提高汽车主动安全性和操作稳定性的控制策略研究

姿态来提高操作稳定性 、乘车舒适性和良好的制动 特性的 。四轮转向 (4WS) 是提高汽车操作稳定性和 主动安全性最普通的底盘控制策略 。在侧向加速度 较小的幅度内 ,4WS 控制取决于与方向盘转角成比 例的轮胎侧偏力 。在这一幅度内 ,通过引用二自由 度线性汽车模型就很容易实现控制目标 。而在高侧 向加速度时 ,侧偏力 (侧偏力主要取决于轮胎的负重 和纵向力) 不再与方向盘转角成比例 ,进而导致过多 转向 。通过轮胎纵向力主动分配的侧偏力矩控制的
的 ,因而要求侧滑角误差很小 。方程 (6) 中的轮胎负
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2002·2 专用汽车 Special Purpose Vehicle
重和纵向力是通过直接纵向加速度测定得到 。实验 结果见图 2 。我们发现在恶劣的工作条件下 ,如伴 随有大的转向角和迅速的躲避操纵 ,侧滑角的估计 也是精确的 。低摩擦系数路面估计的实验结果证明 了这种估计方法在低摩擦系数路面时也同样适用 。 当在实验轮胎模型上应用高摩擦系数时 ,侧向加速 度接近极限时 ,估计误差随之增大 。
Key words four wheel steering ;direct yaw moment control ;side2slip angle ;lateral2angle
1 前言
动姿态直到它为负时 。侧滑率控制采用了侧滑绝对
底盘控制是通过控制汽车的侧向 、垂直和纵向 值最小的条件 。同时还通过侧滑角相位平面进一步
参考文献
11Van Zanten ,A. T. et al : Control aspect of the BOSCH - VDC.
Proc. of AVEC96 ,Aachen ,1996. 21 姜澜. 提高汽车操纵稳定性的研究. 北京 : 北京理工大学 学位论文 ,2000 31 余志生. 汽车理论. 北京 :机械工业出版社 ,1997
以上三式中 : m ———汽车质量 ;
V ———车速 ;
lf ,r ———质心与轴的距离 ;
l ———车轮宽度 ;
I ———转动惯量 ;
r ———横摆角速度 ;
β
Gδ
(0)
Gδr (0)
———侧 向 加 速 度 增 益 与 横 摆 角
速度增益比 ;
5 Yr 5βr
、55βYff
———前 、后轮侧向力对前 、后
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2002·2 专用汽车 Special Purpose Vehicle
提高汽车主动安全性和操作稳定性的控制策略研究
刘彩志 陈思忠
(北京理工大学汽车工程学院 北京 100081)
摘 要 :文章指出把轮胎的非线性和汽车动力性考虑在内的直接横摆力矩底盘控制 (DYC) ,提高了汽车 大侧偏角和高侧向加速度的操作稳定性和主动安全性 。重点讨论了基于轮胎和车辆动力性试验的控制策略 。
图 2 冰雪路面侧滑角估计实验结果
213 DYC 的影响
图 3 控制系统方框图
图 3 是侧滑角估计控制系统方框图 ,其中试验 轮胎模型用横摆力矩控制的计算或估计 ,得到在汽 车的非线性操纵范围内 DYC 是适用的 。为了证明 DYC 的特殊操纵下的汽车操纵稳定性 ,制动转向正 弦波作为汽车操纵稳定性响应计算机仿真的输入 ,
L IU Cai2zhi et al
Abstract It is pointed out that taking the non2linear characteristics of tire and vehicle dynamics into consideration ,in2
troducing the chassis control DYC(A direct yaw moment control) is inevitable for improving handling performance and active
刘彩志等 :提高汽车主动安全性和操作稳定性的控制策略研究
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性范围内就不需要控制 。汽车侧滑角响应误差由轮
胎的非线性特性和控制横摆力矩所需的加速度或制
动所引起的初始模态响应引起的 。从非线性幅度内
汽车稳定性方程 (2) 可以得到稳定转向下的横摆角 速度增益和侧滑角增益 (3) :
mVβ +
5 Yf 5βf
来研究与汽车躲避操纵相一致的路面决定的汽车驱 动系统响应 。计算仿真结果见图 4 。非控制汽车是 不稳定的 ,DYC 汽车显示了在低摩擦系数表面的正 弦转向输入的稳态响应 。运用试验轮胎模型有必要 知道轮胎和路面的摩擦系数 ,然而 ,计算结果表明摩 擦系数无需精确确定 。因汽车性能在低摩擦系数路 面 ,运用固定的干路面试验轮胎模型摩擦系数的 DYC 得到很大的提高 ,同时侧滑角无需精确标定了 。
+
5 Yr 5βr
β+
mV
+
lf
5 Yf 5βf
V
lr
5 Yr 5βr
r = 55βYffδf
(2)
lf
5 Yf 5βf
-
lr
5 Yr 5βr
β + Ir +
lf2
5 Yf 5βf
+
l2r
5 Yr 5βr
V
r = lf 55βYffδf
(3)
β
Gδ
(0)
Gδr (0)
=
lr V
1-
mlf V2 1
2 llr 5 Yr 5βr
图 1 车辆稳定性控制效果图
211 侧滑模型跟踪 DYC 在 DYC 控制讨论中 ,首先测定侧滑角 ,然而在
任何 DYC 控制法则中不需要严格跟踪给定侧滑姿 态 。车速恒定的二自由度汽车平面模型作为侧滑角 响应控制的参考模型 。显然只要汽车姿态保持在线
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度考虑 ,对侧滑控制用侧滑响应作为模型参考响应 而不是用横摆力矩作为模型参考响应 。汽车运动方
程是 :
mV (β + r) = Yf + Yr
(4)
Ir = lf Yf - lr Yr + Mz 式中 : Yf , r ———轴转弯力 ;
Mz ———横摆力矩 。 从这些运动方程可以得出横摆力矩控制的理论
根据是 :
Mz I
=-
( lf Yf - lr Yr ) I
+ C1
5 Yf 5βf
+
5 Yr 5βr
·
Yf + Yr mV
-
r
+
C2 sδ +
s
1 + C3
·
C4
Yf + Yr mV
-
r
+ C5β + ( C6 s + C7 )δ
(5)
式中 : s ———拉普拉斯变换 ;
δ———转向角 ;
Ci ———系数因子 , i = 1～7 。
轮侧滑角增益 ;
下脚标 f 、r 表示前 、后轮 。
当后轮胎平衡转角力减少时 ,最终会导致轮胎
与路面之间的摩擦系数降低 ,侧滑角变大 ,制动时载
荷从前轮传到后轮等等 ,横摆角速度的增加必然引
起负的侧滑角 。应用横摆角速度作为控制策略 ,汽
车在后轮轮胎特性恶化的情况下将引起大侧滑响
应 。另一方面 ,如果侧滑姿态由模型响应跟踪控制 , 汽车响应增益将严重影响后轮轮胎特性 。从稳定角
v=
Yf
+ m
Yr
-
ur
(7)
式中 : v ———汽车侧滑速度 ;
u ———车速 。
侧滑角定义为 :
β = tan- 1
v u
(8)
无论汽车以任何加速度或制动的姿态这两个方
程都适用 。方程 (7) 中的 Yf 和 Yr 意义见方程 (4) 。 通过方程 (7) 的时时积分 ,方程 (8) 的侧滑角可求得 。 直接识别转向角和横摆角速度应用在积分之中 ,这 一过程估计被称作汽车闭路线性仿真 。也就是汽车 侧偏运动与侧滑运动在线性仿真闭路内是相关的 。 试验轮胎模型的计算轮胎力中的侧滑角估计是递归
safety in the vehicle motion with larger side2slip angle and higher lateral acceleration. Emphasis is placed on the need to pro2
pose a control strategy based on through observation and understanding of the tire and vehicle dynamics.
分析了汽车稳定性 ,成功的提出了应用制动力的横 摆力矩汽车姿态控制 (实验结果见图 1) 。汽车运动 姿态条件 :
| C1β + C2β| < 1 ( C1 > 0 , C2 > 0) (1) 式中 :β———侧偏角
C1 、C2 ———系数 。
汽车运动的直接横摆力矩控制 (DYC) 成为最具发展 前景的汽车底盘控制 。这种控制方法的优点是在轮
(收稿日期 :2002201211)
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如下的轮胎模型这里称作“试验轮胎模型”,用
来计算侧向力和等价的过多转向力 。
当| βT|
<
2μW T
KT
:
YT = -
KTβT -
sign (βT)
K2T
4μW
β2T
T
当| βT|
≥2μW T
KT
:
1-
XT 2
μW T
YT = - sign (βT)μWT
1-
XT 2
μW T
(6)
式中 : KT ———前 、后轮胎转向力 ;
图 4 制动下的正弦转向输入汽车响应
3 结论 从汽车运动和轮胎的非线性特性来看 ,底盘控
制从 4WS 到 DYC 的变化 ,证明了大侧滑角和高侧向 加速度的汽车运动下 DYC 一定能提高汽车操纵稳 定性和主动安全性 。在非线性范围内的侧滑模型追 踪 DYC 汽车的稳定性比横摆角速度模型追踪 DYC 汽车稳定性好 。自适应控制的侧滑模型追踪 DYC 得到应用 ,其中试验轮胎模型和用于横摆力矩控制 的计算一样用于侧滑角的估计 。计算机仿真结果证 明了控制方法的适用性和准确性 。结果表明在路面 摩擦系数变化的试验轮胎模型中路面与轮胎摩擦系 数的适应是不需要的 。DYC 是 4WS 控制方法的补 充 。文章强调了 DYC 在汽车运动和轮胎非线性范 围内的汽车动态控制 ,DYC 的控制法则确立于非线 性运动假设 。4WS 和 DYC 的结合将会更好的提高 汽车操纵稳定性 。
胎极限载重幅度内 ,轮胎纵向力不受来自汽车侧向 运动姿态的影响 。这一控制方法使汽车具有高平顺
性和通过性 。因而任何旨在提高汽车操纵稳定性的
底盘控制都必须依靠轮胎侧偏力和轮胎纵向力 。
2 通过 DYC 控制侧滑角 本文通过引用 Shibahata 的论文提出 ,在一定条
件下车辆不稳定是由大侧滑角时恢复横摆力矩减少 而引起的 ,有必要在横摆力矩控制时通过控制侧滑 角来维持车辆的稳定性 ,由此提出了通过左右刹车 力来控制的相应法则 。本文还提出了附加横摆角速 度的侧滑率控制策略 ,即只有侧滑角和侧滑率为负 时实施的控制 ,制动力产生的横摆力矩控制汽车运
WT ———前 、后轮胎负重 ; μ———摩擦系数 ;
βT ———前 、后轮胎侧滑角 ;
来自百度文库
XT ———前 、后轮胎纵向力 。
212 侧滑角的估计
在控制过程中测定侧滑角是必要的 。获得侧滑
角最一般的方法是用侧向加速度和横摆角速度的拟
积分 。在积分中通过试验轮胎模型用计算侧偏力来 估计侧滑角 。侧滑姿态如方程所示 :
关键词 :四轮转向 直接横摆力矩控制 侧滑角 侧偏角 中图分类号 :U46116 ;U46711 + 2 文献标识码 :A 文章编号 :100420226 (2002) 0220018203
The Research of Control Strategy for Improving
Vehicle Handling and Active Safety