基于車輛動態(tài)控制的防側(cè)翻方法分析研究

張東珉，劉洪亮，趙永坡，張 凱

（長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北省汽車工程技術(shù)研究中心，保定 071000）

基于車輛動態(tài)控制的防側(cè)翻方法分析研究

張東珉，劉洪亮，趙永坡，張 凱

（長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北省汽車工程技術(shù)研究中心，保定 071000）

本文基于49CFR Part 575法規(guī)對車輛防側(cè)翻評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行初步探索，并利用CarSim軟件建立具有高質(zhì)心特性的SUV車輛模型，對車身、制動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、輪胎及懸架等子模塊進(jìn)行了定義，完成非線性動力學(xué)模型的建立，結(jié)合汽車動態(tài)控制系統(tǒng)，建立車輛防側(cè)翻控制策略，同時(shí)，利用CarSim與Matlab/Simulink進(jìn)行聯(lián)合仿真，模擬SUV在極限工況Fishhook環(huán)境下的工作情況，驗(yàn)證防側(cè)翻的作用效果，結(jié)果表明：防側(cè)翻策略有效的減小了側(cè)向加速度，使得車輛的抗側(cè)翻能力有所增強(qiáng)，汽車的安全性與穩(wěn)定性得到了有效的保證，為實(shí)車試驗(yàn)提供科學(xué)依據(jù)。

動態(tài)仿真；側(cè)翻；汽車電子穩(wěn)定系統(tǒng)；控制方法

依據(jù)美國公路交通安全管理局（NHTSA）對車輛事故的調(diào)查統(tǒng)計(jì)，車輛側(cè)翻所造成的危害高居于第二位，其危害的程度僅僅低于車輛碰撞[1]。福特公司Jianbo Lu等[2]利用傳感器信息估計(jì)車輛側(cè)傾狀態(tài)，增強(qiáng)了ESP系統(tǒng)的側(cè)翻控制功能。中國在汽車主動安全方面也進(jìn)行了研究，主要是面對側(cè)傾穩(wěn)定性問題，通過對質(zhì)心側(cè)偏角和橫擺角速度進(jìn)行聯(lián)合控制，并利用主動懸架與主動橫擺穩(wěn)定性等方法進(jìn)行了避免側(cè)翻控制的仿真研究[3,4]。

由于車輛發(fā)生側(cè)翻危險(xiǎn)的信息很難得到，開展大量的真實(shí)試驗(yàn)價(jià)格又很昂貴，因而仿真分析成為研究側(cè)翻的首選。本文利用CarSim建立非線性動力學(xué)車輛模型，與汽車動力學(xué)穩(wěn)定性控制要求相結(jié)合，完成防側(cè)翻控制策略的設(shè)計(jì)，同時(shí)與Simulink進(jìn)行聯(lián)合仿真，通過對Fishhook的仿真分析，驗(yàn)證了車輛側(cè)傾運(yùn)動的控制效果，為實(shí)車試驗(yàn)提供參考。

1 動力學(xué)建模

1.1 CarSim整車模型

以某SUV作為仿真車型，使用多體動力學(xué)軟件CarSim進(jìn)行Fishhook建模仿真分析。為了使得動態(tài)仿真精度滿足車型的側(cè)翻要求，需要建立與實(shí)際車輛行駛情況更加接近的動力學(xué)整車模型，。由于車輛側(cè)翻工況的極限性，需考慮各子系統(tǒng)模型（懸架、轉(zhuǎn)向、制動及路面情況）非線性對整車動力學(xué)的影響。本文利用CarSim面向性能參數(shù)化的特點(diǎn)，建立了整車的動力學(xué)模型，其中前懸架為獨(dú)立懸架、后懸架為非獨(dú)立懸架，。同時(shí)，為了考察側(cè)翻的情況，建立了較高的質(zhì)心高度，并設(shè)置了車身系統(tǒng)、制動系統(tǒng)（簡單模型）、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)（四驅(qū)）以及懸架系統(tǒng)等子模型，未考慮汽車空氣動力學(xué)的因素，完成動力學(xué)非線性整車模型的建立，進(jìn)行側(cè)翻傾向動力學(xué)建模仿真分析。整車仿真主要參數(shù)如表1所示。

表1 仿真模型主要參數(shù)

1.2 輪胎模型

車輛穩(wěn)定性的控制是通過輪胎力的調(diào)整進(jìn)行實(shí)現(xiàn)的，因此建立一個(gè)精度和復(fù)雜程度合適的輪胎模型，是解決車輛穩(wěn)定性仿真研究的基礎(chǔ)。Magic Formula模型是一種輪胎的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，它利用三角函?shù)進(jìn)行相互組合，完成輪胎數(shù)據(jù)的擬合，實(shí)現(xiàn)輪胎六分力的表達(dá)。本文采用“魔術(shù)公式”輪胎模型，其一般表達(dá)式為：

式中：Sv為輪胎靜摩擦系數(shù)；D為峰值因數(shù)；B為剛度因數(shù)；C為曲線形狀因數(shù)；E為曲線曲率因數(shù)，表達(dá)曲線最大值附近處的形狀；X為滑移率；Sv可 以理解為輪胎純滾動時(shí)的附著系數(shù)，一般定義其為0；D、B、C、E是相關(guān)的路面常數(shù)，不同的路面附著系數(shù)能夠通過改變這些參數(shù)形成。

2 防側(cè)翻控制策略

2.1 汽車穩(wěn)定性控制總體結(jié)構(gòu)

利用Matlab/Simulink建立控制仿真模型，其模型有很多子模塊組成，這樣，模型框圖可讀性較差，而軟件的封裝過程很好的解決了這個(gè)問題。本文依據(jù)汽車電子控制系統(tǒng)的工作過程和工作原理，建立ESP控制模塊、ABS控制模塊、制動系統(tǒng)模塊及Carsim整車模型，避免汽車側(cè)翻，整體閉環(huán)控制模型如圖1所示。

ABS控制模塊將左前輪、右前輪、左后輪、右后輪制動力傳遞給制動系統(tǒng)模塊，通過制動系統(tǒng)模塊計(jì)算，將各輪缸的制動壓力輸入給CarSim整車模型進(jìn)行制動；而ABS的輸入信號需要由整車模型和ESP工作模塊輸出給予，縱向車速、理想滑移率、各車輪角速度、ESP觸發(fā)信號以及ESP各車輪制動信號都將由整車模型的計(jì)算進(jìn)行輸出。當(dāng)車輛的滑移率達(dá)到某一門限時(shí)，ABS、ESP控制模塊會進(jìn)行識別是否起作用，由于本文考慮ESP對整車側(cè)翻的影響，因此，將制動要求信號設(shè)置為零。

2.2 ESP防側(cè)翻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

PID控制依據(jù)系統(tǒng)產(chǎn)生的誤差，利用比例、積分、微分對被控對象進(jìn)行控制，通過調(diào)整三個(gè)參數(shù)來達(dá)到滿意的效果。圖2是PID控制系統(tǒng)的基本原理圖，同時(shí)，表2給出了控制參數(shù)的整定大體原則。

表2 參數(shù)整定規(guī)則

研究對車輛側(cè)傾的影響，于是選擇對汽車側(cè)傾影響較大的側(cè)向加速度值作為輸入。另外，為了更加準(zhǔn)確的對車輛狀態(tài)進(jìn)行判斷，又增加了橫擺角速度進(jìn)行輸入。在車輛模型模塊中輸出側(cè)向加速度和橫擺角速度，利用差值對比模塊進(jìn)行差比，而后經(jīng)過各自的增益模塊，判斷電子穩(wěn)定系統(tǒng)的開啟與關(guān)閉。如果達(dá)到開啟的閥閾值，則進(jìn)行邏輯控制判斷，利用PID的控制方法對控制策略進(jìn)行分析，輸出對各個(gè)車輪的制動信號，控制汽車的運(yùn)動姿態(tài)，達(dá)到穩(wěn)定車輛的目的防止側(cè)翻發(fā)生。圖3是防側(cè)翻控制策略的執(zhí)行過程框圖。

這里電子穩(wěn)定系統(tǒng)的控制策略是為了研究對車輛側(cè)傾的影響，于是選擇對汽車側(cè)傾影響較大的側(cè)向加速度值做為輸入，另外，為了更加準(zhǔn)確的對車輛狀態(tài)進(jìn)行判斷，又增加了橫擺角速度進(jìn)行輸入。在車輛模型模塊中輸出側(cè)向加速度和橫擺角速度，利用差值對比模塊進(jìn)行差比，而后經(jīng)過各自的增益模塊，判斷電子穩(wěn)定系統(tǒng)的開啟與關(guān)閉，如果達(dá)到開啟的閥閾值，則進(jìn)行邏輯控制判斷，利用PID的控制方法對控制策略進(jìn)行分析，輸出對各個(gè)車輪的制動信號，控制汽車的運(yùn)動姿態(tài)，達(dá)到穩(wěn)定車輛的目的防止側(cè)翻發(fā)生。圖3是防側(cè)翻控制策略的執(zhí)行過程框圖。

3 仿真結(jié)果及分析

3.1 CarSim與Matlab/Simulink聯(lián)合仿真

CarSim與Matlab/Simulink有著很好的實(shí)時(shí)統(tǒng)兼容特性，對于車輛電控系統(tǒng)的動力學(xué)分析特別適合，。利用CarSim軟件建立實(shí)車模型，其中包括各個(gè)子系統(tǒng)的模型，更加符合實(shí)際車輛的行駛狀態(tài)。采用Simulink建立電控系統(tǒng)的控制模塊，其中ESP模塊以上已經(jīng)介紹，對于ABS模塊，需要對車身、制動系統(tǒng)以及ESP控制系統(tǒng)的輸出進(jìn)行綜合，最終輸出對各個(gè)制動車輪的制動壓力，以避免行駛車輛發(fā)生側(cè)翻狀況。CarSim與Simulink的聯(lián)合控制策略模型如圖4所示。

3.2 典型工況仿真分析

利用魚鉤試驗(yàn)對汽車高速瞬態(tài)轉(zhuǎn)彎特性進(jìn)行研究，汽車以80 km/h的速度沿直線行駛，到達(dá)穩(wěn)定后，以720 deg/s速度旋轉(zhuǎn)方向盤急速轉(zhuǎn)彎，保持200 ms，而后以720 deg/s的速度向相反方向轉(zhuǎn)動方向盤，保持3 s，最終方向盤慢慢復(fù)位。從圖5能夠看出各輪胎的垂直反作用力呈現(xiàn)“無窮”形狀，同時(shí)垂直反力的最大值到達(dá)10.98 kN，最小值降為0.7 kN，載荷的最大轉(zhuǎn)移率為83%。

從圖6可以看出ESP對車輛橫擺角速度穩(wěn)定性的控制很好。圖7中可以看出ESP在一定程度上對車輛的側(cè)向加速度有所減小，并保持穩(wěn)定。在圖8，圖9中能夠看出未加入ESP控制的車輛，在緊急轉(zhuǎn)向狀態(tài)下發(fā)生了車輛的側(cè)翻；而對于加入ESP控制的汽車，其有效的減小了車輛的側(cè)傾角速度和側(cè)傾角度，同時(shí)，避免了車輛的側(cè)翻。在Fishhook仿真工況下，電子穩(wěn)定系統(tǒng)對橫擺角速度和側(cè)向加速度進(jìn)行控制，有效的減小了車輛載荷轉(zhuǎn)移率，使得汽車的抗側(cè)翻能力有所增加；對于沒有ESP控制的車輛，當(dāng)汽車進(jìn)行第一次緊急轉(zhuǎn)向后，側(cè)向加速度就顯著提升，使得車輛無法穩(wěn)定行駛，進(jìn)入側(cè)翻傾向狀況，此時(shí)懸架側(cè)傾運(yùn)動已經(jīng)達(dá)到極限位置，而轉(zhuǎn)向持續(xù)進(jìn)行，導(dǎo)致車輛的內(nèi)側(cè)車輪被舉升而離開路面，汽車發(fā)生側(cè)翻。

4 結(jié)語

本文利用CarSim完成了非線性整車動力學(xué)模型的建立，并與Matlab/Simulink進(jìn)行聯(lián)合仿真，通過防側(cè)翻控制策略，對所建立的整車模型加以側(cè)翻試驗(yàn)仿真，分析車輛的側(cè)翻情況。經(jīng)過仿真分析，此非線性模型能夠很好的反應(yīng)汽車的運(yùn)動特性，為車輛研究人員提供便利平臺，同時(shí)驗(yàn)證了防側(cè)翻控制策略的有效性，對車輛的側(cè)傾角度有所減小，提高了車輛抵抗側(cè)翻的能力。另外，從整車廠的角度，可以減少大量的真實(shí)試驗(yàn)，且避免了側(cè)翻危險(xiǎn)信息的難以得到，節(jié)約了開發(fā)成本，對物理樣車試驗(yàn)具有重要意義。

[1]Garrick J.Forkenbrock,NHTSA Bryan C.O’Harra and Devin Elsasser,Transportation Research Center Inc.An Experimental Evaluation of 26 Light Vehicles Using Test Manueuversthat May Induce On-Road,Untripped Roll-over and a Discussion of NHTSA’s Refined Test Procedures[R].DOT HS 809 547 October 2003.

[2]Lu J,Messih D,Salib A.An Enhancement to an ElectronIcStability Control System to Include a Rollover controlFunc-tion[J].SAE,2007(1): 809-813.

[3]麥莉,宗長富,高越,等.重型半掛車側(cè)傾穩(wěn)定性仿真與分析[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào):工學(xué)版,2008, 38(增2):5-10.

[4]金智林,翁建生,胡海巖.汽車側(cè)翻預(yù)警及防側(cè)翻控制[J].動力學(xué)與控制學(xué)報(bào),2007,5(4):365-369.

[5]Pacejka H B,BESSELINK IJM.Magicformulatiremodel with transientproperties[J].Vehicle System Dynamics,1997,27:234-249.

專家推薦

陳 贛：

該文利用商用軟件對某款汽車的一個(gè)特定試驗(yàn)工況進(jìn)行了仿真計(jì)算，并在計(jì)算中與Matlab聯(lián)合，加入了ESP控制策略。論文中給出的計(jì)算結(jié)果基本符合ESP控制策略對汽車行駛中可能產(chǎn)生側(cè)翻時(shí)的控制效果。

汽車電子控制是當(dāng)前汽車技術(shù)各領(lǐng)域中發(fā)展較快的一個(gè)領(lǐng)域。國外供應(yīng)商對許多控制器采取了壟斷供應(yīng)的做法，不僅增加了自主品牌乘用車的生產(chǎn)成本，也在很大程度上阻礙著國內(nèi)自主品牌乘用車公司對相關(guān)技術(shù)的掌握。論文作者對ESP控制的控制策略的探討，對我們自主開發(fā)相關(guān)控制器具有積極意義。

ESP控制器屬于車控電子控制器，在產(chǎn)業(yè)化的過程中，不僅僅需要掌握基本控制策略，更需要對汽車行駛中可能出現(xiàn)的各種工況提供相應(yīng)的控制動作。本文在這一個(gè)方面沒有進(jìn)行闡述，而這方面正是國內(nèi)自主開發(fā)車控電子裝置所缺乏的。

ResearchofAnti-rollover MethodbasedonVehicleDynamicControl

ZHANGDong-min,LIU H ong-l iang,Z HAO Y ong-po,ZHANGKai
(R&D Center of Great Wall Motor Company, Automotive Engineering Technical Center of , Baoding 071000, China)

This paper initially explores to indexes in the characterization of vehicle rollover based on 49CFR Part 575 regulation, establishes high mass character model of SUV by using car sim software, defines sub system modules of the body, brake, steer, tire and suspension, builds the nonlinear dynamic model, and established vehicle rollover preventing strategy combine to vehicle dynamic control system.At the same time, this paper makes use of co-simulation car sim and Matlab/Simulink to simulate SUV’s operational aspection in the Fishhook to validate the action effective of antirollover.The result indicates that anti-rollover strategy effectively reduces lateral acceleration, increases the vehicle’s anti-rollover capacity, and effectively guarantees the stability and safety of the vehicle .These references are provided to the prototype testing.

dynamic simulation; rollover; automobile electronic stability program; control method

U463.61

A

1005-255（02014）05-0022-05

10.3969/j.issn.1005-2550.2014.05.005

2014-03-20