車輛電子穩(wěn)定性試驗中A值計算方法的研究[1]

文/曹建永 張建文 曹 寅

車輛電子穩(wěn)定性試驗中A值計算方法的研究[1]

文/曹建永 張建文 曹 寅

A值是車輛電子穩(wěn)定性系統(tǒng)測試中最重要的測量值之一。A值在不同的測試標(biāo)準(zhǔn)中有不同的計算方法，測試值都會受到車輛速度和駕駛員的影響。本文采用試驗辨識方法對車輛進行性能辨識，得到車輛在車速為80 km/h的頻響函數(shù)，通過對頻響函數(shù)求逆得到穩(wěn)態(tài)側(cè)向加速度為0.3 g所對應(yīng)的方向盤轉(zhuǎn)角輸入A值，避免了試驗誤差。實例驗證表明，計算值與實測值一致性較好。

系統(tǒng)辨識 車輛模型 試驗誤差 ESC試驗

由于汽車行駛過程中運動學(xué)和動力學(xué)的特性十分復(fù)雜，受駕駛員的測試水平、測試速度、輪胎和道路情況等多方面的影響，有很多關(guān)鍵性的汽車狀態(tài)參數(shù)都無法準(zhǔn)確、可靠地進行測量；同時，現(xiàn)有的車載傳感器也存在著標(biāo)定誤差和漂移誤差等，大多情況下無法確定其測量噪聲的分布特性，這對汽車狀態(tài)信息的測量，特別是車輛電子穩(wěn)定性試驗中A值的準(zhǔn)確測量帶來很大的困難。本文通過試驗辨識方法得到車輛的頻響函數(shù)，對頻響函數(shù)進行分析得到理想的A值。

一、國際上不同A值的計算方法比對

車輛電子穩(wěn)定系統(tǒng)試驗可分為3個階段，首先是試驗準(zhǔn)備階段，主要是通過制動試驗使制動襯片和輪胎達(dá)到試驗要求；其次，是慢增量試驗階段，其目的是得到A值，A值是使汽車產(chǎn)生某一側(cè)向加速度時的方向盤轉(zhuǎn)角；最后，進行正弦延遲試驗。A值是車輛電子穩(wěn)定系統(tǒng)試驗的前提條件，為了能得到A值，F(xiàn)MVSS 126《電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)》和ECE R13H：2007《關(guān)于乘用車制動認(rèn)證的統(tǒng)一規(guī)定》分別對A值的測量方法進行了說明。表1為美國標(biāo)準(zhǔn)和歐洲標(biāo)準(zhǔn)中A值計算方法的對比。

表1 FMVSS和ECE標(biāo)準(zhǔn)中A值計算方法的對比

上述方法都是利用多次試驗進行擬合從而計算出A值，由于試驗條件的差異性，特別是速度的控制上，速度對側(cè)向加速度有著很重要的影響，每次試驗難以保證速度恒定在80 km/h，從而會對A值的計算造成一定的誤差。

同時，上述試驗在A值計算過程中對場地有著較高的要求，場地大小需要半徑為300 m的圓周，面積較小的場地車輛就可能有沖出去的危險。如圖1和圖2所示FMVSS 126和ECE R13在實際場地中的軌跡對比圖1：

圖1 A值計算過程的車輛軌跡圖

二、車輛模型辨識

根據(jù)ECE R13H關(guān)于A值定義，A值是使汽車產(chǎn)生穩(wěn)定0.3 g側(cè)向加速度時的方向盤轉(zhuǎn)角。如何得到80 km/h速度下0.3 g穩(wěn)態(tài)側(cè)向加速度是求解A值的關(guān)鍵。為了克服場地和速度的影響，這里采取試驗與仿真相結(jié)合的方法。首先，對試驗車輛進行簡單的脈沖試驗，利用試驗數(shù)據(jù)對車輛模型進行辨識，得到車輛在這個試驗工況下的線性頻響函數(shù)，對函數(shù)求逆，得到其逆函數(shù)，根據(jù)0.3 g的輸入求得對應(yīng)的方向盤轉(zhuǎn)角，即A值。

當(dāng)車輛的側(cè)向加速度小于等于0.3 g時，輪胎模型可以被認(rèn)為是一個線性模型。因此，在描述操縱穩(wěn)定性時可以把整個車輛系統(tǒng)模型簡化為低維度線性動力學(xué)模型，以便系統(tǒng)辨識。在二自由度模型結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，輸入脈沖或階躍信號，甚至是駕駛員轉(zhuǎn)向信號，滿足系統(tǒng)辨識中對持續(xù)激勵階數(shù)信號的要求，激發(fā)系統(tǒng)的頻響特性。這樣，基于試驗和理論相結(jié)合對車輛操縱穩(wěn)定性動力學(xué)模型進行辨識的條件是充分的，該試驗狀況下的車輛具備可辨識性。

系統(tǒng)辨識法是指根據(jù)已知的輸入信號和輸出信號，按照誤差最小準(zhǔn)則選取一個能近似替代車輛系統(tǒng)的模型。該試驗中，將角階躍試驗工況下的車輛系統(tǒng)近似視為二階系統(tǒng)，采用二自由度模型對其加以辨識。

將復(fù)雜的車輛簡化成理想車輛模型, 得出所需要車輛的動力學(xué)參數(shù)（見公式1）。

其中，V(s)是汽車的側(cè)向加速度?對轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的傳遞函數(shù)，Gay是側(cè)向加速度的穩(wěn)態(tài)增益，T1、T2、Ty1、Ty2是常數(shù)，反映了汽車結(jié)構(gòu)參數(shù)和本身動態(tài)特性。

對于不同的車輛，利用車輛階躍試驗數(shù)據(jù)，得到實車的基本參數(shù)，再根據(jù)最小二乘法（LSM）對系統(tǒng)的系數(shù)（T1、T2、Ty1、Ty2）進行辨識，得到所需的車輛模型參數(shù)。

三、模型的實車驗證

為保證仿真與實車的試驗對比有效性，選取一輛具有速度巡航功能的車輛，由一名熟練試車員駕駛。以開環(huán)斜坡角輸入試驗和脈沖試驗的實車試驗數(shù)據(jù)為參考，根據(jù)采集到的側(cè)向加速度和方向盤轉(zhuǎn)角辨識得到當(dāng)前工況下的車輛模型。對車輛模型驗證分別進行80 km/h的方向盤50°的轉(zhuǎn)角階躍和脈沖試驗，選擇由試車員實施階躍試驗得到側(cè)向加速和脈沖試驗的橫擺角速度與車輛模型輸出數(shù)據(jù)進行對比，如圖2和圖3所示，總體上，仿真曲線和試驗數(shù)據(jù)點的分布趨勢具有較好的一致性，表明所辨識的車輛模型具有很高的準(zhǔn)確性。

為了消除駕駛員所帶來的誤差，進一步驗證80 km/h速度下車輛模型的準(zhǔn)確性，利用AEB公司的轉(zhuǎn)向機器人SR60對車輛轉(zhuǎn)向進行控制，進行80 km/h方向盤50°轉(zhuǎn)角的階躍試驗，得到車輛在階躍試驗的側(cè)向加速度曲線，并與通過車輛頻響函數(shù)得到的加速度曲線進行對比（見圖4），曲線有較好的一致性，從而驗證80 km/h速度下車輛系統(tǒng)頻響函數(shù)的正確性。

圖2 仿真與實車的角階躍試驗數(shù)據(jù)的對比

圖3 仿真與實車的角脈沖試驗數(shù)據(jù)對比

圖4 仿真曲線和實車曲線對比圖

四、A值的計算與驗證

如果車輛不是進行大側(cè)向加速度劇烈運動或者在摩擦系數(shù)低的路面上進行轉(zhuǎn)向操作，輪胎處于線性區(qū)間，那么汽車的運動處于線性范圍內(nèi)。車輛電子穩(wěn)定系統(tǒng)穩(wěn)定測試要求路面摩擦系數(shù)大于0.9以上，A值的計算要求速度在80 km/h，目標(biāo)穩(wěn)態(tài)值為0.3g。整個計算過程中，車輛處于線性區(qū)域。通過研究線性車輛操縱動力的頻域方法從而得到A值。

在頻域內(nèi)，線性車輛運動的輸入矢量f與頻響函數(shù)H、響應(yīng)矢量x之間的關(guān)系為

式（3）中：U、V為H奇異值分解的兩個酉矩陣；Λ為H奇異值組成的對角陣。

頻域法是在頻域內(nèi)建立系統(tǒng)的頻域函數(shù)模型，進而通過系統(tǒng)的輸出識別動態(tài)輸入的過程。通過頻響函數(shù)求逆，乘以0.3g的響應(yīng)目標(biāo)，就得到對應(yīng)的A值。并與實際FMVSS 126進行的A值計算進行對比（見表2）。

表2 計算與模擬A值對比表

可以看出，頻響函數(shù)計算得到A值接近實際值。

車輛電子穩(wěn)定性試驗A值的計算方法相比上述其他成熟的試驗方法而言有以下幾個優(yōu)點：

① 可以不需要較大的場地；

② 試驗準(zhǔn)確度較好；

③ 對駕駛員的駕駛水平要求不高；

④ 利用階躍或脈沖試驗進行計算，節(jié)省試驗時間，節(jié)省成本。

五、結(jié) 論

車輛電子穩(wěn)定系統(tǒng)是目前發(fā)展最快的汽車主動安全設(shè)備，其技術(shù)已經(jīng)日臻成熟，試驗方法也逐漸完善。文中利用試驗辨識的方法對車輛性能進行辨識，得到簡單的車輛模型，通過計算得到ESC試驗所需的A值，通過實車試驗對比驗證，頻響函數(shù)計算得到的A值與實際測試的結(jié)果具有較好的一致性。為相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制修訂提供借鑒。

The A value is one of the most important measured value in ESC test. A value has different calculation methods in the different test standards and its value is affected by vehicle speed and driver. In this paper, the performance identification of the vehicle is carried out by using the experimental identification method. The frequency response function which express vehicle performance at 80 km/h is obtained with test identification method, the steering angle which is A value under 0.3g lateral acceleration is calculated by applying inverse matrix of frequency response function, and the measurement error is avoided. The example verification shows that the calculation results are in good agreement with the experiment results.

System identification; Vehicle model; Measurement error; ESC test

注：[1] 本文由上海市優(yōu)秀學(xué)術(shù)/技術(shù)帶頭人計劃資助（項目編號：16XD1421400）

上海機動車檢測認(rèn)證技術(shù)研究中心有限公司）