車輛轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性控制策略聯(lián)合仿真*

李勝琴　楊　慶

(東北林業(yè)大學(xué)交通學(xué)院　哈爾濱　150040)

?

車輛轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性控制策略聯(lián)合仿真*

李勝琴楊慶

(東北林業(yè)大學(xué)交通學(xué)院哈爾濱150040)

摘要：本文對(duì)車輛在轉(zhuǎn)向行駛過(guò)程中穩(wěn)定性的控制策略進(jìn)行研究.在ADAMS/Car中建立整車系統(tǒng)模型并加以驗(yàn)證.根據(jù)車輛失穩(wěn)的主要原因，在MATLAB/Simulink中設(shè)計(jì)以控制各車輪制動(dòng)力為目標(biāo)的控制器，依據(jù)模糊控制理論建立車輛轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性控制聯(lián)合仿真模型，在不同路面附著系數(shù)下，分別針對(duì)雙移線、正弦延遲及蛇形工況下車輛進(jìn)行仿真試驗(yàn)，分析在有無(wú)控制下車輛橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角的變化.仿真結(jié)果表明，施加控制的車輛行駛路徑保持較好，橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角能夠得到很好的控制，車輛行駛穩(wěn)定性得到保障，證實(shí)了控制策略的有效性.

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性；ADAMS/Car；模糊控制；聯(lián)合仿真

李勝琴(1976- )：女、工學(xué)博士，副教授，主要研究領(lǐng)域?yàn)檐囕v系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)及控制

*國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金資助項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào)：51205055)、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào)：DL13CB07)資助

0引言

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，僅在過(guò)去的10 a當(dāng)中，我國(guó)就有近90萬(wàn)人死于各類道路交通事故.相關(guān)專業(yè)部門(mén)分析了導(dǎo)致這種嚴(yán)重傷亡交通事故的原因，結(jié)果顯示，超過(guò)60%的事故都是因?yàn)榘l(fā)生了側(cè)向失穩(wěn)碰撞，30%～40%的事故起因是超速行駛、突然轉(zhuǎn)向或者操作不當(dāng)；而據(jù)另一項(xiàng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，車輛行駛速度越高就越容易發(fā)生交通事故，當(dāng)車速在80～100 km/h范圍內(nèi)時(shí)，與車輛側(cè)向失穩(wěn)有關(guān)的事故大概約占到40%，當(dāng)車速超過(guò)160 km/h時(shí)，全部交通事故幾乎都由側(cè)向失穩(wěn)造成[1-2].所以提高車輛的安全性，尤其是提高車輛高速轉(zhuǎn)向時(shí)的主動(dòng)安全性成為汽車設(shè)計(jì)及研發(fā)人員面對(duì)的一項(xiàng)艱巨任務(wù).

國(guó)外學(xué)者對(duì)車輛穩(wěn)定性控制算法進(jìn)行了大量理論性的研究.Buckholtz[3]研究的重點(diǎn)是如何通過(guò)分配車輪的滑移率，進(jìn)而在模糊控制理論的基礎(chǔ)上控制車輛的橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角；Toshihiro Hiraoka等[4]也對(duì)車身橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角的控制進(jìn)行了研究，但他們是以滑模變結(jié)構(gòu)控制理論作為研究的理論基礎(chǔ)；Masao Nagai等[5]在控制車輛穩(wěn)定性的時(shí)候，采用的是復(fù)合反饋的方法；van Zanten等[6]基于最優(yōu)控制原理開(kāi)發(fā)了Bosch被廣泛應(yīng)用的電子穩(wěn)定程序——ESP.國(guó)內(nèi)對(duì)汽車操縱穩(wěn)定性的研究始于上世紀(jì)70年代，起步比較晚.由于缺少試驗(yàn)條件，大多數(shù)學(xué)者只是基于理論研究，通過(guò)仿真的形式，提出ESP系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中具體遇到的問(wèn)題，他們研究的側(cè)重點(diǎn)各有不同，一部分學(xué)者探討的是ESP系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)問(wèn)題，一部分學(xué)者把研究重點(diǎn)放在控制算法的驗(yàn)證上.宋健等[7]對(duì)ABS系統(tǒng)中的電磁閥特性進(jìn)行了分析，并在此基礎(chǔ)上討論了ESP的控制算法及策略；上海交通大學(xué)開(kāi)展的“汽車動(dòng)力學(xué)控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與實(shí)車試驗(yàn)”項(xiàng)目，建立了ESP混合仿真模擬試驗(yàn)臺(tái)并在試驗(yàn)臺(tái)的基礎(chǔ)上研究了ESP系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，為國(guó)內(nèi)對(duì)ESP系統(tǒng)的深入研究提供了極具參考價(jià)值的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)[8]；劉昭度等[9]從集成化液壓控制單元及液壓特性方面入手，進(jìn)行ESP集成控制系統(tǒng)的研究；郭孔輝等[10-11]在ESP控制算法和ESP系統(tǒng)評(píng)價(jià)方法方面做了大量深入的研究，應(yīng)用邏輯門(mén)限值方法，分析車輛在不同狀態(tài)下的控制邏輯，并且根據(jù)人-車-路閉環(huán)系統(tǒng)模型，對(duì)ESP系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià).除了各大高校，中國(guó)重汽集團(tuán)、上海大眾、奇瑞等汽車企業(yè)也在車輛穩(wěn)定性控制方面開(kāi)展了研究工作.

文中以車輛轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性作為研究重點(diǎn)，利用仿真軟件ADAMS建立車輛動(dòng)力學(xué)模型并與MATLAB結(jié)合進(jìn)行聯(lián)合仿真，以車身的橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角作為控制目標(biāo)建立模糊控制器，進(jìn)行車輛轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性的模擬仿真，與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，并驗(yàn)證控制策略的有效性.

1車輛動(dòng)力學(xué)模型

汽車是由幾萬(wàn)個(gè)零部件組成的，而整車建模又是一個(gè)極其復(fù)雜的過(guò)程，對(duì)車輛的真實(shí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，工作量大，若根據(jù)研究目的的不同，對(duì)車輛結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的、合理的簡(jiǎn)化，操作起來(lái)更為方便的同時(shí)又能得到比較合理的研究結(jié)果.

ADAMS/Car是ADAMS軟件的模塊之一，是一種基于模板建模和仿真的工具，簡(jiǎn)化了建模的步驟并加快了建模的速度，用戶只需要在模板中輸入數(shù)據(jù)，就可以快速的建立高精度整車虛擬樣機(jī)模型，模型中包括車身系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)等.

本文根據(jù)給定的某車型基本參數(shù)確定硬點(diǎn)坐標(biāo)及各部件之間的連接，建立各系統(tǒng)模型.圖1中a)～f)為建立好的各系統(tǒng)模型.把建立好的各個(gè)子系統(tǒng)模型組裝即可創(chuàng)建整車模型，建立好的整成模型見(jiàn)圖2.

圖1　各子系統(tǒng)模型

圖2　整車動(dòng)力學(xué)模型

為了驗(yàn)證所建立的整車動(dòng)力學(xué)模型是否正確、有效，進(jìn)行干路面工況下的車輛轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性的一系列仿真試驗(yàn)，并與實(shí)車路上試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比.

運(yùn)用ADAMS/Car軟件進(jìn)行轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性的仿真，首先需要編寫(xiě)與整車轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性試驗(yàn)相關(guān)的數(shù)據(jù)文件，包括驅(qū)動(dòng)控制文件和驅(qū)動(dòng)控制數(shù)據(jù)文件.在驅(qū)動(dòng)控制試驗(yàn)中，將轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)向、節(jié)氣門(mén)開(kāi)度、離合器開(kāi)合、檔位大小和制動(dòng)等作為控制變量，通過(guò)改變它們的數(shù)值，來(lái)完成整車轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性的仿真與結(jié)果分析.

圖3為干路面工況下雙移線的試驗(yàn)值及模擬值的比較，檔位為三檔、車速為40 km/h，仿真時(shí)間7 s，步長(zhǎng)0.01 s，μ=0.8；圖4為三檔檔位、車速40 km/h，仿真時(shí)間12 s，步長(zhǎng)0.01 s時(shí)在干路面工況下蛇形繞障試驗(yàn)的試驗(yàn)值與模擬值比較，μ=0.8.

圖3　雙移線試驗(yàn)車輛橫擺角速度對(duì)比

圖4　蛇形試驗(yàn)車輛橫擺角速度對(duì)比

由圖3、圖4可見(jiàn)，所建立的整車動(dòng)力學(xué)模型的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，認(rèn)為所建模型準(zhǔn)確，可以用來(lái)進(jìn)行整車動(dòng)力學(xué)性能的仿真分析，兩者之間未能完全重合可能是由于建立模型時(shí)對(duì)各系統(tǒng)進(jìn)行了相應(yīng)的簡(jiǎn)化造成的.

2聯(lián)合仿真模型

采用目前廣泛應(yīng)用的二維模糊控制器.具體說(shuō)來(lái)就是選取車輛的實(shí)際橫擺角速度、實(shí)際質(zhì)心側(cè)偏角與車輛參考模型的理想橫擺角速度、理想質(zhì)心側(cè)偏角之間的誤差e以及誤差變化率ec作為模糊控制器的輸入變量，模糊控制器的輸出變量設(shè)為車輪的制動(dòng)力矩u.控制器將根據(jù)輸入變量的變化，計(jì)算出所需要的制動(dòng)力矩的大小，最后由制動(dòng)力分配器通過(guò)各個(gè)車輪上的控制器進(jìn)行制動(dòng)力的分配，最主要的目標(biāo)就是使這兩個(gè)參數(shù)的理想值和實(shí)際值的偏差達(dá)到最小.在實(shí)際應(yīng)用中為了表達(dá)的更清楚，一般用模糊規(guī)則表的形式見(jiàn)表1.

最后，由輸入變量、輸出變量的隸屬函數(shù)及模糊控制規(guī)則建立起來(lái)的雙輸入、單輸出的Mamdani模糊控制器見(jiàn)圖5，建立完成之后保存到仿真文件夾中以備調(diào)用.設(shè)計(jì)的模糊控制模型見(jiàn)圖6.

表1　模糊規(guī)則表

圖5　模糊控制器

在ADAMS/Car中設(shè)置4個(gè)輸入變量為：左前輪制動(dòng)力矩、左后輪制動(dòng)力矩、右前輪制動(dòng)力矩、右后輪制動(dòng)力矩.4個(gè)輸出變量為：橫擺角速度、縱向速度、方向盤(pán)轉(zhuǎn)角、質(zhì)心側(cè)偏角.建立聯(lián)合仿真模型見(jiàn)圖7.

圖6　模糊控制模型　　　　　　　　　　　　　　　　　圖7　 聯(lián)合仿真模型

圖中“adams_sub”模塊是由ADAMS/Car導(dǎo)出的S-function模塊，這個(gè)模塊包含了整車的全部信息；“desired”模塊為線性二自由度理想模型，它完成車輛期望狀態(tài)參數(shù)的計(jì)算，“fuzzy”模塊是聯(lián)合仿真系統(tǒng)的核心，即制動(dòng)力分配器，它主要完成車輛穩(wěn)定性判斷和制動(dòng)力的分配.

3控制策略驗(yàn)證

3.1雙移線仿真

3.1.1干路面仿真

在干路面時(shí)，設(shè)定雙移線工況為三檔檔位、車速v=60 km/h、路面附著系數(shù)μ=0.8，仿真時(shí)間t=5 s、仿真步長(zhǎng)0.01 s.仿真分析曲線見(jiàn)圖8～9.可以看出，在未施加控制時(shí)，車身從2.5 s便開(kāi)始有明顯抖動(dòng)，橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角迅速變化，車體發(fā)生嚴(yán)重側(cè)偏，失去穩(wěn)定性，偏離軌跡，駛離車道，說(shuō)明此時(shí)可能已出現(xiàn)側(cè)滑或甩尾現(xiàn)象，易導(dǎo)致交通事故.而有控制時(shí)車輛能夠按照試驗(yàn)路徑行駛，維持穩(wěn)定狀態(tài)，安全性得到了保障.

圖8　干路面雙移線試驗(yàn)-橫擺角速度

圖9　干路面雙移線試驗(yàn)-質(zhì)心側(cè)偏角

3.1.2冰雪路面仿真

將干路面試驗(yàn)的轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角作為輸入，進(jìn)行冰雪路面條件下的雙移線試驗(yàn)仿真，檔位仍為三檔、車速v=40 km/h、路面附著系數(shù)為μ=0.2、仿真時(shí)間t=5 s，仿真步長(zhǎng)0.01 s.仿真曲線顯示，在冰雪路面上，沒(méi)有施加控制的車輛在開(kāi)始階段的行駛比較平穩(wěn)，2.5 s時(shí)出現(xiàn)不穩(wěn)定趨勢(shì)，3.5 s之后完全失穩(wěn)，橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角的極速增大，車輛的最大橫擺角速度達(dá)到了-3 (°)/s，質(zhì)心側(cè)偏角最大為-2.3°.而加入控制的車輛在整個(gè)行車過(guò)程中表現(xiàn)較好，得到的控制效果較為理想，橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角的變化相對(duì)平緩，接近理想狀態(tài)，見(jiàn)圖10～11.

圖10　冰雪路面雙移線試驗(yàn)-橫擺角速度

圖11　冰雪路面雙移線試驗(yàn)-質(zhì)心側(cè)偏角

3.2正弦延遲試驗(yàn)仿真

3.2.1干路面仿真

設(shè)定的工況為四檔檔位、車速v=80 km/h、路面附著系數(shù)為μ=0.8、仿真時(shí)間t=5 s，仿真步長(zhǎng)0.01 s，仿真曲線見(jiàn)圖12～13.根據(jù)曲線變化可知，沒(méi)有施加控制的車輛在2 s之前可以保持車身的行駛姿態(tài)，3 s之后開(kāi)始出現(xiàn)不穩(wěn)定狀況，3.5 s發(fā)生較為明顯的抖動(dòng)，隨即失去控制，偏離軌跡，橫擺角速度最大值達(dá)到50 (°)/s，側(cè)偏角最大達(dá)到-14°.而加入控制的車輛，雖然相較于理想值較晚回正，但最終仍能保持運(yùn)動(dòng)軌跡，調(diào)整姿態(tài)后恢復(fù)穩(wěn)定行駛狀態(tài)，接近理想值，保證了安全.

圖12　干路面正弦延遲試驗(yàn)-橫擺角速度

圖13　干路面正弦延遲試驗(yàn)-質(zhì)心側(cè)偏角

3.2.2冰雪路面仿真

在這組冰雪路面的試驗(yàn)中，設(shè)定車速小于干路面時(shí)的車速，v=70 km/h、檔位仍為四檔、路面附著系數(shù)為μ=0.2、仿真時(shí)間t=5 s，仿真步長(zhǎng)0.01 s，仿真曲線見(jiàn)圖14～15.0～0.5 s時(shí)間內(nèi)，未施加控制的車身保持運(yùn)行平穩(wěn)，0.5 s開(kāi)始逐漸偏離運(yùn)行軌跡，2.5 s時(shí)突然產(chǎn)生變化，車身側(cè)偏嚴(yán)重并有甩尾現(xiàn)象；車輛在冰雪路面上行駛，車身有控制時(shí)，試驗(yàn)值與理想值之間有很小的差距，但整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中可以較好的保持行駛軌跡，能夠保證車輛運(yùn)行的安全性.

圖14　冰雪路面正弦延遲試驗(yàn)-橫擺角速度

3.3蛇形試驗(yàn)仿真

3.3.1干路面仿真

設(shè)定的工況為四檔、車速v=70 km/h、路面附著系數(shù)為μ=0.8、仿真時(shí)間t=7 s，仿真步長(zhǎng)0.01 s，仿真曲線見(jiàn)圖16～17.沒(méi)有施加控制的車輛在4.6 s時(shí)候失去控制，出現(xiàn)甩尾的情況，同時(shí)也發(fā)生較為嚴(yán)重的側(cè)偏，最大側(cè)偏角達(dá)到-38°；而加入控制的車輛，能夠與理想值較為吻合，說(shuō)明設(shè)計(jì)的控制器起到了一定的控制效果，可以使車輛一直保持較為理想的狀態(tài).

圖16　干路面蛇形試驗(yàn)-橫擺角速度

圖17　干路面蛇形試驗(yàn)-質(zhì)心側(cè)偏角

3.3.2冰雪路面仿真

將冰雪路面蛇形試驗(yàn)的工況設(shè)定為三檔、車速v=40 km/h、路面附著系數(shù)為μ=0.2、仿真時(shí)間t=7 s，仿真步長(zhǎng)0.01 s，仿真曲線見(jiàn)圖18～19.在沒(méi)有施加控制的時(shí)候，0～2.3 s內(nèi)的行駛較為穩(wěn)定，但隨即表現(xiàn)出了不穩(wěn)定的趨勢(shì)，2.3 s時(shí)突然失去控制，橫擺角速度最大值達(dá)到-17°/s，側(cè)偏現(xiàn)象明顯，最后側(cè)偏角達(dá)到51°，直接可能導(dǎo)致車身甩尾和側(cè)偏，對(duì)汽車的行駛安全造成威脅，而加入控制之后便能很好的跟蹤理想值的曲線，表現(xiàn)出了較好的穩(wěn)定性，同時(shí)也保證了行駛的安全.

圖18　冰雪路面蛇形試驗(yàn)-橫擺角速度

圖19　冰雪路面蛇形試驗(yàn)-質(zhì)心側(cè)偏角

4結(jié)論

1) 以某型車為原型，利用ADAMS/Car建立包括前后懸架系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)等子系統(tǒng)在內(nèi)的整車動(dòng)力學(xué)模型，利用車輛試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)動(dòng)力學(xué)模型加以驗(yàn)證，結(jié)果表明,所建立的動(dòng)力學(xué)模型精度基本符合要求，能夠用于車輛轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性的仿真研究.

2) 對(duì)車輛轉(zhuǎn)向失穩(wěn)的原因進(jìn)行分析，基于模糊控制理論，以車輛橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角的誤差及誤差變化率為輸入變量、車輛恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)所需要的制動(dòng)力矩為輸出變量，設(shè)計(jì)模糊控制器，建立基于ADAMS/Car和MATLAB/Simulink的聯(lián)合仿真模型.

3) 選擇雙移線、正弦延遲、蛇形等三種路徑進(jìn)行模擬仿真，設(shè)定不同的試驗(yàn)工況，分別在干路面和冰雪路面進(jìn)行模擬試驗(yàn)，對(duì)車輛運(yùn)動(dòng)姿態(tài)進(jìn)行比較分析.仿真分析結(jié)果表明，所建立的模糊控制策略，能夠相對(duì)的針對(duì)車輛在轉(zhuǎn)向過(guò)程中的出現(xiàn)的失穩(wěn)狀態(tài)加以控制，可有效維持車輛的行駛穩(wěn)定性.

參 考 文 獻(xiàn)

[1]NAGAI M. The perspectives of research for enhancing actives safety based on advanced control technology[J] .Vehicle System Dynamics,2007,45(5):413-431.

[2]Federal Motor Vehicle Safety Administration.Electronic stability control，No. 126[R].Washington, DC: National Highway Traffic Safety Administration,2006.

[3]BUCKHOLTZ K R. Use of fuzzy logic in wheel slip assignment-Part 1: yaw rate control with side slip angle limitation[J]. SAE,2002(1):1220-1226.

[4]TOSHIHIRO H, OSAMU N, HIROMISTR K.Model-following sliding mode control for active four-wheel steering vehicle[J]. JSAE,2004,25(4):305-313.

[5]MOTOKI S， MASAO N. Yaw-moment control of electric for improving handling and stability[J]. JSAE Review,2001，22：473-480.

[6]ANTON T， RAINER E， KLAUS L， et al. VDC System Development and perspective[J]. SAE Paper，NO.980235.

[7]鄭銀環(huán)，董森，趙燕.車輛道路耦合振動(dòng)建模及仿真分析[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)：交通科學(xué)與工程版，2015,39(2)：325-328.

[8]王家輝.汽車ESP系統(tǒng)半動(dòng)態(tài)測(cè)試臺(tái)架開(kāi)發(fā)[D].上海：上海交通大學(xué)，2004.

[9]裴曉飛,劉昭度.車輛縱向動(dòng)力學(xué)集成控制系統(tǒng)研究[J].汽車工程,2012(2)：55-58.

[10]郭孔輝,丁海濤.輪胎附著極限下差動(dòng)制動(dòng)對(duì)汽車橫擺力矩的影響[J].汽車工程,2002(2)：122-125.

[11]李幼德,劉巍,李靜,等.汽車穩(wěn)定性控制系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2007,37(4)：89-92.

Co-simulation of Steering Stability Control Tragedy on Vehicle

LI ShengqinYANG Qing

(TrafficCollege,NortheastForestUniversity,Harbin150040,China)

Abstract：In this paper, the main research was about the control strategy on vehicle stability during the steering process. A vehicle system model was established in ADAMS/Car and confirmed the correctness.According to the main reason for the instability of the vehicle, a controller was designed to control the braking force of each wheel in the MATLAB/Simulink, the co-simulation model of the vehicle was established, used the fuzzy control strategy. accordingto some conditions like double lane change, the sine-delay and snake-like on different road adhesion coefficient,somevirtual testsof the vehicle modelwere proposed, to analyze the change of yaw rate and vehicle sideslip within or without control. Results showed that the vehicle could keep good agreement of traveling path if it was under the control, either the yaw rate and sideslip angle. It guaranteed safety of the vehicle, and the effectiveness of the control strategy was confirmed.

Key words：steering stability; ADAMS/Car; fuzzy control; co-simulation

收稿日期：2015-11-21

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.01.013

中圖法分類號(hào)：U461