|
汽車電子穩定系統或動態偏航穩定控制系統(Electronic Stability Program，ESP)是防抱死制動系統ABS、驅動防滑控制系統ASR、電子制動力分配系統EBD、牽引力控制系統TCS和主動車身橫擺控制系統 AYC(Active Yaw Control)等基本功能的組合，是一種汽車新型主動安全系統。該系統是德國博世公司(B0SCH)和梅塞德斯-奔馳(MERCEDES-BENZ)公司聯合開發的汽車底盤電子控制系統。 在汽車行駛過程中，因外界干擾，比如行人、車輛或環境等突然變化，駕駛員采取一些緊急避讓措施，使汽車進入不穩定行駛狀態，即出現偏離預定行駛路線或翻轉趨勢等危險狀態。裝置ESP的汽車能在極短的幾毫秒時間內，識別并判定出這種汽車不穩定的行駛趨勢，通過智能化的電子控制方案，讓汽車的驅動傳動系統和制動系統產生準確響應，及時恰當地消除汽車這些不穩定的行駛趨勢，使汽車保持行駛路線和預防翻滾，避免交通事故的發生。 ESP系統是汽車主動安全措施的巨大突破，它通過控制事故發生的可能性來實現安全行車，使汽車在極其惡劣的行車環境中確保行駛的穩定性和安全性。 1.汽車電子穩定系統的組成 ESP在ABS和ASR各種傳感器的基礎上，增加了汽車轉向行駛時橫擺率傳感器、車身翻轉角速度傳感器、側加速度傳感器、制動總泵中的液壓力傳感器和轉向盤轉角傳感器等。其中最重要的是車身翻轉角速度傳感器，這種車用傳感器是航天飛機和空間飛行器上使用的旋轉角速度傳感器的類似產品。車身翻轉角速度傳感器就像一個羅盤，適時地監控汽車行駛的準確姿態，監控汽車每個可能的翻轉運動角速度。其他傳感器則分別監控汽車的行駛速度和各車輪的速度差，監控轉向盤的轉動角度和汽車的水平側向加速度，當制動發生時則監控制動力的大小和各車輪制動力的分配情況。 ESP系統包括車距控制、防駕駛員困倦、限速識別、并線警告、停車入位、夜視儀，周圍環境識別、綜合穩定控制和制動助力(BAS)9項控制功能。通過綜合應用9種智能主動安全技術，ESP可將駕駛員對車輛失去控制的危險性降低80％左右。 ESP智能化隨車微機控制系統，通過各種傳感器，隨時監測車輛的行駛狀態和駕駛員的駕駛意圖，及時向執行機構發出各種指令，以確保汽車在制動、加速、轉向等狀況下的行駛穩定性。 圖1是汽車電子穩定系統ESP的各種傳感器及電子穩定系統ECU在轎車上的安裝，其ECU中配置了兩臺56kB內存的微機。ESP系統利用這兩臺微機和各種傳感器信號不間斷地監控車內電子模塊、系統的工作狀態和汽車的行駛姿勢，比如，速度傳感器每相隔20ms就會自檢一次。ESP系統還通過車內電子模塊之間的信號交流通信網絡，充分利用防抱死制動系統ABS、制動助力系統BAS和驅動防滑控制系統ASR等的先進功能。緊急情況下，如緊張的駕駛員對制動力施加不夠，制動助力系統BAS將自動增大制動力。在ESP系統出現故障不能正常工作時，ABS和ASR系統能照樣工作，以保證汽車正常行駛和制動。 ESP系統的功能不簡單是ABS和ASR功能之和，而是ABS與ASR功能之和的平方，因此使汽車能在極其惡劣的條件下保持行駛的穩定性。梅塞德斯-奔馳A級轎車的安全理念是通過先進的電子控制模塊與液壓機械執行機構的智能化集成，實現了對汽車及乘員安全的最大可能保護。 2．汽車電子穩定系統的工作原理 從外部作用于汽車的所有力，包括制動力、驅動力、任何一種側向力，都會引起汽車繞其質心轉動。ESP系統根據此原理，在汽車進人不穩定行駛狀態時，通過對制動系統、驅動傳動系統的干涉，修正過度轉向或轉向不足的傾向，使汽車保持穩定行駛狀態。 微機控制系統的ROM中，預先儲存了控制程序中的標準技術數據。在汽車傳感器監測并將汽車行駛狀態的各種數據隨機傳送給ECU時，ECU立即調出預存標準數據與之進行比較，判定轎車是否出現不穩定行駛趨勢和不穩定的程度及原因。一旦確定汽車有不穩定行駛的趨勢，ESP系統就會自動代替駕駛員控制汽車，通過微機控制系統向制動執行機構和發動機執行機構發出指令，采取最有利的安全措施修正驅動力和制動力，阻止潛在危險情況的發生，使汽車恢復到安全穩定的行駛狀態。 微機控制系統指令執行的安全措施是指，當汽車傳感器監測到汽車有發生翻轉或偏離駕駛員需求的行駛路線的趨勢時，系統能有選擇地對單個汽車前輪或后輪實施制動，或必要時同時增加或者減少發動機的輸出轉矩，調整驅動力。 圖2是汽車在轉彎道路上行駛時的軌跡示意。見圖2(a)，當汽車駛入彎道時，假如駕駛員通過轉向盤使汽車轉向的轉彎半徑大于彎道半徑，這種情況稱為不足轉向。如汽車車速過快，則汽車可能沖出路面。安裝在汽車上的橫擺率傳感器會測出轉向偏差，側加速度傳感器會測得右駛加速度偏大和轉向盤轉角傳感器測得左轉向不足，并立即監測到這種沖出路面的危險趨勢，將信號輸入電子穩定系統中的ECU。ECU立即指令在左后輪實施脈沖制動力，制動力在汽車質心產生一個向內偏轉力矩，迫使汽車繞質心向內偏轉一個角度。同時ECU立即指令發動機減少輸出轉矩，將汽車速度降下來，并代替駕駛員使汽車轉向角度稍大一些，使汽車按彎道半徑要求的轉向角度行駛，回到正確路線上。 反之，見圖2(b)，汽車行駛軌跡的最初位置。假如駕駛員轉向盤轉動過猛，使汽車轉彎半徑小于彎道半徑，這種情況稱為過度轉向。如汽車速度過快，則汽車可能因離心力而向外翻轉。安裝在汽車上的橫擺率傳感器、側加速度傳感器和轉向盤轉角傳感器等監測到這種翻轉的危險趨勢，立即將信號輸入電子穩定系統中的 ECU，ECU迅速指令在右前輪實施脈沖制動，制動力在汽車質心產生一個向外偏轉力矩，抵消離心翻轉力矩，迫使汽車繞質心向外偏轉一個角度，制止了汽車可能側翻的趨勢。同時ECU控制迅速減少驅動力，將汽車速度降下來，并代替駕駛員使汽車轉向角度稍小一些，使汽車按彎道半徑要求的轉向角度行駛。 綜上所述，汽車電子穩定系統ESP在汽車出現不穩定行駛趨勢時，采用了兩種不同的控制方法，使汽車消除不穩定行駛因素，回復并保持汽車預定的行駛狀態。這兩種控制方法是，首先ESP系統通過精確地控制一個或者多個車輪的制動過程(脈沖制動)，根據需要分配施加在每個車輪上的制動力，迫使汽車產生一個繞其質心轉動的旋轉力矩，同時代替駕駛員調整汽車行駛方向。其次在必要時(比如車速太快，發動機驅動轉矩過大)，ESP系統自動調整發動機的輸出轉矩，控制汽車的行駛速度。 通過采取上述兩種技術措施，當汽車進行蛇形線路測試的時候就可以有效避免汽車的翻轉。ESP系統不僅僅是在干燥路面上提高了汽車的穩定性，還可以在路面附著性比較差的時候，諸如結冰、濕滑，以及碎石等情況下起作用。在上述不利狀況下，車輪與路面之問的附著力降低，即使是最好的駕駛員也很難將高速行駛的汽車保持在預定的路線上，汽車容易發生側滑和跑偏，失去方向穩定性，甚至在急轉彎的時候發生翻車事故，這時就需要ESP系統。 3．汽車電子穩定系統的可靠性 梅塞德斯-奔馳公司從1994年起就對ESP系統進行了適用性和可靠性的全面驗證試驗。 在微機控制系統的ROM中，預先儲存的控制程序中的標準技術數據，應該來源于大量的實車測試數據。但由于在沒有安全保障的情況下的實車試驗，有可能造成無法彌補的安全事故后果，因此標準技術數據的取得，采用了模擬器。模擬器內輸入了大量的通過實驗采集的數據，可以仿真出很多復雜的路面狀況和駕駛過程。再通過80位梅塞德斯轎車車主用模擬器進行時速為100km／h的模擬路面駕駛試驗，得到各種不同性能的汽車在各種駕駛過程中的響應。模擬器檢測手段既安全，又可以得到很多實車試驗無法測量的數據。比如，在試驗場的4個轉彎處，用模擬器模擬路面突然結冰的情況，這將使車輪和路面之間的附著力在幾米的路程內減少 70％以上。如果轎車沒有ESP系統，則78％的駕駛員不能將他們的汽車穩定在冰雪路面上，還可能遭受汽車連續3次翻轉造成的傷害。有了ESP系統，所有參加過模擬測試的駕駛員都能避免汽車翻轉事故的發生。 1995年，梅塞德斯-奔馳S級轎車開始安裝ESP系統，ESP系統突出的安全保障表現，大大降低了汽車在各種道路狀況下以及轉彎時發生翻轉的可能性。同時汽車在彎道和濕滑路面上的制動距離得到縮短，在彎道行駛加強了汽車線內行駛能力。1998年，梅塞德斯-奔馳A級微型轎車也安裝了。ESP系統，使這種采用大量高新技術開發的A級微型轎車，克服了因車身較窄，在汽車以小轉彎半徑急轉向時，容易產生側向翻轉而造成人身傷害和財產損失的缺點，成為一輛安全性能卓越的微型轎車。 目前，梅塞德斯-奔馳公司的S600、CL600、sL600、FA30、E320、4MATIC以及高性能的E55AMG和C43AMG等車型上都選配了ESP系統，2002年所有G級車上都安裝了該系統。 4．新一代汽車電子穩定系統 新一代汽車電子穩定系統將主動轉向控制系統(Active steering Control，ASC)和可選擇懸架模式的主動懸架控制系統(Active Damping Control，ADC)和ESP集成在一起，使汽車的動態穩定控制技術更加完善，提高了汽車在任何情況下的行駛穩定性和操縱穩定性。 在非危險行駛狀況下，主動轉向控制系統使駕駛更靈活，以增加駕駛樂趣。在危險行駛狀況下，主動轉向控制系統與制動系統、發動機管理系統共同控制汽車的行駛穩定性和乘坐舒適性。 5．綜合穩定控制系統 綜合穩定控制系統在任何給定的條件下，具有綜合控制車上所有的主動系統，如驅動、制動和操縱系統等功能。綜合穩定 控制系統與現行的主動車輛穩定控制系統相比，可以對汽車進行持續控制，并實現控制的個性化。 6．汽車底盤電子控制系統的發展 (1) 集成底盤管理系統 隨著電子技術特別是大規模集成電路和微型電子計算機技術的高速發展，汽車的電子化程度越來越高。汽車的底盤系統也改變了以往那種完全依靠液壓或氣壓執行機構來傳遞力的機械式結構，開始步入電子伺服控制(By-wire，操縱裝置與執行器之間靠電信號聯系而非機械的連接)階段，底盤綜合控制系統也已開始出現。先進的底盤電子控制系統優化了車輪與地面之間的附著狀況，顯著地改善了汽車的動力性、安全性和舒適性。 汽車底盤電子控制系統將逐步形成一個集成底盤管理(ICM)系統。該系統將集成所有的底盤電控子系統，實現各子系統問硬件、能量和信息的共享，以最大限度地獲取系統集成帶來的增效作用，提高汽車的安全性、舒適性和經濟性。圖3是ICM系統的層次結構，結構圖的上層只包含了一些關鍵的監控功能，在這一層次上系統通過一個“協調器”ECU來實現對發動機、傳動系、底盤系統等的管理。空白方塊代表其他的功能，如導航和ACC功能。結構圖的下層代表目前的電控系統，不過它 們不再是單獨工作的模塊，而是在上層單元監控、管理下協調工作。系統中的傳感器和執行器可分為兩類：傳統型和智能型。傳統型傳感器和執行器與各自的ECU之間只有直接的物理連接，而智能傳感器和執行器與ECU之間則使用總線接口來傳輸數據。一般情況下它們都具有自診斷能力和一定的傳感器信號處理能力。 (2) 動力車身控制系統(Dynamic Body Control) 對于多用途運動車(SUV)和其他質心較高的汽車，動力車身控制系統可最大程度地提高轉向穩定能力，同時汽車行駛舒適感增強。在汽車越野行駛時，車橋通過相互配合來獲得更好的牽引性能。動力車身控制系統使用1～2個主動式平衡桿模塊，通過對平衡桿施加可調節的預加載荷來防止汽車轉彎時發生左右搖晃。當汽車車身要發生傾斜時，加速度計監測到汽車側滑傾向，將信號傳到控制系統ECU，ECU指令向平衡桿執行器通入壓力油，壓力油產生力的大小根據加速度計監測到的汽車橫向加速度大小和汽車產生搖晃的時間來確定。 |
