．试验．测试． ＡＢＳ轮速信号的采集方法研究★ 郑太雄１ 李炯球・ 黄智宇 蒋国英 （１．重庆邮电大学；２．重庆卡福汽车零部件有限责任公司） 【摘要】在分析现有轮速信号采集方法的基础上，提出了一种能够将精度和实时性相结合的速度测量方法—— 自适应的轮速信号采集方法．该方法可根据轮速大小采用变化的采样周期采集轮速信号。通过仿真和路试结果表 明．该自适应轮速信号采集方法在全车速范围内均能满足采集精度与实时性要求。 主题词：防抱死制动系统轮速采集精度 中图分类号：Ｕ４６１．３文献标识码：Ａ文章编号：１０００—３７０３（２０１０）１０—００５３—０４ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｈｅ Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ＡＢＳ Ｗｈｅｅｌ Ｓｐｅｅｄ Ｓｉｇｎａｌ Ｚｈｅｎｇ Ｔａｉｘｉｏｎｇ ，Ｌｉ Ｊｉｏｎｇｑｉｕ ，Ｈｕａｎｇ Ｚｈｉｙｕ ，Ｊｉａｎｇ Ｇｕｏｙｉｎｇ （１．Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｐｏｓｔｓ ａｎｄ Ｔ ｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ；２．Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ＣＡＦＦ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｂｒａｋｉｎｇ＆ Ｓｔｅｅｒｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ） 【Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｗｈｅｅｌ ｓｐｅｅｄ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ，ａｄａｐｔｉｖｅ ｗｈｅｅｌ ｓｐｅｅｄ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ，ａ ｖｅｈｉｃｌｅ ｓｐｅｅｄ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｃｏｍｂｉｎｅ ｔｈｅ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ａｎｄ ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ．Ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｃａｎ ｃｏｌｌｅｃｔ ｗｈｅｅｌ ｓｐｅｅｄ ｓｉｇｎａｌ ｗｉｔｈ ｖａｒｉａｂｌｅ ｓａｍｐｌｉｎｇ ｐｅｒｉｏｄ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｗｈｅｅｌ ｓｐｅｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｒｏａｄ ｔｅｓｔ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ａｄａｐｔｉｖｅ ｗｈｅｅｌ ｓｐｅｅｄ ｓｉｇｎａｌ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｃａｎ ｓａｔｉｓｆｙ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｓａｍｐｌｉｎｇ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ａｎｄ ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ ｉｎ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｒａｎｇｅ ｏｆ ｖｅｈｉｃｌｅ ｓｐｅｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＡＢＳ，Ⅵｒｈｅｅｌ ｓｐｅｅｄ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ，Ｐｒｅｄｓｉｏｎ １前言 ２轮速信号采集方法 ＡＢＳ能够在汽车紧急制动时防止车轮抱死．提 图１为目前ＡＢＳ产品轮速测量装置原理图［２１ 在 高汽车紧急制动的稳定性和方向可控性．缩短制动 汽车行驶过程中．车轮旋转使齿圈相对传感器运 距离及延长轮胎的使用寿命 在ＡＢＳ控制算法中． 动．传感器产生一系列频率与车轮转速成正比的伪 控制参考变量包括滑移率和车轮加速度＿１１．这２个 正弦信号．轮速计算正是基于传感器这种特性进行 参考变量的计算都基于对轮速的正确采集与处理 的 信号经过轮速处理装置的滤波环节滤除轮速信 因此．要得到正确的控制参量及实现良好的控制效 号中的高频噪声．经过放大环节使轮速信号的幅值 果．轮速采集精度和响应速度对制动系统的控制过 增大以便于整形处理．放大后的轮速信号通过整形 程至关重要 得到“纯净”的轮速脉冲信号．然后送至单片机进行 资金项目：“核高基”重大专项（２００９ＺＸ０１０３８—００２—００２—２）；重庆市自然科学基金（ＣＳＴＣ，２００９ＢＢ３４１６）。 我国作为商用车主要出口国．应特别关注现行 ３ ＳＡＥ Ｊ２４２０．ＣＯＥ Ｆｒｏｎｔａｌ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ－－Ｄｙｎａｍｉｃ ＥＣＥ Ｒ２９－０２的修订案ＥＣＥ Ｒ２９－０３实施进展情况．并 Ｌｏａｄｉｎｇ Ｈｅａｖｙ Ｔｒｕｃｋｓ． 在新一代商用车研发中依据修订案的试验要求检验驾 ４ ＳＡＥ Ｊ２４２２．Ｃａｂ Ｒｏｏｆ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ－－Ｑｕａｓｉ－Ｓｔａｔｉｃ 驶室强度，以保证出口产品满足相应新法规要求 Ｌｏａｄｉｎｇ Ｈｅａｖｙ Ｔｒｕｃｋｓ． ５ ＥＣＥ厂】 ＲＡＮＳ，ＷＰ．２９／２０１０／６０．Ｐｒｏｐｏｓａｌ ｆｏｒ ｔｈｅ ０３ ｓｅｒｉｅｓ ｏｆ 参 考 文 献 ａｍｅｎｄｍｅｎｔｓ ｔｏ Ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ Ｎｏ．２９（Ｃａｂ ｏｆ ａ ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ ｖｅ— １ ＵＮＥＣＥ Ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ ２９．Ｕｎｉｆｏｒｍ Ｐｒｏｖｉｓｉｏｎｓ Ｃｏｎｅｅｒｎｅｅｒｎｉｎｇ ｈｉｃｌｅ）． Ｔｈｅ Ａｐｐｒｏｖａｌ ｏｆ Ｖｅｈｉｃｌｅｓ Ｗｉｔｈ Ｒｅｇａｒｄ ｔｏ ｔｈｅ Ｐｒｏｔｅｃｔｅｃｔｉｏｎ ６ Ｒｉｃｅ Ｒ Ｓ Ｈｅａｖｙ Ｔｒｕｃｋ Ｐｉｌｏｔ Ｃｒａｓｈ Ｔｅｓｔ Ｒｏｌｆｏｖｅｒ．Ｕ Ｓ ＤＯＴ／ ｏｆ Ｔｈｅ Ｏｃｃｕｐａｎｔｓ ｏｆ Ｔｈｅ ＣＡＢ ｏｆ Ａ Ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ Ｖｅｇｕｃｋｅ． ＮＨＴＳＡ Ｒｅｐｏｒｔ Ｎｏ．Ｄ０Ｔ—ＨＳ一８０５－９７８．１９８１． ２ ＶＶＦＳ ２００３：２９．Ｖａｇｖｅｒｋｅｔｓ ｆ￣ｒｅｓｋｒｉｌｆｅｒ ｏｍ ｎａｔｉｏｎｅｌｌｔ ｔｙｐｇｏ－ （责任编辑帘青） ｄｋａｎｎａｎｄｅ ａｖ ｓｙｓｔｅｍ，ｋｏｍｐｏｎｅｎｔ ｏｃｈ ｓｅｐａｒａｔ ｔｅｋｎｉｓｋ ｅｎｈｅｔ． 修改稿收到日期为２０１０年９月１日 ２０１０年第１０期 ５３— ．试验．测试． 轮速计算。 聃 轮速测量 — 】轮速处ＥＣＵ Ｈ亘卜理装置 【ＨＬ凹 ｕ Ｉ图１ 轮速测量装置原理示意 ３轮速信号采集方法与精度分析 常用的轮速信号采集方法有频率法【３Ｊ和周 期法【３】。下面对２种方法进行分析。 ３．１频率法 所谓频率法就是测量单位时间内轮速脉冲的个 数，以求得轮速 ，即 ＵＩ－（２ａＴｒ／ｚ）（Ｍ／ＡＴ） （１） 式中，ｒ为车轮半径； 为齿圈齿数； 为频率信号输 出脉冲个数：△ 为测量时间间隔。 ’ 由于确定系统的２１Ｔ 为常数．所以轮速误差 主要受厂频率＝ 『△ 的影响，频率法测量原理如图２ ．所示。 频率信号脉冲ｒ］ｒ］ｒ］门厂１广］厂］几ｎ 测量时间间隔一．Ｌ…一…一．垒！…一一．１…． 采样脉冲个数 ｒＩ］厂］厂］口广］皿Ｉ啊］ ・ ． — —— ！ ————————— 图２频率法测量原理示意 由ｆ频率＝Ｍ／ＡＴ推导得： ｄｆ／ｆ＝ｄＭ／Ｍ－ｄＡＴ／ＡＴ （２） 由式（２）可知，频率测量误差来自于时基误差 ｄＡＴ／ＡＴ（￣量时间间隔的相对误差）及计数误差ｄ 。因时基误差通常用微机石英晶体振荡器定时，可 保证在１０ 以下．所以此项误差可忽略。计数误差 即所谓±１个误差．图３为计数误差示意图。 测量时间间隔厂——————］ 输入信号 ｎ几几ｎ ｎ ｎ ｒ］！ 输入信号 』 几ｒ］ｒ］厂］几厂］ ｒ］ ＝卜 图３脉冲计数的计数误差示意 采用频率法测量时的误差主要来自脉冲个数 的±１个误差．因此当轮速较低时该方法计算误差较 大．所以ＡＢＳ轮速计算中很少单独采用频率法。 ３．２周期法 所谓周期法就是用时标充填的方法测量轮速脉 冲周期（图４），然后计算出轮速 ：： 秽２＝（２ｖｒ／ｚ）（１／Ｔ） （３） 同理．因２７ｒｒ／ｚ为常数。所以轮速计算的误差分 析换算成对频率ｆ周期的误差分析： 一５４一 ｆ￣＝ｌ／Ｔ＝ｌ／Ｍｌ＂ｒ （４） 式中， 为时标信号周期； 为时标信号脉冲个数； 为被测周期。 时标脉冲 频率脉冲 周期计数然 厂］ ｝———————————————————————————— 厂］厂 图４周期法测量原理示意 由式（４）推导得： 一ｄ ｄ ｄ １／Ｍ１＋ｄｚ／ｒ （５） 与频率法一样．时标精度误差ｄ１＂／ｒ也可忽略， 即此计算方法的误差主要是时标信号脉冲计数产 生的±１个误差 当轮速较低时，利用周期法进行轮 速计算误差较小．即周期法只能保证低速时的轮速 计算精度．所以ＡＢＳ轮速计算中也很少单独采用 周期法 ４ 自适应的轮速信号采集方法 综合考虑以上２种轮速信号采集方法．设计了 一种采用采样周期可变的采集方法——自适应轮速 信号采集方法 该方法在保证各频带轮速计算精度 的同时．兼顾控制的实时性．较好地克服了频率法和 周期法的局限性 ４．１ 自适应的轮速信号采集方法原理 自适应的轮速信号采集方法．是通过测量变化 的采样周期内的轮速脉冲个数（图４）求得轮速值 Ｖ３： ＝（２盯ｒ／ｚ）（Ｎ／ ） （６） 式中，Ⅳ为完整脉冲个数； 为Ⅳ个完整脉冲所经 历的时间 实际中．利用定时中断实现每个采样周期的精 确定时．该采集方法的关键是在采样周期的初始时 刻读取轮速捕捉模块中存储的Ⅳ和 。每个轮速 输入捕捉通道中具有独立的脉冲累加器和计数器 输入捕捉寄存器．可同时进行轮速脉冲的累加和系 统时间的计数 高速（脉冲频率大于３５０ Ｈｚ）时的自适应采集 法原理如图５所示 频率脉冲信号 测量时间间隔Ｉ △ 采样脉冲个趣Ｅ二 二］：』互 ： ①ｌ：② ③㈠④ 图５ 自适应采集法原理（高速）示意 汽车技术 ・试验・测试・ 图５中．①处脉冲上升沿（或下降沿）触发捕获 取代真实脉冲时间所造成的时间误差。 单元寄存器的数据更新，得到此时的脉冲个数为 频率脉冲信曼 ｎ ｎ ｎ ｎ ｒ【几几ｎ ｎ目ｎ ｎ ｎ ｎ口 ，系统时间为 ；②处时进入新的控制周期，此时 测量时间间隔厂 ＡＴ广 首先进行通道寄存器数据读取，并计算上一时刻的 ｒ———■——］———二 脉冲时间，将 、 分别保存在设定的全局变量中， 采样脉冲个数 ｌ［二 ：ｉ 并对脉冲累加器清零；③处脉冲下降沿触发通道寄 图７ 自适应采集法原理（低速）示意 存器数据更新．得到此时的脉冲个数为Ⅳ。，系统时 间为 ；④处进入新的控制周期，读取Ⅳ 和 数 ５仿真结果 值．此时进行计算的脉冲个数Ｎ＝Ｎ ，完整脉冲时间 采用自适应轮速采集方法．在模拟车型轮速试 ＴＲ＝ 一ｒ，２。 验台上进行轮速采集试验．从误差、精度和响应速度 在中速ｆ脉冲频率大于１００ Ｈｚ，小于３５０ Ｈｚ）的 ３个方面进行分析 设定改变采样周期的分界频率 情况下（图６）。若还采用原同定采样周期（①和②） 为３５０ Ｈｚ．频率测量法和周期测量法的分界频率为 采集则精度较低．此时可将固定采样周期△ 延长 １００Ｈｚ。 为△ （③）．在△ ，时间内可采集到更多的完整脉冲 自适应轮速采集的软件流程如图８所示。 信号．从而提高计算精度。 频率脉冲信曼ｉｎ ｎ ｎ ｎ ｎｎｎｌ门ｎ ｎ ｎ ｎ ｎｆ１ｆ１ —— ．．．．．．．．，， 测量时间间隔＿Ｊ ＡＴ Ｉ垒！：ｌ ＡＴ 一Ｌ一 上一 —Ｌ— ｉ采样脉冲个数一ｉ Ｕ ．Ｌ 一 图６ 自适应采集法原理（中速）示意 在低速ｆ脉冲频率小于１００ Ｈｚ）时可能出现１ 个控制周期内采集不到脉冲的情况。如图７所示， 图８ 自适应采集法软件流程不意 在①到②的采样周期内没有捕捉到一个上升沿或 汽车起动后其车速在０～１５０ ｋｍ／ｈ之间变化．若 下降沿．此时不可能通过无限增加采样周期来得到 半径ｒ：０．５２ ＩＴＩ．齿数 ＝１００。则脉冲频率的变化范围 完整的波形．但可用周期法来采集轮速信号：在ａ 为０～１ ２７５ Ｈｚ 选取自适应轮速采集方法起始采样 处捕捉到上升沿．触发中断，记录寄存器的信息；当 周期 为１０ ｍｓ．由内部定时器作为时间基准进行 再次捕捉到下降沿信号（ｂ处）时再次触发中断，并 计时 考虑在轮速较低时产生的脉冲个数少，为了 记录寄存器的信息．这样即可计算出一个完整的方 提高采集精度．采用增大采样周期的方法来采集脉 波信号周期．进而计算出轮速。 冲信号：轮速更低时改用周期法测量。 ４．２精度分析 表１为不同采集方法得到的部分试验数据 由于自适应采集法采集的轮速是由完整的轮速 对表ｌ中的试验数据进行误差分析．结果如图 脉冲个数Ⅳ和Ⅳ个脉冲所经历的时间 计算而 ９所示。 得．因此不存在脉冲个数的±１个误差．也不存在ＡＴ 由图９可看出．当实际脉冲频率＞３５０ Ｈｚ时．采 表ｌ不同采集方法得到的部分试验数据 车轮脉冲频率／Ｈｚ ２０ ５０ １００ ３００ ３５０ ４００ ６００ ８００ １ ０００ １ ２００ 理论计算车速／ｋｍ．ｈ－： ２．３５２ ４ ５．８８１ １ １１．７６２ １ ３５．２８６４ ４１．１６７４ ４７．０４８ ５ ７０．５７２ ８ ９４．０９７ １ １１７．６２１ ０ １４１．１４６ ０ 测得 周期法 ２．３５２ ６ ５．８８２ １ １１．７１４ １ ３５．２６０ ３ ４１．１５０ ８ ４７．０２９ ７ ７０．４５３ １ ９３．８７９ ２ １ｌ８．８０９ ０ １４０．０８６ ０ 车速 频率法 × × １２．３２２ １ ３５．２２９ ５ ４０．３２６ ８ ４７．０４８ ５ ７０．５７１ ４ ９４．０９７ １ ｌ１７．６２１ ０ １４１．１４６ ０ ／ｋｍ．ｈ一 自适应轮速 信号采集法 ２．３５２ ８６ ５．８８１ ３３ １１．７６４ ７０１３ ３５．２８７ １０ ４１．１６７ ４０ ４７．０４８ ３０ ７０．５７３ １Ｏ ９４．０９７ ｌ０ １１７．６２１ ０Ｈ０ １４１．１４６ ０１３ 周期法 －０．０００ ２ －０．００１ ０ ０．０４８ ０ ０．０２６ １ ０．０ｌ６ ６ Ｏ．０１８ ８ ０．１１９ ７ ０．２１７ ９ —１．１８８ ０ １．０６０ ０ 误差／ 频率法 Ｘ × －０．５６００ ０．０５６ ９ ０．８４０ ６ ０ ０．Ｏ０ｌ ４ ０ Ｏ ０ ｋｍ．ｈ一 自适应轮速 信号采集法 一Ｏ．０００ ４６ －０．０００ ２３ －０．００２ ６０ ０．０００ ７０ Ｏ ０．０００ ２０ －０．００１ ３０ ０ ０ ０ 注：×表示不能测量。 ２０１０年第１０期 ．试验．测试． 用频率测量法采集误差较小，精度（±０．１３％）较高：当 １００ Ｈｚ＜实际脉冲频率＜３５０ Ｈｚ时．仍采用高速的固 定周期采集数据已不准确．这时可通过延长采样周 期来减小误差，此时测量精度约为±０．０７％：当实际脉 ｇ 【＿ ｇ 制 ∞ ∞ 如 加 Ｏ 冲频率＜１００ Ｈｚ时．采用周期测量法采集轮速误差 较小。测量精度达±Ｏ．１％：当采用自适应的轮速采集 ０ 方法时，在全车速范围内误差均降低．在保证精度的 时间／ｓ 前提下拓宽了测速范围 （ａ）高附着路面 １ 一频翠蒯量｛去 １ 一周期测量法 ０ ● ｝ ＿吕 气． ＼ ＼一自—・—１适应轮速采 集法 ／／ ／ ０ 时间／ｓ １ ｜ Ｉ／ 一 一Ｖ （ｂ）低附着路面 １ Ｉ ， ｌ ＿ Ｉ 图１１ 自适应轮速信号采集方法的路试结果 频率／Ｈｚ 图９不同采集方法的误差曲线 ６ 结束语 为进一步证明自适应采集法的采集精度．利用 分析了轮速采集的传统方法．总结了频率法和 研发的ＡＢＳ控制算法对自适应采集法进行路面试 周期法的优点及局限性．设计了轮速自适应采集方 验验证．试验工况分别为高附着系数路面和低附着 法。通过ＡＢＳ道路试验可知，无论高速、中速还是低 系数路面。对应的制动初速度分别为５５ ｋｍ／ｈ和３５ 速工况下。自适应轮速信号采集方法均能有效、准确 ｋｍ／ｈ的ＡＢＳ制动．路试结果如图１０和图１１所示。 地采集整个制动过程的轮速信号。具有算法简单、运 由图可看出．未采用白适应轮速采集方法时．当车速 算量小、易于嵌入式系统实现的特点。 低于１０ ｋｍ／ｈ时．采集到的轮速出现很大的波动，甚 参考 文 献 至采集不到轮速信号或出现错误的轮速信号：而采 １ 肖忠强韩以伦．车用防抱死制动系统的研究．公路与汽运． 用自适应轮速采集方法时．在全速范围内均能采集 ２００５（４）：７￣１０． 到准确的轮速信号 ２ ＭａｒｊａｎＶｏｔｔ．Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｅｓｔｉｍａｔｉｎｇ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｓｐｅｅｄ ａｎｄ Ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｔｒａｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ａｎｔｉ Ｓｋｉｄ Ｂｒａｋｉｎｇ Ｃｏｎｔｗ１． ＩＥＥＥ Ｊｕｎ １９９４． ３刘训忠，王一玲，夏群生．汽车防抱死制动系统（ＡＢＳ）轮速算 法研究．汽车电器．２０００（１）：７－１０． ４孙晓丹．王旭东．汽车防抱死川动系统联合法轮速采集．黑 龙江水专学报，２００６（４）：１０５～１０７． （责任编辑文楫） 时间／ｓ 修改稿收到日期为２０１０年５月５ １３。 （ａ）高附着路面 时间／ｓ （ｂ）低附着路面 图１０未采用自适应轮速信号采集方法的路试结果 一５６一 汽车技术