考慮側(cè)風(fēng)影響下的汽車穩(wěn)定性控制研究

陶欣怡 楊 軍* 蔣懌霏 顏晨龍 楊 藝

（江蘇理工學(xué)院汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 常州 213000）

隨著人們行駛車速的普遍提高，由于各種因素而引發(fā)的車輛失穩(wěn)甚至嚴(yán)重事故也越來越多，除去高速上駕駛員自身操作問題，外部側(cè)風(fēng)對高速行駛的車輛影響十分巨大，風(fēng)力不僅影響車輛的動力性，同時較大的側(cè)向風(fēng)會影響車輛的操縱穩(wěn)定性，在高速行駛過程中駕駛員難以及時捕捉側(cè)風(fēng)的影響同時做出正確的操作反應(yīng)，極有可能導(dǎo)致車輛失控，引發(fā)嚴(yán)重的交通事故[1-2]。為了應(yīng)對駕駛員在對側(cè)風(fēng)等外部環(huán)境影響下的操縱欠缺性，通過設(shè)計駕駛輔助系統(tǒng)感知外部環(huán)境和車輛本身的運行工況變化來實時對車輛操縱和安全方面做出自主控制越來越成為降低交通事故頻率，減輕交通事故傷害的關(guān)鍵途徑[3-4]。

1 整車動力學(xué)建模

考慮建立包含縱向、橫向、橫擺以及側(cè)傾方向的車輛動力學(xué)模型[5]，輪胎模型采用魔術(shù)輪胎模型[6]。

2 側(cè)風(fēng)對車輛的影響分析

2.1 直線工況下的側(cè)風(fēng)干擾仿真

車輛在高速行駛的工況主要是直線高速行駛工況，因此設(shè)置路面系數(shù)為0.8，車輛分別以100km/h、110km/h、120km/h、130km/h 的車速直線行駛，在1.5s 開始給車輛施加速度最大為10m/s 的側(cè)風(fēng)干擾，在2.5s 時風(fēng)速達(dá)到最大后保持不變，不同車速下的仿真結(jié)果如圖1 所示。

圖1 直線工況下的側(cè)風(fēng)干擾仿真

從圖1 的仿真結(jié)果可以看出，在直線行駛工況下，車輛在1.5s 時刻的狀態(tài)量發(fā)生改變，與1.5s 產(chǎn)生側(cè)風(fēng)的輸入狀態(tài)符合，車輛開始在側(cè)風(fēng)的作用下偏離，同時橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角逐漸增大，穩(wěn)定性變差；對比不同車速可以得出，質(zhì)心側(cè)偏角和橫擺角速度隨著車速的增大而增大，車輛偏離距離也逐漸增大。

2.2 換道工況下的側(cè)風(fēng)干擾仿真

車輛在高速工況行駛時不可避免會進(jìn)行小幅度轉(zhuǎn)向換道，此種狀態(tài)下的車輛受到強橫風(fēng)的影響更大，因此模擬駕駛員換道時刻的轉(zhuǎn)向輸入，在0～3 內(nèi)給予模型由正到負(fù)的正弦轉(zhuǎn)向輸入，同時一直受到風(fēng)速為10m/s的正弦側(cè)風(fēng)干擾，不同車速下的仿真結(jié)果如圖2 所示。

圖2 換道工況下的側(cè)風(fēng)干擾仿真

從圖2 的仿真結(jié)果可以看出，車輛在5s 內(nèi)完成了換道行駛，在相同風(fēng)速影響下，隨著車速的不斷增大，車輛的質(zhì)心側(cè)偏角明顯增大，橫擺角速度略有增大，側(cè)偏位移明顯增大，因此在換道工況下車輛偏離路線，失穩(wěn)的危險性最大。通過上述兩種典型高速行駛的工況仿真可以看出，本文所建立的側(cè)風(fēng)- 車輛耦合模型能夠準(zhǔn)確地反映車輛在側(cè)風(fēng)干擾下的行駛狀態(tài)，分析得到干擾工況下的車輛行駛狀態(tài)變化規(guī)律，為下文穩(wěn)定性控制的設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。

3 基于AFS 的車輛穩(wěn)定性控制器設(shè)計

3.1 AFS 穩(wěn)定性控制框架

在車輛高速行駛或其他非典型工況下，僅由駕駛員和EPS 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)無法實現(xiàn)最優(yōu)的轉(zhuǎn)向控制，而主動前輪轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)根據(jù)車輛實時行駛中反饋的狀態(tài)量以及控制策略求解出輔助轉(zhuǎn)向角，將此輔助轉(zhuǎn)向角施加在前輪轉(zhuǎn)角上，使得車輛轉(zhuǎn)向更加貼近駕駛員意圖以及當(dāng)前的行駛工況，從而提高車輛在非典型工況下的穩(wěn)定性。本文采用簡化后的線性二自由度車輛模型來作為表征車輛理想的質(zhì)心側(cè)偏角和橫擺角速度。

3.2 基于GA-PID 的AFS 控制器設(shè)計

本文采用PID 算法設(shè)計AFS 控制器，為了提高控制器魯棒性，利用遺傳算法對六個因數(shù)進(jìn)行迭代優(yōu)化，根據(jù)本文控制器要求，選取的適應(yīng)度函數(shù)為：

4 仿真平臺搭建

為了驗證所設(shè)計的主動轉(zhuǎn)向控制器的控制效果，本節(jié)利用Matlab/Simulink 仿真軟件對設(shè)計的模型和控制器進(jìn)行搭建，對不同行駛工況進(jìn)行仿真驗證。

4.1 高速直線行駛工況仿真

假設(shè)風(fēng)壓中心與車輛的質(zhì)心重合，直線工況下前輪輸入轉(zhuǎn)角δd=0，車速設(shè)定為100km/h，風(fēng)向為單向變化側(cè)風(fēng)，初始風(fēng)速為0m/s，0.5 內(nèi)增大至10m/s，3s 后風(fēng)速降為0m/s，仿真結(jié)果如圖3 所示。

圖3 直線行駛工況不同控制器效果

從圖3 中可以看出，相比于無控制和普通PID 控制，經(jīng)過遺傳算法優(yōu)化后的PID 控制器效果更為明顯，車輛穩(wěn)定性趨于更好。

4.2 車輛高速換道行駛工況驗證

為了驗證控制器在換道情景下的控制效果，設(shè)定車輛以100km/h 的速度進(jìn)行換道行駛，在0-2s 內(nèi)施加正向轉(zhuǎn)角輸入，在2-4s 內(nèi)施加反向轉(zhuǎn)角輸入模擬駕駛員換道過程，仿真結(jié)果如圖4 所示。

圖4 換道行駛工況不同控制器效果

由圖4 可以看出，在側(cè)向位移方面，當(dāng)未施加控制時，車輛受側(cè)風(fēng)影響偏移距離較大，質(zhì)心側(cè)偏角和橫擺角速度的幅值也較大，而采用AFS 控制后，明顯降低了車輛換道時的偏移，同時提升了車輛的穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

本文針對側(cè)風(fēng)干擾下的高速車輛穩(wěn)定性控制問題，所獲得的研究成果如下：

5.1 建立考慮側(cè)風(fēng)影響的非線性整車動力學(xué)模型考慮側(cè)風(fēng)對車輛穩(wěn)定性的影響，建立側(cè)風(fēng)干擾模型，通過仿真分析，得到側(cè)風(fēng)對車輛穩(wěn)定性的影響。

5.2 依據(jù)側(cè)風(fēng)對整車模型的分析影響，以車輛質(zhì)心側(cè)偏角和橫擺角速度為控制目標(biāo)，設(shè)計側(cè)風(fēng)干擾條件下的主動轉(zhuǎn)向控制策略。利用Matlab/Simulink 軟件搭建側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性控制系統(tǒng)，進(jìn)行多種工況的側(cè)風(fēng)仿真分析，驗證了所設(shè)計控制策略的有效性。