智能车辆控制基础 第二章 车辆纵向运动控制
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第二章 车辆纵向运动控制
第二章 车辆纵向运动控制
2.1——车辆纵向运动系统建模 2.2——车辆自适应巡航控制系统 2.3——车辆纵向安全性控制
——思考题
2.1 车辆纵向运动系统建模
2.1.1 整车及轮胎动力学建模
整车动力学主要研究车身及车轮的运动状态及受力特性。 1)忽略车轮及悬架的形变作用,假设车身没有垂向运动。 2)假设车身的俯仰角和侧倾角均为零。 3)忽略转向梯形对左、右车轮转角的影响,假设左、右车轮转动的角度相同。
在此基础上,近年来ACC系统不仅扩展了更为广泛的车速应用范围,实现了起-停巡航功能(stop and go,S&G)并集成了主动避撞功能(AEB)。
S&G主要针对包括行人保护和拥堵工况在内的城市交通环境;AEB则考虑到极端危险工况下 车辆的主动防撞安全性。
ACC系统以车辆的跟车特性和乘员的乘坐舒适性作为主要性能指标。
主动避撞系统的性能与驾驶人对于系统的信任程度有关 在驾驶人避撞特性中,有两个重要的参数值得考虑:驾驶人反应时间和制动减速度。
思考题
谢谢
THANKS
图2-4 试验样车驱动系统示意图
1—变速器 2—离合器 3—发动机 4—右侧驱动轮 5—右侧驱动半轴 6—主减速器 7—差速器 8—左侧驱动半轴 9—左侧驱动轮
2.1.3 制动系统建模
图2-8 有ABS的车辆液压制动系统简图(单个车轮)
1—制动踏板 2—真空助力器 3—制动主缸 4—储液室 5—电动机 6—回油泵 7—低压储液室 8、9、11—单向阀 10—储能器 12—进油电磁阀 13—出油电磁阀 14—压力调节器 15—制动管路 16—制动器 17—车轮
图2-22 ABS高附着系数路面车轮防抱调节过程
1—增压和短暂保压相位 2—减压相位 3、5—保压相位 4—增压相位 6—阶梯增压相位
s1—车轮下滑移率门限值 s2—车轮上滑移率门限值 -a1—车轮减速度 门限值
a2—车轮下加速度门限值 a3—车轮上加速度门限值
图2-23 ABS低附着系数路面防抱调节过程
TCS方式,将驱动轮滑转率控 制在上述的范围内,从而保证车轮具有较高的纵向力和侧向力。
在TCS控制方式中,发动机输出力矩控制的反应时间长,响应慢,但控制效果平滑,不易引起驱动轮 轮速的突变,舒适性较好。
制动压力干预响应快,对滑转驱动轮施加制动压力后,车轮滑转率迅速向目标值收敛。 采用发动机输出力矩控制,将驱动轮滑转率控制在目标值附近;而在对开路面直线行驶时,为充分
图2-1 车身动力学示意图
式中,m为车辆质量(kg);Iz为车辆绕z轴的转动惯量(kg·m2);L1为车辆质心到前轴的距离(m);L2为车 辆质心到后轴的距离(m);δ为前轮转角(rad);vx和vy分别为车辆质心的纵向/侧向速度(m/s);ax和ay分 别为车辆质心的纵向/侧向加速度(m/s2);ωψ和 分别为车辆的横摆角速度及其角加速度 (rad/s、rad/s2);∑Fx和∑Fy分别为车辆质心坐标系中沿x轴和y轴方向的合力(N);∑Mz为车辆质心坐 标系中绕z轴转矩之和(N·m)。
图2-16 车辆制动系统反模型
2.2 车辆自适应巡航控制系统
2.2.1 ACC概述
车辆自适应巡航控制系统(adaptive cruise control,ACC)是利用雷达探测的目标车辆状态和自 车传感器提供的本车状态,能够代替驾驶人调节节气门开度和制动压力,实现高速行驶过程中的车 速跟随和车距保持。
2.1.2 驱动系统建模
对驱动系统的建模基于某款捷达轿车。 1) 将发动机动态响应系统的非线性特性简化为一阶惯性滞后环节。 2) 仅考虑发动机车轮和飞轮的转动惯量, 忽略其他转动部件的转动惯量。 3) 只考虑传动系统的旋转运动, 忽略其扭转振动和轴向振动。 4) 动力传动系统中的传动轴及传动齿轮为刚性, 忽略传动系部件的轴向和扭转弹性,忽略传动系各 零部件的配合间隙。 5) 认为控制过程中离合器处于完全结合状态, 变速器档位固定不变, 各部件只起传递转矩的作用。 6) 差速器为简单差速器, 忽略其摩擦转矩, 认为主减速器输入转矩由左、右驱动半轴平均分配。 7) 地面附着系数足够大, 不考虑轮胎的滑移等非线性因素。
当前方车道不存在有效目标车辆时,ACC上位控制器进入定速巡航模式。通过比较期望车速 与反馈车速的差值,使得实际车速尽可能保持在设定车速的±1km/h附近。
图2-17 定速巡航模式原理图
2.2.3 ACC下位控制器
下位控制器用来跟踪上位控制器输出的期望加速度,是ACC系统设计的基础。首先需要切换
至合适的驱动/制动模式,然后基于反模型查询表,确定出期望的节气门开度或制动压力,最后通过执
图2-18 ACC下位控制器总体结构示意图
2.3 车辆纵向安全性控制
2.3.1 防抱制动系统
防抱制动系统(ABS)的作用在于车辆紧急制动时,自动调节轮边制动力的大小,使车轮处于边滚边滑, 滑移率约为10%~20%的理想状态,以保证车轮与地面有良好的附着力。
ABS必须确保车辆在各种制动工况下,均能使车轮处获得尽可能大的纵向制动力和侧向力,从而具有 最优的制动距离和车辆稳定性。
利用路面附着,兼顾车辆加速过程中的稳定性,采用发动机输出力矩和制动干预联合控制。 当出现驱动轮滑转,路面工况被识别为对开路面后,对低附着一侧的驱动轮施加制动干预,制动干
预的目标是将低附侧和高附侧驱动轮的轮速差限制在目标值附近。
TCS分层控制策略包括工况识别层、TCS控制层和执行机构层三层结构
图2-24 TCS分层控制策略结构图
2.1.4 纵向参数辨识方法
为了标定车辆纵向动力学模型中的关键参数,一般考虑进行以下四种试验,分别是空档滑行试验、 带档滑行试验、稳态行车试验、空档制动试验。
表2-2 标定试验采集参数
2.1.5 车辆纵向动力学反模型
1.驱动系统反模型
如图2-14所示,通过一定的车辆纵向加速度可推导出所需的发动机力矩大小,并可进一步由发动机 逆MAP图(图2-15),确定期望的节气门开度。在驱动系统反模型中期望加速度与节气门之间的数学关系 式为
2.3.2 牵引力控制系统
牵引力控制系统(traction control system,TCS)是一种通过限制驱动轮打滑,提高车辆起步和加速过 程中纵向力和侧向力的主动安全系统。
车辆的运动状态主要取决于轮胎与路面之间的作用力,驱动轮的过度滑转会给车辆行驶带来很大 的危害。
TCS通过限制驱动轮的打滑,将滑转率控制在目标值附近,从而提高对路面附着的利用率,实现纵向 加速性和侧向稳定性的改善。
ACC除了需要考虑车间的相对运动关系外,还依赖于自身的车辆动力学特性。
在上位控制器主要考虑实际交通流中车间的相互运动关系,计算出主车期望的纵向加速度;
下位控制器则针对车辆纵向动力学系统本身,通过驱动系统和制动系统的控制,从而使得实际加
速度快速准确地跟踪上位控制器的输出加速度。
2.2.2 ACC上位控制器
ABS的控制方法主要有逻辑门限值控制方法、最优化控制方法、滑模变结构控制方法和模糊控制 方法等。
逻辑门限值法以车轮角加/减速度为主控制门限,以车轮滑移率为辅助控制门限。
ABS典型的路面条件一般分为四种,即高附着系数路面、低附着系数路面、对开路面以及
路面附着系数突变的对接路面。不同路面条件,制动防抱控制逻辑不同。
2.3.3 主动避撞系统
若由于驾驶人感观受限、精神疏忽或反应迟钝等原因,面对前方车道内突然出现的障碍目标,未能 及时采取正确的避撞操作,此时主动避撞系统(AEB)会自动介入,通过分级报警提醒驾驶人进行自我 调整,最终实现制动避撞或转向避撞。若在声光报警下,驾驶人仍然没有做出正确的应对动作,AEB系 统的主动制动功能将会自动介入。
行器的跟随控制实现期望值。
ACC下位控制器采用节气门与主动制动的联合控制方式,改善了某些危险工况下车辆制动减速
度不足的缺点,提高了跟车行驶的安全性。
通过节气门/制动模式的合理切换,使得下位控制器对于稳态工况和瞬态工况,均能实现对期望
加速度的准确跟随。
ACC联合控制体系的关键技术包括驱动/制动模式切换策略、驱动/制动模式下位控制器、节气门/制 动压力的三维查询表和节气门/制动压力的跟随控制策略等。
图2-14 车辆驱动系统反模型
2.制动系统反模型 同样也可由期望减速度ad反推出执行机构控制器需要的制动压力pd,制动系反模型如图2-16所
示。假设主动制动时离合器处于接合状态,车辆减速度由发动机反拖力矩、制动力矩和车辆行驶阻 力矩三部分共同产生。因此建立了期望减速度同制动压力之间的数学关系,即
第二章 车辆纵向运动控制
2.1——车辆纵向运动系统建模 2.2——车辆自适应巡航控制系统 2.3——车辆纵向安全性控制
——思考题
2.1 车辆纵向运动系统建模
2.1.1 整车及轮胎动力学建模
整车动力学主要研究车身及车轮的运动状态及受力特性。 1)忽略车轮及悬架的形变作用,假设车身没有垂向运动。 2)假设车身的俯仰角和侧倾角均为零。 3)忽略转向梯形对左、右车轮转角的影响,假设左、右车轮转动的角度相同。
在此基础上,近年来ACC系统不仅扩展了更为广泛的车速应用范围,实现了起-停巡航功能(stop and go,S&G)并集成了主动避撞功能(AEB)。
S&G主要针对包括行人保护和拥堵工况在内的城市交通环境;AEB则考虑到极端危险工况下 车辆的主动防撞安全性。
ACC系统以车辆的跟车特性和乘员的乘坐舒适性作为主要性能指标。
主动避撞系统的性能与驾驶人对于系统的信任程度有关 在驾驶人避撞特性中,有两个重要的参数值得考虑:驾驶人反应时间和制动减速度。
思考题
谢谢
THANKS
图2-4 试验样车驱动系统示意图
1—变速器 2—离合器 3—发动机 4—右侧驱动轮 5—右侧驱动半轴 6—主减速器 7—差速器 8—左侧驱动半轴 9—左侧驱动轮
2.1.3 制动系统建模
图2-8 有ABS的车辆液压制动系统简图(单个车轮)
1—制动踏板 2—真空助力器 3—制动主缸 4—储液室 5—电动机 6—回油泵 7—低压储液室 8、9、11—单向阀 10—储能器 12—进油电磁阀 13—出油电磁阀 14—压力调节器 15—制动管路 16—制动器 17—车轮
图2-22 ABS高附着系数路面车轮防抱调节过程
1—增压和短暂保压相位 2—减压相位 3、5—保压相位 4—增压相位 6—阶梯增压相位
s1—车轮下滑移率门限值 s2—车轮上滑移率门限值 -a1—车轮减速度 门限值
a2—车轮下加速度门限值 a3—车轮上加速度门限值
图2-23 ABS低附着系数路面防抱调节过程
TCS方式,将驱动轮滑转率控 制在上述的范围内,从而保证车轮具有较高的纵向力和侧向力。
在TCS控制方式中,发动机输出力矩控制的反应时间长,响应慢,但控制效果平滑,不易引起驱动轮 轮速的突变,舒适性较好。
制动压力干预响应快,对滑转驱动轮施加制动压力后,车轮滑转率迅速向目标值收敛。 采用发动机输出力矩控制,将驱动轮滑转率控制在目标值附近;而在对开路面直线行驶时,为充分
图2-1 车身动力学示意图
式中,m为车辆质量(kg);Iz为车辆绕z轴的转动惯量(kg·m2);L1为车辆质心到前轴的距离(m);L2为车 辆质心到后轴的距离(m);δ为前轮转角(rad);vx和vy分别为车辆质心的纵向/侧向速度(m/s);ax和ay分 别为车辆质心的纵向/侧向加速度(m/s2);ωψ和 分别为车辆的横摆角速度及其角加速度 (rad/s、rad/s2);∑Fx和∑Fy分别为车辆质心坐标系中沿x轴和y轴方向的合力(N);∑Mz为车辆质心坐 标系中绕z轴转矩之和(N·m)。
图2-16 车辆制动系统反模型
2.2 车辆自适应巡航控制系统
2.2.1 ACC概述
车辆自适应巡航控制系统(adaptive cruise control,ACC)是利用雷达探测的目标车辆状态和自 车传感器提供的本车状态,能够代替驾驶人调节节气门开度和制动压力,实现高速行驶过程中的车 速跟随和车距保持。
2.1.2 驱动系统建模
对驱动系统的建模基于某款捷达轿车。 1) 将发动机动态响应系统的非线性特性简化为一阶惯性滞后环节。 2) 仅考虑发动机车轮和飞轮的转动惯量, 忽略其他转动部件的转动惯量。 3) 只考虑传动系统的旋转运动, 忽略其扭转振动和轴向振动。 4) 动力传动系统中的传动轴及传动齿轮为刚性, 忽略传动系部件的轴向和扭转弹性,忽略传动系各 零部件的配合间隙。 5) 认为控制过程中离合器处于完全结合状态, 变速器档位固定不变, 各部件只起传递转矩的作用。 6) 差速器为简单差速器, 忽略其摩擦转矩, 认为主减速器输入转矩由左、右驱动半轴平均分配。 7) 地面附着系数足够大, 不考虑轮胎的滑移等非线性因素。
当前方车道不存在有效目标车辆时,ACC上位控制器进入定速巡航模式。通过比较期望车速 与反馈车速的差值,使得实际车速尽可能保持在设定车速的±1km/h附近。
图2-17 定速巡航模式原理图
2.2.3 ACC下位控制器
下位控制器用来跟踪上位控制器输出的期望加速度,是ACC系统设计的基础。首先需要切换
至合适的驱动/制动模式,然后基于反模型查询表,确定出期望的节气门开度或制动压力,最后通过执
图2-18 ACC下位控制器总体结构示意图
2.3 车辆纵向安全性控制
2.3.1 防抱制动系统
防抱制动系统(ABS)的作用在于车辆紧急制动时,自动调节轮边制动力的大小,使车轮处于边滚边滑, 滑移率约为10%~20%的理想状态,以保证车轮与地面有良好的附着力。
ABS必须确保车辆在各种制动工况下,均能使车轮处获得尽可能大的纵向制动力和侧向力,从而具有 最优的制动距离和车辆稳定性。
利用路面附着,兼顾车辆加速过程中的稳定性,采用发动机输出力矩和制动干预联合控制。 当出现驱动轮滑转,路面工况被识别为对开路面后,对低附着一侧的驱动轮施加制动干预,制动干
预的目标是将低附侧和高附侧驱动轮的轮速差限制在目标值附近。
TCS分层控制策略包括工况识别层、TCS控制层和执行机构层三层结构
图2-24 TCS分层控制策略结构图
2.1.4 纵向参数辨识方法
为了标定车辆纵向动力学模型中的关键参数,一般考虑进行以下四种试验,分别是空档滑行试验、 带档滑行试验、稳态行车试验、空档制动试验。
表2-2 标定试验采集参数
2.1.5 车辆纵向动力学反模型
1.驱动系统反模型
如图2-14所示,通过一定的车辆纵向加速度可推导出所需的发动机力矩大小,并可进一步由发动机 逆MAP图(图2-15),确定期望的节气门开度。在驱动系统反模型中期望加速度与节气门之间的数学关系 式为
2.3.2 牵引力控制系统
牵引力控制系统(traction control system,TCS)是一种通过限制驱动轮打滑,提高车辆起步和加速过 程中纵向力和侧向力的主动安全系统。
车辆的运动状态主要取决于轮胎与路面之间的作用力,驱动轮的过度滑转会给车辆行驶带来很大 的危害。
TCS通过限制驱动轮的打滑,将滑转率控制在目标值附近,从而提高对路面附着的利用率,实现纵向 加速性和侧向稳定性的改善。
ACC除了需要考虑车间的相对运动关系外,还依赖于自身的车辆动力学特性。
在上位控制器主要考虑实际交通流中车间的相互运动关系,计算出主车期望的纵向加速度;
下位控制器则针对车辆纵向动力学系统本身,通过驱动系统和制动系统的控制,从而使得实际加
速度快速准确地跟踪上位控制器的输出加速度。
2.2.2 ACC上位控制器
ABS的控制方法主要有逻辑门限值控制方法、最优化控制方法、滑模变结构控制方法和模糊控制 方法等。
逻辑门限值法以车轮角加/减速度为主控制门限,以车轮滑移率为辅助控制门限。
ABS典型的路面条件一般分为四种,即高附着系数路面、低附着系数路面、对开路面以及
路面附着系数突变的对接路面。不同路面条件,制动防抱控制逻辑不同。
2.3.3 主动避撞系统
若由于驾驶人感观受限、精神疏忽或反应迟钝等原因,面对前方车道内突然出现的障碍目标,未能 及时采取正确的避撞操作,此时主动避撞系统(AEB)会自动介入,通过分级报警提醒驾驶人进行自我 调整,最终实现制动避撞或转向避撞。若在声光报警下,驾驶人仍然没有做出正确的应对动作,AEB系 统的主动制动功能将会自动介入。
行器的跟随控制实现期望值。
ACC下位控制器采用节气门与主动制动的联合控制方式,改善了某些危险工况下车辆制动减速
度不足的缺点,提高了跟车行驶的安全性。
通过节气门/制动模式的合理切换,使得下位控制器对于稳态工况和瞬态工况,均能实现对期望
加速度的准确跟随。
ACC联合控制体系的关键技术包括驱动/制动模式切换策略、驱动/制动模式下位控制器、节气门/制 动压力的三维查询表和节气门/制动压力的跟随控制策略等。
图2-14 车辆驱动系统反模型
2.制动系统反模型 同样也可由期望减速度ad反推出执行机构控制器需要的制动压力pd,制动系反模型如图2-16所
示。假设主动制动时离合器处于接合状态,车辆减速度由发动机反拖力矩、制动力矩和车辆行驶阻 力矩三部分共同产生。因此建立了期望减速度同制动压力之间的数学关系,即