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标准底盘的防侧倾和侧向稳定性控制
摘要：本文介绍了一种可以预防车身侧翻并提高车身稳定性的标准底盘控制方法。定义侧翻指数（RI），表示被侧倾状态检测器检测到的即将发生的侧翻。侧翻控制器是基于RI/侧向稳定性，通过整合电子稳定控制系统（ESC）和连续制动控制系统（CDC）来减轻因为缺乏车身侧向稳定性而带来的侧翻风险。根据仿真结果显示， UCC系统可以显著提升车身的抗侧翻能力和车身侧向稳定性。
关键词：侧翻状态检测，翻滚指数（RI），侧翻减轻（ROM）控制，标准底盘控制（UCC），车身侧向稳定性，车身侧翻。
专有名称
alpha; 中心到前轴的距离
alpha;y 汽车横向加速度
alpha;y，c 临界横向加速度
alpha;y，m 传感器横向加速度
b 质心到后轴的距离
bs 悬架阻尼系数
g 重力加速度
hroll 侧倾轴高度
iril 左右阻尼的电流输入
ks , kt 悬架和轮胎的刚度系数
m 汽车总质量
ms，mu 汽车悬挂和汽车弹簧的质量
nay ,ngamma; 传感器的横向加速度/横摆率
rwf , rwr 前轮/后轮有效半径
t 胎面（轨道宽度）
vx , vy 车辆的纵向/横向速度
vx,des 预期的汽车纵向速度
zs ,zu 弹簧/非簧载质量的垂直位移
Cf , Cr 前/后轮胎侧偏刚度
Croll 组合侧倾阻尼系数
Fx 轮胎纵向力
Fxf , Fxr 前后轮的轮胎纵向力
Fyf , Fyr 前后轮轮胎侧向力
Fsl , Fsr 左右减震器阻尼力
Fzf , Fzr 前后轮垂直力
Ix1对侧倾轴的惯性矩（在前车轮离开地面前）
I z 横摆轴转动惯量
K Bf , K Br 前轮/后轮制动增益
K roll 组合侧倾刚度系数
M phi; 直接侧倾力矩
M z 直接横摆转矩
P Bf , P Br 前/后轮制动压力
beta; 侧滑角
delta;f 轮胎转向角
phi;,phi; 滚转角/线速度
phi; th , phi; th 滚转角速度/线速度的阈值
gamma; 横摆角速度
gamma;d 预期横摆角速度
引言
汽车侧翻是交通运输领域的一个严重问题，虽然汽车侧翻只占交通事故的一小部分，但是却有着与之不相对称的高受伤率。[1]在2002年损坏的1100万辆轿车，包括运动型多用途车，皮卡，面包车，只有百分之三的事故是由汽车侧翻造成的，但是33%的乘客死亡是由侧翻造成的。[2]为了帮助乘客了解汽车侧翻的可能性，国家公路交通安全管理局（NHTSA）提出了滚动阻力的评级程序。这个程序使用静态稳定因数（SSF），静态稳定因数由道路宽的一半与质心高度之比来定义。
但SSF已经被汽车行业所质疑，因为它不考虑汽车动挠度，轮胎牵引力和汽车动力学控制的影响。因此，国家公路交通安全管理局在2002年发布了另一个暂行的动态侧翻测试程序。[3] 防侧翻系统可以划分为两个阶段[ 4 ]侧翻可能性的检测和减震控制算法的发展。在车辆侧翻检测的早期研究中，采用了静态侧翻阈值的概念。但是这是唯一有用的稳定状态，这个领域的许多研究已经被完成了。陈，彭，Ungoren和chen提出预估侧翻发生时间并且通过差动制动直接控制横摆力矩。汉斯等人介绍了一种基于侧翻检测器的侧翻指数。杨先生和柳先生也介绍了一种由汽车质心高度，翻转能量，轮胎纵向力影响组合定义的RI。Kim等人基于一个简单的物理模型提出了两种侧翻标准——转动动能和初始动能。Yoon等人提出了一种RI指数，它可以表示发生侧翻的风险并通过一个电子稳定控制系统（ESC）来降低RI指数的侧翻减轻控制系统（ROM）。
在本论文中，一种标准底盘控制系统（UCC）被提了出来用来防止车身侧翻并提高汽车的侧向稳定性，用之前提到的侧翻指数RI来说明侧翻的风险。RI提供了一个即将到来的侧翻危险的评估，这种评估的结果可以作为预防侧翻的基础。因为计算RI必须知道侧偏角，侧偏角速度，所以设计了一个基于侧翻状态的检测器，这个检测器即使在移动或者有道路干扰是也能很好的检测侧翻状态。RI /侧向稳定的ROM控制器的设计是为了防止车辆侧翻，并且，通过集成ESC和CDC来改善车辆横向稳定性。使用车辆动力学软件对UCC系统进行计算机模拟评估。模拟在一个开环的“正弦停留”和一个闭环DVC系统的条件下来测试验证UCC系统的性能。
II. RI
在本文中RI是被用来检测即将发生的侧翻，因为计算RI需要横摆角和横摆角速度，所以引入了一个基于横摆角速度的检测器。
- RI
RI是表明侧翻危险的一个没有量纲的数。它是由横向加速度，横摆角，横摆角速度计算得到，他的临界值由汽车的几何形状所确定。
其中C1,C2,k1为常数，这些常数是根据各种情况下汽车的模拟研究所确定的。形状的功能取决于车辆的参数，如临界横向加速度和临界侧倾角。在本文中临界侧向加速度是由侧向最大加速度所定义的，侧向最大加速度是指在稳态的干燥路面上一车轮开始打滑之前所能达到的最大加速度。在不同的情况下分析侧平面用侧向加速度和以下的横摆横摆动力模型来定义临界横摆角和临界横摆角速度。
车辆的侧倾动力学由两个不同的运动方程表示（2），取决于轮胎与地面的接触等，如前后轮腾空，他假定横向加速度设置在临界加速度。当车轮腾空时，函数将被协调。对RI的详细描述在之前的研究中也被提及了。
Ri的提出是使用了MANDO公司（一家韩国的汽车公司）的汽车数据，需要注意的是本文所使用的数据并不是基于RI控制实验的数据。换句话说MANDO公司的算法和本文提到的算法是不同的。基于这个原因，实验结果和预期结果有一些细微的差别。图. 2显示了汽车实验数据和RI的鱼钩试验数据。鱼钩试验是由NHTSA提出的动态侧倾实验，实验数据被用来评估汽车，鱼钩试验的步骤在图一中叙述了，使汽车试验行驶的道路像是鱼钩形状，所以这个实验被叫做鱼钩试验。
图2(a)显示了两个试验的转向角时间历程，在不控制和控制的两种情况下，入口速度分别为43.2 和 45.6米每小时。只有在45.6米每小时的情况下汽车稳定控制系统起作用。在两种情况下都有一个或两个车轮腾空，并且RI指数都增加了。
- 基于翻滚状态的测量器
在检测翻滚时当计算RI时需要知道侧偏角，侧偏角速度和横向加速度。横向加速度可以很轻松的从装备了ESC系统的车辆上测量得到。但是需要额外的测量器来测量侧偏角和侧偏角速度，直接测量侧偏角和侧偏角速度将会十分困难并且十分昂贵。在UCC系统中，通过集成ESC和CDC这两种传统的控制模块形成的集成传感器来计算侧偏角和侧偏角速度。侧偏传感器是用来测量侧偏角和侧偏角速度的。
车身侧倾运动通常是因为驾驶员的操作不当和道路的干扰造成的。在本论文中，基于横向动力学模型和垂直向动力学模型设计了侧倾状态检测器，来检测侧倾角和侧倾角速度。本检测器通过使用转向角，侧向加速度，横摆加速度和悬挂质量和非悬挂质量的垂直方向加速度等检测信号进行检测。这些检测可以再装备了ESC和CDC系统的车辆上进行。基于横向动力学的检测器和基于垂直方向的动力学检测器显示，在存在驾驶员操作和道路干扰的情况下也能有好的表现。因此，结合横向模型检测和垂直向模型检测，一个道路干扰被减弱的侧倾状态检测器被发明了出来。新的检测器可以在存在驾驶和道路干扰的驾驶状况下更好地测量侧倾角和侧倾角速度。在测量侧倾角速度的时候汽车质量，侧偏刚度也是十分重要的汽车参数。此外，由于汽车质量与乘客的数量和载荷有关系所以测量侧倾角速度的检测器并不那么可靠。因此，我们通过一个简单的自适应规律设计了一个汽车质量的自适应算法。图3就展示了侧倾加速度测量器的原理图。基于横向动力学的检测器是用来检测由于驾驶引起的侧倾角速度，一个两轮模型和2D侧倾模型被用来设计这个检测器。测量包括了由ESC测量得到的侧向加速度和横摆角速度。测量如下：
x, u, A, B, C,和 D在下一页的末尾定义
只有考虑驾驶操作输入时，基于侧向的侧倾角速度检测器运行良好。但是，当侧倾角和侧倾角速度被低估时，基于侧向动力学的检测器表现差。所以只用基于侧向动力学基础的测量器来检测侧倾角和侧倾角速度是不充足的。
道路干扰也会通过底盘和弹簧和悬架来引起侧倾运动。因此这个基于垂直方向的侧倾角速度测量器被设计到用来检测由路面干扰所引起侧倾角速度。这个四自由度半车身是被用来设计基于垂方向的检测器。而基于垂直方向动力学的测量的测量信号是由前左和前右方向的悬挂质量和非悬挂质量的垂直方向加速度决定的。由于非悬挂质量的垂直方向加速度很容易从一个装备了CDC模块的传统汽车上测得，所以装备两个额外的检测器来检测垂直方向加速度，垂直方向加速度是被用来设计基于垂直方向动力学侧倾角速度检测器的悬挂质量的。为了确定状态方程，状态变量定义如下：
式中：
x1 , x3 左/右悬架的挠度
x2 , x4 左/右悬挂质量速度
x5 , x6 左/右轮胎的刚度
x7 , x8 左/右非悬挂质量速度
使用上述状态变量，状态运动方程如下
A, B w , w v , y,和 C在下一页给出了定义
在式（4）中系统输入是路面给车身的速度z rl 和 z rr。但他们是未知的干扰，为了设计以垂直方向动力学为基础的检测器，状态变量定义如下：
式中：
z1 , z3 左/右悬架偏角
z2 , z4 左/右悬架的速度
z5 , z6 左/右的悬挂质量的速度
z7 ,z8 左/右轮胎的偏角
通过重新定义的状态变量Zi，，系统的输入变为了像非悬挂质量加速度的可以测量的信号。通过重新定义状态变量，基于垂直方向动力学的侧倾角速度传感器设计如下:
式中L11-L42为卡尔曼增益
因为Z1-Z4这些状态变量可以表示为另外一个不同形式的方程，通过卡尔曼滤波器可以将这些状态变量和其他状态变量进行代数运算。这侧倾角速度用Z2，Z4，Z5和Z6来定义如下：
通过式（13）可知，侧倾角速度可以定义如下
式中Wc为截止频率。
基于侧向和横向的传感器只有在分别只有操作干扰或道路干扰影响汽车侧倾运动的情况下才可以良好的工作。因此，有必要整合这两个传感器来提高侧倾角速度传感器的工作性能。通过这个这两种基于不同原理的传感器可以很好的检测在同时具有操作和路面干扰的驾驶情况下的侧倾角速度。但是因为他们之间是有联系的所以不能够简单的将这两个传感器加起来。驾驶操纵是基于侧向动力学的检测器的主要输入，二路面干扰是基于垂直方向动力学传感器的主要输入。但是当这两种干扰同时存在的时候，每一个检测器都会受到这两个变量的影响，就像图4显示的一样。
通过图4中A和B的组合收益可可知，通过路面干扰的静态频谱分析结果如下：
其中和是通过基于侧向和垂直方向动力学检测器分别检测的操纵引起的侧偏角。phi; L2 和phi; V 2是通过基于侧向和垂直方向动力学检测器分别检测的路面干扰引起的侧偏角。
为了验证侧倾角速度的性能，NHTSA设计了一个带有道路干扰的鱼钩试验。图（5a）显示了转向角的
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资料编号：[137063]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
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