李亮--汽车动力学稳定性控制研究进展

1
汽车动力学测量与分析 40
GPS基准站
GPS移动站（车载部分）
主辅天线距离测量值dist /m
北向位置y /m
25
高 斯 投 10
1.62
GPS 接收
机A
发送 电台
1.6接 0 收(真y北G )
GPS 接收
1.5电 8 台 机 B
铅酸电池
1.56锂电池 1 1.54
接收 电台
测量值
滤波值
f
GuAPS 接收
非线性瞬 态动力学 行为与整 车动态失 稳诱发机 制分析
6
瞬态转向定量描述缩减参 量矩阵确定、试验验证与
优化
高频快速转向诱发大转向 分叉现象捕捉与分析
失稳临界轮胎加速滑移与 整车失稳过程中大超调和 迟滞在整车-轮胎系统正
反馈激励过程分析
一、研究背景
4
基金支持
批准号 50575120 50905092 51275557
6
侧向加速度
4
横摆角速度 0.4
Wr/(rad/s)
0.2 2
0 10 20 30 40 50
t/s
0 10 20 30 40 50
t/s
1.2
广义滤波前后的附着
μ滤波前
μ滤波后
0.9
0.6
0.3
0
10
20
30 t/s
410 3
50
二、汽车瞬态非线性动力学定量分析
4 动力学参量观测：轮胎力及其参数
max
Follow-up Friction estimation
12
二、汽车瞬态非线性动力学定量分析
3 动力学参量观测：轮胎-路面动态附着
联合工况路面动态附着特性
ay wr u
wr u
非线性状态估算
基于侧向加速度
偏差的非线性度
基于横摆角速度
dead zone
偏差的非线性度
nonlin _ ay
横摆角速度
其50他传感器和 -15数据采集设备（车载GP部S分计）算值
5 0
带换基站差分GPS：2cm测姿30 ；
-5
采用6轴IMU+3轴磁力计解10 耦
-10
横0 向加17速度3与4 侧倾51加速6度8-10；
-15
0
17
34 51
68
时间t /s
时间t /s
(c)
(d)
➢ 国内首款可实现精确非线性动力学量测实车试验平台: 测量整
科技大学Y.CHO教授指出本人论文“综合比较分析了 ˆ 所路开面附发着不系数同自由度非线性模型并评述 了模型的非线性特征” 。
汇报内容
一 研究背景 二 瞬态非线性动力学定量分析 三 失稳过程测量与预判 四 汽车动力学稳定性控制 五 小结
16
三、失稳过程测量与预判
滤波后主辅天线距离dist /m
f
在IEEE.Trans. VT 期刊论文中引用本研究成果，认为：“提出的非线性近似观测器实现了
轮胎力和轮胎参量的同步实时观测”，并在其论文中进一步引用经本人修正的HSRI轮14胎 模型用于汽车横向运动监控。
二、汽车瞬态非线性动力学定量分析
5 动力学参量观测：车身侧偏角
双移线实验：
实车
车载传感
器采集信 号
Y
转向前预计轨迹
目标路径 yt(t)
X
模型精度：最大位置偏差比传统 最优预瞄驾驶员模型下降50%， 最大横摆偏差下降28%
➢ 代表论文：
Comprehensive lateral driver model …, Int. J. Auto. Tech.
预瞄时间自适应最优预瞄驾驶员模型，机械工程学报
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汽车动力学稳定性控制技术进展
汽车非线性动力学与稳定性控制
李亮
博士，副研究员 汽车动力学与控制课题组 清华大学 汽车安全与节能国家重点实验室 2013年4月19日
提纲
一 研究背景 二 汽车瞬态非线性动力学建模 三 失稳过程测量与预判 四 动力学稳定性控制算法 五 小结
2
一、研究背景
关键科学问题
机 C
主锂天线电池
A(CG)
2
1.59
水平综合速度v /kmh-1
影
采样数据同步开关信号
模r拟uB信号
y
1.58 1.57
-5 -5
模拟信号
10
25
车轮4侧 0 偏角光学传感0器 17
34
51
68
横摆角速度r /()s-1 SFII和滤波后GPS侧偏角 /()
54 36
东向位置x /m (a)
VSC组合传感器（横摆角 模拟信时号间t /s
5
一、研究背景
3 研究体系
三个关键问题：
1）非线性瞬态动 力学定量分析 2）失稳过程测量 与预判 3）稳定性控制算 法
稳定性 控制算 法研究
转向稳定性预测控制 与失稳预防控制机制实现
轮胎力在环控制实现
主动制动压力精细调控 与发动机扭矩调控解耦
冰雪场地控制性能测试
大联合滑 移轮胎力 闭环调控 的稳定性
汇报内容
一 研究背景 二 汽车瞬态非线性动力学定量分析 三 失稳过程测量与预判 四 动力学稳定性控制 五 小结
三、失稳过程测量与预判
3
失稳预判
稳定性预测判据
转向可响应分析
滑动离散傅里叶变换（SDFT）算法
① 初始化（DFT）
N 1
X k (1) x(n)e j 2 kn/ N n0
② 迭代
X k (n) X k (n 1) x(n N ) x(n)e j2k /N
剔除 异常 操纵
超调特性
19
nonlin _ wr
μe μe
0.8 0.6 0.4 0.2
0 0 0.1
基于ay偏差的μe
0.8
0.6
基于横摆偏差的μe
附 着
0.4
估
0.2
算
0.3 0.5 0.7 0.9
0 0
0.5
1
1.5 偏
ay偏差/(m/s2)
e1
横摆角速度偏差/(rad/s)
e2
仲裁模块
e (e1 e2 ) ? e1 : e2
4轮7DOF模型 在线控制
整车与轮胎动力学参量耦合：
轮胎参量：[λ, α, μ, Fz, Vwh] 整车参量：[ax, ay, Vx, β, σst]
实现了HSRI物理特征模型在大联合滑移的非线性区 域内根据运动参量在线修正的建模方法，解决了轮 胎模型精确定量化与运算实时性同时满足的难题。
模型精度：偏差<10%，16位机单次运行时间< 3ms
TCS
AYC AYC
稳定区域 ABS
稳定区域 欠稳定区域 失稳临界区域
失稳区域
稳定、欠稳定区
失稳临界
研究目标
开展失稳临界区域汽车动力学稳定性控制研究，揭示汽车失稳机理，研究失稳防止控 制算法，研制动力学稳定性控制器。在实现ESP基本功能样机基础上，进一步向失稳 临界区域拓展，全面防范汽车极限工况失稳。
Twij FzijRJwddw t
Pw
TwijVx
(1ij
R
)
pw Wwhl ij
Vx
Brake decay power
Seeking maximun value
Filtered (Low- pass filter)
Fist time friction estimation
fuzzy inference
差 补 偿
1/g Gy
e
ay
ay _ max
a y _ max 记录器
ori = Gy e ori
广义滤波器
wr
ຫໍສະໝຸດ Baidu
（Filter） ˆ
附着估算值
ay/(m/s2)
SWA/deg
200
方向盘转角
60
车速
Vx/(km/h)
50 100
40
0 10 20 30 40 50
30 10 20 30 40 50
ESP控制在稳定、欠稳定区域效果明显，但仍无法防止汽车完全失控事故发生。—— NHTSA Report，DOT HS 810 794，July，2007.
本人在2008年，提出了汽车失稳临界区域概念，界定ESP由稳定滑向失稳过程，临界 失稳时汽车由准稳态向瞬态非线性快速过度，过度时间100ms量级。
修正的HSRI轮胎非线性建模 9
二、汽车瞬态非线性动力学定量分析
1 面向控制动力学建模
实现了在大联合滑移的非线性区域内根据运动参量在线修正的建模方法，解决了 模型精确定量化与运算实时性同时满足的难题。
模型精度：偏差<10%，16位机单次周期< 3ms
4轮7DOF模型：在线控制
修正的HSRI轮胎瞬态非线性建模
模型 耦合
轮胎： [λ, α, μ,
Fz, Vwh] 整车： [ax, ay, Vx, β, σst]
二、汽车瞬态非线性动力学定量分析
2 关键动力学控制参量观测体系
顶层观测器 横向速度和侧偏角
纵向速度估计
3 中间层观测器 轮滑移率和侧偏角观测
坡度识别
2轮胎力估算 1附着识别
轮缸压力识别
构建动力学参量观测器： 转轮向角胎-路轮速面动横态摆附着纵向加速度 横向加速度 主缸压力
0 -5000
-4000
R 2ReijAweijPikjnJRw 2axikj
-3000
-2000
-100(0驱动轮 )0 1000 纵向力/N
(自由轮)
2000
3000
4000
5000
发表在 SCI期刊 Int.J. Vehicle Design 论文被引用10余次。韩国Hanyang大学 Kunsoo Huh教授
控制方法
瞬态失稳 工况多传 感器融合 与状态观
（预）测
转向特性与失稳过程预测
压力高频调控-压力预测 -轮胎力增量预测
传感器配置与毫秒级 融合算法
三个关键问题：
非线
性瞬
1）非线性瞬态动力学定量分析 态动 2）失稳过程测量与预判 力学
汽车非线 性瞬态动 力学定量
建立非线性瞬态转向响应预测模型，综合考虑转向频率/速率/幅度/路面附着等 构建侧偏特征矩阵、横摆特征矩阵，综合评价转向特性，预测瞬态转向响应
估计
成果发表在 Int. J. Veh Design，Inaˆ ty. J.
EKF 卡 尔 轮缸压力（估算） V y 曼 滤 波 侧 轮速
侧向速度 向 速 度 观 车速（估算）
Auto
Tec测h 等
SCI
期
纵向加速度
刊横摆上角速，度
土
耳
其
Toosi
科
技
大
学
Khaknejad 教授认为“提出了一种侧预估偏侧向估加算速度算法，并在不同路前面一上时刻验侧证向速了度其鲁棒性”，韩国
ESP全工况性能模拟测试试验台研制
经费 25万 20万 84万
100万 620万
7
汇报内容
一 研究背景 二 汽车瞬态非线性动力学定量分析 三 失稳过程测量与预判 四 动力学稳定性控制方法 五 小结
8
二、汽车瞬态非线性动力学定量分析
1 面向控制动力学建模
面向结构建模： ADAMS模型
4轮15DOF模型 实时仿真
底层观测器
轮胎力及其参数
轮速计数与滤波
零位漂移修正
车身侧偏角
压力滤波修正
传感器
轮速传感器 方向盘转角传感器
加速度传感器 横摆角速度传感器
压力 传感器
11
二、汽车瞬态非线性动力学定量分析
3 动力学参量观测：轮胎-路面动态附着 轮胎-路面动态附着特性
高附->低附
纯滑移过程附着特性识别
模糊逻辑+耗散功率法
方向盘转角 轮缸压力（估算） 车速（估算） 轮速 横摆角速度 纵向加速度 侧向加速度
ˆ 路面附着系数
基于7自 由 度 车 辆 预估侧向加速度
模型的侧 aˆ y
向加速度 预估
侧向速度 观测器
侧向速度
Vy
名义横摆角速度
Vy
侧向速度
横摆角速度偏差
方向盘转角
路面附着系数 路 面 附 着 V y
ˆ
系 数 实 时 侧向速度
速度和侧向加速度）
VSC方向盘转角传感5 器
辅模 B天线拟信号(b)x
0
OG 数字信号
VSC四轮转速传感器
B+S 车载 便携 式数 据 集采 设xG(正东)
-5
备 模拟信号
18 坐
GPS速度测量值主缸与四轮缸压力-1传0 感器
GPS滤波值
CAN
0标 变
SF II 速度测量值 VSC控制器
SF II 测量值
车动力学参量多大33个。
17
GPS计算侧偏角0 /()
三、失稳过程测量与预判
2
极限工况操纵特性分析
➢ 闭环测试需驾驶员模型
➢ 没有适用于极限工况的驾驶员模型： 较好实现路径规划、高精度轨迹跟 随，且考虑边界约束。
➢ 最优预瞄驾驶员模型原理清晰、结 构简单、应用方便、精度较高，应 用比较广泛。
转向后预计路径 y(t)
6000
垂直载荷5KN
α=2deg
α=4deg
5000
α=6deg
α=8deg
4000
α=10deg
侧向力/ N
3000
Fˆykij
Caikj Cikj
20ikj00 ikj
Fˆxijk
1000
R 2ReijAweijPikj121Reigi0(Tek2kTk1JekTk1)
Fˆxijk=＋JRw 2axikj
3）稳定性控制算法 定量
模型建立
建立轮胎失稳参量(纵向/侧向滑移、滑移加速度)与整车侧滑之间力耦合模型
分析
失稳过 程量测
瞬态转向全参量矩阵参数 确定与试验验证
悬架、转向引起的侧偏柔 度测量；轮胎力特性测量
整车横摆和侧滑测量、分 叉现象捕捉、失稳过程时
频特征分析
临界失稳 非线性动 力学性能 精确测量
与分析
51422505 04专项
负责人 宋健教授 李亮 李亮
李亮 李亮
项目名称
基金面上项目：基于驾驶员驾驶意图识 别的汽车动力学稳定性控制方法
青年基金项目：失稳临界区域汽车动力 学状态实时观测与稳定性控制方法研究
基金面上项目：汽车失稳临界区域非线 性瞬态动力学定量描述理论和模型预测 控制方法研究
优秀青年基金：汽车三维空间稳定性机 理与多安全系统协同