爆胎車(chē)輛應(yīng)急自動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定控制的策略研究

許曉秦 任朝陽(yáng)

摘 要：在完成軌跡控制評(píng)價(jià)指標(biāo)構(gòu)建的基礎(chǔ)上，對(duì)不同控制器控制爆胎車(chē)輛軌跡的效果進(jìn)行了研究和分析，靜態(tài) PID 控制器通常基于某一車(chē)速建立導(dǎo)致對(duì)在其他行駛車(chē)速下的爆胎車(chē)輛行駛控制效果降低。為有效提升爆胎車(chē)輛的軌跡控制效果提出增益可變 PID 控制器。該控制器根據(jù)不同的爆胎車(chē)速標(biāo)定事先獲得相關(guān)參數(shù)，將該控制方案應(yīng)用于軌跡控制仿真實(shí)驗(yàn)中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)爆胎車(chē)輛行駛軌跡的有效控制過(guò)程，恢復(fù)到原路徑時(shí)只出現(xiàn)了較小的偏移。

關(guān)鍵詞：爆胎車(chē)輛; 自動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng); 軌跡穩(wěn)定控制; 實(shí)現(xiàn)路徑

中圖分類(lèi)號(hào)： U463.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Abstract：Based on the completion of the construction of the trajectory control evaluation index， this paper studies and analyzes the effect of different controllers in the trajectory control of the blasting vehicle. The static PID controller is usually based on the establishment of a certain speed， which leads to failure if the driving speed at other driving speeds. In order to effectively improve the trajectory control of the flat tire vehicle， a gain variable PID controller is used. The controller obtains relevant parameters in advance according to different tire speeds， and applies the control scheme to the trajectory. In the control simulation experiment， the effective control process of the trajectory of the puncture vehicle is realized， and only a small offset occurs when the original path is restored.

Key words：Puncture vehicle; Automatic braking system; Trajectory stability control; Implementation path

0 引言

不斷增加的汽車(chē)保有量在方便日常出現(xiàn)的同時(shí)，帶來(lái)了頻發(fā)的交通事故，引發(fā)汽車(chē)交通事故的原因較多多，其中爆胎危險(xiǎn)性極高且難以預(yù)測(cè)，處于高速行駛狀態(tài)下的汽車(chē)一旦出現(xiàn)爆胎將會(huì)對(duì)汽車(chē)的行駛穩(wěn)定性造成嚴(yán)重影響，進(jìn)而影響了車(chē)輛駕乘人員的生命和財(cái)產(chǎn)安全。爆胎后的汽車(chē)會(huì)出現(xiàn)橫擺、偏航（嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)甩尾、激轉(zhuǎn)等），駕駛員在心理緊張尤其是在駕駛經(jīng)驗(yàn)不足的情況下難以做出準(zhǔn)確有效的反應(yīng)采取了過(guò)度甚至錯(cuò)誤的操作，進(jìn)而易引發(fā)嚴(yán)重的交通事故，因此目前爆胎車(chē)輛穩(wěn)定性控制已經(jīng)成為領(lǐng)域內(nèi)的研究重點(diǎn)之一。

1 現(xiàn)狀分析

目前通過(guò)將輔助安全裝置安裝于輪胎上（包括自我密封型、輔助支撐系統(tǒng)型輪胎）以增加輪胎強(qiáng)度已成為用于解決爆胎引發(fā)安全問(wèn)題的解決方案，避免了爆胎車(chē)輛嚴(yán)重偏航情況的發(fā)生;通過(guò)將控制措施施加于爆胎車(chē)輛上以實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛穩(wěn)定停車(chē)的有效控制過(guò)程（即從控制角度入手），如BMBS（吉利集團(tuán)提出，一種爆胎監(jiān)測(cè)與制動(dòng)系統(tǒng)），具體通過(guò)改進(jìn)輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（僅在胎壓異常時(shí)發(fā)出預(yù)警信號(hào)）實(shí)現(xiàn)，在爆胎瞬間即迫使車(chē)輛制動(dòng)減速（通過(guò)強(qiáng)大制動(dòng)力的自動(dòng)提供實(shí)現(xiàn)），自動(dòng)使車(chē)輛處于受控狀態(tài)。但這兩種解決方案無(wú)法從根本上解決安全問(wèn)題。目前國(guó)內(nèi)爆胎控制子系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)大多基于汽車(chē)穩(wěn)定性控制系統(tǒng)完成，具體通過(guò)采用差動(dòng)制動(dòng)方法完成對(duì)車(chē)輛橫擺運(yùn)動(dòng)的調(diào)整，通過(guò)線性二次型調(diào)節(jié)器算法的使用完成了控制器的設(shè)計(jì)，加權(quán)矩陣的選用需以性能要求為依據(jù)，從而確保爆胎車(chē)輛的操縱穩(wěn)定性（不偏離航線），但控制器的在線實(shí)時(shí)計(jì)算過(guò)程極易增加優(yōu)化時(shí)間，控制器受到固定不變的權(quán)系數(shù)的限制導(dǎo)致難以根據(jù)具體爆胎工況完成對(duì)系統(tǒng)性能的及時(shí)調(diào)整?？赏ㄟ^(guò)數(shù)據(jù)表的建立（以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)）實(shí)現(xiàn)最優(yōu)橫擺控制力矩的查表獲取，以簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程。例如，通過(guò)將狀態(tài)參考器引入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)駕駛員模型中實(shí)現(xiàn)對(duì)爆胎車(chē)輛響應(yīng)特性變化情況的及時(shí)掌握;針對(duì)爆胎車(chē)輛以橫擺角速度作為控制對(duì)象，通過(guò)模糊控制方法的使用實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向主動(dòng)控制過(guò)程，但對(duì)車(chē)輛的質(zhì)心側(cè)及輪胎側(cè)偏角的重視不足，在需進(jìn)一步完善爆胎車(chē)輛轉(zhuǎn)向系特性[1]。本文在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，對(duì)主動(dòng)安全控制系統(tǒng)進(jìn)行了完善，以期提升自動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定控制性能。

2 爆胎車(chē)輛安全行駛評(píng)價(jià)指標(biāo)

輪胎在過(guò)高的車(chē)速下行駛會(huì)加速其損傷，降低了輪胎的抗壓性，成為爆胎事故的直接誘因。具有突發(fā)特點(diǎn)的爆胎在實(shí)際發(fā)生時(shí)會(huì)極大的改變輪胎的力學(xué)特性（包括徑向和切向），進(jìn)而影響到車(chē)輛的穩(wěn)定性和安全性，尤其是發(fā)生在高速公路上的爆胎車(chē)輛發(fā)生翻車(chē)事故的概率較大。現(xiàn)有轎車(chē)的布置形式以前置前驅(qū)前轉(zhuǎn)向?yàn)橹?，?chē)輛轉(zhuǎn)向輪爆胎時(shí)會(huì)嚴(yán)重影響驅(qū)動(dòng)、轉(zhuǎn)向和制動(dòng)性能，傳統(tǒng)底盤(pán)集成主動(dòng)安全控制系統(tǒng)并不能夠?qū)Ρテ?chē)進(jìn)行主動(dòng)控制。比例、積分、微分（PID）控制是實(shí)際普遍運(yùn)用的控制規(guī)律，非線性的爆胎車(chē)輛模型的主要特點(diǎn)在于時(shí)變性、不確定性較高，實(shí)施控制時(shí)受到無(wú)法完全精確掌握爆胎車(chē)輛結(jié)構(gòu)極參數(shù)的影響導(dǎo)致控制理論相關(guān)技術(shù)的有效應(yīng)用[1]。本文采用爆胎車(chē)輛模型（由veDYNA 軟件提供）對(duì)爆胎工況進(jìn)行模擬，將方向盤(pán)轉(zhuǎn)角通過(guò)變?cè)鲆?PID 控制器進(jìn)行規(guī)劃，完成及時(shí)適當(dāng)?shù)闹鲃?dòng)轉(zhuǎn)向操作過(guò)程，使汽車(chē)沿道路中心線行駛并自動(dòng)減速以確保爆胎車(chē)輛穩(wěn)定行駛。

2.1 爆胎車(chē)輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分析

胎內(nèi)氣體在發(fā)生爆胎后迅速放盡，會(huì)顯著改變輪胎的力學(xué)特性，相比于正常胎壓輪胎的滾動(dòng)阻力系數(shù)在零胎壓條件下會(huì)增大20 多倍，徑向、側(cè)偏、縱滑及側(cè)傾的剛度顯著低于正常值，車(chē)輛的運(yùn)行狀態(tài)及穩(wěn)定性會(huì)受到這些變化的力學(xué)特性的直接影響，如行駛汽車(chē)輪胎的滾動(dòng)阻力會(huì)隨爆胎的滾動(dòng)阻力系數(shù)的增大而急劇增大，相比于同軸的正常車(chē)輪速度爆胎的滾動(dòng)速度會(huì)降低，造成同軸兩側(cè)滾動(dòng)阻力不同，爆胎車(chē)輛在此差值作用下會(huì)產(chǎn)生一個(gè)附加橫擺力矩，進(jìn)而導(dǎo)致車(chē)輛向爆胎車(chē)輪側(cè)偏航。爆胎后的脫圈阻力同樣急劇降低，駕駛員的操作不合理會(huì)增加輪胎脫離輪輞的發(fā)生概率，輪胎側(cè)向力受到觸地剛性輪輞的影響急劇增大，是引起翻車(chē)的主要誘因。以汽車(chē)左前輪為例，在不施加控制措施的情況下對(duì)其發(fā)生爆胎后的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)情況進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)研究，以便直觀說(shuō)明車(chē)輛運(yùn)行狀態(tài)受到爆胎性能改變產(chǎn)生的影響，使用仿真軟件veDYNA對(duì)仿真工況進(jìn)行設(shè)定，汽車(chē)行駛于直道上附著系數(shù)為0.8，行駛速度分別為 60、120 km/h，25 s時(shí)發(fā)生爆胎，仿真結(jié)果表明：車(chē)輛在每小時(shí)60 km的車(chē)速下爆胎發(fā)生5 s時(shí)達(dá)到了10 m的側(cè)向位移，此時(shí)爆胎車(chē)輛極易駛?cè)胂噜徿?chē)道，質(zhì)心及四輪的側(cè)偏角變化較小，由爆胎引起的附加橫擺力矩使車(chē)輛偏向爆胎側(cè)，在爆胎瞬時(shí)側(cè)向加速度即到達(dá)峰值，爆胎后 1 s內(nèi)呈現(xiàn)不穩(wěn)定變化趨勢(shì)的橫擺角速度即達(dá)到正向最大值;爆胎后不采取控制措施的車(chē)輛的自動(dòng)減速主要借助滾動(dòng)阻力實(shí)現(xiàn)，爆胎車(chē)輛的各性能指標(biāo)在不同爆胎車(chē)速下呈現(xiàn)出基本相同的變化趨勢(shì)，過(guò)大的爆胎車(chē)速則會(huì)顯著增加性能指標(biāo)的幅值[2]。車(chē)輛在每小時(shí)120 km的車(chē)速下爆胎的性能指標(biāo)幅度會(huì)增加2倍左右，會(huì)發(fā)生更大的偏航，即行駛穩(wěn)定性同爆胎車(chē)速成反比。

2.2 安全控制評(píng)價(jià)指標(biāo)

本文以爆胎車(chē)輛相關(guān)理論及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為依據(jù)，對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行調(diào)整（根據(jù)爆胎車(chē)輛安全行駛評(píng)價(jià)指標(biāo)），爆胎車(chē)輛穩(wěn)定行駛的性能指標(biāo)表征為：爆胎輪胎超過(guò)3°的質(zhì)心側(cè)偏角會(huì)極大的增加駕駛員的操縱難度視為車(chē)輛不穩(wěn)定，爆胎輪胎超過(guò)4°側(cè)偏角會(huì)導(dǎo)致輪輞同輪胎分離并觸地即視為翻車(chē)，變化較大的橫擺角速度（呈現(xiàn)正負(fù)近似階躍變化）易導(dǎo)致車(chē)輛甩尾的發(fā)生。確保爆胎車(chē)輛的基本安全在于僅出現(xiàn)輕微的偏航且不會(huì)駛?cè)肫渌?chē)道（包括不撞擊護(hù)欄）。四個(gè)車(chē)輪及質(zhì)心的側(cè)偏角在車(chē)輛爆胎后不采取控制措施時(shí)的變化較小，爆胎不會(huì)同輪輞分離，翻車(chē)風(fēng)險(xiǎn)較小，可保持一定的行駛安全性[3]。車(chē)身較大的偏航是爆胎車(chē)輛面臨的首要危險(xiǎn)，易導(dǎo)致車(chē)輛撞擊護(hù)欄或駛?cè)胂噜徿?chē)道，不穩(wěn)定的橫擺角速率則增加了爆胎車(chē)輛的側(cè)滑或甩尾發(fā)生的概率。本文針對(duì)爆胎車(chē)輛以PID 控制參數(shù)的確定（根據(jù)道路中心線同車(chē)輛間的偏差）作為主要控制任務(wù)，以確保爆胎車(chē)輛穩(wěn)定行駛。在高速公路上車(chē)輛爆胎時(shí)會(huì)導(dǎo)致車(chē)輛偏航，為有效解決這一問(wèn)題，本文主要對(duì)爆胎車(chē)輛應(yīng)急自動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定控制的策略進(jìn)行了研究，并對(duì)爆胎車(chē)輛軌跡控制進(jìn)行了仿真研究。

3 爆胎車(chē)輛軌跡控制及仿真

本文爆胎控制系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)爆胎事故時(shí)立即被觸發(fā)進(jìn)入到工作狀態(tài)，并以自動(dòng)行使控制權(quán)的方式為主，以不制動(dòng)且依靠滾動(dòng)阻力自動(dòng)減速作為爆胎控制策略，仿真環(huán)境下對(duì)應(yīng)的制動(dòng)信號(hào)及油門(mén)踏板信號(hào)置零。車(chē)輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在接收到由控制器規(guī)劃的方向盤(pán)轉(zhuǎn)角后（根據(jù)道路中心線同車(chē)輛間的偏差完成），再通過(guò)控制器執(zhí)行車(chē)輛控制動(dòng)作，保持車(chē)輛行駛于原車(chē)道中心線上，同時(shí)使車(chē)輛運(yùn)行狀態(tài)滿足上文所述的約束條件。具體仿真路況和工況設(shè)置為：行駛于附著均勻的直路上的車(chē)輛（附著系數(shù)為0. 8）在行駛 25 s時(shí)（此時(shí)已達(dá)到預(yù)期速度并保持勻速行駛）發(fā)生爆胎，爆胎車(chē)速為60 km/h，進(jìn)行靜態(tài)PID爆胎控制實(shí)驗(yàn)。對(duì)于PID控制器，比例環(huán)節(jié)系數(shù)由P表示，微分環(huán)節(jié)的比例系數(shù)由Pd表示，積分環(huán)節(jié)的比例系數(shù)由Pi表示，結(jié)合控制目標(biāo)和試湊法完成控制器控制參數(shù)的確定P=2、Pi=0. 2、Pd=5，仿真控制結(jié)果為：最大偏移量為0.17 m（處于安全范圍），車(chē)輛運(yùn)行軌跡趨在爆胎20 s后可沿道路中心線行駛;側(cè)向加速度、橫擺角速率、質(zhì)心側(cè)偏角的變化幅度以及輪胎側(cè)偏角較小，方向盤(pán)轉(zhuǎn)角未發(fā)生激轉(zhuǎn)（由控制器規(guī)劃），可確保車(chē)輛穩(wěn)定行駛，爆胎不會(huì)與輪輞分離。同未采取任何控制動(dòng)作的爆胎車(chē)輛仿真結(jié)果相比，各項(xiàng)行駛穩(wěn)定性指標(biāo)通過(guò)使用PID控制器均實(shí)現(xiàn)了較好的控制干預(yù)優(yōu)效果（控制過(guò)程平穩(wěn)），使給定的控制目標(biāo)得以有效實(shí)現(xiàn)[4]。在車(chē)輛以60、80、100、120 km/h的爆胎車(chē)速行駛時(shí)采用本文的靜態(tài)PID控制器對(duì)運(yùn)行軌跡較小控制，側(cè)向位移仿真結(jié)果如圖1所示。

爆胎車(chē)速同控制指標(biāo)幅值大小成正比，相比于車(chē)輛在60 km/h車(chē)速下發(fā)生爆胎的控制效果，其他速度下的車(chē)輛側(cè)向位移仿真曲線的動(dòng)態(tài)特性稍有下降，側(cè)向位移的上升段在較高爆胎速度下出現(xiàn)抖動(dòng)并增加了控制器動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)時(shí)間，車(chē)身出現(xiàn)小幅、快速擺動(dòng)，爆胎車(chē)輛在側(cè)向位移回落后仍存在不穩(wěn)定趨勢(shì)（沿道路中心線左右搖擺）。

4 變?cè)鲆鍼ID軌跡控制及仿真

車(chē)輛通常以60～120 km/h的速度在高速公路上行駛，對(duì)此速度區(qū)間的車(chē)輛通過(guò)使用試湊法以控制目標(biāo)為依據(jù)完成軌跡控制參數(shù)的標(biāo)定，車(chē)輛爆胎包括發(fā)生在直路和彎路上兩種工況。針對(duì)可能的爆胎車(chē)速及道路環(huán)境，建立了不同爆胎車(chē)速基于直路和彎路下的參數(shù)表，具體如表 1、表2所示，據(jù)此決定相應(yīng)的PID控制參數(shù)，通過(guò)使用此種基于參數(shù)MAP的控制器可使PID控制器的適應(yīng)性得以顯著提高[5]。

4.1 直線路況

對(duì)基于變?cè)鲆?PID 控制器的軌跡控制進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，直線路況實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置為（符合高速公路國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)）：車(chē)輛分別以80、100、120 km/h的速度行駛，在25 s 時(shí)發(fā)生左前輪爆胎（此時(shí)達(dá)到預(yù)期速度并勻速行駛），道路附著系數(shù)為0.8，速度為100、120 km/h的車(chē)輛行駛平面圖如圖2、3所示，結(jié)果表明車(chē)輛其余指標(biāo)均在安全行駛指標(biāo)范圍內(nèi)，偏航幅度受到不同爆胎車(chē)速的影響較小并能夠在原車(chē)道上行駛，沒(méi)有側(cè)翻和輪輞觸地的危險(xiǎn)。但控制器在爆胎車(chē)速不斷增加的情況下增加了調(diào)節(jié)和控制難度及時(shí)長(zhǎng)，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)前性能指標(biāo)震蕩幅度及次數(shù)均增加，側(cè)向位移上升段出現(xiàn)抖動(dòng)，如需同時(shí)控制爆胎車(chē)輛的偏航幅度，降低震蕩次數(shù)難以只通過(guò)改變PID控制參數(shù)實(shí)現(xiàn)。爆胎車(chē)速增加時(shí)會(huì)提高方向盤(pán)轉(zhuǎn)角的幅值及頻率（由PID 控制器規(guī)劃）[6]。

4.2 曲線路況

為進(jìn)一步驗(yàn)證本文控制方案的車(chē)輛軌跡控制效果，使用veDYNA完成了路徑和行駛工況為弧度為90°的左彎曲線路段的仿真驗(yàn)證（符合高速公路國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)），附著系數(shù)為0.8，爆胎車(chē)輛以100、120 km/h的車(chē)速行駛在25 s 時(shí)左前輪發(fā)生爆胎，仿真結(jié)果表明行駛軌跡同期望路徑基本吻合，即該P(yáng)ID 控制器具有較好的控制效果，在 PID 控制器的作用下車(chē)輛向左右兩側(cè)反復(fù)橫擺震蕩（震蕩時(shí)間同爆胎車(chē)速成正比，2～7 s），車(chē)身在2 s后橫擺運(yùn)動(dòng)消失恢復(fù)穩(wěn)定，位于質(zhì)心側(cè)偏角的線性區(qū)（質(zhì)心側(cè)偏角不超過(guò)3°），爆胎側(cè)偏角在安全范圍內(nèi)，證明車(chē)輛爆胎后行駛穩(wěn)定。方向盤(pán)轉(zhuǎn)角未發(fā)生激轉(zhuǎn)，確保車(chē)輛在轉(zhuǎn)向時(shí)不發(fā)生側(cè)翻，車(chē)輛借助滾動(dòng)阻力能夠平穩(wěn)降速?？刂破髂軌蛲ㄟ^(guò)設(shè)置相應(yīng)的 PID 控制參數(shù)（以具體的爆胎車(chē)速及道路環(huán)境為依據(jù)查表獲?。┻M(jìn)行主動(dòng)安全控制車(chē)輛行駛軌跡確保穩(wěn)定行駛，相比于靜態(tài)PID控制器本文控制器的控制效果得以有效提升。為保證主動(dòng)控制的及時(shí)有效，變?cè)鲆?PID 控制器在車(chē)速或道路環(huán)境傳感器失效的情況下會(huì)先預(yù)設(shè)的參數(shù)模式進(jìn)行自動(dòng)切換[7]。根據(jù)目前單片機(jī)電子技術(shù)的發(fā)展情況可保證迅速可靠的查表過(guò)程（采用現(xiàn)有并行查表技術(shù)），從而及時(shí)有效的確保爆胎車(chē)輛安全主動(dòng)控制過(guò)程，但考慮到道路環(huán)境的多樣性，本文的彎道控制參數(shù)表受到預(yù)先指定路況的限制難以獲得全面的控制效果，需逐步將各類(lèi)道路工況納入到考慮范圍對(duì)，對(duì)影響控制器的參數(shù)（包括車(chē)型、輪胎類(lèi)型、載質(zhì)量、路面條件等）及自適應(yīng)能力進(jìn)行深入研究。

5 總結(jié)

車(chē)輛爆胎后發(fā)生改變的輪胎性能參數(shù)會(huì)對(duì)車(chē)輛行駛方向及穩(wěn)定性產(chǎn)生直接影響，爆胎車(chē)輛車(chē)身劇烈的偏航的危險(xiǎn)極大（在不干預(yù)的情況下處于直行狀態(tài)的車(chē)輛發(fā)生爆胎不一定會(huì)失穩(wěn)），為此本文對(duì)爆胎車(chē)輛應(yīng)急自動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，通過(guò)將MAP機(jī)制建立在 PID 控制結(jié)構(gòu)上完成了一種變?cè)鲆?PID 控制方案的設(shè)計(jì)，車(chē)速和爆胎道路環(huán)境同 PID 控制參數(shù)間的關(guān)系通過(guò)查表獲取，將該方案應(yīng)用于爆胎控制仿真實(shí)驗(yàn)，可在爆胎時(shí)對(duì)方向盤(pán)轉(zhuǎn)角進(jìn)行自動(dòng)合理規(guī)劃，在偏離理想運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)及時(shí)糾正，從而在面對(duì)不同車(chē)速及道路環(huán)境發(fā)生爆胎情況下的 PID 適應(yīng)性得以顯著提高。

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（收稿日期： 2019.10.21）