基于制动与悬架系统的车辆稳定性集成控制方法研究

【摘要】 汽车电子稳定性控制系统是目前应用较为广泛的汽车主动安全控制系统，该系统通过差动制动直接横摆控制，来抑制汽车过多或不足转向，且具有一定的抗侧翻能力；但在一些极限工况下，装有传统稳定性控制系统的汽车尚不能有效的控制侧翻，汽车有侧翻的危险。传统汽车稳定性主动控制往往靠单一底盘子系统进行控制，来达到车辆稳定性的控制效果，并没有考虑底盘各系统之间的影响,本文在传统汽车稳定性控制系统的基础上，通过对底盘制动与悬架系统的集成控制研究，来提高各工况下的汽车稳定性和安全性。本文基于“魔术公式”轮胎动力学模型，建立了横摆、侧倾耦合动力学八自由度整车模型，并在Matlab/simulink建立了其仿真模型。对于横摆稳定性，通过差动制动直接横摆控制，并结合建立的横摆角速度模糊控制器，实施对横摆的控制。对于侧倾稳定性，分别制定了差动制动和悬架系统侧倾控制策略，并建立了相应的控制器；结合传统稳定性控制系统，建立了包含制动与悬架底盘子系统的集成控制策略，并采用信号门限值的方法，进行稳定性综合控制；当侧倾系数达到控制侧倾参考值时，侧倾控制系统被激活，进行相应的侧倾稳定性控制，并协调差动制动横摆控制，消除侧倾控制对横摆运动的影响，来改善汽车的综合稳定性。最后通过典型工况下的输入对制动控制、悬架控制和集成控制的汽车进行了离线仿真对比分析，来初步验证模型和集成控制策略的有效性。为了对稳定性控制模型及控制策略进行更准确的研究和测试，建立了基于dSPACE的实时在线仿真试验台。实时仿真结果表明，所建立的集成控制策略能够有效地提高汽车的综合稳定性，并为进一步的研究奠定了基础。 

1 绪论

1.1 课题研究背景及意义
近年来，随着汽车工业迅速发展，汽车新技术的开发和运用取得了很大的进步，汽车规模和汽车行驶车速也在不断提高。在高附着路面高速状态下或低附着状态下行驶的汽车，在紧急转向、制动转向或紧急变更车道时，侧向力通常会接近附着极限，导致汽车有发生侧滑和侧翻的危险情况，这将严重影响汽车的行驶稳定性及安全性，，进而引起使汽车偏离驾驶期望轨道的交通事故[1]。根据美国公路交通安全管理局（NHTSA）的统计数据，每年由操纵失控所造成的追尾、侧滑及侧翻等事故在交通事故中位列前几位，并占所有交通事故原因中的 90%以上，其中，汽车侧滑约占交通事故的 35%，汽车侧翻约占交通事故的 8%，尽管侧翻在交通事故中所占的总体比例不大，但能引起重大的财产损失和人员伤亡[2]。因此，如何提高汽车在高附着路面上一些极限工况下行驶的安全性成为了汽车开发的热点。 汽车就安全技术而言大致可以分为两类：一类是主动安全技术（即防止汽车发生事故的相关技术），另一类是被动安全技术（即事故发生时减小事故造成的后果的技术）。主动安全技术包括一些行驶途中前后车的监控技术，这个是比较直观的主动安全技术，就传统汽车本身而言，汽车的操纵稳定性技术和制动技术等都是属于汽车主动安全技术，即汽车上使用的防止汽车发生碰撞事故的技术都属于汽车主动安全技术范畴。而被动安全技术跟主动安全技术根本性的区别就是，已发生碰撞事故的情况下对乘员和行人进行保护的一些技术，此技术包括吸能式车身技术以及一些在车内、外的固定安全设备，通过这些技术手段和设备能够实现对乘员和行人的一定的保护。
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1.2 汽车横摆与侧翻稳定性控制的发展与研究现状
汽车的稳定性与轮胎及底盘的各个系统有关，过去人们对汽车稳定性的研究往往只限于对底盘某个单系统进行结构和布局的改进来提高汽车的稳定性，90年代初以来,随着电子计算机和传感器技术在控制领域的迅速发展，国内外的学者相继提出了基于不同控制策略的汽车稳定性控制方法，在汽车领域，许多知名研发单位已开发了多种电子控制产品，并将这些产品广泛的应用于汽车中，提高了车辆的稳定性。 针对汽车横摆稳定性控制问题，国内外学者涉足了该领域的相关性研究，研究成果主要包括提出了差动制动控制[5-6]、主动转向控制[7]、主动悬架控制[8]等典型的控制手段。差动制动控制的作用原理在于预控车辆车轮不同制动力，迫使车辆受力（纵向力和侧向力）改变，从而生成相应的横摆力矩，防止汽车的转向不足或过多，行之有效地实现车辆横摆稳定性控制。 主动转向控制旨在通过控制前轮（当主动前轮转向时）或前后轮（当主动四轮转向时）转角，实现轮胎侧偏角的修正控制，最终满足车辆操纵稳定性的控制要求。该控制手段能在某些条件下成功地满足转向线性区的车辆横摆稳定性能要求，然而当车辆在极限工况下转向时，届时车辆侧向加速度、质心侧偏角和横摆角速度通常趋于较大值，车辆轮胎侧向受力易处于饱和状态，因而预控轮胎侧偏角尚无法有效地提高轮胎侧偏力，也难以满足车辆在转向时所需的侧向力[9]。因此若简单地采用主动转向控制手段，无法突破车辆的操纵稳定性的限制问题，促使主动转向控制方法适用范围较窄。
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2 汽车动力学模型和液压模型的建立

2.1 引言
动力学模型的准确建立是控制系统设计的前提，所以模型建立的准确与否对后面控制系统的设计好坏有着至关重要的作用。本章根据课题研究的需要，在课题组已有基于制动控制的应用模型的基础上，加上悬架模型，并对汽车横摆、侧倾耦合动力学模型进行分析，研究汽车悬架的侧倾运动特性，建立了能够反映汽八自由度整车稳定性分析模型，为了模拟实际液压制动系统硬件，建立了稳定性控制液压制动系统模型。
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2.2 汽车动力学模型的建立
汽车稳定性主要包括两个方面：横摆稳定性和侧倾稳定性，丧失横摆和侧倾稳定性，这将严重影响汽车的行驶稳定性及安全性，进而引起使汽车偏离驾驶员期望的道路交通事故。模型的建立是进行汽车稳定性研究的前提，所以，在分析汽车行驶稳定性问题之前，必须建立准确的车辆稳定性动力学模型。由于实际汽车动力学及机构过于复杂，所以在进行理论建模分析时，在保证满足课题研究的情况下，对相应的汽车底盘子系统进行了简化。对于轮胎建模，本章选用“魔术公式”轮胎模型，并基于“魔术公式”轮胎动力学模型，建立了横摆、侧倾耦合动力学八自由度整车模型，并在 Matlab/simulink 建立了其仿真模型。 对于不同的应用模型，采取的建模方法也一样，通常情况下，人们主要采用人工、图形、计算机等方法来建立汽车动力学模型[49]。每种建模方法根据不同的应用需要，都有自己的特点。针对稳定性控制研究，本章使用图形建模的方法，采用 Matlab/Simulink 模块，可以直观的进行图形建模，而不用编写复杂的代码程序，Simulink 模块拥有丰富的控制工具箱，方便控制系统设计和建模，且 Matlab软件可以与 dSPACE 实现无缝连接，便于后面进行硬件在环实时仿真试验。
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3 汽车稳定性控制系统设计 ...... 19
3.1 引言 .... 19
3.2 汽车稳定性控制分析 .... 19
3.3 汽车稳定性差动制动横摆控制 .......... 20
3.4 侧倾稳定性控制 ..... 27
3.4.1 差动制动侧倾控制策略 ........... 27
3.4.2 悬架侧倾控制策略 ........... 28
3.5 综合稳定性集成控制 .... 30
3.6 本章小结 ........... 32
4 控制系统联合仿真分析 ........... 35
4.1 引言 .... 35
4.2 联合仿真接口设置......... 35
4.3 联合仿真分析 .......... 36
4.4 本章小结 ........... 46
5 基于 dSPACE 的系统在线实时仿真 ........... 47
5.1 引言 .... 47
5.2 dSPACE 实时仿真系统简介 .......... 47
5.3 实时仿真试验 .......... 48
5.4 实时仿真试验结果及分析 ........... 52
5.5 本章小结 ........... 56

5 基于 dSPACE 的系统在线实时仿真

5.1 引言
本文在前几章中建立了汽车综合稳定性应用模型和稳定性控制系统，在传统汽车稳定性控制系统差动制动直接横摆控制的基础上设计了基于制动与悬架系统的汽车稳定性集成控制策略，并对所建立的整车模型和控制系统进行了离线仿真分析，通过分析验证了所建模型的正确性和控制策略的有效性。但单纯的离线仿真并不能达到稳定性控制系统实时性的控制要求，所以有必要进行相应的实时仿真试验台的搭建，进而对控制系统进行实时测试。本章采用基于 dSPACE 搭建的实时仿真试验平台，在多种不同的工况下实时仿真试验，并与离线仿真结果进行对比分析。过去汽车控制系统稳定性和有效性的测试工作往往是通过大量的道路试验来进行的，由于道路条件的不确定性，往往会对控制规律的研究造成很大的影响，大量的重复性道路试验，会加大人力、物力的投入，所以早期汽车电子控制系统的开发周期一般都比较长。为了缩短控制系统的研发周期，提高控制系统的研发效率，近年来，国内外许多汽车控制系统研发单位联合一些高校开始尝试一种基于混合仿真的控制系统开发模式，随着电子计算机及仿真技术的快速发展，这种新的控制系统开发模式在汽车控制系统研发领域逐渐得到广泛的应用。根据混合仿真的理念，德国 dSPACE 公司开发了基于 dSPACE 硬件在环实时仿真系统。应用此系统，可以将所需硬件设备通过高性能计算机接口设备嵌入到软件环境中，模拟真实车辆在各种工况下运行时电子控制系统的实时控制过程。

总结

汽车稳定性控制系统是一种新型主动安全系统，可以增强汽车在制动和转向工况下的安全稳定性。为了提高汽车在高附着路面极限工况下的侧倾稳定性，本文建立了汽车综合稳定性应用分析模型，在汽车稳定性控制系统差动制动横摆控制的基础上，提出了基于制动与悬架系统的集成控制策略，并对控制系统进行了离线仿真和实时在线仿真试验，证了控制策略及算法的可行性，并且所建立的集成控制系统能有效的改善汽车的综合稳定性。主要工作与结论总结如下：  
（1）在课题组已有基于制动控制的整车应用模型的基础上，通过对悬架侧倾运动特性进行分析，并综合分析横摆与侧倾耦合动力学关系，在 simulink 中建立了汽车综合稳定性整车仿真建模，并验证了所建模型的正确性。
（2）分析了汽车综合稳定性控制的方法，对横摆稳定性，采用差动制动直接横摆控制策略并结合相应的模糊控制算法，来保证汽车按照预期的轨迹行驶；对于侧翻稳定性，在汽车传统稳定性控制系统差动制定直接横摆控制的基础上，建立了制动与悬架系统的集成控制策略并结合相应的控制算法，采用静态门限值的方法，实现了对汽车综合稳定性控制。
（3）对所建立的整车模型和集成控制策略进行了典型工况、侧翻危险工况下的离线仿真分析。对典型工况，侧翻控制策略没有被激活，通过差动制动直接横摆控制，验证了传统汽车稳定性控制系统对横摆稳定性的控制效果；对侧翻危险工况，侧翻控制策略被激活，验证了实现良好的横摆、侧倾稳定性控制效果，增强了汽车稳定性控制系统的侧翻控制功能，而且集成控制效果优于悬架系统和差动制动单独控制效果。
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参考文献（略）