一種ESP電子車身穩定系統地模擬設計

為了演示ESP在提高汽車操縱穩定性方面的作用，結合電子專業的技術知識，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，通過高度靈敏的傳感器時刻監測汽車的行駛狀態，及時識別危險情況，使汽車恢復行使的穩定。ESP系統最早由德國博世(BOSCH)公司于1997年研制成功，該公司的統計表明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，根據德國博世公司的統計，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。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，國內汽車行業對汽車動力學穩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手中，國內企業幾乎無法涉足，所以，要努力攻克ESP設計的理論與關鍵技術，對提高國產汽車的自主開發能力、縮短與發達國家的差距具有重要的現實意義。
本文正是基于ESP電子車身穩定系統的原理，結合電子專業的技術知識，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在提高汽車操縱穩定性方面的作用。
1 ESP控制汽車運動流程
ESP電子車身穩定系統是一種提高車輛曲線行駛穩定性的主動安全系統。當出現異常情況時，ESP會根據實際情況作出反應，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據進行比較，發出平衡糾偏指令，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，經過計算和監測，獲知駕駛員操縱汽車穩定行駛的方向信息，并儲存這些數據。
(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，經過計算，獲取實際車輛行駛的狀態。并將數據和(1)中監測的數據進行對比，判斷汽車此時是否處于穩定行駛狀態(駕駛員對汽車操控行駛的方向信息和穩定行駛的方向信息對比一致則為汽車穩定行駛狀態)。
(3)經過對比，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定狀態，ESP系統處于待命狀態。如若兩者信息不一致，ESP控制單元判斷汽車此時處于非穩定行駛狀態，ESP控制單元下達控制命令到執行器(液壓調節單元)，通過對發動機的干涉，利用液壓執行器對每個車輪進行制動，及時糾正車輛的不穩定行駛狀態，確保人身安全。
2 ESP電子車身穗定系統的模擬設計
2．1 模擬設計的思路及原理分析
根據ESP電子車身穩定系統的原理，ESP最大的特點在于它的主動性，能夠在發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系統電子控制單元的穩定值)進行比較，根據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出警告，車輛出現的不穩定行駛狀態。

2．2 模擬設計的電路原理圖
在汽車的實際行駛過程中，由于各種原因出現側滑或者轉向過度、躲避障礙物等突發情況，ESP電子車身穩定系統會主動感知到汽車行駛的不穩定狀態，電子控制單元通過對各個傳感器采集數據的分析和判斷，主動采取干預措施，防止發生意外事故。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，實驗小車出現不穩定性行駛狀態，ESP電子車身穩定系統開始由待命狀態進入工作狀態。
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，從而通過發光LED燈來判斷實驗小車的行駛狀態。