(shè)定的電壓值，以此來模擬汽車在穩(wěn)定行駛時(shí)的數(shù)據(jù)，實(shí)際小車測到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)接入比較器負(fù)向輸入。理想狀態(tài)下，當(dāng)實(shí)際測得電壓值小于設(shè)定的電壓時(shí)，比較器邏輯出高電平，則根據(jù)電路原理圖可知，LED1不發(fā)光，而LED2發(fā)光，相反，如果實(shí)際測得電壓數(shù)據(jù)大于設(shè)定的理論值，則比較器邏輯出低電平，此時(shí)LED1燈發(fā)光而LED2燈不發(fā)光。通過LED的亮滅，來判斷此時(shí)小車是否是加速度過大，是否是穩(wěn)定行駛的狀態(tài)。
    在測試過程中，由于電壓比較器的供電電壓也是3 V的直流電源，所以模塊一經(jīng)上電，LED1就會(huì)點(diǎn)亮，表示電路工作正常，模擬實(shí)際汽車行駛的安全狀態(tài)，此時(shí)ESP不工作；當(dāng)加速度傳感器感應(yīng)到危險(xiǎn)狀態(tài)，輸出模擬電壓較大電壓時(shí)，實(shí)驗(yàn)小車不在預(yù)定的狀態(tài)行駛，此時(shí)LED2點(diǎn)亮，而LED1熄滅，LED2燈點(diǎn)亮發(fā)出警告此時(shí)小車處于不穩(wěn)定行駛狀態(tài)，同時(shí)也預(yù)示，汽車的ESP系統(tǒng)要從待命狀態(tài)進(jìn)入工作狀態(tài)。在實(shí)際演示過程中，經(jīng)過多次試驗(yàn)，設(shè)定的電壓值為1．8 V是比較合適的。
2．3 實(shí)驗(yàn)制動(dòng)模塊的模擬設(shè)計(jì)
    ESP電子車身穩(wěn)定系統(tǒng)在工作時(shí)，當(dāng)ECU接收到輪速傳感器傳來的信號時(shí)，電子控制單元就會(huì)下達(dá)相關(guān)指令到執(zhí)行器一液壓調(diào)節(jié)器。液壓調(diào)節(jié)器通過控制各個(gè)車輪的制動(dòng)回路，來主動(dòng)調(diào)節(jié)汽車行駛的不穩(wěn)定狀態(tài)，及時(shí)糾正汽車的行駛方向，使汽車主動(dòng)回到預(yù)定的行駛軌道，保證行車安全。
2．3．1 制動(dòng)模塊模擬設(shè)計(jì)的原理分析
    考慮到實(shí)驗(yàn)小車的驅(qū)動(dòng)模塊已存在，無法對驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行干涉，在模擬設(shè)計(jì)中，主要采用繼電器對小車的驅(qū)動(dòng)后輪電機(jī)進(jìn)行短暫的制動(dòng)，繼電器主要起轉(zhuǎn)換電路的作用，通過三極管NPN9013的導(dǎo)通與截止，來控制繼電器工作，當(dāng)繼電器工作時(shí)，繼電器線圈有電流通過，產(chǎn)生電磁力，吸引繼電器內(nèi)部銜鐵轉(zhuǎn)換電路，切斷后輪電機(jī)的工作回路，電機(jī)停止工作；短暫的時(shí)間后，繼電器斷電，內(nèi)部開關(guān)主動(dòng)回到原來的位置，小車?yán)^續(xù)工作。
2．3．2 制動(dòng)模塊模擬設(shè)計(jì)的原理仿真圖
    該設(shè)計(jì)模塊主要模擬ESP電子車身穩(wěn)定系統(tǒng)在工作時(shí)，對汽車行駛狀態(tài)進(jìn)行主動(dòng)干涉效果。由圖4可知，當(dāng)預(yù)險(xiǎn)警示模塊得到邏輯高電平時(shí)，三極管基極得到高電平。此時(shí)三極管導(dǎo)通，繼電器線圈瞬間有電流通過，產(chǎn)生電磁力，吸合銜鐵，圖4中的繼電器內(nèi)部開關(guān)由靜觸點(diǎn)換擋到動(dòng)觸點(diǎn)，此時(shí)，電路導(dǎo)通，LED4燈點(diǎn)亮，表明有信號輸入，且信號為高電平。

    在實(shí)驗(yàn)過程中，無法動(dòng)態(tài)測試實(shí)驗(yàn)小車制動(dòng)模塊的電壓，只能通過繼電器的轉(zhuǎn)換電路功能來控制小車的后輪電機(jī)，將繼電器的公共端和靜觸點(diǎn)位置這兩段接入后輪電機(jī)的回路，以此來判斷小車是否被制動(dòng)。而在電路圖的仿真過程中，由于硬件的原因，直觀看不到繼電器的內(nèi)部開關(guān)有所變化，所以，將LED4燈接入電路，測試電路是否工作，LED4燈點(diǎn)亮，說明電路正常工作，見圖5。
    由模擬仿真圖可以看出，當(dāng)小車出現(xiàn)急速轉(zhuǎn)彎的情況下，電壓比較器出邏輯高電平，LED2燈發(fā)光，依次警告駕駛員小車的不穩(wěn)定行駛狀態(tài)，高電平約為3．8 V，到達(dá)三極管基極電壓約為0．89 V，此時(shí)三極管導(dǎo)通，繼電器線圈兩端電壓約為4．9 V，由于繼電器的工作電壓是5 V，繼電器線圈有電流通過，產(chǎn)生電磁力，繼電器內(nèi)部的銜鐵由靜觸點(diǎn)變換到動(dòng)觸點(diǎn)，由于公共端接6 V電壓，電路導(dǎo)通，LED4發(fā)光，此時(shí)表示繼電器完成制動(dòng)。當(dāng)實(shí)驗(yàn)小車正常行駛時(shí)，即電壓比較器出低電平，此時(shí)，三極管截止，繼電器的線圈無電流通過，繼電器保持原始態(tài)。
2．3．3 實(shí)驗(yàn)小車的實(shí)物圖
    實(shí)驗(yàn)小車的實(shí)物如圖6所示。

3 結(jié)語
    本文介紹了ESP電子車身穩(wěn)定系統(tǒng)的工作原理和控制流程，將理論與實(shí)踐結(jié)合，模擬出ESP系統(tǒng)在行車過程中的功效。通過設(shè)計(jì)電路圖以及對電路圖的仿真，從理論上達(dá)到了ESP系統(tǒng)警示駕駛員和主動(dòng)制動(dòng)汽車的目的。在模擬設(shè)計(jì)的警示模塊中，對加速度傳感器采集到的模擬信號進(jìn)行放大、比較處理，得到高低邏輯電平，當(dāng)出現(xiàn)邏輯低電平時(shí)，表示ESP系統(tǒng)處于待命狀態(tài)；當(dāng)出現(xiàn)邏輯高電平時(shí)，相應(yīng)的LED燈點(diǎn)亮，表示ESP系統(tǒng)從待命狀態(tài)進(jìn)入工作狀態(tài)。此時(shí)制動(dòng)模塊接收到命令，開始對小車的行駛狀態(tài)進(jìn)行干涉，繼電器轉(zhuǎn)換電路，內(nèi)部銜鐵由靜觸點(diǎn)變換到動(dòng)觸點(diǎn)，切斷小車后輪電機(jī)的驅(qū)動(dòng)回路，達(dá)到制動(dòng)目的。
    由于實(shí)驗(yàn)條件的局限性以及理論與實(shí)踐的差距，實(shí)驗(yàn)小車在急速轉(zhuǎn)彎行駛過程中，加速度傳感器捕捉到危險(xiǎn)信號的時(shí)間較短，LED燈瞬間點(diǎn)亮，繼電器工作切斷驅(qū)動(dòng)回路，制動(dòng)小車，此時(shí)再控制小車運(yùn)動(dòng)，只能通過信號指示燈來判斷是想要前行還是后退。
    總之本文利用較簡單的設(shè)計(jì)思想實(shí)現(xiàn)了ESP系統(tǒng)在行車過程中提高汽車操縱穩(wěn)定性方面的作用演示，小車模型軌跡跟隨性較好。希望這一設(shè)計(jì)思路對電子專業(yè)的理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)有一定的輔助作用，讓學(xué)生在探索的過程中，綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，理論聯(lián)系實(shí)際，提高發(fā)現(xiàn)問題分析問題、解決問題的能力。該模擬設(shè)計(jì)實(shí)物運(yùn)行效果良好，此設(shè)計(jì)思路和方法推廣應(yīng)用可使更多學(xué)生受益。