汽車ESC系統(tǒng)干預(yù)轉(zhuǎn)向不足性能測評與研究*

牛成勇 吳昆倫 王戡 蘇占領(lǐng) 周祥祥

（1.招商局檢測車輛技術(shù)研究院有限公司 國家智能網(wǎng)聯(lián)汽車質(zhì)量檢驗(yàn)檢測中心（重慶），重慶401329；2.汽車主動安全測試技術(shù)重慶市工業(yè)和信息化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶401329；3.自動駕駛系統(tǒng)及智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)研發(fā)與測試應(yīng)用重慶市工程研究中心，重慶401329）

0 引言

汽車電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng)（Electronic Stability Control,ESC）是一種輔助駕駛員有效控制車輛的主動安全設(shè)備，其通過對車輪制動力和發(fā)動機(jī)輸出扭矩進(jìn)行調(diào)整，限制車輛側(cè)偏角發(fā)生急轉(zhuǎn)，并保證車輛側(cè)偏角始終處于一定范圍內(nèi)，以獲得足夠的橫擺力矩增益。據(jù)美國高速公路交通安全局（NHTSA）的分析數(shù)據(jù)表明,使用ESC 能減少34%的乘用車和59%的SUV單車碰撞事故，還可有效地預(yù)防71%的乘用車和84%的SUV翻車事故[1-2]。

目前，隨著汽車智能化、電動化的不斷發(fā)展以及消費(fèi)者對車輛安全性的關(guān)注日益提高，加之國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)的陸續(xù)發(fā)布、實(shí)施，ESC系統(tǒng)已大量裝備于汽車上，其在行車安全上的優(yōu)勢已被全球汽車生產(chǎn)廠家和汽車使用者認(rèn)可，使其成為繼ABS 技術(shù)之后，保護(hù)車內(nèi)駕乘人員生命安全非常重要的主動安全技術(shù)[3-4]。

鑒于不同ESC生產(chǎn)企業(yè)的ESC控制策略差異所帶來的系統(tǒng)性能優(yōu)劣性，裝備ESC系統(tǒng)的車輛必須滿足法規(guī)規(guī)定試驗(yàn)的性能要求，以保證其對車輛極限工況下出現(xiàn)的轉(zhuǎn)向過度（后軸側(cè)滑）、轉(zhuǎn)向不足（前軸側(cè)滑）問題有足夠的干預(yù)，使車輛進(jìn)入穩(wěn)定工況。然而，在國內(nèi)外ESC性能測試及評價(jià)體系中只涉及系統(tǒng)對車輛過度轉(zhuǎn)向的控制性能測試，均未對極限工況（或危險(xiǎn)工況）下ESC干預(yù)轉(zhuǎn)向不足的性能試驗(yàn)及評價(jià)指標(biāo)作明確規(guī)定。也就是說，如何有效解決車輛在極限工況（或危險(xiǎn)工況）的轉(zhuǎn)向不足，并制定合理的評價(jià)指標(biāo)，評價(jià)ESC系統(tǒng)轉(zhuǎn)向不足控制性能在國內(nèi)外尚屬于空白領(lǐng)域。

根據(jù)國內(nèi)外ESC系統(tǒng)測試與評價(jià)研究現(xiàn)狀，其在干預(yù)轉(zhuǎn)向不足性能測試技術(shù)方面主要存在以下3個(gè)問題：

（1）試驗(yàn)方案的合理性

NHTSA 實(shí)施的正弦延遲試驗(yàn)（Sine With Dwell，SWD）能較好地評價(jià)系統(tǒng)對過度轉(zhuǎn)向的干預(yù)性能，而對轉(zhuǎn)向不足的干預(yù)性能卻無能為力。在低附著系數(shù)路面上更容易激發(fā)出車輛嚴(yán)重的轉(zhuǎn)向不足趨勢，但試驗(yàn)結(jié)果很難明確地對ESC 控制轉(zhuǎn)向不足的性能進(jìn)行評價(jià)。因此，制定合理的試驗(yàn)方案是評價(jià)ESC 控制轉(zhuǎn)向不足性能的關(guān)鍵。

（2）評價(jià)指標(biāo)的客觀性

針對可能激發(fā)出車輛嚴(yán)重轉(zhuǎn)向不足的試驗(yàn)工況，如冰雪路面上的雙移線或穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)，都會受駕駛員輸入的影響，很難對ESC 性能進(jìn)行定量評價(jià)。即使根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取一些評價(jià)指標(biāo)，但其評價(jià)指標(biāo)是否客觀、合理，有待于試驗(yàn)驗(yàn)證和進(jìn)一步考量。因此，制定客觀的評價(jià)指標(biāo)是評價(jià)ESC控制轉(zhuǎn)向不足性能的重點(diǎn)。

（3）試驗(yàn)場地的規(guī)范性

目前，在國內(nèi)符合法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要求的ESC 試驗(yàn)場地主要由企業(yè)建設(shè)，存在一些諸如路面附著系數(shù)測定方面問題。盡管在低附著系數(shù)路面（如冰雪路面、灑水路面）更容易激發(fā)出車輛因轉(zhuǎn)向不足而引發(fā)的前軸側(cè)滑，但是缺乏相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)場地開展轉(zhuǎn)向不足試驗(yàn)研究和驗(yàn)證工作。因此，建立規(guī)范的試驗(yàn)場是評價(jià)ESC控制轉(zhuǎn)向不足性能的基礎(chǔ)。

1 ESC系統(tǒng)對車輛橫擺穩(wěn)定性的影響

ESC 系統(tǒng)能通過傳感器信號準(zhǔn)確識別車輛行駛狀態(tài)，預(yù)估不穩(wěn)定狀態(tài)，并通過限制發(fā)動機(jī)扭矩輸出及控制各車輪與地面的附著力，實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)向不足和過度轉(zhuǎn)向的干預(yù)，達(dá)到修正轉(zhuǎn)向、調(diào)整車輛不穩(wěn)定姿態(tài)的控制效果[5-8]。

當(dāng)車輛出現(xiàn)如圖1 所示的轉(zhuǎn)向不足工況或趨勢時(shí)，ESC 系統(tǒng)將對車輛后軸內(nèi)側(cè)車輪4實(shí)施制動，產(chǎn)生一個(gè)順時(shí)針方向的附加橫擺力矩，使車輛沿駕駛員的期望路徑偏轉(zhuǎn)。具體原理是，在輪胎與路面極限附著工況下，車輪所受的縱向力與側(cè)向力的合力基本不變。當(dāng)ESC系統(tǒng)增加某一車輪的制動力FB時(shí)，勢必會導(dǎo)致該車輪受到的側(cè)向力FS減小，在其它車輪所受地面?zhèn)认蛄静蛔兊那闆r下，最終引起4 個(gè)輪胎的合力轉(zhuǎn)動，即對車身產(chǎn)生了一個(gè)補(bǔ)償橫擺力矩，如圖2所示。其中，V為車輛前進(jìn)方向速度；α為輪胎側(cè)偏角；λ為滑移率；δ為車輪轉(zhuǎn)角；FS(λ0)、FB(λ0)、FR(λ0)分別為滑移率為λ0時(shí)，輪胎所受地面的側(cè)向力、縱向力和合力。

圖1 ESC系統(tǒng)工作原理

圖2 單個(gè)輪胎受力分析

當(dāng)單獨(dú)制動車輪4不足以改變車輛的轉(zhuǎn)向不足狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)將通過制動其它車輪或降低發(fā)動機(jī)輸出扭矩來滿足要求。

2 某商用車ESC系統(tǒng)聯(lián)合仿真分析

2.1 基于ADAMS/Car建立整車模型

2.1.1 整車模型簡化

簡化原則為:

（1）將除輪胎、彈簧、阻尼元件等柔性體外的其余部件均按剛性體處理。

（2）忽略零部件之間的摩擦力影響。

（3）車身質(zhì)量簡化在整車質(zhì)心位置[9-10]。

2.1.2 搭建整車子系統(tǒng)模型

根據(jù)表1所列的國內(nèi)某商用車（營運(yùn)客車）關(guān)鍵性能參數(shù)，利用ADAMS/Car 軟件的模板生成器，依次建立前懸架模型、后懸架模型、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型、輪胎模型、動力系統(tǒng)（發(fā)動機(jī)）模型、制動系統(tǒng)模型以及路面模型并建立各子系統(tǒng)之間的通訊器。

表1 國內(nèi)某商用車性能關(guān)鍵參數(shù)表

2.1.3 整車模型裝配及調(diào)試驗(yàn)證

將搭建好的各大子系統(tǒng)模型進(jìn)行組裝和調(diào)試，從而裝配成整車動力學(xué)仿真模型，如圖3所示。

圖3 整車模型

利用建立好的整車模型進(jìn)行MATLAB/Simulink聯(lián)合仿真。按表1 配置的整車進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)工況采用與仿真相同的工況。將仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，以檢驗(yàn)整車模型的合理性、準(zhǔn)確性。本文采用的是蛇形仿真來檢驗(yàn)整車模型。對于大型商用車而言，滿載試驗(yàn)時(shí)，蛇行試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)場景要求標(biāo)樁間距為50 m，試驗(yàn)車速為50 km/h。車輛橫擺角速度和車身側(cè)傾角的仿真與試驗(yàn)對比結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 橫擺角速度響應(yīng)對比

圖5 車身側(cè)傾角響應(yīng)對比

通過對比結(jié)果可知，橫擺角速度和車身側(cè)傾角參數(shù)在模型仿真和實(shí)車試驗(yàn)中數(shù)值差別較小，在合理的可接受范圍內(nèi)，從而證明該模型具有一定的準(zhǔn)確性，為后續(xù)的進(jìn)一步聯(lián)合仿真分析奠定了基礎(chǔ)。

2.2 基于MATLAB/Simulink建立ESC控制系統(tǒng)

針對ESC 系統(tǒng)控制特點(diǎn)，為了更精確地控制汽車行駛狀態(tài)，采用橫擺角速度ω和質(zhì)心側(cè)偏角β作為控制輸入量，采用PID 控制方法，分別設(shè)計(jì)2 個(gè)PID 控制器，經(jīng)過加權(quán)后形成聯(lián)合控制器，輸出量為橫擺力矩[10]，其控制系統(tǒng)框如圖6所示。

圖6 整車PID控制

在Simulink 中建立基于PID 控制的ESC 仿真模型，如圖7所示。

圖7 整車PID控制器模塊

2.3 基于PID控制的某商用車ESC性能聯(lián)合仿真

整個(gè)聯(lián)合仿真系統(tǒng)由3 部分構(gòu)成：ADAMS/Car 整車模型、整車參考模型和控制系統(tǒng)，如圖8所示。

結(jié)合ADAMS/Car整車模型和控制系統(tǒng)，經(jīng)反復(fù)仿真驗(yàn)證，采用如下方法可以較容易激發(fā)車輛轉(zhuǎn)向不足趨勢，并能有效驗(yàn)證ESC系統(tǒng)的干預(yù)控制能力：

（1）在路面附著系數(shù)為0.3（低附著系數(shù)路面）上進(jìn)行“雙移線”行駛工況。

（2）車輛滿載時(shí)載荷布置方式為“前輕后重”（前后軸荷比為0.35）。

在選取50 km/h 的仿真速度環(huán)境下，車輛進(jìn)行“雙移線”試驗(yàn)。在ESC 系統(tǒng)開啟和關(guān)閉2 種狀態(tài)下行駛軌跡對比如圖9所示。

圖9 車輛行駛軌跡

通過ADAMS 和Simulink 聯(lián)合仿真結(jié)果可以看出，在低附著系數(shù)路面、整車載荷差異性布置（質(zhì)心后移）的測試條件下，雙移線試驗(yàn)可激發(fā)車輛轉(zhuǎn)向不足。ESC 系統(tǒng)能有效地對車輛在危險(xiǎn)狀況下的轉(zhuǎn)向不足進(jìn)行干預(yù)控制，提高變道行駛安全性。

該仿真結(jié)果在一定程度上說明了本文所提出的激活車輛轉(zhuǎn)向不足趨勢的方法及考察ESC 系統(tǒng)的干預(yù)轉(zhuǎn)向不足性能是可行的，為后續(xù)實(shí)車測試驗(yàn)證提供了支撐。

3 某商用車ESC系統(tǒng)性能實(shí)車測評

3.1 ESC性能測試系統(tǒng)介紹

目前應(yīng)用于ESC性能測試系統(tǒng)如圖10所示，主要包括以下部分：

圖10 ESC性能測試系統(tǒng)組成示意

（1）駕駛機(jī)器人：可精確控制車輛，按設(shè)定路徑、角度行駛；控制車輛行駛車速的穩(wěn)定性以保障測試結(jié)果一致性。

（2）組合慣導(dǎo)系統(tǒng)：可實(shí)現(xiàn)車輛相關(guān)動態(tài)參數(shù)的高精度實(shí)時(shí)測量，并保證定位精度達(dá)到厘米級。

（3）德維創(chuàng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：可采集制動氣室壓力和發(fā)動機(jī)扭矩、轉(zhuǎn)速信息。

3.2 ESC干預(yù)轉(zhuǎn)向不足性能測評方法

3.2.1 測試方法概述

車輛滿載且前后軸荷比為0.35。按照圖11 所示的測試場景，在低附著系數(shù)路面上布置標(biāo)志樁，且確保ESC 關(guān)閉裝置正常，測試在ESC 開啟和關(guān)閉2 種狀態(tài)下分別進(jìn)行。

圖11 雙移線測試場景示意

為保證測試安全，測試從30 km/h 的車速開始，以5 km/h 的幅度逐步增加測試車速。如果車輛在通過測試通道過程中，未接觸任何標(biāo)志樁，也未偏離測試通道，則認(rèn)為測試有效。否則，終止測試。

測試過程中，將車輛運(yùn)行軌跡控制在雙移線軌道中。在第1 個(gè)標(biāo)志樁處保持加速踏板位置不變，并觸發(fā)記錄該瞬間的車速，且全程不采取制動操作（除非車輛達(dá)到失穩(wěn)狀態(tài)），僅通過調(diào)整轉(zhuǎn)向盤來控制車輛。

3.2.2 評價(jià)指標(biāo)

在低附著系數(shù)路面下的雙移線避障行駛工況中，能夠在不觸碰標(biāo)志樁，且不偏離行駛軌跡的前提下，“進(jìn)入（入口）車速”的高低能直接體現(xiàn)ESC 對車輛轉(zhuǎn)向不足的控制性能。

3.3 實(shí)測驗(yàn)證分析

以某商用車（營運(yùn)客車）為測試樣車，以駕駛機(jī)器人控制行駛路徑和車速，在低附著系數(shù)路面上完成“雙移線”驗(yàn)證測試，如圖12所示。

圖12 測試樣車及測試設(shè)備

經(jīng)實(shí)測發(fā)現(xiàn)，在ESC系統(tǒng)開啟和關(guān)閉2種狀態(tài)下，車輛的最高入口車速分別為55.6 km/h 和43.0 km/h，即車輛在裝備ESC 系統(tǒng)后的操縱穩(wěn)定性改善程度（最高入口車速改變量）為：

式中，φ為操縱穩(wěn)定性改善程度；VmaxESC ON為ESC 系統(tǒng)開啟時(shí)的最高入口車速；VmaxESC OFF為ESC 系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)的最高入口車速。

車輛在入口車速為43 km/h、ESC系統(tǒng)開啟和關(guān)閉2種狀態(tài)下的行駛軌跡、橫擺角速度、側(cè)向加速度對比參數(shù)分別如圖13~圖15 所示。在ESC 系統(tǒng)開啟時(shí)，車輛各車輪制動氣壓值如圖16所示。

圖13 車輛行駛軌跡

圖14 車輛橫擺角速度

圖15 車輛側(cè)向加速度

圖16 ESC功能開啟時(shí)的車輪制動氣壓

從圖13~圖15 的對比參數(shù)及圖16 中的各車輪制動氣室壓力可以看出，在ESC 系統(tǒng)失效狀態(tài)下，車輛的實(shí)際運(yùn)動軌跡已經(jīng)明顯偏離期望運(yùn)動軌跡，表現(xiàn)為明顯的轉(zhuǎn)向不足。橫擺角速度、側(cè)向加速度峰值及相應(yīng)的持續(xù)時(shí)間也明顯增大，車輛即將失控的態(tài)勢表現(xiàn)明顯。與之相反，車輛在ESC 系統(tǒng)作用下，右后輪制動氣室壓力值（制動氣壓峰值約為750 kPa）明顯大于其它車輪制動氣室壓力值，根據(jù)前述理論分析可知，車輛便獲得一個(gè)較大的附加橫擺力矩，使其轉(zhuǎn)向不足趨勢得到有效控制，路徑跟隨能力明顯改善。

4 結(jié)束語

結(jié)合聯(lián)合仿真結(jié)果和實(shí)車測試數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)車輛載荷進(jìn)行“前輕后重”式的差異性布置，在低路面附著系數(shù)的測試條件下，通過“雙移線”變道試驗(yàn)可有效激發(fā)車輛轉(zhuǎn)向不足趨勢，且ESC 系統(tǒng)可有效控制因轉(zhuǎn)向不足趨勢而帶來的失控風(fēng)險(xiǎn)。

因此，本文所提出的針對車輛ESC 控制轉(zhuǎn)向不足性能的測評方法，能凸顯ESC 系統(tǒng)轉(zhuǎn)向不足失控控制性能，完善了ESC測試評價(jià)體系。