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车辆动态稳定性的多级控制
摘 要：目前的车辆动态稳定性控制系统主要集中在横摆稳定性上，不能为重心升高的车辆提供足够的横摇稳定性。在临界转速过程中，由于侧倾运动引起的轮胎垂直力的变化，不仅会引起侧倾事故，还会影响横摆稳定性。本文研究了采用差动制动和半主动悬架的车辆动态稳定性综合控制问题。具体来说，该综合控制系统是按照两级层次结构进行的。上层控制器是协调控制器，用于协调两个下层控制器，即差速制动控制器和半主动悬架控制器。整个系统是基于先前工作中提出的车辆组合动力学模型。它既能保证横摇，又能保证横摇的动态稳定性，从而达到防侧翻和防滑的目的。
关键词：集成控制；分级控制；翻车；防滑
- 引言
交通事故和交通拥堵已成为经济发展乃至政治决策的主要阻碍。根据美国国家公路交通安全管理局（NHTSA）的调查，美国每年发生的事故超过600万起，其中近4万起为严重交通事故。都是由于不稳定或无法控制的转向操作而导致的正面碰撞、侧翻和打滑等原因，所以三种原因被认为是最危险的事故形式。具体来说，这些形式的事故占所有事故的90%以上[1]。
目前，汽车主动安全系统在改进系统控制理论的基础上为主动安全问题提供了一种有效的解决方案。文献[5]描述了一种基于车辆动态稳定控制理论的控制方法。并通过一组模拟结果对车辆动态稳定控制系统进行了定量分析和验证。
许多汽车传动系、制动、转向和悬架子系统的电子控制系统已经被掌握甚至商业化。因此，这种情况必然导致这些子系统之间的协调问题。众所周知，这些子系统是根据不同的目的和要求设计的，因此提出了综合控制的概念。在[4]中的工作设计了ABS、TCS和主动悬架控制系统的集成系统，实现了对所有垂直、横向和纵向运动的有效集成控制。文献[6]采用模糊控制实现主动悬架和转向子系统的综合控制。建立了基于严格转向操纵的动力学模型。在[7]中，针对整车控制建立了一个复杂的组合车辆动力学模型。
如上所述，翻车和打滑是造成事故的主要原因。因此，有助于提高车辆防侧倾和防滑事故的综合车辆动态稳定控制系统是主动安全技术的主要组成部分。横摇动力学和横摆动力学是耦合的。防侧翻功能是通过控制侧倾动力来实现的，而防滑功能是通过稳定偏航动力学来实现的。严重转向时，轮胎侧向力可能超过极限，导致打滑事故。轮胎侧向力不仅与路面附着系数有关，而且与轮胎垂直力有关。因此，车辆的垂直左、右轮胎都受到横向载荷传递率的影响，横向载荷传递率与车辆侧倾动力直接相关。
本文提出的综合控制系统不仅提高了防侧翻和防滑的整体功能，而且提高了系统的个体性能。本文的结构如下：第二节主要介绍了横摇动力学模型，建立了简化的动力学模型；第三节介绍了差动制动和主动防侧倾杆的方法以及综合控制系统的设计；第四节进行了模拟研究，并对模拟结果进行了比较，分析系统的性能和功能；最后一节总结
二、耦合振动模型
主动控制系统是基于高效的车辆动力学模型进行模拟和控制的。现有的控制设计动力学模型包括单轨模型、四分之一车模型、半车模型和全车模型等，本文在前人工作的基础上，建立了一套带有执行器模型的4自由度底盘模型，用于整车动态稳定控制[7]。
这种复杂的动力学模型虽然能够反映车辆的真实动态响应，但由于其高阶性和非线性，使得其设计和分析过于复杂。此外，当某些车辆参数不稳定甚至无法测量时，这种复杂的动力学模型不能实际满足实现要求。因此，对保持车辆运动进行了合理的简化和假设，适合于控制设计。
（一）复杂动力学模型的简化
由于模拟原始动力学模型的复杂性，为满足稳定控制系统的控制设计，应采取以下简化措施：
1）假设车辆横摇角、横摆角和转向角较小（不超过plusmn;20°），即sin8 8、cos8 1（8表示横摇角、横摆角或转向）。角度）；
2）假设横滚角、横滚速度或横摆速度较小，则高阶的乘法为无穷小，可忽略不计。以横摇运动为例，如果横摇角和横摆速度很小，那么
在这种情况下，横摇运动和横摆运动的耦合不影响横摇运动。因此，在控制设计中，原方程中的耦合项应忽略不计；
3）在控制设计阶段，应根据拟线性模型计算轮胎力。也就是说，轮胎的纵向和横向力与轮胎的滑移率和滑移角成线性关系。因此，本文选择了基于半经验方程的HSRI轮胎模型。
公式中，fr和fs分别是轮胎纵向力，和是纵向刚度和横向刚度，a是方程式（2）中提到的轮胎滑动角。h是一个系数，定义如下
如上所述，HSRI轮胎模型是一个应用轮胎双向刚度意义上的线性模型。然而，系数h描述了轮胎的非线性，与实际的轮胎力响应曲线相匹配。因此，它的简化计算和实际表示对于控制设计是非常有效的。
（二）车辆动力学模型
为了简化对这项工作的研究，假设道路平坦，且附着系数已知。此外，忽略垂直和纵摇运动，保持车辆的纵向、横向、横摇和横摆运动。根据前文[8]提出的建模方法，将4自由度复杂动力学模型简化为：
该简化动力学模型可有效地用于控制设计。它反映了车辆横摇运动与横摆运动的耦合动力学关系。此外，还揭示了它们对纵向和横向运动的影响。
三、复杂动力学模型的简化
汽车的行驶安全性与车辆的稳定性密切相关，主要取决于横摇动态稳定性和横摆动态稳定性。偏航动态稳定性的损失将导致转向不足或转向过度问题。相比之下，滚转动力稳定性的损失会导致滚转事故。本文提出了一种高重心车辆的综合动力稳定性控制系统，主要研究了车辆的综合动力稳定性问题。
综合控制体系结构：
图1 系统架构
综合控制系统采用层次结构，由两级控制器组成，即高、低两级控制器。对于车辆横摆和横摆动态稳定性，高阶控制器是一个协调控制器，输出所需的横摆力矩和所需的横摆力矩，由低阶控制器作为输入。下层控制器负责产生轮胎的单独制动压力和磁流变阻尼器（即阻尼系数实时变化的磁流变阻尼器）的电流。
如图一所示，通过SAE 11939通信链路与车内其他MCU相连的高级控制器可以从数据库中读取驱动参数值，如车轮速度、横摆角速度、横摇角速度、横向加速度、转向角等，采用平滑滑模控制理论，可以输出所需的驱动参数值。横摆角速度、所需横摆角速度和侧滑角，以满足综合横摆和横摆动态稳定性所需横摆力矩和横摆力矩的要求。下层控制器根据轮胎模型输出每个轮胎的制动压力，并根据车辆的侧倾动力学模型计算磁流变减振器的电流。
（一）基于差速制动和半主动悬架的控制策略
通常，差速制动使用电磁阀调节器单独改变每个轮胎的制动压力，以产生所需的横摆力矩。它可以保持偏航动态稳定性（防止“漂移”和“旋出”），并在严重的转向操作中部分提高侧倾动态稳定性（防止侧翻）。增加左制动压力，可产生逆时针偏航力矩。同样，增加右制动压力，可以产生顺时针偏航力矩。
图2 控制策略
打滑事故的原因包括转向不足和转向过度。当转向不足时，应先制动内后轮，以产生“正确”的横摆力矩，防止“漂移”，而当转向过度时，应先制动外前轮以防“打滑”。半主动悬架，尤其是磁流变减振器，目前正应用于某些车辆，获得通过调节悬架的阻尼系数而产生的理想的防侧翻控制力矩。通过对主动悬架比较，发现由于机械动力的耗散，主动悬架更为实用。
差速制动已应用于车辆稳定性控制系统（VSC/ESP）设计多年。为了提高车辆的横摆稳定性，通常将其应用于横摆动力学控制中。根据下面的模拟结果，采用差速制动部分改善了辊系的动态稳定性。然而，保持滚转动态稳定性是不有效的。
半主动悬架能直接有效地保持滚动动力稳定性。当侧翻状态临界接近时，将产生所需的防侧翻扭矩，将车辆拉回到平衡状态。
综合运用差速制动和半主动悬架，综合控制系统能有效地保持综合动态稳定性，模拟结果可证明。
四、模拟结果与分析
以某型客车[8]为例，利用Matlab/Simulink建立了车辆横摇耦合动力学模型，利用鱼钩效应和J型转弯（见图3）转向操纵对控制系统进行模拟。
图3 鱼钩（a）响应（b）动作
本文采用对这些机动的动力响应，比较分析了这类客车在无控制和有控制情况下的性能。如图4所示，在鱼钩效应【此处暂译为鱼钩效应，具体内容附图文末】的刺激下，传统的无控客车侧倾运动不稳定，而有控客车侧倾运动稳定。此外，如图4的第三个模拟所示，在差速制动下，横摆动态稳定性也得到了改善。
同样如图5所示，在J-TUM的刺激下，没有控制和有控制的总线的响应是完全不同的。集成的车辆动态稳定性控制系统可以保证车辆的横摇稳定性
图4 鱼钩动作的响应（a）不受控制的响应；（b）受控制的响应
图5 J-turn动作的响应（a）不受控制的响应；（b）受控制的响应
五、总结
在前期工作中建立了组合车辆动力学模型，并对该控制设计进行了简化。将差速制动与半主动悬架相结合，设计了基于光滑滑模控制技术的控制系统。通过对上述鱼钩和J型转弯操纵的模拟，综合车辆动态稳定控制系统可以防止车辆在极端转向操纵过程中发生侧翻和打滑事故，保证行驶的稳定性和安全性。
六、感谢
本研究由武汉理工大学资助，获得“中央大学基础研究基金”（编号：20 10-IV-026）。感谢加州大学伯克利分校加利福尼亚径分校的Xiao-Yun Lu博士、Kang Li 博士和斯普林博士对组合动力学模型、集成控制方法和软件体系结构提出的良好建议。
七、参考文献
[1] NHTSA, Traffic Safety Facts, DOT HS 810 631, US Department of Transportation, Washington, D.C.
[2] Zhang, G., 'Research on vehicle dynamic stability control based on sliding mode control', Ph.D Dissertation, Hefei University of Technology, 2008. (In Chinese)
[3] Rao,V. G., et aI., 'Encapsulated Path Planning for Abstraction-Based Control of Multi-Vehicle Systems', Proc. of the 2006 American Control Conference, Minneapolis, Minnesota, USA, June 14-16,2006.
[4] Cherouat, H. 'An Observer and an Integrated Braking/Traction and Steering Control for A Cornering Vehicle', Proceedings of the American Control Conference, Portland, Oregon, USA, 2005.
[5] Wang, S., Chen, L, Yuan, c., 'Simulation research on the integrated control of vehicle semi-active suspension and power steering', Journal of Automotive Engineering, China, 2009(11). (In Chinese)
[6] Lu, x.-Y., Hedrick, lX., 'Impact of combined longitudinal, lateral and v
资料编号：[3258]
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