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(guò)設(shè)計(jì)電路圖以及對(duì)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(zhēng)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(guò)高度靈敏的傳感器時(shí)刻監(jiān)測(cè)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(guó)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(lái)ESP在行車方面的卓越功效越來(lái)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(guó)博世公司的統(tǒng)計(jì)，2005年德國(guó)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(guó)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(guó)內(nèi)車輛的ESP裝備情況仍然不容樂(lè)觀，只有18％，僅達(dá)到韓國(guó)2006年的水平。相比于國(guó)外，國(guó)內(nèi)汽車行業(yè)對(duì)汽車動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性控制的研究起步較晚，國(guó)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(duì)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(wèn)題。同樣，這部分市場(chǎng)也完全掌握在外資企業(yè)手中，國(guó)內(nèi)企業(yè)幾乎無(wú)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(duì)提高國(guó)產(chǎn)汽車的自主開(kāi)發(fā)能力、縮短與發(fā)達(dá)國(guó)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(guò)設(shè)計(jì)電路圖以及對(duì)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(cè)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(lái)自轉(zhuǎn)向盤角度傳感器和輪速傳感器的信號(hào)，經(jīng)過(guò)計(jì)算和監(jiān)測(cè)，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(lái)自橫擺角速度傳感器和橫向加速度傳感器的信號(hào)，經(jīng)過(guò)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(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，判斷汽車此時(shí)是否處于穩(wěn)定行駛狀態(tài)(駕駛員對(duì)汽車操控行駛的方向信息和穩(wěn)定行駛的方向信息對(duì)比一致則為汽車穩(wěn)定行駛狀態(tài))。
    (3)經(jīng)過(guò)對(duì)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(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的干涉，利用液壓執(zhí)行器對(duì)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(guò)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(lái)判斷是向左加速還是向右加速，從而通過(guò)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(guò)程中，由于各種原因出現(xiàn)側(cè)滑或者轉(zhuǎn)向過(guò)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(guò)對(duì)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(cè)試中，由于實(shí)驗(yàn)條件的差異性，無(wú)法模擬到真實(shí)汽車在遇險(xiǎn)時(shí)的處理過(guò)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(kāi)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(hào)的過(guò)程，依次對(duì)采集到的傳感器信號(hào)進(jìn)行放大、比較處理，從而通過(guò)發(fā)光LED燈來(lái)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(guò)加速度傳感器采集到的電壓信號(hào)較弱，需要對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行放大。主要采用芯片LM324對(duì)模擬信號(hào)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(guò)電壓放大模塊以后，電壓由原來(lái)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(lái)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(cè)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(méi)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(guò)放大的1．8 V的模擬電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)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(lái)模擬汽車在穩(wěn)定行駛時(shí)的數(shù)據(jù)，實(shí)際小車測(cè)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(cè)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(cè)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(guò)LED的亮滅，來(lái)判斷此時(shí)小車是否是加速度過(guò)大，是否是穩(wěn)定行駛的狀態(tài)。
    在測(cè)試過(guò)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(guò)程中，經(jīng)過(guò)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(lái)的信號(hào)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(guò)控制各個(gè)車輪的制動(dòng)回路，來(lái)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(wú)法對(duì)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(duì)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(guò)三極管NPN9013的導(dǎo)通與截止，來(lái)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(guò)，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(kāi)關(guān)主動(dòng)回到原來(lái)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(duì)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(guò)，產(chǎn)生電磁力，吸合銜鐵，圖4中的繼電器內(nèi)部開(kāi)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(hào)輸入，且信號(hào)為高電平。

    在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，無(wú)法動(dòng)態(tài)測(cè)試實(shí)驗(yàn)小車制動(dòng)模塊的電壓，只能通過(guò)繼電器的轉(zhuǎn)換電路功能來(lái)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(lái)判斷小車是否被制動(dòng)。而在電路圖的仿真過(guò)程中，由于硬件的原因，直觀看不到繼電器的內(nèi)部開(kāi)關(guān)有所變化，所以，將LED4燈接入電路，測(cè)試電路是否工作，LED4燈點(diǎn)亮，說(shuō)明電路正常工作，見(jiàn)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(guò)，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(wú)電流通過(guò)，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(yǔ)
    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(guò)程中的功效。通過(guò)設(shè)計(jì)電路圖以及對(duì)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(duì)加速度傳感器采集到的模擬信號(hào)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(kāi)始對(duì)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(guò)程中，加速度傳感器捕捉到危險(xiǎn)信號(hào)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(guò)信號(hào)指示燈來(lái)判斷是想要前行還是后退。
    總之本文利用較簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)思想實(shí)現(xiàn)了ESP系統(tǒng)在行車過(guò)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(duì)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(guò)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(wèn)題分析問(wèn)題、解決問(wèn)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。