【正文】 摘 要 防抱死制動控制系統(tǒng)（ABS）是在傳統(tǒng)制動系統(tǒng)的基礎(chǔ)上采用智能控制技術(shù)，在制動時自動調(diào)節(jié)制動力防止車輪抱死，充分利用道路附著力，提高制動方向穩(wěn)定性和操縱穩(wěn)定性，從而獲得最大制動力且縮短制動距離，盡可能地避免交通事故發(fā)生的機電一體化安全裝置。 本文根據(jù)防抱死制動控制系統(tǒng)的工作原理，應(yīng)用汽車單輪運動的力學(xué)模型,分析了制動過程中的運動情況。采用基于車輪滑移率的防抱控制理論，根據(jù)車速、輪速來計算車輪滑移率。以MSP430F149單片機為核心，完成了輸入電路、輸出驅(qū)動電路及故障診斷等電路設(shè)計，闡述了ABS系統(tǒng)軟件各功能模塊的設(shè)計思想和實現(xiàn)方法，完成了ABS檢測軟件、控制軟件的設(shè)計。 課題所完成的汽車防抱死制動控制系統(tǒng)己通過模擬試驗臺的基本性能試驗，結(jié)果表明： 汽車防抱死制動控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計合理可行，軟件所采用的控制策略正確、 有效，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，改善了汽車制動系統(tǒng)性能，基本能夠滿足汽車安全制動的需要。本文對汽車防抱死制動系統(tǒng)進行了數(shù)學(xué)建模，并在Matlab/Simulink 的環(huán)境下，對汽車常規(guī)制動系統(tǒng)和基于 PID 控制器的防抱死制動系統(tǒng)的制動過程進行了仿真，通過對比分析，驗證了基于PID 控制器的汽車防抱死制動系統(tǒng)具有良好的制動性能和方向操縱性。 關(guān)鍵詞： 防抱死制動系統(tǒng) （ABS）；滑移率；控制策略；單片機；建模；仿真； 第一章 緒論 防抱死制動系統(tǒng)概述 防抱死制動系統(tǒng)的產(chǎn)生 當汽車以較高的車速在表面潮濕或有冰雪的路面上緊急制動時，很可能會出現(xiàn)這樣一些危險的情況：車尾在制動的過程中偏離行進的方向，嚴重的時候會出現(xiàn)汽車旋轉(zhuǎn)掉頭，汽車失去方向穩(wěn)定性，這種現(xiàn)象稱為側(cè)滑；另一種情況是在制動過程中駕駛員控制不了汽車的行駛方向，即汽車失去方向可操縱性，若在彎道制動，汽車會沿路邊滑出或闖入對面車道，即便是直線制動，也會因為失去對方向的控制而無法避讓對面的障礙物。產(chǎn)生這些危險狀況的原因在于汽車的車輪在制動過程中產(chǎn)生抱死現(xiàn)象，此時，車輪相對于路面的運動不再是滾動，而是滑動，路面作用在輪胎上的側(cè)滑摩擦力和縱向制動力變得很小，路面越滑，車輪越容易出現(xiàn)抱死現(xiàn)象；同時汽車制動的初速度越高，車輪抱死所產(chǎn)生的危險性也越大。這將導(dǎo)致汽車可能會出現(xiàn)下面三種情況： 　?、?制動距離變長 　?、?方向穩(wěn)定性變差，出現(xiàn)側(cè)滑現(xiàn)象，嚴重時出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)掉頭 　?、?方向操縱性喪失，駕駛員不能控制汽車的行駛方向 防抱死制動系統(tǒng)ABS（Antilock Braking System） 是一種主動安全裝置，它在制動過程中根據(jù) “車輛一路面”狀況，采用電子控制方式自動調(diào)節(jié)車輪的制動力矩來達到防止車輪抱死的目的。即在汽車制動時使車輪的縱向處于附著系數(shù)的峰值，同時使其側(cè)向也保持著較高的附著系數(shù)，防止車輪抱死滑拖，提高制動過程中的方向穩(wěn)定性、轉(zhuǎn)向控制能力和縮短制動距離，使制動更為安全有效。隨著汽車行駛速度的提高、道路行車密度的增大、以及人們對汽車行駛安全性的要求越來越高，汽車行駛的安全性理所當然是最應(yīng)受到關(guān)注的問題。 影響汽車安全性的因素很多，諸如汽車的制動性、操縱性、行駛的穩(wěn)定性、 抵御外界影響（碰撞、 擦掛等）的能力等都影響汽車的安全性。統(tǒng)計資料顯示，在道路交通事故中，大約10%。 汽車行駛時能在短距離內(nèi)停車且維持行駛方向穩(wěn)定性和在下長坡時能維持一定車速的能力稱為汽車的制動性。汽車的制動性還應(yīng)包括汽車能在一定坡度的坡道上長時間停車不動的性能. 汽車的制動性主要由下列三個方面來評價： １． 制動效能 在一定車速行駛時，采取制動措施后能使之停下的距離己相應(yīng)的制動減速制動距離越短，越有利于避免交通事故的發(fā)生，它是制動性最基本的評價指標 ２． 制動時汽車的方向穩(wěn)定性汽車制動時，維持原有的行駛方向，不發(fā)生跑偏，側(cè)滑，性能。汽車制動過程中，失去方向穩(wěn)定性和失去轉(zhuǎn)向控制能力 。 ３． 制動效能的恒定性汽車在連續(xù)多次制動或涉水后仍具備必要的制動功能的能力，即抗衰退性?？顾ネ诵允侵钙囋诜敝毓ぷ鳁l件下制動時（如下長坡時長時間連續(xù)制動），制動器溫度升高后，其制動效能的保持程度。它是設(shè)計制動器及選材中必須認真考慮的一個重要問題。 以上三項指標中，前兩項指標采用 ABS裝置后，其性能都會有明顯的改善和提高，對避免交通事故的發(fā)生能起到很好的作用，因此 ABS是汽車上十分重要的主動安全裝置。 防抱死制動系統(tǒng)的優(yōu)點 ABS與常規(guī)制動系統(tǒng)相比，有以下優(yōu)點：１． 改善制動效能．這是因為在同樣緊急制動情況下，ABS系統(tǒng)可以將滑移率控制在20%左右，充分利用縱向峰值附著系數(shù)和較大的側(cè)向附著系數(shù)，使車輪和地面間產(chǎn)生最大的地面制動力，縮短了制動距離。 ２． 改善汽車制動時的方向穩(wěn)定性。汽車制動時，四個輪子的制動力是不一樣的。 如果汽車的前輪抱死滑拖，駕駛員就無法控制汽車的行駛方向，汽車就失去了轉(zhuǎn)向操縱能力，只能按慣性力的方向運行，無法避開行人和障礙物：若后輪先抱死，則會出現(xiàn)側(cè)滑、甩尾，甚至使汽車整個調(diào)頭等嚴重事故。 ３． 改善汽車制動時的橫向穩(wěn)定性．如果車輪抱死，橫向附著系數(shù)（也稱側(cè)向附著系數(shù)）就非常小，汽車極易側(cè)滑。ABS把滑移率控制在8%~25%之間，橫向附著系數(shù)較大，有足夠的抵抗橫向千擾的能力。 ４． 改善車輪的磨損狀況。汽車車輪抱死滑拖會造成輪胎局部杯型磨損，輪胎面磨損也會不均勻，使輪胎磨損消耗增加。經(jīng)測定，汽車在緊急制動時，車輪抱死所造成的輪胎累加磨損費，己超過一套防抱死制動系統(tǒng)的造價，縮短輪胎的使用壽命，ABS系統(tǒng)可以防止這種情況出現(xiàn)。 ５． 減輕駕駛員的勞動強度，減少駕駛員緊張情緒，提高了乘客的乘坐舒適性和安全性。 ６． 使用方便，工作可靠，維修簡便。制動時只要把腳踏在制動踏板上，ABS系統(tǒng)就會根據(jù)情況自動進入工作狀態(tài)，如遇雨雪路滑，駕駛員也沒有必要用一連串的點剎車方式進行制動，ABS系統(tǒng)會使制動狀態(tài)保持在最佳點。如果發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)有故障，就會自動恢復(fù)為常規(guī)制動狀態(tài)。 防抱死制動系統(tǒng)的發(fā)展歷史 ABS發(fā)展至今，其發(fā)展史大致可劃分為三個階段。20世紀30年代至50年代，這一時期是 ABS誕生和初步發(fā)展的時期。 制動防抱死系統(tǒng)最初不是用在汽車上，而是首先用在鐵路機車上，以防止火車車輪制動抱死后在鋼軌上滑行使制動距離延長，同時造成局部摩擦，致使車輪、鋼軌早期損壞和車輪不能平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生噪聲和振動。隨后又應(yīng)用于飛機上，以防止飛機著陸后制動跑偏、 甩尾和輪胎劇烈磨損，縮短滑行距離。在30年代機械式防抱死制動系統(tǒng)就開始在飛機上獲得應(yīng)用。由于飛機對制動時的方向穩(wěn)定性要求高，而 ABS的價格占飛機總價格比例較小，機場的場面條件簡單，尾部機輪可以精確測量機速，從而可獲得正確的滑移率，實現(xiàn)精確控制等一系列有利條件，使 ABS在飛機上的應(yīng)用取得成功，普及率很快上升，并很快成為飛機上的標準裝備。 汽車上使用 ABS始于20世紀50年代，福特汽車公司首先將它裝配在汽車上，這開創(chuàng)了汽車使用 ABS的先河。1969年，林肯大陸牌III型汽車安裝了由凱。海斯研制成功的奧托一林納防抱死裝置。裝在后輪上的傳感器能發(fā)送訊號到雜物箱后面的計算機，當傳感器向計算機發(fā)出制動器將要抱死訊號時，計算機便控制制動管路上的真空操縱閥，以降低后制動器的油壓。 裝用 ABS的轎車在光滑路面制動時確實提高了其穩(wěn)定性，但在不好路面上制動，其制動距離較一般制動系的汽車長，加上ABS的體積、質(zhì)量大，價格高，銷路很有限。 制動廠家終于在70代中期停止了ABS汽車的生產(chǎn)。由于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，歐洲隨后研制成由數(shù)字計算機組成的較為現(xiàn)代型的 ABS。數(shù)字計算機不易受干擾，速度快，可以把降低增加制動液壓循環(huán)的次數(shù)增加到每秒十余次。其速度完全可以與數(shù)字計算機處理數(shù)據(jù)的速度相匹配。這種較為現(xiàn)代的ABS體積小、質(zhì)量輕、動作更快、更準確。 波許公司在 20世紀 60年代初就開始ABS的開發(fā)工作，于 1978年正式生產(chǎn)出ABS１型汽車防抱死制動系統(tǒng)，以后相繼開發(fā)出將汽車防抱死制動系統(tǒng)與驅(qū)動力自動調(diào)節(jié)裝置有機結(jié)合的ABS／ASR系統(tǒng)。該公司于 1975年研制出部分集成模擬信號處理的第一代 ABS產(chǎn)品，以后又相繼研制出全數(shù)字化和高度集成化的ABS產(chǎn)品，并將微機控制用于制動系統(tǒng)中。德國的坦威斯公司 （TEVES）于1984 年首次推出了整體式 ABS— 坦威斯MK11 ，該系統(tǒng)將防抱死制動壓力調(diào)節(jié)裝置與制動主缸和液壓制動助力器組合為一個整體，而在該系統(tǒng)出現(xiàn)以前，所有的ABS都是將制動壓力調(diào)節(jié)裝置作為一個單獨的整體，附加在常規(guī)的制動系統(tǒng)中，即采用的都是分離式結(jié)構(gòu)。 20世紀3050年代，西方國家研制出純機械式的ABS并少量裝備于汽車。到了60年代，模擬電子技術(shù)在 ABS上開始使用，但因成本太高，可靠性也不穩(wěn)定，未能在汽車上廣泛使用。70年代后期出現(xiàn)了數(shù)字式電子控制的ABS，從而揭開了現(xiàn)代ABS大發(fā)展的序幕。通過數(shù)字化和集成化，使ABS的組件數(shù)目大大減少，降低了成本，提高了可靠性，歐、美、日的汽車公司逐步在汽車上裝備了ABS。進入70年代后，隨著電子技術(shù)的進步，數(shù)字電子技術(shù)、大規(guī)模集成電路的發(fā)展和微機的運用，電子控制式ABS日趨成熟，成本不斷降低，并且體積小、質(zhì)量輕、控制精度高，其安全效能十分顯著，普遍受到人們的歡迎和認可，為其迅速普及創(chuàng)造了條件。20世紀80年代ABS向著提高效能成本比的方向發(fā)展，是汽車ABS研制生產(chǎn)應(yīng)用迅速發(fā)展的階段，加之法規(guī)的推動作用，ABS已成為汽車上標準裝備或選擇裝備。 防抱死制動系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 1. ABS本身控制技術(shù)的提高。 現(xiàn)代制動防抱死裝置多是電子計算機控制，這也反映了現(xiàn)代汽車制動系向電子化方向發(fā)展。 基于滑移率的控制算法容易實現(xiàn)連續(xù)控制，且有十分明確的理論加以指導(dǎo)，但目前制約其發(fā)展的瓶頸主要是實現(xiàn)的成本問題。 隨著體積更小、價格更便宜、可靠性更高的車速傳感器的出現(xiàn)，ABS 系統(tǒng)中增加車速傳感器成為可能，確定車輪滑移率將變得準確而快速。 全電制動控制系統(tǒng)BBW(BrakeByWire)是未來制動控制系統(tǒng)的發(fā)展方向之一。它不同于傳統(tǒng)的制動系統(tǒng)，其傳遞的是電，而不是液壓油或壓縮空氣，可以省略許多管路和傳感器，縮短制動反應(yīng)時間，維護簡單，易于改進，為未來的車輛智能控制提供條件。但是，它還有不少問題需要解決，如驅(qū)動能源問題，控制系統(tǒng)失效處理，抗干擾處理等。目前電制動系統(tǒng)首先用在混合動力制動系統(tǒng)車輛上，采用液壓制動和電制動兩種制動系統(tǒng)。 2. 防滑控制系統(tǒng) 　　　　防滑控制系統(tǒng)ASR(Acceleration Slip Regulation)或稱為牽引力控制系統(tǒng)TCS(Traction Contro System)是驅(qū)動時防止車輪打滑，使車輪獲得最大限度的驅(qū)動力，并具有行駛穩(wěn)定性，減少輪胎磨損和發(fā)動機的功耗，增加有效的驅(qū)動牽引力。防滑控制系統(tǒng)包括兩部分：制動防滑與發(fā)動機牽引力控制。制動部分是當驅(qū)動輪（后輪）在低附著系數(shù)路面工作時，由于驅(qū)動力過大，則產(chǎn)生打滑，當ASR制動部分工作時，通過傳感器將非驅(qū)動輪及驅(qū)動輪的輪速信號采集到控制器中，控制器根據(jù)輪速信號計算出驅(qū)動車輪滑移率及車輪減、加速度，當滑移率或減、加速度超過某一設(shè)定閥值時，則控制器打開開關(guān)閥，氣壓由儲氣筒直接進入制動氣室進行制動，由于三通單向閥的作用氣壓只能進入打滑驅(qū)動輪的制動氣室，在低附著系數(shù)路面上制動時，輪速對壓力十分敏感，壓力稍稍過大，車輪就會抱死。為此利用ABS電磁閥對制動壓力進行精細的調(diào)節(jié)，即用小步長增壓或減壓，以達到最佳的車輪滑移的效果既可以得到最大驅(qū)動力，也可保持行駛的穩(wěn)定性。 ３． 電子控制制動系統(tǒng) 由于ASS在功能方面存在許多缺陷,如氣壓系統(tǒng)的滯后，主車與接車制動相容性問題等。為改善這些,出現(xiàn)了電子制動控制系統(tǒng)EBS(Electronics Break System)它是將氣壓傳動改為電線傳動，縮短了制動響應(yīng)時間。最重要的特點是各個車輪上制動力可以獨立控制。 控制強度則由司機踏板位移信號的大小來決定，由壓力調(diào)節(jié)閥、氣壓傳感器及控制器構(gòu)成閉環(huán)的連續(xù)壓力控制，這樣可以在外環(huán)形成一個控制回路，來實現(xiàn)各種控制功能，如制動力分布控制、減速控制、牽引車與掛車處禍合力控制等。 ４．車輛動力學(xué)控制系統(tǒng) 車輛動力學(xué)控制系統(tǒng)VDC(Vehicle Dynamics Control)是在ABS的基礎(chǔ)上通過測量方向盤轉(zhuǎn)角、橫擺角速度和側(cè)向加速度對車輛的運動狀態(tài)進行控制。VDC系統(tǒng)根據(jù)轉(zhuǎn)向角、油門、制動壓力，通過觀測器決定出車輛應(yīng)具有的名義運動狀態(tài)。同時由輪速、橫擺角速度和側(cè)向加速度傳感器測出車輛的實際運動狀態(tài)。名義狀態(tài)與實際狀態(tài)的差值即為控制的狀態(tài)變量，控制的目的就是使這種差值達到最小，實現(xiàn)的方法則是利用車輪滑移率特性。車輛動力學(xué)控制系統(tǒng)目的是改善車輛操縱的穩(wěn)定性，它可以在車輛運動狀態(tài)處于危險狀態(tài)下自動進行控制。其主要作用就是通過控制車輛的橫向運動狀態(tài)，使車輛處于穩(wěn)定的運動狀態(tài)，使人能夠更容易地操縱車輛。 ５． 控制系統(tǒng)總線技術(shù) 隨著汽車技術(shù)科技含量的不斷增加，必然造成龐大的布線系統(tǒng)。因此，需要采用總線結(jié)構(gòu)將各個系統(tǒng)聯(lián)系起來，實現(xiàn)數(shù)據(jù)和資源信息實時共享，并可以減少傳感器數(shù)量，從而降低整車成本，朝著系統(tǒng)集成化的方向發(fā)展。 目前多使用 CAN控制器局域網(wǎng)絡(luò) （Controller Area Network)用于汽車內(nèi)部測量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信協(xié)議。 國內(nèi)防抱死制動系統(tǒng)的研究和應(yīng)用概況 我國ABS的研究始于20世紀80年代初，現(xiàn)剛剛進入產(chǎn)品試制和裝車試驗階段。 隨著我國市場經(jīng)濟的不斷發(fā)展及汽車保有量和車速的不斷提高，行車安全問題變得越來越突出。ABS系統(tǒng)的研究在我國成為熱門課題，許多高校、科研單位和生產(chǎn)廠家正在加快研究攻關(guān)和技術(shù)引進步伐。國內(nèi)研制ABS的單位主要有東風汽車公司、交通部重慶公路研究所、重慶宏安ABS有限公司、陜西興平514廠、西安公路學(xué)院、清華大學(xué)、西安艾韋機電科技公司等單位和部門。 東風公司從80年代初就開始研究AB