基于主動(dòng)懸架控制的客車防側(cè)翻研究

馮浩

摘要：現(xiàn)如今，客車的發(fā)展越來(lái)越快，客車是我國(guó)公路客運(yùn)中主要的運(yùn)輸工具，因質(zhì)量大，質(zhì)心高度與輪距之比較大等結(jié)構(gòu)特征，使得其相較于其他車型更容易發(fā)生側(cè)翻事故。由于載客人數(shù)多，客車一旦發(fā)生側(cè)翻往往會(huì)導(dǎo)致大量人員傷亡。因此，客車防側(cè)翻技術(shù)逐漸成為客車主動(dòng)安全領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：客車防側(cè)翻;側(cè)翻預(yù)警;研究

引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)高速公路網(wǎng)絡(luò)的不斷完善，公路交通運(yùn)輸行業(yè)和旅游業(yè)也取得了快速發(fā)展，旅游業(yè)的快速發(fā)展使得越來(lái)越多客車投入使用。在我國(guó)人均擁有轎車數(shù)量比較小的情況下，客車由于其特有的方便性和靈活性成為人們出行方式的首選，這也符合我國(guó)倡導(dǎo)的“綠色出行”理念。在這種背景下，我國(guó)客車制造業(yè)取得了快速發(fā)展，2016年中國(guó)客車產(chǎn)量達(dá)60.85萬(wàn)輛，中國(guó)客車在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力明顯得到提高。

1汽車側(cè)翻控制關(guān)鍵技術(shù)

1.1主動(dòng)轉(zhuǎn)向技術(shù)

主動(dòng)轉(zhuǎn)向控制主要通過(guò)控制轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)產(chǎn)生橫擺力矩，間接控制車輛側(cè)傾運(yùn)動(dòng)，不僅達(dá)到了防側(cè)翻的目的，還提高了汽車的行駛穩(wěn)定性。主動(dòng)轉(zhuǎn)向技術(shù)可以分為主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向控制和四輪轉(zhuǎn)向控制。開(kāi)發(fā)了一種主動(dòng)轉(zhuǎn)向輔助系統(tǒng)來(lái)避免重型車輛發(fā)生側(cè)翻。建立了基于高階滑模觀測(cè)器的估計(jì)器用于計(jì)算側(cè)向加速度值和質(zhì)心高度等車輛動(dòng)力學(xué)參數(shù)，建立相應(yīng)的控制策略以保證車輛的側(cè)翻穩(wěn)定性，并通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其正確性。國(guó)內(nèi)，西華大學(xué)的徐延海博士以二自由度為參考模型，在建立8自由度動(dòng)力學(xué)模型基礎(chǔ)上，運(yùn)用主動(dòng)轉(zhuǎn)向控制策略技術(shù)來(lái)改變轉(zhuǎn)向輪角度，仿真結(jié)果驗(yàn)證該方法可以有效地減少車輛側(cè)向加速，提高車輛防側(cè)翻能力。雖然主動(dòng)轉(zhuǎn)向控制簡(jiǎn)單高效，但其在防側(cè)翻控制的同時(shí)會(huì)使汽車脫離原來(lái)的行駛路線改變駕駛員行駛意圖。在高速超車或緊急避障等工況下進(jìn)行防側(cè)翻控制，車輛通過(guò)減小較大的前輪轉(zhuǎn)角來(lái)增大汽車瞬時(shí)回轉(zhuǎn)半徑，從而降低側(cè)向加速度。這會(huì)使得車輛的行駛軌跡與駕駛員的駕駛意圖產(chǎn)生較大偏差，可能駛出道路造成更加嚴(yán)重的后果，因而其在實(shí)際應(yīng)用中受到了一定限制.

1.2差動(dòng)制動(dòng)控制

差動(dòng)制動(dòng)控制是在車輪防抱死系統(tǒng)（ABS>的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，其原理是通過(guò)實(shí)時(shí)控制各個(gè)車輪的制動(dòng)力，對(duì)整車產(chǎn)生一個(gè)附加橫擺力矩以減小車輛橫擺程度，從而間接地防止車輛發(fā)生側(cè)翻危險(xiǎn)。同時(shí)，差動(dòng)制動(dòng)控制在工作過(guò)程中會(huì)降低車速，從而可以進(jìn)一步減小車輛的側(cè)向加速度。開(kāi)發(fā)一種基于車身電子穩(wěn)定系統(tǒng)的防側(cè)翻控制方法，該方法對(duì)車輛側(cè)傾狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)估和預(yù)測(cè)，進(jìn)而提前通過(guò)差動(dòng)制動(dòng)控制的方式來(lái)防止車輛發(fā)生側(cè)翻。國(guó)內(nèi)，吉林大學(xué)汽車動(dòng)態(tài)模擬國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的郭孔輝院士等人在差動(dòng)控制算法及其硬件在環(huán)仿真實(shí)驗(yàn)方面進(jìn)行深入研究，并取得了較多成果。但是，客車側(cè)翻總是在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生，而差動(dòng)制動(dòng)是通過(guò)控制客車橫擺運(yùn)動(dòng)間接影響側(cè)傾運(yùn)動(dòng)的，響應(yīng)時(shí)間有滯后。

1.3飛輪控制

飛輪廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星姿態(tài)控制中，通過(guò)控制大慣量飛輪的加速和減速，在飛輪與飛輪基體之間產(chǎn)生力矩，從而達(dá)到衛(wèi)星姿態(tài)控制的目的。同樣原理，飛輪也可以應(yīng)用于汽車側(cè)翻的控制中，在汽車側(cè)傾軸向上安裝兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向相反的飛輪。汽車啟動(dòng)后兩個(gè)飛輪緩慢加速一定的轉(zhuǎn)速，并且在隨后的正常行駛中保持這個(gè)速度旋轉(zhuǎn)。當(dāng)汽車將要發(fā)生側(cè)翻時(shí)，與側(cè)翻方向相反的飛輪被制動(dòng)，飛輪的角動(dòng)量通過(guò)制動(dòng)力矩傳遞給車身使車身受到一個(gè)與側(cè)翻方向相反的回拉力矩，從而可以有效地抑制汽車側(cè)翻事故。

2客車主動(dòng)懸架防側(cè)翻控制策略研究

2.1模糊PID控制

模糊PID控制是把模糊控制和傳統(tǒng)的PID控制相結(jié)合的一種復(fù)合控制方法。傳統(tǒng)的PID控制器雖然具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制精度高，穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，但由于對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力較弱，抗干擾能力差等缺點(diǎn)的存在，使其僅適用于較為簡(jiǎn)單的系統(tǒng)。模糊控制作為智能控制方法的一種，其魯棒性強(qiáng)，能夠較好地克服系統(tǒng)中的不確定因素，但控制精度不如PID控制。所以，本論文采用結(jié)合以上兩種控制方法優(yōu)點(diǎn)的模糊PID控制，使得控制器具有更好的控制效果。

2.2主動(dòng)懸架控制力分配器

前文設(shè)計(jì)的PID控制器和模糊PID控制器得到的懸架主動(dòng)控制力只代表一個(gè)數(shù)值，如何將這個(gè)懸架主動(dòng)控制力分配到每個(gè)懸架上，則由主動(dòng)懸架分配器完成。懸架力分配器的作用就是以PID控制器或模糊PID控制器的懸架力為輸入量，根據(jù)一定的邏輯關(guān)系，最終得到每個(gè)懸架需要的主動(dòng)控制力。當(dāng)客車突然向右轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)，車身會(huì)繞著側(cè)傾軸線產(chǎn)生向左的側(cè)傾運(yùn)動(dòng)。為了防止客車側(cè)傾過(guò)大發(fā)生側(cè)翻危險(xiǎn)，主動(dòng)懸架控制系統(tǒng)應(yīng)該產(chǎn)生一個(gè)與車身側(cè)傾方向相反的力矩來(lái)抑制客車側(cè)傾運(yùn)動(dòng)。因此，懸架分配器使右側(cè)前后主動(dòng)懸架的控制力給車身一個(gè)向下的拉力，左側(cè)前后主動(dòng)懸架控制力給車身一個(gè)大小相同方向相反的推力，這樣才能抑制客車車身的側(cè)傾運(yùn)動(dòng)，從而降低客車發(fā)生側(cè)翻的概率。

2.3基于預(yù)警的客車防側(cè)翻控制系統(tǒng)聯(lián)合仿真

上述客車連續(xù)防側(cè)翻控制在客車沒(méi)有側(cè)翻危險(xiǎn)的情況下，仍然會(huì)使主動(dòng)懸架工作，從而增加了能量消耗，同時(shí)控制算法較復(fù)雜，對(duì)硬件設(shè)備要求較高?；诖?，本論文結(jié)合了側(cè)翻預(yù)警和主動(dòng)懸架模糊Pm控制器，建立基于預(yù)警的客車防側(cè)翻控制系統(tǒng)，其在接收到側(cè)翻預(yù)警信號(hào)后主動(dòng)懸架開(kāi)始工作，工作時(shí)間相對(duì)較短，降低了控制系統(tǒng)能量的消耗，在實(shí)際過(guò)程中更具實(shí)用性。

2.4模糊控制器設(shè)計(jì)流程

1）量化因子和比例因子模塊量化因子是把模糊控制器的輸入值按照一定的比例從物理論域映射到模糊論域中，而比例因子則是把經(jīng)過(guò)清晰化的模糊控制器輸出量從模糊論域按照一定比例映射到實(shí)際物理論域中。2）模糊規(guī)則模塊設(shè)定模糊規(guī)則是模糊推理的首要前提，也是設(shè)計(jì)模糊控制系統(tǒng)的主要內(nèi)容，其作用相當(dāng)于傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中的校正和補(bǔ)償裝置。模糊控制規(guī)則的確定有兩種方法：一種是根據(jù)操作人員對(duì)系統(tǒng)的實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)或者專家對(duì)系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)總結(jié)得出的;另一種是工程師對(duì)需要研究的控制系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)，通過(guò)分析系統(tǒng)的輸入、輸出數(shù)據(jù)中制定一些規(guī)則。3）模糊推理模塊模糊推理模塊是模糊控制器的核心，它利用模糊規(guī)則推理給出合適的控制量。本論文的模糊控制器選取Mamdani推理方法，其對(duì)每條控制規(guī)則進(jìn)行取小和取大操作，取各個(gè)規(guī)則下隸屬度最小值和最大值作為當(dāng)前規(guī)則的最小和最大適配度，所得到的整個(gè)并集的面積就是總的推論。4）清晰化模塊通過(guò)模糊推理得到的結(jié)果是一個(gè)模糊集和，但在模糊控制系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中，必須有一個(gè)確定的輸出量來(lái)控制被控對(duì)象。在推理的模糊集合中，選取一個(gè)最能代表模糊推理結(jié)果可能性的精確值的過(guò)程稱為清晰化。

結(jié)語(yǔ)

結(jié)合了Trucksim客車側(cè)翻模型和主動(dòng)懸架PID和模糊PID防側(cè)翻控制策略，建立了客車連續(xù)防側(cè)翻控制系統(tǒng)，并在方向盤角階躍輸入和正弦輸入兩種行駛工況下進(jìn)行了聯(lián)合仿真。對(duì)比分析了采用不同主動(dòng)懸架控制策略下客車側(cè)翻穩(wěn)定性，結(jié)果表明：采用模糊PID控制的主動(dòng)懸架，相較于傳統(tǒng)PID控制的主動(dòng)懸架，能夠更大程度上改善客車的側(cè)翻穩(wěn)定性。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合側(cè)翻預(yù)警系統(tǒng)建立了基于預(yù)警的客車防側(cè)翻控制系統(tǒng)，并在魚鉤轉(zhuǎn)向和雙移線兩種試驗(yàn)工況下進(jìn)行了聯(lián)合仿真。仿真結(jié)果表明：基于預(yù)警的客車防側(cè)翻控制系統(tǒng)的控制效果雖然不如客車連續(xù)防側(cè)翻控制系統(tǒng)，但由于其能耗相對(duì)較低和對(duì)硬件的要求較低等優(yōu)點(diǎn)，使得其更具實(shí)用性。在上述兩種試驗(yàn)工況下可以一定程度上提高客車的抗側(cè)翻險(xiǎn)。與不施加任何控制相比，其力，避免客車發(fā)生側(cè)翻危能。

參考文獻(xiàn)

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[2]邱燁，帥箔.江西交通廳：深刻汲取“2·20”重大交通事故教訓(xùn).中國(guó)新聞網(wǎng)，2018-02-22

（作者身份證號(hào)碼：341125199008287935）