基于主动转向的爆胎汽车操纵稳定性模糊控制研究

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基于模糊控制的汽车稳定性主动控制系统研究

国内图书分类号：U463.33国际图书分类号：629工学硕士学位论文基于模糊控制的汽车稳定性主动控制系统研究硕士研究生：林清芝导师：崔胜民教授申请学位：工学硕士学科、专业：车辆工程所在单位：汽车工程学院答辩日期： 2007年7月授予学位单位：哈尔滨工业大学Classified Index：U463.33U.D.C：629Dissertation for the Master’s Degree in EngineeringTHE RESEARCH OF ELECTRONIC STABILITY PROGRAM BASED ON THE FUZZY LOGIC CONTROLCandidate: Lin QingzhiSupervisor: Prof. Cui ShengminAcademic Degree Applied for: Master of Engineering Specialty: Vehicle EngineeringAffiliation: College of Automobile Engineering Date of Defence: July，2007Degree-Conferring-Institution:Harbin Institute of Technology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要汽车高速行驶或在低附着系数路面上转向行驶时，由于受转向或外界干扰的影响，侧向附着力容易达到附着极限，使汽车丧失动力学稳定性，从而造成交通事故的发生。

汽车稳定性主动控制系统(ESP)可以改善汽车在这些极限情况下的操纵性和稳定性。

本文根据国内外对汽车动力学稳定性控制方法的研究现状，运用模糊控制理论对汽车动力学稳定性控制进行了研究，为以后实际系统的开发提供更好的控制策略。

文章通过受力分析，建立汽车动力学七自由度模型、轮胎模型和驾驶员最优预瞄加速度模型。

汽车主动转向自适应模糊PI控制研究

ＳｔｕｄｙｏｎＡｃｔｉｖｅＳｔｅｅｒｉｎｇＣｏｎｔｒｏｌｏｆＶｅｈｉｃｌｅＢａｓｅｄｏｎＡｄａｐｔｉｖｅＦｕｚｚｙＰＩＣｏｎｔｒｏｌ
ＧｕｏＷｅｎｔａｏ，ＷａｎｇＧｕａｎｙｉ，ＹｕＱｉａｎ
（１Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ＆ＴｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏｌｌｅｇｅ，ＬｉａｏｎｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＪｉｎｚｈｏｕＣｉｔｙ，ＬｉａｏｎｉｎｇＰｒｏｖｉｎｃｅ１２１００１，Ｃｈｉｎａ；２．ＤａｌｉａｎＥｑｕｉｐｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｃａｌＣｏｌｌｅｇｅ，ＤａｌｉａｎＣｉｔｙ，ＬｉａｏｎｉｎｇＰｒｏｖｉｎｃｅ１１６１１０，Ｃｈｉｎａ）
［摘要］针对线控转向汽车主动转向控制，研究了基于自适应模糊ＰＩ理论的主动转向控制方法应用Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ软件搭建线控转向系统模型，并与ＣａｒＳｉｍ软件联合仿真，将ＣａｒＳｉｍ中的传统转向系统汽车改进为线控转向系统汽车。基于横摆角速度反馈的主动转向控制策略，设计了主动转向自适应模糊ＰＩ控制器选择高速双移线仿真实验．在ＣａｒＳｉｍ中对所研究的控制算法进行了仿真验证．并与无主动转向控制和主动转向ＰＩ控制对比分析。结果表明：线控转向汽车主动转向自适应模糊ＰＩ控制相对于ＰＩ控制和无控制，能够使汽车

主动前轮转向横摆稳定性模糊控制系统设计

一
ｕ的论域为：６一，４一，２一，，，，，，，｝｛，５一，３一，１０１２３４５６一
（１）
Ｕ
１２
在各个论域上，隶属函数的模糊子集分别为Ｎ（Ｂ负大）Ｎ、Ｍ
（负中）Ｓ负小）Ｚ（、Ｓ正小）Ｍ（、（Ｎ、Ｅ零）Ｉ（、正中）Ｐ（Ｐ、Ｂ正大）等七个。
６和｛１一．，０，０，０，，．，．，．，．，１｝一，０一．一．一．００２０００８１８６４２４６
二自由度模型的运动微分方程ＩＩ：ｃ（（一，＋（，Ｉ一Ｉ＝ｆｒｅｃ＋２）埘
１
：
１Ｕ：
；
一
ｍｕ
一
１
；
３控制器设计
３１．参考模型
基于驾驶员的驾驶习惯，以汽车稳态参数为理想值（即车辆
侧偏角尽量为０横摆角速度以一阶喷性传递函数迅速达到稳态，
了车辆动力稳定性的问题，于车辆稳定性，对主动前轮的优势主
本论域、误差变化率ＥＣ的基本论域、控制量的基本论域与规范化后的变量误差Ｅ误差变化Ｅ、Ｃ及控制ｕ的论域对应，据根所取的论域范围，可以得出Ｅ的量化因子ｋ＝０Ｅｅ５，Ｃ的量化因子
ｋｃｌ，ｅ＝ＯＵ的量化因子为ｋ＝０。ｕ５０
规则做进一步的探讨将是本控制器能否实现的关键。根据模糊控制器的设计要求，设其对应的模糊控制变量ＥＥ、Ｃ和Ｕ的量化论

爆胎汽车的轨迹跟踪与稳定性控制

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｙａｎａｌｙｚｉｎｇｔｈｅｉｍｐａｃｔｏｆｔｉｒｅｂｌｏｗ— ｏｕｔｏｎｔｈｅｌａｔｅｒａｌｄｙｎａｍｉｃｓｏｆａｃａｒｗｈｅｎｒｕｎｎｉｎｇｉｎｔｈｅｈｉｇｈｗａｙ，ａｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｄｃｏｎｔｒｏｌａｐｐｒｏａｃｈｂａｓｅｄｏｎａｃｔｉｖｅｆｒｏｎｔｓｔｅｅｒｉｎｇａｎｄｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｂｒａｋｉｎｇｉｓｐｒｏ－ｐｏｓｅｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｃｏｍｐｌｅｘｃｈａｒａｃｔｅｉｓｒｔｉｃｓｏｆｔｈｅｃａｒｓｕｃｈａｓｍｕｌｔｉ — ｖａｉａｒｂｌｅ，ｔｉｍｅ — ｖａｒｙｉｎｇｐａｒａｍｅ — ｔｅｒｓ，ａｎｄｔｈｅｅｘｉｓｔｅｎｃｅｏｆｃｏｎｓｔｒａｉｎｓｓｕｃｈａｓｔｈｅａｃｔｕａｔｏｒｓａｔｕｒａｔｉｏｎ，ａｍｏｄｅｌｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄ
协调控制方法。根据爆胎汽车存在多变量、参数时变等复杂特性，以及执行机构饱和等约束条件的
特点，采用模型预测控制方法设计主动前轮转向控制器实现汽车爆胎后的轨迹跟踪控制，同时通过

基于主动转向的爆胎汽车操纵稳定性模糊控制研究

【摘
要】汽车在高速行驶时发生爆胎后引起的交通事故危害较大，为了能够更好地控制爆胎后的
方向稳定性，主要是通过分析爆胎后的主要影响因素，建立爆胎汽车方向失稳动力学模型，并建立基于主动转向的模糊控制器。重点研究了汽车爆胎后车轮的滚动半径变小以后对汽车行驶方向失稳的影响，而分析由于爆胎汽车姿态变化而引起的载荷转移，进以及由于栽荷转移所导致的各个车轮上的侧偏力大小对汽车行驶方向失稳的影响。最后通过仿真验证模糊控制系统能够较好的纠正由于爆胎引起
ＺＨＡＮＹａ — ｕ，Ｉａ — ｉｇＷＵＳｎＧｎｈｉＬｏｐｎ，ｏｇＸｉ
（ｕｏｔｅＥｇｅｒｇＤｐｒｅｔｕｎｘＵｉｅｓｙｆｅｈｏｏｙＬｕｈｕ５５０，ｈｎ）Ａｔｉｎｉｅｉｅａｔｎａｇｉｎｖｒｉｃｎｌ，ｉｚｏ４０６ＣｉａｍｏｖｎｎｍＧｔｏＴｇ
ｃｎｒｌｙｔｍｉｖｒｅｏｅｔｏｒｃｔｅａｐｌｔｏｅｉｅａｓｄｂｒｐｎｔｒｇｏｔｓｅｉｄｔｂｔｒｒｔｈｒｕｄｕｅｔｅｕｃｕｉ．ｏｓｅｓｆｉｅｃｅｃｌｏｎｓｃｙｉｎ
ｉｅｉｌａｉｄｕｃｕｅｏｃｒｉａａｚｄｓａｒｓｌｔｅｌｄｔｓｒｍａｔｃｒｅｉｇｏｃｆｎｖｈｃｔｔｅａｐｎｔｒｃｕｌｅａｒｅｉｃｏｎｆｎ
机械设计与制造
１２８
文章编号：０１３９（０２０ — １２０１０ — ９７２１）３０８ — ３

基于模糊控制的自动驾驶汽车爆胎控制

天津大学胡超芳[3]通过模型预测控制的方法对自动驾驶汽车爆胎控制，提高了系统响应速度和控制精度，车辆非线性运动位姿在转化成线性过程中有少量误差。广西工学院张彦会[4]采用模糊控制算法，能有效控制了爆胎车辆跑偏，但较少对爆胎车辆的横向位移进行分析。胎压检测是预防爆胎的一种重要手段[5]，但自动驾驶汽车中视觉传感器CCD、激光传感器易受环境影响，车轮容易驶入凹凸路面导致车辆爆胎，很难从根本上解决问题。基于输入状态鲁棒性控制的爆胎研究提高车辆爆胎稳定性控制，研究过程中较少考虑到最优输入 [6]。利用差动制动方法，通过线性二次型调节器LQR有效地控制车辆爆胎后操纵稳定性，但需要借助实时特性确定加权矩阵[7]。利用增益可变的PID控制器能有效地控制爆胎轨迹[8]，出现较少偏差后调整到原路径，横摆角速
3 控制器设计
3.1 附着椭圆理论车辆因爆胎导致轮胎参数改变发生偏航，因此，车
辆弯道行驶受到地面对轮胎产生侧向力。车辆处于制动工况，制动力和侧向力平方和最大值为常数；车辆处于驱动工况，驱动力和侧向力平方和最大值也为常数[10]。
İ (7)
İ
其中，acmax表示最大附着加速度，为常数，ay表示侧向加速度，axb表示制动时纵向加速度，axf表示驱动时纵向加速度，由牛顿第二运动定律近似可知：
2.5deg/s。因此提出的基于模糊控制的自动驾驶汽车爆胎控制方法能够有效控制爆胎，提高
车辆安全性和稳定性。
关键词：自动驾驶汽车；爆胎；附着椭圆；模糊控制
中图分类号：TP2
文献标识码：A
文章编号：1009-0134(2021)07-0151-06
0 引言
在人工智能的大背景下，自动驾驶汽车日益突出，但其出行的安全和高效得到广泛的关注。但自动驾驶汽车行驶过程中轮胎也会出现爆胎工况，其径向、纵向和侧向动力学特性都发生突变[1]，容易导致车辆驶入其它车道甚至翻车等事故。根据美国统计数据可知[2]，由于爆胎导致的车祸达到近9万起，引起400多人死亡，约 1000人受伤。而当车辆高速行驶时，轮胎的机械损伤和热损伤积累易导致车辆发生爆胎，因此，研究基于模糊控制的自动驾驶汽车爆胎控制有着重要意义。

主动前轮转向对车辆操纵稳定性能的影响

& 可产生附加横向力来抵消车辆在分离附着系数路面 " 左右车轮纵向力不对称 ’ 包括制动力和驱动力( " 大侧向风作用以及跳变附着系数路面上所产生的横摆和侧倾干扰力矩 ) ’改善重心升高车辆的抗倾覆性能 ) (当车辆侧向力达到轮胎与路面间的附着极限 ! 即车辆处于极限运动工况时 ! 依靠两前轮的主动转向比调节单个车轮的制动和驱动力矩来实施动力学稳定性控制! 具有更高的效
$ 的基础上 # 通过电动助力转向系统 $ ) A Y 0& , . 4& 电控液压助力转向系统 $ 或线控转向系统 ,6. 4& $ 来实施主动前轮转向 # 不仅可使处于极限 4 ^8& 行驶工况下的转弯车辆通过制动 ) 驱动系统来调节车轮运动状态 # 以改变车轮上纵向力和侧向力分布来获得有效横摆力矩以增大侧向力潜能 # 同时还可通过调节转向轮侧偏角来改变前轮作用力
$% ) 再辅助主动前轮转率$ Y 0 的基础上! )在 A 向! 可进一步提高车辆的操纵稳定性 #
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工程车辆转向稳定性与操控性能研究

工程车辆转向稳定性与操控性能研究引言：工程车辆在现代社会的建设和发展中起着重要的作用。

而工程车辆的转向稳定性和操控性能直接影响着其安全性和工作效率。

因此，研究和改进工程车辆的转向稳定性和操控性能对提高工程车辆的性能具有重要意义。

本文将从转向稳定性和操控性能两个方面展开研究。

一、工程车辆转向稳定性研究：工程车辆的转向稳定性是指车辆在转弯过程中的稳定性表现。

转向稳定性的研究主要包括横向动力学特性、激励和响应、转向系数等方面内容。

1.1 横向动力学特性研究：横向动力学特性是研究工程车辆在转向过程中的侧倾、横摆和抓地力等方面的性能。

通过仿真模型和实际测试，可以获取工程车辆在不同速度、负荷和路面条件下的侧倾角、横摆角和侧向抓地力等参数。

这些参数可以为工程车辆的操控、设计和改进提供重要依据。

1.2 激励和响应研究：工程车辆在转向过程中会受到横向冲击力和驾驶员的操控输入等因素的影响，而激励和响应研究旨在了解工程车辆在不同激励下的响应能力。

通过分析工程车辆的激励和响应特性，可以确定工程车辆的转向稳定性以及对外界干扰的抵抗能力。

1.3 转向系数研究：转向系数是指工程车辆在转向过程中转动角度与转向力矩、负荷和速度之间的关系。

转向系数的研究对于评估工程车辆的转向性能和设计转向系统具有重要意义。

通过实验和建模，可以得出工程车辆的转向系数，并进一步优化转向系统。

二、工程车辆操控性能研究：工程车辆的操控性能是指车辆在操纵过程中的灵活性、稳定性和舒适性等方面的表现。

操控性能的研究主要包括操纵机构、操控响应和驾驶员感知等方面内容。

2.1 操纵机构研究：操纵机构是工程车辆的关键部件，直接影响着工程车辆的操控性能。

该部分研究主要涉及工程车辆的转向机构、操纵杆和转向控制系统等。

通过分析操纵机构的传动特性和结构设计，可以优化工程车辆的操控性能。

2.2 操控响应研究：操控响应是指工程车辆在驾驶员操纵输入下的反应速度和准确度。

该部分研究主要关注工程车辆的转向响应、操纵信号传递和操纵系统动态特性。

轮胎性能对车辆操纵稳定性影响的仿真研究

ＣｈｅｎＨｕａｎｍｉｎｇ，＆ＧｕｏＫｏｎｇｈｕｉ
Ｉ．ＪｉｌｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅＳｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ１３００２２；
汽２０１５年（第３７卷）第５期
车
工
程
ＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
２０１５０８７
轮胎性能对车辆操纵稳定性影响的仿真研究术
陈焕明，郭孔辉
（１．吉林大学，汽车仿真与控制国家重点实验室，长春１３００２２；２．青岛大学机电工程学院，青岛２６６０７１）
ｏｎｔｈｅｈａｎｄｌｉｎｇｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｖｅｈｉｃｌｅ．Ｆｉｒｓｔｌｙｔｉｒｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｅｆｏｒｒｍａｎｃｅｔｅｓｔｉｓｐｅｆｏｒｒｍｅｄｏｎｔｈｒｅｅｓｅｔｏｆｔｉｒｅｓ，ａｎｄｗｉｔｈｔｈｅｆｏｒｃｅａｎｄｍｏｍｅｎｔｄａｔａｏｂｔａｉｎｅｄｆｒｏｍｔｅｓｔ，ａＵｎｉｔｉｒｅｔｉｒｅｍｏｄｅｌｉｓｂｕｉｌｔ．Ｔｈｅｎａｖｅｈｉｃｌｅｄｙｎａｍｉｃｓｍｏｄｅｌｉｓ

横摆力矩和主动前轮转向结合的车辆横向稳定性模糊控制仿真

态及稳态响应优于单独的横摆力矩控制，明该方法能有效地控制车辆横摆角速度和侧偏角，高车辆转表提
向时的横向稳定性，同时能有效地减轻驾驶员操纵负担。
关键词：辆工程；摆力矩控制；动前轮转向；向稳定性；糊控制车横主横模
摘
要：出一种基于横摆力矩和主动前轮转向相结合的车辆横向稳定性控制方法，提以横摆角速度和
侧偏角为控制目标。用前馈补偿和模糊控制产生横摆力矩和附加的前轮转角，过控制制动力的分配以利通
ＡｂｔａｔＡｕｚｏｔｏｔｏｒｐｓｄｔｒｖｅｉｌｙｗｔｂｌｙｂｈｔｇａｅｏｔｏｏａｍｏｎｏｔｏｓｒｃ：ｆｚｙｃｎｒｌｍｅｈｄｉｐｏｏｅＯｉｏｅｖｈｃｅａｓａｉｔｙｔｅｉｅｒｔｄｃｎｒｌｆｙｗｍｅｔｎｒｌｓｍｐｉｎｃａｄａｔｅｆｏｔｓｅｒｇｎｃｉｒｎｔｅｉ，Ｔｈｏｔｌｓｒｔｇｓｎｅｄ—ｆｒｒｎｅｄａｋｃｍｐｎａｏｓｐｏｏｅｖｎｅｃｎｒｔａｅｙｕｉｇｆｅｏｏｗａｄａｄｆｅｂｃｏｅｓｔｒｉｒｐｓｄ，ｗｈｃｒｄｃｓｄｒｃｉｈｐｏｕｅｉｔｅｙｗｍｅｔｎｒｎｔｅｉｇａｇｅｔｏｔｌａｒｔｎｉｅｓｐａｇｅｙａｔｅｙｃｎｒｌｎｈｒｎｔｅｉｇａｇｅａｄｔｅａｍｏｎｄｆｏｔｅｒｎｌｏｃｎｒｗａｅａｄｓｌｎｌ，ｂｃｉｌｏｔｌｇｔｅｆｏｔｓｅｒｎｌｎｈａｓｎｏｙｄｉｖｏｉｎｄｓｒｕｉｎｏｒｋｎｏｃｓｈｎｅｒｔｄｃｎｒｌｓｓｅｍａｅｈｅｆｒｎｅｏｈｃｕｌｖｈｃｅｍｏｅｆｌｗｈｔｏｎｉｔｉｔｆｂａｉｇｆｒｅ，ｔｅｉｔｇａｅｏｔｏｙｔｍｋｓｔｅｐｒｏｍａｃｆｔｅａｔａｅｉｌｄｌｏｌｔａｆａｂｏｏｉｅ１ｅｉｌｍｏｅ，Ａｉｌｔｎｉｐｒｏｍｅｔｗｏｄｆｅｅｔｏｄｔｎ，ｔｅｒｓｌｈｗｅｈｔｔｅｔａｓｅｔｎｔａｙｒｓｏｓｄａｈｃｅｄｌｖｓｍｕａｉｅｆｒｄａｉｒｎｎｉｏｓｈｅｕｔｓｏｄｔａｈｒｎｉｎｄｓｅｄｅｐｎｅｏｓｔｆｃｉｓａｂｈｒｓｎｅｔｏｓｂｔｅｈｎｔａｙＤＹＣｏｌｙｔｅｐｅｅｔｄｍｅｈｉｅｔｒｔａｈｔｂｄｎｙ，ａｄｔｅｐｅｅｔｄｍｅｈｄｃｎｅｆｃｉｅｙｃｎｒｌｔｅｙｗａｅａｄｓｅｎｈｒｓｎｅｔｏａｆｅｔｌｏｔｏｈａｒｔｎｉｖｄｓｉａｇｅｓｎｈｏｏｓｙｃｉｖｏｄｔｎｉｎｎｔａｙｒｓｎｅａｄａｈａｉｇｔｎｔｅｂｒｅｆｔｅｄｉｅ．ｌｎｌｙｃｒｎｕｌ，ａｈｅｅｇｒｓｔａｄｓｅｄｅｐｓ，ｎｔｔｅｓｍｅｔｐａｅｏｍｅｌｈｅｈｕｄｎｏｈｒｒｉｖＫｅｏｄ：ｅｉｌｅｇｎｅｉｇｙｗｒｓｖｈｃｅｎｉｅｒ；Ｙａ —ｍｏｎｏｔｏ；ａｔｅｆｏｔｔｅｉｇａｓａｉｔ；ｆｚｙｃｎｒｌｎｗｍｅｔｃｎｒｌｃｉｒｎｅｒ；ｙｗｔｂｌｙｕｚｏｔｏｖｓｎｉ

汽车操纵稳定性控制系统的分析

汽车操纵稳定性控制系统的分析【摘要】汽车操纵稳定性的研究，是与汽车车速的不断提高分不开的。

早期的低速汽车，还谈不上操纵稳定性问题，最早提出操纵稳定性问题，是在具有较高车速的赛车上。

后来，随着车速的不断提高，在轿车、大客车和载货汽车上也都不同程度地出现了类似的问题。

因此汽车操纵稳定性的研究成为当今研究热点。

本文从国内外汽车操纵稳定性控制的研究现状出发，对汽车操纵稳定性进行仿真分析。

【关键词】汽车操纵稳定性控制仿真一、汽车操纵稳定性研究的目的及意义随着高速公路的发展和汽车技术的进步，公路交通呈现出行驶高速化、车流密集化的趋势。

现代轿车的设计最高时速一般都大于200km/h，有的运动型轿车甚至超过300km/h。

汽车在高速公路上的行驶速度通常也都在lookm/h，其次驾驶员的非职业化发展趋势，使得车辆在高速行驶时出现了各种各样的稳定性问题。

要求汽车具有更好的可控性和更高的行驶安全性。

因此，汽车的操纵稳定性日益受到重视，成为现代汽车研究的重点。

二、国内外研究现状国外发达越来越多的车型已将电子稳定性控制系统作为其标准配置2005年大约40%的新注册车辆配备了esp，在高档车上，esp 已经成为了标准配置，中档车上的装配率也迅速提高，在紧凑型车上装配率稍低。

国内对汽车操纵稳定性控制的研究起步较晚，目前仍然处于研究开发的初期，没有具备自主知识产权的产品。

电子稳定性控制系统的装配率还比较低，以往通常只在高档车上才装配esp，2006年上市的东风雪铁龙的凯旋、一汽大众的速腾和上海通用的君越都配有esp[141，但是装备的都是国外公司的产品，国内还没有自己的实际开发系统的能力，大多数学者只是基于理论的研究。

三、车辆操纵稳定性控制的基本原理及分析汽车电子稳定控制的基本思想是通过对临界稳态工况的控制，来阻止汽车进入不可控的非稳态，此时汽车的质心侧偏角往往较大，车轮的侧向力已接近轮胎与路面的附着极限，此时方向盘转角控制对车辆稳定性的改善并不明显，所以一般不使用方向盘转角控制，可以采用通过纵向力匹配来产生横摆力矩的控制方法来改善车辆稳定性。

基于操纵稳定性的主动转向系统控制

基于操纵稳定性的主动转向系统控制赵婷闫海敬（滨州学院山东·滨州256600）摘要主动转向系统是现阶段动力系统中新提出的一种转向方案，这种转向方案的目的是为了保证系统工作的稳定性，保证车辆能够正常行驶，无论是电动轮汽车还是其他汽车，基于主动转向系统控制，能在不同路面上针对路面的附着系数建立，对汽车有无主动转向和主动转向干预情况等进行分析，调整车速以及不同方向盘转角的输入情况，实现行车的阶跃响应以及单移线仿真分析。

现阶段，方针分析结果表明，但阶跃输入越大，汽车在不同路面附着系数和方向盘转角下的汽车低速转向横摆角和质心侧偏角更大，转向灵敏度显著提升，相对的，汽车在高速横摆角速度和质心侧偏角更小，转向更加安全，在汽车实际行驶转角中，主动转向控制系统越是稳定，则干预方向盘实际转角更加安全及稳定。

关键词操纵稳定性主动转向系统汽车中图分类号：F407文献标识码：A0引言基于操纵稳定性和车辆转向的要求，主动转向系统利用虚拟样机技术对主主动转向进行建模和仿真，基于不同的路面附着系数，建立主动转向系统的模型，从而考虑到底要不要进行主动转向干预，针对不同路面进行整车车速和不同方向盘转角之间的性能仿真分析，以此确定主动转向系统的设计和开发。

本文从现有汽车的主动转向系统和操纵稳定性进行综合性分析，探讨如何在操纵稳定性的要求上开发主动转向系统控制，以保证主动转向系统的稳定运行。

1主动转向系统和操纵稳定性概述1.1主动转向系统研究现状现如今对主动转向系统的研究集中在转向原理以及控制策略中，从行车安全以及操纵便利性角度进行车辆行驶分析，通过对汽车制动转轮评估和分析主动转向系统的性能，从而对主动转向系统进行深入分析，积极采用现如今的虚拟仿真技术进行汽车行驶中的各种情况模拟，针对整车车速以及不同方向盘转角输入的性能仿真分析，利用各种VR技术相关软件进行深入试验模拟，通过软件进行虚拟试验，从而确定向不同路面附着系数下的主动转向以及主动转向干预操作，对不同车速情况下的电轮转向系统进行性能解析，确定应该实施主动转向控制策略，并建立起主动转向干预的模型，对不同车速以及方向盘转角下的汽车低速转向横摆角速度和质心偏侧角进行分析预测，实现车辆缓转向的安全性，保证驾驶员能够基于路感干预汽车转向。

基于MPC_的四轮转向车爆胎稳定性控制

TRAFFIC AND SAFETY | 交通与安全1　引言随着国家车辆智能化政策的落实，无人驾驶车辆逐渐被大众所接受，其中轨迹跟踪作为无人驾驶技术的底层执行系统[1]。

轨迹跟踪控制的策略对车辆行驶运动的精度和稳定性有着重要影响，当车辆在高速行驶过程中，如果发生爆胎、打滑等事故，将对交通安全造成重大隐患[2]，开展智能汽车轨迹跟踪精度和稳定性控制研究迫在眉睫。

目前，针对传统前轮转向车辆的的轨迹跟踪控制技术研究已较为成熟。

1981年，美国学者MAC ADAM[3]首次将最优预瞄控制运动在无人驾驶上。

1992年，卡内基梅隆大学提出了经典纯跟踪控制策略。

2005年，斯坦福大学将 Stanley算法应用沙漠挑战赛中并取得冠军。

上述得控制方法主要基于车辆运动学模型。

当汽车处于极端工况下，车辆的操纵稳定性和防侧翻控制仍存在不足。

当传统的控制算法难以解决非线性、多变量等实际控制问题时，模型预测控制(Model Predictive Control，MPC)作为一种先进的控制策略应运而生。

相比于传统控制算法，MPC在处理多变量、非线性和带有硬约束的控制问题时更具优势。

基于MPC的四轮转向车爆胎稳定性控制詹伟梁　董洪昭北京工商大学人工智能学院　北京市　100048摘要：四轮独立转向驱动汽车相比传统车辆具有更多控制自由度，具备在高曲率跟踪精度好，低附着路面操纵稳定性优越的特点。

本文针对车辆在轨迹跟踪中所面对的低附着、爆胎等紧急工况，本研究采用模型预测控制理论，针对四轮转向电动汽车的横摆稳定性问题进行了探究。

以横摆角速度和横向误差为控制目标，计算出最优四轮转角和直接横摆力矩，下层采用最优转矩分配并考虑轮胎摩擦圆约束，以实现对四轮驱动电动汽车的稳定性控制。

在CarSim/Simulink联合仿真整车模型中，采用参数化建模设置整车参数。

通过双移线爆胎工况仿真实验分析，所提出的策略能够有效地提高四轮驱动电动汽车的轨迹跟踪精度，从而提高整车的行驶稳定性。

汽车爆胎时主动安全控制仿真系统设计研究

汽车爆胎时主动安全控制仿真系统设计研究摘要：爆胎危险性极高且难以预测。

汽车爆胎后,会出现明显的横摆、偏航,甚至是甩尾、激转等,严重威胁着驾乘人员的生命和财产安全。

由于心理紧张、驾驶经验不足等原因,驾驶员很难及时做出准确有效的反应,而且经常会出现过度操作甚至是错误操作。

目前,汽车装备的底盘集成主动安全控制系统,仍然不具备爆胎汽车主动控制功能。

本文在现有主动安全控制系统的基础上,进行拓展和延伸,设计了一种爆胎应急主动安全制动系统，根据爆胎产生的附加横摆力矩建立了模糊控制模型的，针对发生爆胎的车辆通过自动制动将车速降低至安全范围直至车辆停住。

辅助爆胎车辆实现安全停车，以防车辆失控，主动安全控制系统以实际爆胎及车辆运动状况为依据通过向车辆施加平衡力矩实现运动轨迹的纠偏控制过程。

系统装置的模拟试验结果表明这种主动安全控制策略的可行性，它可确保爆胎车辆在较短时间内减速至安全车速并按原轨迹行驶，以确保爆胎车辆行驶的稳定性。

对比仿真结果表明:该应急主动安全制动系统应用于车辆在发生爆胎后，车辆能够在原行驶轨迹中迅速稳定下来，使爆胎车辆稳定性控制过程得以有效实现，验证了该控制策略的有效性。

关键词：汽车爆胎主动安全控制；爆胎应急装置；附加横摆力矩；轻点刹车前言我国高速公路里程不断增加，汽车已经成为日常出行必不可少的交通工具，随着汽车保有量的不断增加，交通事故对人们的生命及财产安全产生了严重影响，其所引发的问题使人们对汽车的安全性能及操作性能的要求不断提高，在各类交通事故中轮胎爆胎成为引发安全事故的主要因素之一，发生爆胎后的车辆轮受到力学特性发生显著改变的爆胎的影响，严重影响了车辆的操纵稳定性及安全性。

尤其是对于缺乏处理紧急事故经验的驾驶员来说，极易由于紧张而进行了错误的操作增加了事故后果的严重性，爆胎车辆稳定性控制已成为行业内的研究重点。

1.需求分析车辆的运动特性在发生爆胎后会迅速改变，通常会使驾驶员不得不采取仓促的应激性操作，而不恰当的操作（包括驾驶员制动反应时间延迟）则易导致车身剧烈侧滑、甩尾情况的发生，增加了翻倾等严重事故的发生概率，为有效的解决这一问题对爆胎车辆的自动制动功能的需求不断提高，在车辆失控前通过自动制动系统采用相关自动制动策略实现车速到安全车速范围的迅速调整，辅助爆胎车辆完成安全停车过程。

爆胎汽车的轨迹跟踪与稳定性控制

爆胎汽车的轨迹跟踪与稳定性控制王菲;刘柏楠;郭洪艳;陈虹【期刊名称】《电机与控制学报》【年(卷),期】2013(017)011【摘要】通过对高速公路环境中爆胎汽车运动特性的分析,提出了基于主动前轮转向-差动制动的协调控制方法.根据爆胎汽车存在多变量、参数时变等复杂特性,以及执行机构饱和等约束条件的特点,采用模型预测控制方法设计主动前轮转向控制器实现汽车爆胎后的轨迹跟踪控制,同时通过对后轮进行差动制动提供内环控制输入以保证爆胎汽车的侧向稳定性.在高精度汽车动力学仿真系统中的验证表明,与仅采用主动前轮转向控制相比,爆胎汽车能够在较小的前轮转角控制作用下以很小的侧向偏移保持在原车道继续行驶,稳定性也得到提高.【总页数】8页(P97-104)【作者】王菲;刘柏楠;郭洪艳;陈虹【作者单位】吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室,吉林长春130022;吉林大学控制科学与工程系,吉林长春130022;吉林大学控制科学与工程系,吉林长春130022;吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室,吉林长春130022;吉林大学控制科学与工程系,吉林长春130022;吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室,吉林长春130022;吉林大学控制科学与工程系,吉林长春130022【正文语种】中文【中图分类】TP273【相关文献】1.汽车爆胎的解决途径——蒂龙汽车爆胎保险装置 [J], 云华;朱健2.爆胎车辆稳定性控制 [J], 庄佳琪;文桂林;周景宇3.爆胎汽车的稳定性控制 [J], 黄江;郭孔辉;宋晓琳;刘巍4.汽车爆胎应急自动制动系统稳定性控制 [J], 陈庆樟;何仁;李学智;许广举5.爆胎汽车稳定性控制的模糊滑模控制算法研究 [J], 刘维; 张向文因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

基于主动转向技术的汽车制动稳定性控制

基于主动转向技术的汽车制动稳定性控制
赵伟;魏朗;周志立;张(韦华)
【期刊名称】《农业机械学报》
【年(卷),期】2008(39)2
【摘要】以汽车制动稳定性控制原理和相关汽车动力学模型为基础,通过对汽车在两侧路面附着系数相差较大的对开路面的制动状况进行理论分析,提出利用主动转向技术控制汽车紧急制动时的稳定性,并使汽车在制动偏驶后能通过转向控制快速恢复到正确的行驶车道.在理论分析的基础上结合所提出的模糊控制策略和控制方式,设计模糊控制器进行仿真实验,并用实验结果进行了验证,结果表明利用所提出的汽车制动稳定性模糊控制策略,能减少汽车制动时的失稳状况,对于提高汽车的行驶安全性具有一定的作用.
【总页数】6页(P33-37,14)
【作者】赵伟;魏朗;周志立;张(韦华)
【作者单位】长安大学汽车学院(河南科技大学),710064 西安市;长安大学汽车学院,710064 西安市;河南科技大学,471003,洛阳市;长安大学汽车学院,710064 西安市
【正文语种】中文
【中图分类】U463.2
【相关文献】
1.基于主动转向技术的汽车制动稳定性控制 [J], 胡铁牛
2.基于半主动悬架侧倾力矩分配的侧向稳定性控制 [J], 姚嘉凌;任杉;李智宏;孙宁;沈亮;Saied Taheri
3.基于主动转向技术的汽车防侧翻控制的研究 [J], 徐延海
4.基于半主动空气悬架的重型车辆侧翻稳定性控制研究 [J], 刘彦峰;何锋;陈海虹;韩雪雯;陈江生
5.主动转向技术在汽车侧向稳定性控制中的应用 [J], 徐延海
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基于轮胎力动态估计与主动转向的新型ESP系统

基于轮胎力动态估计与主动转向的新型ESP系统吴洋;李萧良;张邦基;张农;陈盛钊【摘要】车辆电子稳定系统能有效提高车辆在极限工况下的方向稳定性.针对传统直接横摆力矩控制(DYC)没有考虑轮胎附着力极限的局限,提出一种基于轮胎动力动态估计(TDE)算法的新型车辆电子稳定控制系统(ESP),在此基础上,通过主动前轮转向(AFS)协同控制,最大化利用车轮附着力.采用多元回归统计算法设计TDE控制器,采用基于统计数据的多项式拟合获得车轮附着力边界极限和最优动态滑移率上限值;采用模糊逻辑算法设计AFS控制器,补偿因附着力达到极限引起的横摆力矩不足.仿真结果表明,通过与AFS的协同控制,新型ESP能够在改善车辆的方向稳定性的同时,大幅降低车轮制动控制力,减少对车辆纵向速度的影响.【期刊名称】《湖南大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(045)008【总页数】10页(P32-41)【关键词】车辆电子稳定系统;轮胎力动态估计;主动前轮转向;集成控制;车辆动力学【作者】吴洋;李萧良;张邦基;张农;陈盛钊【作者单位】湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室,湖南长沙410082;湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室,湖南长沙410082;湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室,湖南长沙410082;湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室,湖南长沙410082;合肥工业大学汽车与交通工程学院,安徽合肥230009;湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室,湖南长沙410082【正文语种】中文【中图分类】U461.6随着人们对汽车安全技术的日益重视，先进的主动安全控制系统越来越多地应用于车辆上，如防抱死系统(Antilock Braking System,ABS)、驱动防滑控制系统(Traction Control System,TCS)、主动前轮转向系统(Active Front Steering,AFS)、主动悬架系统(Active Suspension Systems,ASS)及电子稳定程序(Electronic Stability Program,ESP)等等.多个主动控制系统并存时，系统之间必然存在相互影响，若能对此进行集成控制，不仅能减少硬件数量，还能协同提高车辆的运动性能.对此，不少学者对联合控制策略及其控制算法进行了理论研究.在联合控制方面，Jin 等人[1]通过联合AFS和ASS，提高车辆的操纵稳定性.Zhao 等人[2]提出的集成ASS、AFS与DYC的分层控制器，有效地改善了车辆的操稳性能.陈无畏等人[3-4]对汽车电动助力转向系统和电子稳定程序进行了功能分配协调控制，补偿的回正力矩提高汽车稳定性，通过加权的方式实现ESP与ASS的分层协调控制.宋宇等人[5]搭建了ESP与四轮转向系统的分层式集成控制体系，该集成控制的车辆操稳性能优于其中的单独控制系统.Li等人[6]通过四轮转向系统和主动制动的组合控制来提高车辆操稳性和横向稳定性.周兵等人[7]在传统AFS控制基础上考虑路面附着条件的影响，提高车辆的操纵稳定性.ESP控制算法方面，应用较为广泛的有PID控制算法、模糊逻辑PID控制算法[8]、LQR控制[9]及滑模控制[10]等等.但是以上研究中均未考虑到轮胎摩擦椭圆的约束条件，极易造成制动力施加过度，而使得轮胎作用力急剧下降，影响车辆转向操稳性，因此有必要在ESP 工作时，考虑轮胎力组合滑移限制条件.橡胶轮胎与地面之间的非线性摩擦力很大程度上决定其车辆运动的响应，在客观环境因素无法改变的情况下，如何发挥轮胎力的极限工作能力的问题一直是研究的重点.Li等人[11]考虑了轮胎的组合滑移限制条件，实现对直接横摆力矩的分层控制策略.Mokhiamar等人[12]提出了基于加权系数的轮胎纵向力和侧向力最佳分配控制算法.李道飞等人[10]采用滑模控制算法优化4个车轮的制动力，改善车辆主动转向下的横摆角速度响应.但是主动制动力控制下的轮胎力存在着物理极限，一旦车辆的轮胎力达到极限值，任何轮胎制动控制都将失效，因此有必要提供额外的辅助控制系统，与ESP系统形成联合控制，以提高ESP系统的操稳控制极限.结合以上两方面前人的研究成果，本文提出一种基于轮胎力动态估计(Tire Dynamic Force Estimation,TDE)与主动前轮转向技术(Active Front Steering,AFS)的新型车身电子稳定系统.一方面，轮胎力动态估计能够有效地保证滑移工况下，轮胎纵向力不超过其纵向滑移率的上限值；另一方面，主动转向技术能够在ESP控制初期及时提供额外的主动操稳控制.在MATLAB/Simulink环境下建立了14自由度车辆模型、稳态二自由度参考模型、轮胎模型，设计了TDE与AFS控制器，通过前轮阶跃输入仿真试验，验证TDE在极限工况下的有效性，进一步地，设计双移线道路下的“人-车-路”仿真试验，研究新型ESP系统对车辆操稳性能的影响.1 系统建模1.1 整车14自由度模型为了更真实地反映车辆的操稳响应，建立整车14自由度非线性模型[13](未考虑坡度、风阻及路面激励).14自由度分别为：固结于车身质心处的平动自由度x、y、z 及转动自由度θ、φ、ψ，4个车轮的垂向自由度Zui及转动自由度ωi(i=1,2,3,4)，如图1所示.簧上质量平动方程为：ms(x″-y′ψ′+z′φ′)=(Fx1+Fx2)cos δ+(Fy1+Fy2)sin δ+Fx3+Fx4-msgsin φ(1)ms(y″+x′ψ′-z′φ′)=(Fx1+Fx2)sin δ+(Fy1+Fy2)cos δ+Fy3+Fy4+msgsin θcos φ(2)ms(z″-x′φ′+y′θ′)=-(Fs1+Fs2+Fs3+Fs4)+msgcos φcos θ(3)式中:Fxi、Fyi分别为轮胎受到的组合纵向力与侧向力；Fsi为悬架系统作用于车身的垂向力；θ、φ和ψ分别为车身的侧倾角、俯仰角和整车的横摆角；δ为前轮的转向角；g为重力常数.簧上质量转动方程为:(4)图1 14自由度整车动力学模型Fig.1 14 DOF vehicle dynamics model(5)(6)式中:Mi(i=x,y,z)为受力对象的合外力矩;ωi(i=x,y,z)表示侧倾角速度、俯仰角速度及横摆角速度.通过受力分析，合外力矩Mi表示为：Mx=t(Fs1-Fs2+Fs3-Fs4)-hs[(Fx1+Fx2)sinδ+(Fy1+Fy2)cos δ+Fy3+Fy4]+(hg-hs)msgcos φsin θ(7)My=a(Fs1+Fs2)-b(Fs3+Fs4)+hg[(Fx1+Fx2)cos δ+(Fy1+Fy2)cos δ+Fx3+Fx4+hgmsgsin φcos θ](8)Mz=a[(Fy1+Fy2)cos δ+(Fx1+Fx2)sin δ]-b(Fy3+Fy4)+t[(Fx1-Fx2)cos δ-(Fy1-Fy2)sin δ]+t(Fx4-Fx3)(9)车轮的垂向运动方程为：(10)式中:zg i为路面位移激励，在本文中，取zg i=0.车轮的转动方程为：(11)式中:Tt i为车辆作用在车轮上的驱动力矩;Tb i为车辆作用在车轮上的制动力矩;Tf i 为轮胎作用在车轮上的滚动阻力矩.本文所用某SUV车整车相关参数如表 1 所示. 表1 整车14自由度动力学模型参数Tab.1 Parameters of 14 DOF vehicle dynamics model参数名称符号数值单位簧载质量ms1 900kg车轮质量mu42kg 车身侧倾转动惯量Ix580kg·m2车身俯仰转动惯量Iy1 200kg·m2整车横摆转动惯量Iz3 240kg·m2侧倾横摆平面惯性矩Ixz50kg·m2侧倾俯仰平面惯性矩Ixy0kg·m2俯仰横摆平面惯性矩Iyz0kg·m2车轮转动惯量Iw1kg·m2车轮有效转动半径Re0.34m前轴到簧上质心的水平距离a1.253m后轴到簧上质心的水平距离b1.508m前/后桥半宽t0.75m簧上质心到侧倾轴线的距离hs0.35m簧上质心到地面的距离hg0.75m悬架刚度ks20 000N/m悬架阻尼cs2 000N·s/m前轴侧偏刚度k1199 780N/rad后轴侧偏刚度k2157 300N/rad轮胎刚度kt200000N/m1.2 轮胎模型轮胎力的表达精确与否，将会直接影响车辆运动仿真的准确性，Pacejka[14]提出的非线性组合魔术公式轮胎模型(Magic Formula，MF)能够很好地拟合线性区及非线性区轮胎力的数值，一般表现形式如下：y=D sin {C arctan [Bx-E(Bx-arctan (Bx))]}(12)式中：D为曲线峰值因子，D=a1Fz2+a1Fz；C为曲线形状因子；B为曲线刚度因子，B=BCD/CD；E为曲线弧度因子.自变量x在不同情况下分别表示为纵向滑移率λ或轮胎侧偏角α，对应地，y可以表示为纵向力Fx或横向力Fy，纵向滑移率λ与轮胎侧偏角α的定义如下:(13)α=arctan(vw/uw)(14)式中:uw和vw分别表示在SAE标准轮胎坐标系中，轮心的前进速度与侧向速度；ω为车轮转速.考虑摩擦椭圆，轮胎纵向力和侧向力可分别表示为：Fx=(σx/σ)×y(λ,Fz)(15)Fy=(σy/σ)×y(α,Fz)(16)(17)式中:y(λ,Fz)和y(α,Fz)分别表示纯侧偏工况和纯纵滑工况下的轮胎纵向力和侧向力.忽略轮胎的阻尼特性，魔术公式中所需的轮胎垂向载荷可以由车轮与地面之间的弹性位移得到，如下:Fz i=(Zu i-Zg i)kt,i=1,2,3,4(18)1.3 二自由度车辆模型忽略转向系统影响，以车轮转角及车速作为输入，具有侧向及横摆运动的线性二自由度车辆模型如图2所示，稳态下的运动微分方程表示为:(19)式中:β为质心侧偏角；ψ为车辆横摆角；u为车辆纵向速度；k1和k2分别为等效的前轴和后轴侧偏刚度，可由轮胎“侧偏角-侧向力”曲线求得.其余符号说明参见表 1 .图2 二自由度车辆模型Fig.2 2DOF vehicle model2 新型ESP系统设计2.1 TDE控制器设计考虑到轮胎力的实际提供能力，需要在传统ESP控制基础上，进行轮胎力的动态评估[15-16].如图3所示，定义当前制动工况下轮胎力摩擦椭圆的端点为极限控制点λup，实际工况下，当对车轮进行主动制动控制时，轮胎侧偏角相对于轮胎纵向滑移率，变化较为平稳，于是根据当前轮胎力状态，描绘出其摩擦椭圆曲线A，预测轮胎力的变化趋势.阶段1：随着主动制动力的增加，轮胎力矢量线将沿着摩擦椭圆曲线A逆时针移动，轮胎纵向力随着轮胎纵向滑移率的增加而增加，当到达λup时，轮胎纵向力达到其最大值．阶段2：经过极限控制点λup后，轮胎纵向力随着轮胎纵向滑移率的增加而减小，这说明阶段2是一种极不稳定的状态，ESP将在此干预下产生误判.对此，当轮胎力矢量线达到极限控制点λup时，减少主动制动力，维持当前轮胎纵向滑移率不超过其上极限值，获得稳定的轮胎纵向力，以提供充分的附加横摆力矩.由图3可知，当侧偏角增大时，当前轮胎摩擦椭圆从曲线A移至曲线B，极限控制点变为λ1；而当轮胎垂向载荷增大时，当前轮胎摩擦椭圆从曲线A移至曲线C,极限控制点变为λ2.图3 当前轮胎状况与摩擦椭圆的关系Fig.3 The relationship between the current tire condition and the friction ellipse为了实时跟踪极限控制点的变化，以侧偏角sa、轮胎垂向载荷Fz为自变量，对魔术轮胎数据进行多元线性回归统计分析，拟合出极限控制点关于侧偏角sa及轮胎垂向载荷Fz的函数，在MATLAB中可通过regress函数实现，其误差范围在5%以内，拟合公式为：(20)式中:a=0.186 2;b=0.620 9;c=-8.779-6;d=4.847 9;e=3.676-10;f=2.157-5;g=1.337-9;h=-10.508.仅通过式(20)得到的极限控制点对车轮滑移加以控制是不够的，如图3曲线A所示，从A到B点的过程中，随着纵向滑移率λ从0到λup，侧向力变化率dy=dFy/dFx从0到无穷大侧向力减少的趋势增加，当轮胎状态处于B点时，极小的纵向滑移率λ扰动，都会引起侧向力的剧烈变化.因此，对极限控制点λup做了线性约束，防止出现侧向力剧烈波动情况.调试轮胎力模块，进行简化处理，乘以系数的极限控制点的纵向滑移率数值为：(21)2.2 DYC控制器设置车辆横摆角速度的理想值定义为名义横摆角速度ψ′，可以由二自由度车辆模型给出，名义横摆角速度与车轮转角成线性关系，符合驾驶员的理想操纵意图，由式(19)可得：ψ′=uδ/(1+Ku2)(22)式中:K为稳定性因子，表示为K=m(a/k2-b/k1)/L2(23)考虑到道路摩擦因数的影响，必须对侧向加速度加以限制，否则车辆将会发生侧向滑动，即ay=ψ′u≤μg(24)式中:μ为路面附着系数;g为重力加速度.综上，名义横摆角速度限制为：(25)常见的控制策略是以横摆角速度和质心侧偏角为控制信号，然而，实际情况下，车辆的质心侧偏角难以准确获取[17-19]，因此基于Carsim软件内的ESC控制策略,对横摆角速度进行控制，e(t)为名义横摆角速度与实际横摆角速度的误差值，稳定性状态判断可使用如下公式：|e(t)|≤c(26)式中:c为车辆稳定性参数，取值为0.027.当公式(26)成立时，可认为车辆处于稳定阶段，无需控制器介入.控制逻辑如图4所示，其中，[0,1,0,0.6]表示右侧车轮制动时的增益，右前轮与右后轮制动量的比例为1∶0.6；[-1,0,-0.6,0]表示左侧车轮制动时的增益，前轮与右后轮制动量的比例为1∶0.6．使用正负号是为了统一绝对值．[400,400,300,300]表示制动压力转换为制动力矩的增益.图4 ESP控制流程图Fig.4 ESP control logic diagram控制算法采用PID控制，制动压力Pr为：(27)式中:P、I和D分别为比例系数、积分参数和微分参数.用Ziegler-Nichols频率响应法进行PID参数的整定，整定结果为：P=37、I=10、D=2.2.3 AFS模糊控制器设计车辆的横摆角速度是表征车辆稳定性能的一个重要控制量，因此以横摆角速度误差值E及误差值变化量EC作为模糊控制器的输入，经过模糊化、模糊推理、去模糊化，得到模糊控制器的输出量U，U为主动前轮附加转向角δa.对横摆角速度误差值E、误差值变化量EC、输出量U的模糊控制子集、论域、基本论域及量化因子做如下定义．E、EC以及U的模糊控制子集均为：[极小(NB)、很小(NM)、小(NS)、中(Z)、大(PS)、很大(PM)、极大(PB)]．E的基本论域为:{-0.3,0.3};EC的基本论域为:{-0.1,0.1};U的基本论域为:{-0.035,0.035};E、EC、U的基本论域均为:{-1,1}．为了使实际变化范围与规范化后的误差值E、误差值变化量EC及控制量U的论域相对应，可以得到E的量化因子ke=1/0.3；EC的量化因子kec=10；U的量化因子ku=1/0.035.输入量E、EC选取高斯分布隶属函数，控制量U选取三角形隶属函数，模糊控制隶属函数如图5～图7所示.横摆角速度误差/(rad·s-1)图5 误差E的隶属函数Fig.5 Membership function of E横摆角速度误差变化率/(rad·s-2)图6 误差变化率EC的隶属函数Fig.6 Membership function of EC附加前轮转角/rad图7 控制量U的隶属函数Fig.7 Membership function of U 根据实际车辆的失稳情况，模糊控制规则表要达到的目的为：当横摆角速度误差值E处于最大值，同时误差值变化率EC也处于最大值时，表明失稳最严重，则应介入最大的附加转向角控制；当横摆角速度误差值E、误差值EC处于小值时，附加转向角为零.E和EC各有7个模糊变量，产生49条模糊控制规则.具体的控制规则如表 2 所示.表2 控制规则表Tab.2 Fuzzy logic rulesEECNBNMNSZPSPMPBNBNBNBNMNMNMNSNSNMNBNMNMNSNS ZZNSNMNMNSNSZZPSZNSNSZZZPSPSPSNSZZPSPSPMPMPMZZPSPSPMP MPBPBPSPSPMPMPMPBPB2.4 新型ESP联合控制器设计ESP控制器作为危险工况下的主动安全技术，具有作用时间短，作用迅速的特点，控制系统的设计原则是尽量在驾驶员的操纵意图下，施加附加横摆力矩，修正车辆转向不足或转向过度.集成TDE与AFS的新型ESP系统的控制思路如图8所示，图中3个虚线框分别代表TDE控制器、DYC控制器和AFS控制器.在TDE控制器中，根据侧偏角sa和轮胎垂向载荷Fz计算极限控制点的纵向滑移率数值当轮胎实际纵向滑移率λ大于时，通过比例控制产生制动力矩抑制信号，以此适当降低DYC产生的主动制动力矩Tb．在DYC控制器中，PID控制模块决定制动力矩的大小，制动策略模块判断车辆是否失稳以及执行制动车轮的选择．在AFS控制器中，根据模糊控制模块计算产生附加前轮转角δa，其次通过附加前轮转角约束模块对δa进行两方面的约束，一方面，当判断出|e(t)|>d时(d为前轮失稳阈值，取值为0.1)，关闭AFS控制，这是因为AFS在轮胎力线性区域控制效果较为理想，而当车辆转向不足侧偏角接近极限值，车辆轮胎侧向力处于饱和区时，再叠加一个附加前轮转向角将会进一步恶化操纵稳定性.另一方面，对附加前轮转角δa进行上限值及下限值的约束，保证0.035>δa>-0.035 始终成立.以上两方面的约束增加了AFS控制的稳定性.图8 新型ESP系统控制逻辑图Fig.8 Novel ESP control logic diagram3 仿真分析与计算基于上述整车模型、ESP模型，AFS控制算法及轮胎力动态估计，应用商业数学软件MATLAB/Simulink，搭建轮胎力动态估计(TDE)控制器及主动前轮转向(AFS)控制器，采用ODE45变步长求解器.为验证集成TDE控制器及AFS控制器的新型ESP系统有效性，仿真分为两个部分，第1部分：轮胎摩擦椭圆动态估算仿真；第2部分：基于轮胎力动态估计及主动前轮转向的ESP系统仿真.3.1 TDE控制器ESP仿真为了更好地验证轮胎力动态估计的有效性，需要施加极限工况条件，为此前轮转向角输入选为阶跃输入，如图9所示.仿真条件：车速60 km/h，路面附着系数为0.85.由图10可以看出，原车横摆角速度实际值已经极大地偏离了其名义值，而ESP系统及ESP+TDE系统的横摆角速度都能很好地跟踪其名义横摆角速度.在瞬态阶段，ESP+TDE系统相对于ESP系统，其横摆角速度波动更加平稳.由于ESP施加的车轮主动制动力，影响了其车辆纵向速度，所以三者的横摆角速度名义值存在着一定的差异.在TDE干预下，降低了车轮主动制动力对车辆纵向运动的影响，因此系统的横摆角速度名义值始终介于原车与ESP系统的横摆角速度名义值之间.时间/s图9 前轮转角阶跃输入Fig.9 Step input of front wheel时间/s图10 车辆横摆角速度响应Fig.10 Response of vehicle yaw rate由图11可更直观地反映制动力矩的优化情况，0.5～0.55 s时间段内，在TDE干预下，右前轮制动力矩相比较于传统ESP控制减小近50%，右后轮制动力矩减小近25%.由图12可以看出，在TDE干预下，纵向滑移率的数值始终小于极限控制点λup估算出的纵向滑移率，在图像上的表现是轮胎纵向力随着制动力的增大而增大，随着制动力的减小而减小，这种控制效果与ABS类似.TDE的干预使轮胎纵向力及侧向力足够大，保证了附加横摆力矩的充裕和控制的稳定.时间/s(a) 右前轮时间/s(b) 右后轮图11 车轮制动响应Fig.11 Response of wheels brake纵向力/kN图12 右前轮轮胎力时间历程曲线Fig.12 Time course curve ofright-front wheel由图13可以看出，0.5 s时刻，前轮转向角输入阶跃信号，车辆转向不足，右侧车轮主动制动力启动，纵向滑移率增加，补偿附加横摆力矩.在ESP+TDE控制下，与传统ESP控制相比，纵向滑移率明显减小.纵向力和侧向力时间历程曲线也有小幅度的优化.3.2 新型ESP控制器仿真新型ESP控制器仿真中，为更加真实地模拟实车试验，建立基于预瞄时间的驾驶员模型[20-21]，以实现人-车-路闭环仿真．如图14所示，在地面坐标系下，基于预瞄时间及车辆横向偏移距离的驾驶员模型可以表示为：Δ=yd(x+VxT)-y(x)-VyT(28)式中:Δ为道路偏移量;yd为理想路径横向位移;y为当前路径横向位移;x为当前纵向位移;T为预瞄时间，取值为0.45 s;Vx和Vy分别为车辆当前纵向速度和横向速度.图13 各轮胎时间历程曲线Fig.13 Time course curve of tires仿真条件为：车速70 km/h，路面附着系数为0.85.模拟仿真路况为ISO 3888-2-2002_BS双移线国际标准道路[22]，理想路径通过分段样条插值得到，如图15所示.由图15可以看出，未加控制的原车模型的路径跟踪效果最差，侧向位移已经严重偏离其理想路径，车辆失稳.新型ESP系统由于在失稳初期及时介入了主动转向控制，主动转向产生的附加前轮转角如图16所示，补偿的侧向力对车辆的侧向位移进行修正，其路径跟随最为平缓，在横向位移为22～32 m阶段时，新型ESP相比于ESP+TDE控制，其车身方向回正能力有了明显提升.图14 小曲率下的道路方向控制Fig.14 Road direction control under a small curvature横向位移/m图15 车辆位移时间历程曲线Fig.15 Time course curve of vehicle displacement时间/s图16 附加前轮转角响应Fig.16 Response of active steering angle由图17～图19可知，ESP系统及新型ESP系统都能够很好地改善车辆的操纵稳定性．图17中，新型ESP系统的横摆角速度响应最为迅速，控制系统的滞后性下降，新型ESP控制下，车辆横摆角速度始终跟随其名义值．由图18可以看出，在新型ESP控制下，侧向加速度稍微有所降低.时间/s图17 横摆角速度响应Fig.17 Response of yaw rate时间/s图18 车辆侧向加速度响应Fig.18 Response of lateral acceleration由图19可以看出，联合了AFS与优化的主动制动力带来的另一个效果，就是对车辆的纵向速度的影响减少，新型ESP系统的车辆纵向速度最为平稳.这是因为，一方面，TDE控制器限制了ESP的主动制动力矩，保证了轮胎力的充裕；另一方面，及时介入的AFS控制，分担了一部分操稳控制压力，降低了DYC控制负担.时间/s图19 车辆纵向速度响应Fig.19 Response of longitudinal speed4 结论1)轮胎力动态估计能够保证主动制动力矩的施加，不超过其最优的动态滑移率上限值，使得轮胎力在非线性区的衰减得到抑制，这可视为ABS系统在摩擦椭圆面上的扩展.2)新型ESP控制系统，在改善转向操稳性能的同时，主动制动力得到有效的减少，有利于车辆制动系统的耐久性，联合AFS控制器，降低了主动操稳系统对车辆纵向速度的影响.3)提出的新型ESP系统，联合了AFS转向干预与TDE主动制动力干预，相比于传统的ESP控制，进一步改善了车辆的操纵稳定性.参考文献【相关文献】[1] JIN X,YIN G,BIAN C,et al.Robust gain-scheduled vehicle handling stability control via integration of active front steering and suspension systems[J].Journal of Dynamic SystemsMeasurement & Control,2016,138(1)：014501(1)-014501(12).[2] ZHAO J,WONG P K,MA X,et al.Chassis integrated control for active suspension,active front steering and direct yaw moment systems using hierarchical strategy[J].Vehicle System Dynamics,2017,55(1): 72-103.[3] 陈无畏,杨军,汪洪波,等.基于功能分配的EPS与ESP集成协调控制[J].机械工程学报,2015,51(16): 1-10.CHEN W W,YANG J,WANG H B,et al.Coordinated 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ｃｏｎｃａｖｅ
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将系统的输入确定为汽车的车速，在０．５ｓ时加一个车轮半径ｒ的阶跃输入，系统的输出为横摆角速度ｔＯ，如图４所示。由图
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中图分类号：ＴＨｌ６，Ｕ４６３．３４１＋．１文献标识码：Ａ
２（Ｒ＋Ｌ＋ＡＬ）＝（Ｒ＋Ｌ＋ＡＬ）＋（ｒ＋Ｌ＋△￡）。
采用三角形形式，确定输人输出沦域及隶属函数后，制定模糊推理规则库，如表１所示。且ｅ（ｋ）、ｄｅ（ｋ）及输出电流的论域均为｛一５，一４，一３，一２，一１，０，“，＋２，＋３，“，＋５｝。模糊控制器选用Ｍａｍｄａｎｉ模糊控制器。按照模糊逻辑控制器的控制规则设计。模糊推理也是选用
万方数据
机械设计与制造
１８４文章编号：１００１—３９９７（２０１２）０３—０１
８４—０３
第３期２０１２年３月
Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ
Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ
球塞泵定子轨道数控编程策略
王官明黄丹安莉柯尊荣（南昌大学机电工程学院，南昌３３０００１）
木
Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ－ｃｏｎｔｒｏｌｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇｓｔｒａｔｅｇｙｏｆｓｔａｔｏｒｏｒｂｉｔｆｏｒｂａｌｌｐｉｓｔｏｎｐｕｍｐ
ＷＡＮＧＧｕａｎ—ｍｉｎｇ，ＨＵＡＮＧＤａｎ，ＡＮ
Ｌｉ，ＫＥＺｕｎ—ｒｏｎｇ
（ＮａｎｃｈａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＴｈｅＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｎｃｈａｎｇ３３０００１，Ｃｈｉｎａ）
；
【摘要】基于球塞泵定子轨道几何成形原理，提出定子轨道数控加工程序设计要求。合理规划刀具ｊ
％＝ｃ，＝竽一竽Ｋ
（５）、（６）、（１０）、（１１）代入上式，再代人（１）、（２）得：
册朋
ＰＭＰＭ
船
ｐＭＰＭ尸ｓＰ５ＺｏＮｓ
ｍｆ
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用
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ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ＋ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｐｌａｎｎｉｎｇｔｏｏｌｐａｔｈ
ｒｉｇｈｔｆｕｌｌｙ，ｂｕｉｌｄｉｎｇｉ
｝ｍ（ａｈｅｍａｔｉｃａｌｔｒａｎｓｆｏｒｍｉｎｇ｝ｓｕｒｆｉｌｃｅａｎｄｃｏｍｐｌｅｔｅ￡ｋＮｃｍａｃｈｉｎｉｎｇｏｆｃｏｍｐｌｅｘ
ｍｏｄｅｌａｎｄ
ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ，ｗｈｉｃｈｏｖｅｒｃｏｍｅｓｔｈｅｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ
｝路径，建立数学计算模型，进行坐标变换，克服了侧向内凹曲面的编程难题，在没有变换刀轴的情况下利用｛
ｌ立式三轴数控铣床完成了复杂侧向内凹曲面数控加工，刀具轨迹完全符合定子轨道曲面流线要求。为球塞ｉ｝泵定子轨道数控加工提供了编程策略。依据数学计算模型所设计的数控程序可根据产品设计及数控加工《ｌ工艺要求进行参数调整，程序简洁且使用灵活方便，实现了数控程序完全参数化程序设计。｛２
ｔｏ
ｂｅｔｔｅｒｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｄｉｒｅｃｔｉｏｍｄｓｔａｂｉｌｉｔｙ
ａｆｔｅｒ。ｐｕｒｉｃｔｕｒｅ，ｍａｉｎｉ妒ｕｅｎｃｉｎｇｆａｃｔｏｔｓａｆｔｅｒｏｆ
ｔｈｅＣａｔ＂ｗｉｔｈｔｉｒｅｐｕｎｃｔｕｒｉｎｇｉｓｒｏｌｌｉｎｇｒａｄｉｕｓ
ｔｉｒｅ
ａｎａｌ：）ｚｅｄ，ａｎｄｄ，，ｎａｍｉｃｍｏｄｅＺ局ｒｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｂａｓｅｄ
ｓｔａｔｏｒｏｒｂｉｔ
；２
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关键词：侧凹曲面；三轴数控加工；程序设计
【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ｂａｓｅｄ
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故爆胎后引起的转移载荷为：ＡＦ＝兰二Ｋ
故爆胎后各轮的垂向力为：
（９）
最小法。模糊控制器选择的解模糊方法为中心平均法。表１模糊规则表
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（１０）（１１）
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ＮＢＮＭＮｓＺｏ尸ｓＰＭＰ日
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方向稳定性，主要是通过分析爆胎后的主要影响因素，建立爆胎汽车方向失稳动力学模型，并建立基于｛主动转向的模糊控制器。重点研究了汽车爆胎后车轮的滚动半径变小以后对汽车行驶方向失稳的影；响，进而分析由于爆胎汽车姿态变化而引起的载荷转移，以及由于载荷转移所导致的各个车轮上的侧｛
偏力大小对汽车行驶方向失稳的影响。最后通过仿真验证模糊控制系统能够较好的纠正由于爆胎引起ｉ
１引言
由于汽车行驶的高速化，汽车爆胎事故也越来越多，对爆胎汽车主动安全性和操纵稳定性的要求越来越高。为了提高汽车的操纵稳定性，近年来国内外出现了一系列的主动制动控制系统和防爆胎补胎技术１１－２，Ⅻ。利用主动前轮转向系统改变前轮转向角，控制汽车的横摆角速度，提高汽车的操纵性能。采用考虑爆胎引起的车轮半径变小和汽车载荷转移的因素建立爆胎汽车方向失稳动力学模型闱，然后运用模糊控制原理对前轮进行主动转向控制。最终达到防止汽车爆胎后汽车偏航，减少汽车事故的发生。
ＺＨＡＮＧＹａｎ－ｈｕｉ．ＬＩＸｉａｏ－ｐｉｎｇ．ＷＵＳｏｎｇ
（ＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＤｅｐａｒｔｍｅｎｔＧｕａｎｇｘｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｌｉｕｚｈｏｕ５４５００６，Ｃｈｉｎａ）
【摘要】汽车在高速行驶时发生爆胎后引起的交通事故危害较大，为了能够更好地控制爆胎后的｛
转化为状态矢量为ｎ和∞标准状态空间方程：萱鲋ｘ＋Ｂｕ
４可知，在不加控制的情况下汽车爆胎后将以一定的横摆角速度跑偏，加模糊控制后爆胎汽车在前轮主动转向控制的干涉下，在不到１ｓ的时间内将达到稳定，汽车跑偏得到纠正。
３基于前轮主动转向的模糊控制器设计
前轮主动转向控制器主要是通过对前轮转角的控制来实现
机械设计与制造
１８２文章编号：１００１—３９９７（２０１２）０３—０１
８２—０３
Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ
Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ
第３期２０１２牟３月
基于主动转向的爆胎汽车操纵稳定性模糊控制研究水
张彦会李晓萍伍松（广西工学院汽车工程系，柳州５４５００６）Ｏｎａｃｔｉｖｅｓｔｅｅｒｉｎｇｏｆｔｉｒｅ——ｂｕｒｓｔｖｅｈｉｃｌｅｈａｎｄｌｉｎｇａｎｄｓｔａｂｉｌｉｔｙｆｕｚｚｙｃｏｎｔｒｏｌｒｅｓｅａｒｃｈ
｛
的汽车跑偏。，关键词：爆胎；方向失稳；汽车模型；模糊控制器
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【Ａｂｓｔｒａｃｔ】／ｔ
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ｐｕｎｃｔｕｒｉｎｇ｛
万方数据
第３期
张彦会等：基于主动转向的爆胎汽车操纵稳定性模糊控制研究
１８３
ｔａｎ展串＝半
当轮胎爆胎前：
因此后轮侧偏角可以表示为：
（６）
车道保持，使汽车不偏航。人一车一路系统是个复杂的时变、不确定、非线性系统，很难建立一个准确的数学模型。采用模糊控制原理。以汽车的横摆角速度为控制对象，进行设计Ｍ。
此时知两个后轮侧向速度相等，于是可得后轮的侧向速度为：
Ｉ／。＝ｙ。一６∞
（４）
式中：％、‘、Ｂ、‘—作用在左前轮侧偏力、作用存右前轮侧偏力、作用存左后轮侧偏力、作Ｊ｝｝ｊ在右后轮侧偏力。关键是求解各轮的侧偏力。
因此前轮侧偏角可以表示为：
ｔａｎ劈＝争＝等里椰
（５）
女来稿口期：２０１１－０５—１２女基金项Ｆ１：广‘【ｆ＿【ｉ教育厅科研基金项目（２０１０１２ＭＳｌ２８），广西自然科学基金项目（２０１１ＧＸＮＳＦＡ０１８０３３）
参数名称车辆质量ｍ前轴到质心的距离ｎ后轴到质心的距离ｂ车轮之问的距离Ｂ整车重心高度ｈ轮胎侧偏刚度ｋ前悬架刚度ｋ，。单位
ｋｇｍｍ
ｒｌｌ
数值
１５５６１．３２８１．３２１１．４５０．６２３６１８７００１６６００２４１１
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脚一４
Ｋ一／．Ｋ
Ｋ
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半半
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而
Ｋ
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ｒｊ，
ｎ
Ｋ
Ｆ，
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如（％）作为模糊控制器的输入变量，输出控制电流的大小。其输入偏差ｅ（ｋ）、偏差变化率ｄｅ（ｋ）及输出电流的模糊集均设计为：｛ＮＢ、ＮＭ、ＮＳ、ＺＯ、ＰＳ、ＰＭ、ＰＢ｝，其中输入输出论域模糊化时隶属函数均