摘 要

随着时代的发展，汽车在人们的日常生活中扮演着不可或缺的角色，汽车产业也在科学技术的推动下蓬勃发展。汽车数量的提升带来频发的交通事故，这成为推动汽车驾驶舒适度不断发展的契机。国外研究人员首先意识到汽车驾驶舒适度的重要作用，研制性能更加优良的系统保证行车安全。如今，国内的各大汽车生产商也将汽车驾驶舒适度放在重要位置。刹车辅助系统出现以来，人们就意识到它对行车安全的积极意义，在汽车“四化”不断的推进汽车电子技术的发展的今天，人们希望研发更加智能的刹车辅助系统来提高驾驶舒适度。本文旨在求出舒适度最佳时的踏板力，并且构建刹车辅助系统的硬件平台。本文的主要研究内容如下：

第一章说明了研究驾驶舒适度和刹车辅助系统的背景和意义，重点分析了驾驶舒适度和国内外刹车辅助系统的研究现状和今后的发展趋势。

第二章在车辆动力学的基础上对汽车的制动性能进行学习，研究车辆的制动过程，并且根据汽车在制动过程中的受力建立了数学模型。

第三章介绍了多目标优化问题和算法，在MATLAB中使用遗传算法对数学模型求最优解，获得舒适度最佳时的踏板力。

第四章设计刹车辅助系统的硬件平台。在DSP系统的基础上设计踏板力、位置处理电路和电磁阀驱动电路。

关键词：驾驶舒适度；遗传算法；踏板力；踏板位移

Abstract

With the development of The Times, the automobile plays an indispensable role in People's Daily life, and the automobile industry is also booming under the promotion of science and technology. The increasing number of cars leads to frequent traffic accidents, which becomes an opportunity to promote the continuous development of driving comfort. Foreign researchers first realized the important role of automobile driving comfort and developed a system with better performance to ensure driving safety. Nowadays, the major domestic automobile manufacturers also put the automobile driving comfort in the important position. Since the emergence of the brake assist system, people have realized its positive significance for driving safety. Today, when the "four modernizing" of automobile continuously promotes the development of automobile electronic technology, people hope to develop more intelligent brake assist system to improve driving comfort. The purpose of this paper is to find out the best comfort pedal force, and build the hardware platform of the brake assistance system. The main research contents of this paper are as follows:

The first chapter explains the background and significance of the research on driving comfort and brake assist system, and focuses on the analysis of the research status and future development trend of driving comfort and brake assist system at home and abroad.

The second chapter studies the braking performance of the vehicle on the basis of vehicle dynamics, studies the braking process of the vehicle, and establishes a mathematical model according to the force of the vehicle in the braking process.

The third chapter introduces the multi-objective optimization problem and algorithm. Genetic algorithm is used in MATLAB to find the optimal solution to the mathematical model and obtain the pedal force when the comfort level is optimal.

The fourth chapter designs the hardware platform of the brake assistance system. On the basis of DSP system, pedal force, position processing circuit and solenoid valve drive circuit are designed.

Keywords: Driving Comfort; Genetic Algorithm; Pedal Effort; Pedal Travel

目录

第1章 绪论 1

1.1 驾驶舒适度的研究背景和意义 1

1.2 国内外驾驶舒适度研究现状 1

1.3 驾驶舒适度的发展趋势 3

1.4 论文的主要研究内容 4

第2章 数学模型的建立 5

2.1 汽车制动性能的介绍 5

2.2 汽车制动时车轮的受力 5

2.2.1 地面对车轮的制动力 5

2.2.2 制动器产生的制动力 6

2.2.3 制动力之间的关系 6

2.2.4 附着系数 7

2.3 制动性能分析 7

2.3.1 制动距离的介绍 7

2.3.2 制动距离与制动减速度的关系 9

2.3.3 制动减速度和踏板力的关系 10

第3章 多目标优化问题 14

3.1 多目标优化问题的简介 14

3.2 多目标优化问题的算法介绍 15

3.3 遗传算法的原理 16

3.4 遗传算法的MATLAB仿真 17

第4章 刹车辅助系统硬件电路设计 20

4.1 电子控制系统设计 20

4.2 DSP56F807外围电路设计 21

4.2.1 DSP56F807的介绍 21

4.2.2 时钟电路 23

4.2.3 复位电路 23

4.2.4 电源模块 23

4.2.5 串口接口模块 24

4.3 CAN总线设计电路 24

4.4 踏板力采集模块设计 26

4.5 踏板位置采集模块设计 27

4.6 电磁阀驱动电路设计 28

第5章 结论与展望 30

参考文献 31

附录 32

附A1 系统硬件电路设计 32

致谢 33

第1章 绪论

1.1 驾驶舒适度的研究背景和意义

科技革命不断的推动社会的进步，自世界上第一辆三轮汽车在第一次科技革命中诞生以来，人们就越来越重视汽车的发展。随着汽车产业不断的发展，汽车在人们的日常生活中起到越来越重要的作用，汽车行业已经在中国的支柱产业占据着重要地位，不断促进我国经济的发展。200多年来伴随着钢铁、石油化工、机械设备等行业的发展，人们对汽车不断的进行着改进，从而形成了今天多种多样的汽车产品，这极大的便利了人们的日常生活。目前我们处于第五次科技革命（电子和信息革命）的末期，智能化是第五次科技革命的一大主题，汽车行业也在不断的朝智能化的方向发展。

舒适度是指人对事物做出的综合评价，是人的主观感觉。驾驶舒适度是指在对汽车进行各种操作时，驾驶员对汽车的各种性能所做出的客观评价。基于刹车的驾驶舒适度指当驾驶员踩下制动踏板时，对制动踏板的感觉。制动踏板感觉指的是制动踏板力、制动踏板位移和制动减速度的关系，它在驾驶舒适度中占据重要地位。日本的丰田公司曾经做过一个调查：当驾驶员面临危机的情况时，是否可以使汽车产生足够制动力。调查结果显示，在紧急刹车发生时，不能让制动器产生足够制动力的驾驶员比例为42%，大约有53%的驾驶员可以让汽车充分制动，剩下5%驾驶员甚至会因为精神的高度紧张而未踩下制动踏板，引起交通事故的发生^[1]。这说明了驾驶舒适度的重要性，在保证汽车制动距离最短的情况下，选择人体较舒适的制动减速度，驾驶员就可以提供相应的踏板力，既保证了汽车刹车的舒适性能又保障了汽车制动的安全性能。

谈到了基于刹车的驾驶舒适度，我们就要意识到刹车辅助系统的重要性。刹车辅助系统主要包括电子制动辅助系统（EBA）、制动辅助系统（BAS）、防抱死刹车系统（ABS）、加速防滑控制系统（ASR）和循迹控制系统（TCS）^[2]。当驾驶员要进行紧急刹车时，电子制动辅助系统和制动辅助系统就会起到重要的作用，它们会通过制动踏板的压力传感器和位移传感器判断驾驶员踩踏制动踏板的力度和速度信息，一旦确定为紧急制动时，汽车的制动力将会尽可能增大，制动距离会变短。在防抱死刹车系统的基础上，增加踏板力传感器和踏板位置传感器，并在汽车电子控制单元（ECU）中添加相关的软件程序，就可以构建刹车辅助系统。研发更加优良的刹车辅助系统可以更好的保障汽车的舒适性，提高汽车的制动性能。

1.2 国内外驾驶舒适度研究现状

随着汽车数量的不断增加，人们对汽车的舒适性越来越重视，驾驶舒适度越佳的汽车越会受到驾驶者的青睐。制动踏板感觉可以很好的评价汽车的制动舒适度，驾驶员可以通过踏板力、踏板位移和制动减速度的对应关系，在不同的情况下给以最舒适的踏板力。刹车辅助系统是汽车基于刹车的驾驶舒适度的关键所在。刹车辅助系统主要包括机械BAS和电子BAS，电子BAS是在机械BAS的基础上发展出来的。BA是完全依靠机械结构驱动的，一旦汽车在紧急刹车时达到BAS的约束条件，就可以使制动器的制动力增大。EBA则是通过传感器的信息来判别驾驶员是否要进行紧急制动，进而驱动ABS系统的运行。早在2009年，欧洲就要求机动车装配BAS。2011年，在对进口车辆的调查中，发现大约有92%的汽车安装了BAS，只有8%的汽车没有安装BAS；在对我国国内生产的汽车的调查中，发现大约有33%的汽车没有安装BAS，仅有67%的汽车安装了BAS^[3]。这说明我国对行车安全方面的重视还不够，我们应当更加认真的研究和完善刹车辅助系统，以提高汽车的驾驶舒适度。

早在20世纪70年代，外国的一些汽车产业就开始对汽车的驾驶舒适度进行研究，他们在评价驾驶舒适度方面已经取得很多的成果。英国的莲花公司建立了完整的评价汽车制动性能的标准，通过评判汽车的制动性能来得到驾驶舒适度的优劣。美国的福特公司在不同制动类型的基础上对驾驶舒适度提出了不同的要求。日本的丰田公司通过对不同种类的汽车进行试验分析，得到许多评判驾驶舒适度的标准，并依据这些数据，建立了属于自己的评价体系，并且还在不断完善。国外的汽车公司很重视驾驶舒适度，通过对车辆的不断测试来提高汽车的驾驶舒适度。然而在国内，驾驶舒适度还没有达到如此重要的程度。一些汽车生产商只以合格的标准来要求自己，而这也造成了汽车舒适度的千差万别。在这几年，人们才开始对驾驶舒适度进行相应的研究。上海汽车在几年前在对汽车进行道路试验的基础上分析汽车的各项性能，获得汽车舒适度的标准。吉林大学的汽车实验室也基于汽车的制动性能对汽车的驾驶舒适度进行研究，他们通过对比国内外对驾驶舒适度的评价标准得出较优的评价体系。奇瑞汽车对驾驶舒适度的研究较早，他们通过参考国外公司的评判依据，得到属于自己的评价标准，通过对汽车制动效能的分析判断驾驶舒适度的好坏。

外国通过对驾驶舒适度的标准的分析，希望找到衡量汽车制动系统的指标，从而通过计算数学模型以获得最优解，进一步提高汽车的制动性能。虽然我国对驾驶舒适度的研究还较少，但是近些年来，汽车厂商意识到驾驶舒适度的重要意义，他们花费更多的资金以提高汽车的驾驶舒适度。国内一些研究机构和高校也已经开展对驾驶舒适度的研究，他们希望建立可以客观评价汽车驾驶舒适度的评价体系。驾驶舒适度的研究也促进着刹车辅助系统的不断优化。随着科学技术的发展，自动刹车辅助系统（AEB）正在走进人们的生活。AEB是指正常行驶情况下的车辆通过探测与前方障碍物的距离进行自动刹车，减少交通事故的发生。欧盟已经在2014年要求汽车配备AEB系统，美国交通运输部在2018年也将提高行驶安全的评价制度，搭载AEB系统是五星评价的必备条件。丰田公司的汽车配备了预碰撞安全系统（PCS），通过探测障碍物和车辆的距离，计算事故发生的概率，进而做出正确的调节；奔驰汽车配备了预警安全系统，采用BAS来探测危险发生的概率，保障乘员安全。国内的刹车辅助系统也在不断发展，吉利的沃尔沃系列汽车安装了城市安全系统，通过对车辆进行控制，使驾驶员在城市中避免低速行驶出现的交通事故。我国汽车行业应当重视驾驶舒适度在制动过程中的重要作用，学习各国在驾驶舒适度和刹车辅助系统方面的研究，并不断解决自身存在的问题。

1.3 驾驶舒适度的发展趋势

在最近几年，中国的汽车行业正在迅速发展，在2017年，汽车制造产业在对工业增长的贡献中占了最大的比重，汽车在人们的日常生活中扮演着越来越重要的角色。目前，各国都在进行汽车行业的改革，中国也迎来了汽车变革的时代。汽车“四化”自2017年提出以来，就在慢慢进入人们的生活。汽车行业的智能化、电动化、网联化和共享化让人们看到了汽车发展的未来，让人们意识到汽车将要带来的便利^[4]。人们早就提出了智能驾驶的概念，在安全和便利的条件下，汽车可以通过车身上的传感器获得各种信息，在计算机的控制下完成正常行驶、超车和制动等驾驶行为。人们更加意识到驾驶舒适度的重要价值，汽车的驾驶舒适度越优良，驾驶员的主观感觉越好。刹车辅助系统在驾驶舒适度中起到了重要的作用，一个性能良好的刹车辅助系统既能保证乘员的舒适度又可以保障行驶安全。驾驶员依靠经验控制传统的刹车系统，通过踩踏制动踏板控制制动距离，不能让制动过程达到最优。目前的刹车辅助系统虽然在可以帮助驾驶员在紧急时刻增加制动力，减小交通事故发生的概率，但是仍存在一些弊端。

刹车辅助系统具有以下的优点：

（1）驾驶员在紧急时刻踩下踏板时，系统会增加制动力，制动距离将会减少，保障乘车人员的安全。

（2）制动过程更加智能。ECU直接检测踏板力和踏板位置信息，自动使制动器达到最优的制动力。

刹车辅助系统的不足之处在于：

（1）成本提高。在制动踏板上要添加踏板力和踏板位置传感器，传感器要求要有高的精确度。

（2）比较复杂的控制算法。算法要判别踏板力和踏板位置，从而做出制动类别的判断。

国内外汽车企业都在研究舒适度较优的刹车辅助系统，希望能将汽车的制动性能继续提高。如今已经出现了预警制动辅助系统、导航制动辅助系统和疲劳制动辅助系统等其它的制动辅助系统，这些系统将会更加便利人们的生活。伴随着汽车“四化”和智能驾驶的不断发展，基于驾驶舒适度的刹车辅助系统会不断的发展和完善。虽然相比与国外，我国的研究还在初期，但是我国可以紧紧把握第五次科技革命的末尾，促进汽车驾驶舒适度的进一步发展。

1.4 论文的主要研究内容

基于驾驶舒适度的刹车辅助系统是汽车电子控制系统的重要组成部分，是行车安全的基本保障，现在生产的汽车几乎都配备了这个系统，但是相对于国外，我国对于驾驶舒适度的评判还处于初级阶段。所以，我们应当向其他国家学习驾驶舒适度的评判标准，深入探索和研究刹车辅助系统的相关算法，研发性能更加优良舒适的制动系统。本文的主要内容有：

（1）通过查阅文献，了解国内外驾驶舒适度和刹车辅助系统的背景意义、研究现状和发展趋势。

（2）基于汽车动力学建立制动距离和制动减速度与踏板力的数学模型，并且采用多目标优化算法计算兼顾最佳踏板力的大小。通过MATLAB软件仿真，并对仿真结果进行分析。

（3）在了解汽车电子控制单元（ECU）的基础上，选择合适的芯片搭建刹车辅助系统的硬件平台。

本文的组织结构如图1.1所示

图1.1 本文的组织结构

第2章 数学模型的建立

2.1 汽车制动性能的介绍

汽车的制动性在汽车行驶过程中起到着重要的作用。汽车的制动性是指，汽车正常行驶时，在保持行驶方向稳定性的同时可以在短距离内停车；在下长坡的时候，可以保持一定的车速；已经停驶的汽车不发生溜车^[5]。汽车的制动性能和行驶安全密切相关，许多交通事故的发生都是由于制动性能不佳造成的，所以我国应当重视对汽车制动性能的改善。

汽车的制动性能主要包括三个方面：

（1）制动效能：汽车在良好的路面上行驶时，快速的降低速度直到停车的能力。

（2）制动抗热衰退性能：汽车在高速行驶时制动、下长坡时连续制动或者在短时间里重复制动时制动效能所能保持的程度^[6]。

（3）汽车的方向稳定性：在汽车进行制动时，汽车保持恒定方向行驶的能力，即不会偏离原来的路线。

2.2 汽车制动时车轮的受力

2.2.1 地面对车轮的制动力

在汽车从正常行驶的状态到制动停车的过程中，空气阻力和地面摩擦力会作用在汽车上，相对于地面摩擦力，空气阻力可以忽略，地面摩擦力就是地面制动力。下面将对一个车轮进行受力分析。

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