车辆纵向动力学集成控制系统研究_裴晓飞

2 平均加速度为 0. 98m / s ， 比 ASR 未介入时加速性能 ASR 的 提高了约 20% 。 因此通过集成系统对 ABS-
［6 － 7 ］
。上
述电控系统均是针对提高车辆在驱动或制动过程中 考虑到汽车纵向动力学的 的某一性能指标设计的，
［8 ］ 耦合特性， 需要基于更高层次的目标协调优化 ， 消 除系统间的干涉， 实现功能互补。 集成化后的纵向
取消了原有系统 动力学控制系统功能如图 1 所示， 的单一控制目标， 而按其应用特性划分为传感器组 合、 警报单元、 人为操作、 自动驾驶和人车交互 5 部 分， 几乎涵盖了车辆纵向运动中所有必需功能 ， 同时 集成控制系统基于整体最优目标进行任务分配， 因 。 此具有更好的综合性能
［ Abstract］ From the perspective of complete vehicle control，a solution scheme for integrated longitudinal dynamics control is proposed． In respect of function，the control characteristics and their scopes of application of subsystems are linked together，realizing the optimization of overall performance； with regard to hardware，sophisticated sensors，controllers and actuators are integrated，and a modular onboard test platform is developed； as for software，a longitudinal dynamics coordinated controller is put forward based on hierarchical control architecture， and the control strategies of subsystems on bottom layer are fused effectively． Real vehicle tests are conducted and the results show that the integrated control system developed can avoid mutual interference among subsystems，further improving the comprehensive performance of vehicle in longitudinal movement． Keywords： longitudinal dynamics； integrated control； hierarchical coordinated architecture； information fusion 同时尽量挖掘系统中 的通信与动作协调消除干涉， 的功能潜力。本文中基于纵向动力学控制各子系统 的特性， 从硬件和软件上对控制目标和执行动作等 各方面进行有机的协调， 从而提高了车辆纵向动力 学综合性能上的潜在优势。
可得到更为准确的车辆横摆角速度 。 展卡尔曼估计， 图 6 （ b） 则给出了基于信息融合对复杂交通环境下 主目标识别与跟踪的示意图。通过毫米波雷达采集 到的相对车速、 方位角与横摆角速度、 转向盘转角的 数据融合， 能准确识别出弯道中的同车道主目标并 对旁车道目标的并线趋势作出有效的判断； 而通过 相对车速与自车车速的比较， 能对运动目标进行有 效提取。 （ 4 ） 通过对变量名与底层驱动函数的共用， 使 。 模块化的集成控制器程序设计更为简洁与高效
图7
速度跟随控制结果 图9 自适应巡航跟随控制
4. 2
自适应巡航的实现
· 102 ·
汽
车
工
程
2012 年（ 第 34 卷） 第 2 期
律波动， 变化范围为 40 ～ 60km / h， 周期为 80s， 而在 跟车过程中， 自车车速变化较为平稳， 并且相对车速 始终保持较小； 图 9 （ b） 表明实际车距较好地符合安 全车距； 图 9 （ c） 反映了实际施加的制动压力与期望 压力基本一致。 试验结果表明， 集成框架下的自适 应巡航功能能够对前车速度实现及时准确的跟踪， 并且试验中驾驶员的主观感受良好 。 4. 3 ABS 与 ASR 控制的切换 在冬天冰雪路面上， 为增强极限工况下汽车的 可能需要频繁调用 ABS / ASR 纵向驱动和制动性能， 控制以进行必要的干预。为此在浇冰路面上进行了 ASR 功能切换试验， 集成系统 ABS如图 10 所示。
图4
汽车主动安全控制系统应用顺序
图5
上层协调控制器流程图
人工驾驶状态， 不再干扰正常的驾驶行为。 通过上 层协调控制器的决策优化， 两种模式间的转换更为 自然顺畅， 从而更容易被驾驶员所接受。 （ 3 ） 基于多传感器信息融合技术， 集成控制器 能更准确地实时获取车辆外部交通环境与自身运动 状态。图 6 （ a ） 给出了基于自适应卡尔曼观测器获 得车辆运动状态的示意图。其中通过非驱动轮轮速 与车身纵向加速度作二维卡尔曼滤波， 能获得精确 的车速信息； 同时由陀螺仪采集到的侧向加速度和 横摆角速度、 左右轮速差和转向盘转角数据经过扩
2012 年（ 第 34 卷） 第 2 期
汽 车 工 程 Automotive Engineering
2012 （ Vol． 34 ） No． 2
2012020
车辆纵向动力学集成控制系统研究
裴晓飞， 刘昭度
（ 北京理工大学机械与车辆学院， 北京 100081 ）
［ 摘要］ 从整车系统控制角度出发 ， 提出了一种纵向动力学集成控制的解决方案 。 在功能上， 综合各子系统 控制特性与应用范围， 实现了整体性能的优化 ； 在硬件上， 对复杂的传感器、 控制器与执行器进行整合 ， 开发了模块 基于分层协调控制结构 ， 提出了纵向动力学协调控制器 ， 有效融合底层子系统的控制 化的车载试验平台； 在软件上， 策略。实车试验结果表明， 所开发的集成控制系统避免了多个子系统间的互相干扰 ， 进一步提高了车辆纵向运动的 综合性能。
［3 － 5 ］
1
功能综合
作为底盘主动安全控制系统， 防抱死制动系统 （ ABS ） / 电 子 制 动 力 分 配 （ EBD ） / 驱 动 防 滑 调 节 （ ASR） 等系统都是通过对车轮滑移 （ 滑转 ） 率的调 节， 使其保持在最优峰值附近， 从而改善车辆驱动与
， 通过多个子系统间
原稿收到日期为 2010 年 11 月 12 日， 修改稿收到日期为 2011 年 5 月 16 日。
4
实车试验研究
在完成集成控制软件开发后， 基于所搭建的实 车试验平台， 对集成框架下的系统综合性能进行了 在北 验证。试验以改装后的捷达 GTX 轿车为对象， 京郊区某机场平直跑道上进行。其中试验 1 为系统 底层控制效果的验证； 试验 2 是对子系统的功能验 证； 试验 3 验证了子系统功能间的切换； 试验 4 验证 了子系统协同作用后综合性能的提升 。 4. 1 纵向加速度 / 速度跟随 为使车辆实现理想的纵向运动， 从本质上， 纵向 动力学集成控制系统必须对纵向加速度和车速进行 良好的跟随控制。图 7 和图 8 分别体现了集成控制 系统对期望速度和期望加速度正弦曲线的良好跟随 效果。其中对车速的跟踪误差小于 0. 5km / h， 而加 集成 速度的控制误差和滞后均较小。 在此基础上， 系统具备了实现车辆自动驾驶的条件 。
图1
纵向动力学集成系统功能一览
2
硬件整合
纵向动力学集成系统在不影响原车结构和性能
的前提下， 应尽量减少传感器和执行机构的数目 ， 使 其硬件结构更为紧凑。整合后的集成系统可实现对 大部分底层传感器信息的共用， 同时通过驱动和制 — —发动机电子节气门和主动液压制动 动执行机构— 装置可完成集成系统所有的控制指令 。 集成控制系 统实车试验平台如图 2 所示。 其中， 车载中央控制器作为实车试验平台的核 心， 实现纵向运动控制、 车辆状态监测和试验结果在 线分析等多项技术功能。 基于模块化系统架构， 车 载控制器包括雷达信息处理、 车辆状态采集、 执行机 从硬件结构上进一步集 构控制和人机交互等模块， 成化， 同时通过车载控制器内部的 CAN 总线实现整
图2
集成控制系统实车试验平台
车信息共享， 利于系统的调试及功能的扩展。 因此 通过向车载嵌入式控制器中植入的车辆纵向动力学 CW / CA、 ABS 和 集成控制算法就可实现包括 ACC 、 ASR 在内的多种控制系统的功能。
3
软件融合
在集成系统软件设计中， 除避免子系统间的互 相干扰和冲突外， 还应通过集成控制策略实现综合 性能的优化。因此， 对纵向动力学集成系统采用分 层式协调控制策略， 如图 3 所示。 其中， 上层协调控 制器以实现系统综合性能最优为目标， 对底层子系 统进行统一决策和监控， 并通过底层控制算法实现 指标优化后的上层命令。分层协调控制特点主要体 现在以下 4 个方面。
2012 （ Vol． 34 ） No． 2
裴晓飞， 等： 车辆纵向动力学集成控制系统研究
· 99 ·
制动时的极限性能。 自适应巡航控制 （ ACC ） / 碰撞 预警（ CW） / 碰撞规避 （ CA ） 系统属于驾驶员辅助控 制系统， 其中 ACC 基于纵向动力学逆模型， 实现车 辆的定速巡航或安全车距保持； 而 CW / CA 对潜在 的危险行车状态采取报警或主动制动干预
前言
为帮助驾驶员应付复杂多变的行车环境， 提高 驾驶的安全性和舒适性， 自 20 世纪 70 年代以来车 辆上同 时 应 用 了 日 益 增 多 的 各 种 动 力 学 控 制 系 ［1 ］ 统 ， 这会带来如下两方面的问题： （ 1 ） 硬件和软件 设计变得十分复杂， 传感器和线束等零部件的质量 和布置空间将呈指数增加； （ 2 ） 由于某些系统存在 功能重 叠 甚 至 相 互 制 约， 导致车辆总体性能的下 ［2 ］ 降 。因此， 目前对车辆动力学集成控制系统的研 究成为国内外研究的热点