基于狀態(tài)識(shí)別的底盤穩(wěn)定性集成控制

康小鵬， 董大偉， 李 磊

(1 成都大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 四川 成都 610106； 2.西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 四川 成都 610031； 3.西華大學(xué) 汽車與交通學(xué)院， 四川 成都 610039)

基于狀態(tài)識(shí)別的底盤穩(wěn)定性集成控制

康小鵬1,2， 董大偉2， 李 磊3

(1 成都大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 四川 成都 610106； 2.西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 四川 成都 610031； 3.西華大學(xué) 汽車與交通學(xué)院， 四川 成都 610039)

建立了整車7自由度整車模型及線性2自由度參考模型.利用車輛側(cè)向加速度作為車輛進(jìn)入非線性區(qū)的判定依據(jù)，設(shè)計(jì)了基于前輪主動(dòng)轉(zhuǎn)向與直接橫擺力矩控制的底盤穩(wěn)定性協(xié)調(diào)控制系統(tǒng).引入附加橫擺力矩分配系數(shù)對(duì)各子系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行決策并實(shí)現(xiàn)其介入程度的實(shí)時(shí)分配.以轉(zhuǎn)向盤階躍輸入工況對(duì)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)在良好干燥路面上分別以60 km/h和120 km/h 2種情況下進(jìn)行了仿真分析.結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)在2種車速情況下控制效果良好.

狀態(tài)識(shí)別，集成控制，前輪主動(dòng)轉(zhuǎn)向，直接橫擺力矩控制，橫擺力矩分配

0 引 言

隨著汽車電子技術(shù)與控制理論的飛速發(fā)展，應(yīng)用于汽車底盤的控制系統(tǒng)的種類越來(lái)越多，但各系統(tǒng)的大量功能相互影響和作用，且部分系統(tǒng)在功能上還存在重疊，這使得以前功能相對(duì)單一和獨(dú)立的子系統(tǒng)之間需要相互通信、協(xié)調(diào)作用.目前，集成化控制已成為現(xiàn)代汽車底盤控制的主流趨勢(shì)[1]，其特點(diǎn)是用一個(gè)上層控制器協(xié)調(diào)分配中、下層控制器的控制程度與介入時(shí)機(jī)，在盡量不改變?cè)锌刂谱酉到y(tǒng)獨(dú)立結(jié)構(gòu)的前提下，實(shí)現(xiàn)其控制功能協(xié)調(diào)運(yùn)作[2].事實(shí)上，利用單一控制系統(tǒng)，如DYC、AFS等，對(duì)汽車底盤穩(wěn)定性進(jìn)行控制并不能適用于車輛全工況狀態(tài)，且對(duì)側(cè)向動(dòng)力學(xué)的控制在一定程度上會(huì)影響車輛的縱向及垂向的動(dòng)力學(xué)特性[3].對(duì)此，本研究基于車輛狀態(tài)識(shí)別設(shè)計(jì)了一種車輛DYC與AFS的協(xié)調(diào)控制器，其可根據(jù)車輛不同行駛狀態(tài)協(xié)調(diào)分配各子系統(tǒng)控制程度.

1 車輛模型

1.1 7自由度整車模型

本研究在MATLAB/Simulink平臺(tái)下[4]搭建包含車輛縱向、側(cè)向、橫擺運(yùn)動(dòng)及4個(gè)車輛轉(zhuǎn)動(dòng)共7個(gè)自由度的整車模型.車輛受力如圖1所示，其平衡方程式為：

圖1 車輛受力示意圖

1)縱向力平衡方程，

=(Fxfl+Fxfr)cosδ-(Fyfl+Fyfr)sinδ+Fxrl+Fxrr

(1)

2)側(cè)向力平衡方程，

=(Fxfl+Fxfr)sinδ+(Fyfl+Fyfr)cosδ+Fyrl+Fyrr

(2)

3)繞Z軸力矩平衡方程，

(3)

4) 4個(gè)車輪的力矩平衡方程，

(4)

式中，δ為前輪轉(zhuǎn)角；Vx，Vy分別為縱向、橫向車速；β為質(zhì)心側(cè)偏角；γ為橫擺角速度；Mz為附加橫擺力矩；Fxi、Fyi分別為輪胎縱向力、側(cè)向力、垂向力，i為對(duì)應(yīng)的車輪，可以取為左前輪fl、右前輪fr、左后輪rl或右后輪rr；m為整車質(zhì)量；a、b為前后軸到質(zhì)心的距離；tw1為前軸輪距；tw2為后軸輪距；Iz為整車?yán)@Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Itw為車輪繞轉(zhuǎn)動(dòng)中心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ωi為對(duì)應(yīng)車輪旋轉(zhuǎn)角速度；Rw為車輪有效滾動(dòng)半徑；Tbi為對(duì)應(yīng)車輪制動(dòng)力矩，Tdi為對(duì)應(yīng)車輪驅(qū)動(dòng)力矩.

1.2 輪胎模型

本研究采用Dugoff輪胎模型[5]，該模型利用輪胎剛度、滑移率等參數(shù)來(lái)描述輪胎力，適用于車輛動(dòng)力學(xué)分析及控制系統(tǒng)研究[6].

(5)

(6)

(7)

(8)

滑移率定義分為制動(dòng)和驅(qū)動(dòng)2種情況.

1)制動(dòng).

(9)

2)驅(qū)動(dòng).

(10)

式中，Cxi，Cyi分為輪胎縱向剛度和側(cè)偏剛度；si為輪胎滑移率；Ψi為輪胎動(dòng)態(tài)參數(shù)；μ為路面摩擦系數(shù)；αi為車輪側(cè)偏角；Fzi為輪胎法向載荷；ui為車輪縱向速度.

1.3 參考模型及控制變量

研究發(fā)現(xiàn)，車輛失穩(wěn)或軌跡跟隨能力差的主要原因是車輛的輪胎力處于非線性區(qū).對(duì)此，本研究通過建立線性2自由度車輛模型作為參考模型[7]來(lái)確定車輛行駛時(shí)狀態(tài)變量的理想值，并以此作為判斷駕駛意圖的依據(jù).

(11)

式中，kf、kr為前后軸等效側(cè)偏剛度.

車輛穩(wěn)定性控制包含軌跡保持和穩(wěn)定性，分別由車身質(zhì)心側(cè)偏角和橫擺角速度來(lái)描述.質(zhì)心側(cè)偏角通常需要依賴觀測(cè)器進(jìn)行估算，其準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性較差，而橫擺角速度可由車輛傳感器直接測(cè)量，因此被廣泛用作為控制變量.線性2自由度車輛模型決定的橫擺角速度雖然僅在車輛質(zhì)心側(cè)偏角很小的輪胎線性區(qū)內(nèi)是準(zhǔn)確的，但目前對(duì)車輛來(lái)說卻是最穩(wěn)定的，是駕駛員比較容易掌握的轉(zhuǎn)向特性，具有很好的操縱穩(wěn)定性能.因而，由2自由度車輛模型的橫擺角速度γ來(lái)衡量車輛穩(wěn)定性的程度，并作為控制目標(biāo)是可行的[8].

由式(11)可得，

(12)

(13)

式中，l為軸距(l=a+b)，K為車輛穩(wěn)定性因素.

輪胎處于極限附著時(shí)，車輛側(cè)向加速度ay滿足，

|ay|≤μg

(14)

在小質(zhì)心側(cè)偏角時(shí)近似有，

ay≈γVx

(15)

因此，車輛實(shí)際橫擺角速度受到如下限制，

(16)

式中，μ為路面附著系數(shù)，g為重力加速度.

由式(12)、(16)可得出橫擺角速度控制目標(biāo)，

(17)

2 底盤穩(wěn)定性協(xié)調(diào)控制策略

基于AFS/DYC的底盤穩(wěn)定性控制器總體結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 控制器總體結(jié)構(gòu)示意圖

該控制系統(tǒng)分由狀態(tài)識(shí)別層、協(xié)調(diào)控制層和執(zhí)行層組成.狀態(tài)識(shí)別層根據(jù)當(dāng)前車輛狀態(tài)參數(shù)分析駕駛員駕駛意圖，并計(jì)算維持期望行駛狀態(tài)所需附加橫擺力矩Mz，同時(shí)，判斷車輛是處于線性還是已進(jìn)入非線性區(qū)；協(xié)調(diào)控制層根據(jù)車輛實(shí)際狀態(tài)決策各子系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并將期望的直接橫擺力矩Mz按照所設(shè)計(jì)的權(quán)重規(guī)律進(jìn)行分配；執(zhí)行層由液壓制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和前輪主動(dòng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，其中，液壓制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)分配的直接橫擺力矩計(jì)算所控制車輪的制動(dòng)力及制動(dòng)液壓缸壓力，前輪主動(dòng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)所分配的橫擺力矩權(quán)重執(zhí)行前輪主動(dòng)轉(zhuǎn)角命令δf.

2.1 協(xié)調(diào)控制器

相關(guān)研究表明，利用單一的AFS進(jìn)行橫擺穩(wěn)定性控制在輪胎側(cè)偏角達(dá)到一定程度后所起的作用非常有限，在輪胎力進(jìn)入飽和非線性時(shí), 甚至不能通過前輪主動(dòng)轉(zhuǎn)向來(lái)調(diào)節(jié)車輛的橫向穩(wěn)定性.利用單一DYC系統(tǒng)進(jìn)行橫擺穩(wěn)定性控制時(shí)，是通過作用在車輛4輪上的縱向力產(chǎn)生的繞質(zhì)心的直接橫擺力矩來(lái)控制車輛側(cè)向穩(wěn)定性.由于無(wú)需考慮輪胎力的飽和，與基于AFS的車輛穩(wěn)定性控制方法相比,該算法的適用范圍更廣.但是,這種基于單輪縱向力的控制方法對(duì)于車輛的縱向動(dòng)力學(xué)性能及駕駛員的操縱感影響較大.因此,DYC系統(tǒng)在車輛穩(wěn)定性能較差、輪胎出現(xiàn)飽和時(shí)更為適用[9].

基于上述原因，為盡可能減少對(duì)車速和駕駛操作感受的影響，本研究確定：當(dāng)車速較低，路面附著良好，輪胎力處于線性區(qū)時(shí)應(yīng)優(yōu)先使用AFS進(jìn)行穩(wěn)定性控制；當(dāng)路面附著較差，車速較高，輪胎力進(jìn)入非線性區(qū)或即將處于飽和時(shí)優(yōu)先使用DYC進(jìn)行穩(wěn)定性控制.一般認(rèn)為，當(dāng)側(cè)向加速度超過0.3m/s2時(shí)，汽車進(jìn)入明顯非線性區(qū)，可將此作為輪胎力狀態(tài)判斷的分界值來(lái)進(jìn)行控制器控制力矩權(quán)重系數(shù)qδ的分配.同時(shí)，為保證光滑控制效果，權(quán)重系數(shù)采用反正切函數(shù)形式，令，

(18)

2.2 執(zhí)行器

2.2.1AFS控制器.

前輪主動(dòng)轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)以橫擺角速度偏差作為控制變量，前輪主動(dòng)轉(zhuǎn)角作為輸出變量，采用柔性PID控制方法，根據(jù)偏差大小實(shí)時(shí)調(diào)整控制參數(shù)，使其相比傳統(tǒng)PID控制有更好的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性[10].柔性PID控制參數(shù)規(guī)則如表1所示，其中，Kp0、Ki0、Kd0為初始控制參數(shù)，ka、kb、kc、km為變化參數(shù)，范圍為(0,1)，且km

表1 柔性PID控制參數(shù)規(guī)則表

2.2.2DYC控制器.

直接橫擺力矩控制器采用雙輸入模糊控制方法，以橫擺角速度偏差及橫擺角速度偏差變化率作為控制器輸入，附加橫擺力矩作為輸出，論域?yàn)閇-1,1].控制規(guī)則map圖如圖3所示.

圖3 DYC模糊控制map圖

附加橫擺力矩通過施加到作用車輪的制動(dòng)力來(lái)實(shí)現(xiàn).最優(yōu)制動(dòng)車輪的相關(guān)研究結(jié)果表明，轉(zhuǎn)向過多時(shí)選擇外前輪和轉(zhuǎn)向不足時(shí)選擇內(nèi)后輪作為制動(dòng)車輪能獲得最大的橫擺力矩.基于降低車輪負(fù)荷的考慮，在差動(dòng)制動(dòng)時(shí)，除了對(duì)外前輪和內(nèi)后輪進(jìn)行制動(dòng)外，同時(shí)按比例系數(shù)KT對(duì)同側(cè)另一車輪施加制動(dòng)力，0

表2 制動(dòng)車輪選擇規(guī)則

3 仿真分析

在仿真分析時(shí)，選擇轉(zhuǎn)向盤階躍輸入作為仿真工況，前輪轉(zhuǎn)角5 °，并分別在60km/h與120km/h2種車速情況下進(jìn)行仿真分析.整車主要參數(shù)如表3所示，仿真結(jié)果如圖4～10所示.

表3 整車主要參數(shù)

圖4 方向盤轉(zhuǎn)角時(shí)間曲線

圖5 車速60 km/h時(shí)橫擺角速度

圖6 車速60 km/h時(shí)附加前輪主動(dòng)轉(zhuǎn)角

圖7 車速60 km/h時(shí)制動(dòng)缸壓力

圖8 車速120 km/h時(shí)橫擺角速度

圖9 車速120 km/h時(shí)附加前輪主動(dòng)轉(zhuǎn)角

圖10 車速60 km/h時(shí)制動(dòng)缸壓力

由圖4可以看出，當(dāng)車速較低時(shí)，車輛處于線性區(qū)或弱非線性區(qū)，AFS與AFS/DYC控制均能產(chǎn)生較好的控制效果，因AFS控制在縱向動(dòng)力學(xué)方面更優(yōu)應(yīng)當(dāng)優(yōu)先使用.當(dāng)車速達(dá)到120 km/h時(shí)，由于地面所能提供輪胎力極限值大幅下降，在此仿真工況下，當(dāng)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角處于峰值附近時(shí)車輛已進(jìn)入強(qiáng)非線性區(qū).由圖8可以看出，依靠AFS對(duì)車輛進(jìn)行穩(wěn)定性控制時(shí)，僅在輪胎力處于線性區(qū)時(shí)有較好的效果，而在輪胎力進(jìn)入非線性區(qū)時(shí)AFS提供的主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)角已經(jīng)無(wú)法產(chǎn)生更多的附加橫擺力矩，控制效果變差.而采用DYC控制和AFS/DYC協(xié)調(diào)控制時(shí)，二者控制效果較好，幾乎一致，說明在車輛處于強(qiáng)非線性區(qū)時(shí)，DYC控制由于對(duì)輪胎力飽和不敏感，因此具有更好的控制效果.

4 結(jié) 語(yǔ)

本研究基于車輛狀態(tài)分析設(shè)計(jì)了AFS/DYC底盤穩(wěn)定性集成控制系統(tǒng)，并引入橫擺力矩分配系數(shù)對(duì)不同狀態(tài)下車輛各子系統(tǒng)的介入程度進(jìn)行分配.仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，車輛底盤穩(wěn)定性集成控制系統(tǒng)在車輛小轉(zhuǎn)角、低車速、高附著等輪胎力處于線性區(qū)情況下，采用AFS為主導(dǎo)的控制策略能有效對(duì)車輛底盤穩(wěn)定性進(jìn)行控制，且不影響車速及駕駛感受；在車輛大轉(zhuǎn)角、高車速、低附著等情況下，采用DYC為主導(dǎo)的控制策略，對(duì)于輪胎力處于非線性區(qū)有較好的控制效果.同時(shí)，各子系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和提供的附加橫擺力矩還能做到實(shí)時(shí)計(jì)算，且隨行駛工況在線調(diào)整，在大多數(shù)車輛行駛工況下，可實(shí)現(xiàn)底盤穩(wěn)定性和行車操縱感受兼顧的效果.

[1]喻凡,李道飛.車輛動(dòng)力學(xué)集成控制綜述[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2008，52(6)：1-7.

[2]高曉杰,余卓平,張立軍.基于車輛狀態(tài)識(shí)別的AFS與ESP協(xié)調(diào)控制研究[J].汽車工程，2007，29(4)：283-291.

[3]宗長(zhǎng)富,陳國(guó)迎,梁赫奇,等.基于模型預(yù)測(cè)控制的汽車底盤協(xié)調(diào)控制策略[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2011，55(2)：1-7.

[4]kiencke U，Nielsen L.汽車控制系統(tǒng):發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系和整車控制[M]．李道飛，俞小莉，譯．北京:高等教育出版社，2010．

[5]Dugoff H,Fancher P S,Segel L.Ananalysisoftiretractionpropertiesandtheirinfluenceonvehicledynamicperformance[J].SAE Trans,1970,79:341-366.

[6]周磊,張向文.基于Dugoff輪胎模型的爆胎車輛運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真[J].計(jì)算機(jī)仿真，2012，29(6)：308-311+385.

[7]余志生.汽車?yán)碚揫M].機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

[8]宋宇,陳無(wú)畏,陳黎卿.基于ADAMS與MATLAB的車輛穩(wěn)定性控制聯(lián)合仿真研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2011，59(16)：86-92.

[9]劉力,羅禹貢,江青云,等.基于廣義預(yù)測(cè)理論的AFS/DYC底盤一體化控制[J].汽車工程，2011，33(1)：52-55+46.

[10]陶永華．新型PID控制及其應(yīng)用·第2版[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

Chassis Stability Integrated Control Based on State Recognition

KANGXiaopeng1,2,DONGDawei2,LILei3

(1.School of Mechanical Engineering ,Chengdu University, Chengdu 610106, China; 2.School of Mechanical Engineering,Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 3.School of Transportation and Automotive Engineering, Xihua University, Chengdu 610039, China)

A vehicle model of seven degree of freedom and a linear reference model of two degree of freedom are established.Lateral acceleration is used to identify whether the vehicle enters nonlinear region.Then,the paper designs a chassis stability coordination control system based on active front steering and direct yaw-moment control.By introducing additional yaw moment distribution coefficient,the working state of each subsystem is decided and the real-time distribution of the degree of intervention of the coefficients is realized.The simulation analysis is carried out in two cases at speed of 60 km/h and 120 km/h respectively with steering wheel step input.The results show that the control system has good control effects at these two different speeds.

state recognition;integrated control;AFS;DYC;yaw moment distribution

1004-5422(2017)01-0089-05

2016-12-20.

四川省教育廳自然科學(xué)基金(16ZB0166)、 成都大學(xué)校青年基金(2015XJZ17)資助項(xiàng)目.

康小鵬(1983 — )， 男， 博士， 講師， 從事車輛電子技術(shù)與控制系統(tǒng)研究.

U463.1

A