汽車ESP系統(tǒng)的分層模塊化研究

袁長志，屈翔

汽車ESP系統(tǒng)的分層模塊化研究

袁長志，屈翔*

（重慶理工大學 車輛工程學院，重慶 400054）

為了提高車輛電子穩(wěn)定程序的控制精度，采用分層模塊化思想將ESP系統(tǒng)分為輸入層、控制層和執(zhí)行層進行研究。Adams/Car建立開發(fā)車的車輛動力學模型，Matlab/Simulink建立線性二自由度汽車仿真模型；以橫擺角速度、質(zhì)心側(cè)偏角為聯(lián)合控制變量，采用PID控制算法建立ESP系統(tǒng)，最終輸出維持車身穩(wěn)定的各車輪制動力矩。為驗證控制系統(tǒng)的有效性，利用Adams/Controls構(gòu)建了Adams/Car與Simulink虛擬聯(lián)合仿真環(huán)境，并在前輪角階躍輸入和單移線輸入兩種試驗工況下進行驗證。試驗結(jié)果表明：所設計的ESP系統(tǒng)不僅提高了車輛行駛穩(wěn)定性而且能使車輛的質(zhì)心側(cè)偏角保持在更小范圍內(nèi)，使路徑跟蹤能力更強。

ESP系統(tǒng)；分層模塊化思想；車輛動力學模型；線性二自由度汽車仿真模型

前言

汽車制造技術(shù)的飛速發(fā)展使得汽車的生產(chǎn)量快速提高，人們的出行也因此更加方便，但是交通事故的發(fā)生也更加頻繁。減少交通事故的發(fā)生已成為人們要解決的緊迫問題，交通事故的發(fā)生往往取決于道路環(huán)境條件和車輛狀況。其中，對于車輛而言，提高汽車主動安全性是降低交通事故發(fā)生率的重要方式之一，相繼產(chǎn)生了自動防抱死系統(tǒng)ABS、牽引力控制系統(tǒng)TCS和能使車輛在各種狀態(tài)下保持最佳穩(wěn)定性的車身電子穩(wěn)定系統(tǒng)ESP（Electronic Stability Program）等研究結(jié)果。其中，ESP系統(tǒng)作為基于ABS系統(tǒng)和TCS系統(tǒng)而研發(fā)出來的一種主動安全技術(shù)是當前研究的熱點[1]。

目前，國內(nèi)外專家和學者都有對ESP系統(tǒng)進行研究。Bosch和BMW公司合作，在ABS/TCS系統(tǒng)的基礎上，研制了車身穩(wěn)定性控制系統(tǒng)DSC?[2]；Bo Chen等人利用滑模變結(jié)構(gòu)控制來分配ESP系統(tǒng)中輸出的制動力矩[3]；Motoki Shino等人采用最優(yōu)控制算法設計了ESP系統(tǒng)[4]；Cong Xu等人利用自適應滑模控制算法設計ESP系統(tǒng)來控制車身的穩(wěn)定性[5]；歐健教授等人以橫擺角速度為控制變量，采用模糊控制算法建立了ESP系統(tǒng)[6]；李勝琴副教授等人以車輛橫擺角速度作為控制變量，建立了ESP模糊控制系統(tǒng)，并驗證所設計的ESP系統(tǒng)能保證汽車在干路面和冰雪路面下穩(wěn)定行駛[7]。孫躍東教授等人利用模糊 PID算法建立了ESP控制器，并通過聯(lián)合仿真驗證了ESP系統(tǒng)的有效性[8]。

目前對于ESP系統(tǒng)的研究，人們往往把重點都放到了ESP控制器的算法上，而忽略了對ESP系統(tǒng)中執(zhí)行器的研究。因此，本文為了對兩者同時進行研究，提高ESP系統(tǒng)的控制精度，采用了分層模塊化思想分別設計ESP系統(tǒng)中的控制器和執(zhí)行器?；赑ID控制理論、協(xié)調(diào)控制策略設計了ESP系統(tǒng)的控制層[9]，以差動制動控制策略建立了執(zhí)行層。通過Adams/Controls搭建了Adams/Car和Matlab/Simulink協(xié)同仿真平臺，仿真試驗結(jié)果表明所設計的ESP控制系統(tǒng)能顯著改善車輛的操縱穩(wěn)定性。

1 車輛動力學模型

本文以某企業(yè)開發(fā)車為研究對象，其整車模型實車部分主要參數(shù)如表1所示。

通過開發(fā)車各子系統(tǒng)的參數(shù)來進行Adams/Car車輛動力學建模，主要分為三步：

（1）建立模板文件，主要包括懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、車身系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、輪胎系統(tǒng)、動力系統(tǒng)模板文件。

（2）建立子系統(tǒng)文件，前麥弗遜懸架和后多連桿獨立懸架子系統(tǒng)如圖1所示。

（3）建立通訊器（communicator）將各個子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息進行傳遞，然后將子系統(tǒng)在standard界面中進行整車動力學模型的組裝。

表1 整車參數(shù)

參數(shù)名稱參數(shù)數(shù)值 長度/mm寬度/mm高度/mm軸距/mm前輪距/mm后輪距/mm整備質(zhì)量/kg質(zhì)心高度（設計狀態(tài)）/mm最小轉(zhuǎn)彎半徑/m前懸架類型后懸架類型轉(zhuǎn)向系統(tǒng)4 5041 8491 6652 6621 5701 5701 5406405.34麥弗遜獨立懸架多連桿獨立懸架齒輪齒條式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

圖1 前、后懸架子系統(tǒng)模型

2 線性二自由度汽車模型

為了獲得車輛行駛過程中控制變量的理想值。如圖3所示，將開發(fā)車簡化為只具有沿橫向y軸移動和繞z軸旋轉(zhuǎn)兩個二自由度的汽車模型[10]。

可得線性二自由度汽車運動微分方程式：

MATLAB/Simulink是一種能圖形建模的軟件，能以汽車運動方程為基礎建立仿真模型。根據(jù)式（1）和表1中整車參數(shù)建立線性二自由汽車的Simulink仿真模型，以u和δ為輸入，輸出為汽車的ωr和β。

3 ESP系統(tǒng)分層模塊化設計

為了提高ESP系統(tǒng)的控制精度，采用分層模塊化思想設計ESP系統(tǒng)，將整個控制系統(tǒng)分為輸入層、控制層、執(zhí)行層來進行研究，各層由若干個子模塊構(gòu)成，每個子模塊分別完成相應的任務[11]。輸入層包括通過Adams/Car軟件建立的開發(fā)車的動力學模型獲得車輛的實際運動狀態(tài)參數(shù)。

MATLAB/Simulink線性二自由度汽車仿真模型計算出的開發(fā)車相應運動狀態(tài)參數(shù)名義值；控制層由兩個模塊構(gòu)成，對車輛穩(wěn)定性進行識別的判斷模塊及求出使車輛恢復穩(wěn)定所需的附加橫擺力矩的計算模塊；執(zhí)行層輸出各車輪的制動力矩,由各車輪的制動力矩產(chǎn)生所需要的附加橫擺力矩，使車輛能在極限工況下穩(wěn)定行駛[12]。

3.1 輸入層的設計

輸入層主要由Adams/Car車輛動力學模型和線性二自由度汽車仿真模型構(gòu)成。通過向兩模型輸入車輛仿真工況信號：前輪轉(zhuǎn)角（steering_wheel_angle）、縱向車速（Body_It. longitudinal_velocity）等；由兩模型輸出橫擺角速度ω(body_ yaw_rate)、質(zhì)心側(cè)偏角(body_side_slip_angle)、橫擺角速度名義值（body_yaw_rate_theoretical）、質(zhì)心側(cè)偏角名義值（body_side_slip_angle_theoretical）信號等。

3.2 控制層的設計

3.2.1 車輛穩(wěn)定性判斷模塊

車輛行駛的穩(wěn)定狀態(tài)可以由控制變量的準穩(wěn)定公差帶判斷，橫擺角速度ω的準穩(wěn)定公差帶可表示為[13]：

質(zhì)心側(cè)偏角β的準穩(wěn)定公差帶可表示為[14]：

式中c、c1、c2為常數(shù)，通過對汽車動力學穩(wěn)定性進行分析，查閱相關文獻[15]，一般取c=0.165、c1=4.386、c2=2.562。

汽車的行駛過程中，若式（2）或（3）不成立，則表示控制變量已經(jīng)不再允許的范圍內(nèi)，汽車已經(jīng)失去了穩(wěn)定性，此時ESP系統(tǒng)應介入工作。

3.2.2 PID控制器模塊

PID控制由于具有簡單明了、穩(wěn)定可靠的優(yōu)點，廣泛應用于控制系統(tǒng)。輸入的控制變量差值進行比例、積分和微分運算后，獲得的結(jié)果作為系統(tǒng)控制信號被傳輸?shù)绞芸貙ο蟆?/p>

圖4 PID控制系統(tǒng)原理圖

PID控制規(guī)律：

在設計PID控制器時。由文獻[16]可知，當質(zhì)心側(cè)偏角較小時，可以控制車輛的橫擺角速度來調(diào)節(jié)車身穩(wěn)定性；當質(zhì)心側(cè)偏角較大時，則不能片面地依靠橫擺角速度來調(diào)節(jié)車身穩(wěn)定性，因此以協(xié)調(diào)控制策略設計其ESP系統(tǒng)的控制器模塊。PID控制器模塊的輸入為由兩模型獲取的控制變量的差值，車輛所需的附加橫擺力矩為輸出。

3.3 執(zhí)行層設計

差動制動方式是制動不同的車輪，以產(chǎn)生調(diào)節(jié)車輛行駛狀態(tài)的附加橫擺力矩[17]。

由圖6可知，制動不同的車輪所產(chǎn)生的附加橫擺力矩不同。建立Dugoff 輪胎仿真模型來研究選取最佳的車輪進行穩(wěn)定性控制。

圖6 車輛受力分析圖

Dugoff 輪胎模型的方程式為：

其中：

其中S為輪胎滑移率，分為制動和驅(qū)動兩種情況。

F為輪胎縱向力、F為輪胎側(cè)向力。

由Dugoff輪胎模型方程式建立Simulink仿真模型如圖7所示：

圖7 Dugoff輪胎仿真模型

由Dugoff輪胎仿真模型可得各個輪胎制動時所產(chǎn)生的附加橫擺力矩變化。當車輛如圖6左轉(zhuǎn)制動時，各車輪制動產(chǎn)生的附加橫擺力矩如圖8所示，橫坐標代表各車輪的滑動率，縱坐標代表附加橫擺力矩的大小變化。當制動左前輪和右后輪，所產(chǎn)生的附加橫擺力矩較小且伴隨方向改變；當制動右前輪和左后輪，所產(chǎn)生的附加橫擺力矩較大且方向保持不變，因此橫擺力矩較穩(wěn)定比較容易控制。因此，在控制車身的穩(wěn)定性時，優(yōu)先選擇右前輪和左后輪進行控制。

利用Dugoff輪胎模型研究車輛在不同工況進行制動時各輪產(chǎn)生的附加橫擺力矩變化，可得當使用單輪制動來糾正車輛的不穩(wěn)定行駛狀態(tài)時，制動車輪的選擇如表2所示。

根據(jù)有限狀態(tài)機理論，對制動車輪的這種邏輯選擇關系可以用Stateflow軟件來控制[18]。e代表橫擺角速度差，delta代表前輪轉(zhuǎn)角，四個車輪分別為P1、P2、P3和P4。根據(jù)表2制動車輪的選擇，建立單輪制動的控制邏輯如圖9所示：

圖8 單輪制動對橫擺力矩的影響

表2 單輪制動分配策略

車輪轉(zhuǎn)角橫擺角速度差值制動車輪 δ>0Δe>0右前輪 δ>0Δe<0左后輪 δ<0Δe>0右后輪 δ<0Δe<0左前輪 任意值Δe=0無

圖9 單個車輪制動控制邏輯圖

由圖6可知，當對右前輪進行制動時。設輪胎此時側(cè)向力為F。當施加制動力F時，則由制動力引起的附加橫擺力矩為：

由輪胎的側(cè)偏特性可知，F的產(chǎn)生將使輪胎的側(cè)向力F變?yōu)?i>F0：

式中為前軸距質(zhì)心的距離；為輪距；為前輪轉(zhuǎn)角。

所以總的附加橫擺力矩[19]為：

4 聯(lián)合仿真分析

Adams/Controls是Adams軟件中一個重要的模塊，它提供了Adams/Car和Matlab/Simulink聯(lián)合仿真的接口，實現(xiàn)了兩者數(shù)據(jù)之間的連接和通信。將Adams/Car車輛動力學模型導入到Matlab/Simulink中與線性二自由度汽車模型及ESP控制系統(tǒng)構(gòu)成聯(lián)合仿真。

本文為驗證所設計的ESP系統(tǒng)能否有效地提高汽車穩(wěn)定性，考慮兩種極限情況下：汽車因躲避障礙物而突然大角度轉(zhuǎn)向和在高速移線行駛時，輪胎橫向力很容易接近附著極限，從而引起汽車的失穩(wěn)。分別采用前輪角階躍輸入和單移線輸入工況來模擬實際行駛中遇到的行駛狀態(tài)進行聯(lián)合仿真，以驗證設計的ESP系統(tǒng)是否可以幫助車輛在極限工況下按照預定軌跡保持穩(wěn)定行駛。

4.1 前輪角階躍輸入

前輪角階躍試驗是測試車輛因躲避障礙物而突然大幅度轉(zhuǎn)向的性能的重要測試工況。

仿真工況：車輛以100 km/h速度直線行駛時，在0.05 s的時間內(nèi)迅速給車輛一個70°的方向盤轉(zhuǎn)角并維持此轉(zhuǎn)角不動[20]，仿真時間為5.0 s。

圖10 橫擺角速度響應曲線

圖11 質(zhì)心側(cè)偏角響應曲線

由圖10可知。在角階躍輸入仿真中，ESP系統(tǒng)大約在0.7 s時開始介入，使得帶有ESP系統(tǒng)控制的車輛橫擺角速度超調(diào)量25.0 deg/s左右、而未加ESP系統(tǒng)控制的車輛橫擺角速度超調(diào)量在26.5 deg/s左右，因此ESP系統(tǒng)使得車輛控制更加精準，減少了誤差量。方向盤停止轉(zhuǎn)動后，帶有ESP控制的車輛橫擺角速度逐漸減少并趨于定值，車輛處于穩(wěn)定狀態(tài)，未加控制的車輛，橫擺角速度一直增加，車輛出現(xiàn)甩尾情況，失去了穩(wěn)定性。

由圖11可知，裝配了ESP系統(tǒng)的車輛質(zhì)心側(cè)偏角在整個仿真過程中值維持在較小范圍內(nèi)，使得車輛具有較強的路徑跟蹤能力。

4.2 單移線工況

汽車在高速緊急換道行駛時，路面將提供不了所需的側(cè)向力，車輛將很容易失很好地模擬移線工況即在規(guī)定時間內(nèi)給車輛方向盤一個正弦輸入，這很好的模擬了汽車實際行駛過程中的換道行駛[21]。

仿真工況：車輛以80 km/h速度直線行駛時，在0.5 s時，給方向盤一個幅值60°，周期為3 s的正弦輸入，仿真時間為5.0 s。

圖12 橫擺角速度響應曲線

由圖12橫擺角速度隨時間的變化曲線可以看出，0.5 s隨著轉(zhuǎn)向開始橫擺角速度逐步增大，0.65 s左右兩曲線開始發(fā)生分離，ESP系統(tǒng)開始介入。帶有ESP控制系統(tǒng)的車輛橫擺角速度變化區(qū)間在[-16 deg/s，16.7 deg/s]內(nèi)，車輛橫擺角速度響應較好的跟隨方向盤的轉(zhuǎn)動，車輛能按照設定路線行駛。而被動系統(tǒng)橫擺角速度逐漸增大，輪胎側(cè)向力達到附著極限，輪胎進入非線性特性區(qū)域，車輛失去了穩(wěn)定。

圖13 質(zhì)心側(cè)偏角響應曲線

由圖13質(zhì)心側(cè)偏角隨時間的變化曲線可知，帶有ESP系統(tǒng)控制的車輛的質(zhì)心側(cè)偏角在1.7 s和3.1 s達到最大值，絕對值小于4.5°，質(zhì)心側(cè)偏角變化能很好的遵循汽車的轉(zhuǎn)向情況，車輛能按照預定路徑行駛。未帶ESP系統(tǒng)控制的車輛質(zhì)心側(cè)偏角迅速增大，車輛失去了穩(wěn)定性，因此所設計的ESP系統(tǒng)在車輛偏航控制中具有很好的控制效果。

5 結(jié)語

本文以某開發(fā)車為研究對象，采用分層模塊化思想將ESP系統(tǒng)分成輸入層、控制層、執(zhí)行層進行研究。

（1）利用Adams/car建立開發(fā)車的動力學模型；將開發(fā)車簡化為線性二自由度汽車模型，并利用Matlab/Simulink軟件將其轉(zhuǎn)化為仿真模型，由兩模型構(gòu)成ESP系統(tǒng)的輸入層。

（2）提出以橫擺角速度ω、質(zhì)心側(cè)偏角為聯(lián)合控制變量，并利用兩控制變量進行了車輛穩(wěn)定性判斷；采用PID控制算法設計了ESP系統(tǒng)控制器。

（3）采用單輪制動控制策略設計ESP系統(tǒng)的執(zhí)行層，最終輸出維持車身穩(wěn)定所需的各車輪制動力矩。

（4）利用Adams/Controls搭建了Adams/Car和Matlab/ Simulink協(xié)同仿真平臺，選擇了能表征車輛操縱穩(wěn)定性的前輪角階躍輸入和單移線輸入兩種工況進行了聯(lián)合仿真分析。試驗結(jié)果表明，采用分層模塊化思想設計的ESP系統(tǒng)能使控制變量更好的維持在準穩(wěn)態(tài)公差帶內(nèi)，無論是車輛行駛的穩(wěn)定性以及路徑跟蹤能力都比未加ESP系統(tǒng)控制的車輛要好，顯著改善了開發(fā)車的操縱穩(wěn)定性，驗證了采用分層模塊化思想設計的ESP系統(tǒng)的有效性。

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Research on Layered Modularization of Vehicle ESP System

YUAN Changzhi, QU Xiang*

（Chongqing University of Technology, College of Vehicle Engineering, Chongqing 400054）

ESP system;Idea of layered modularization;Vehicle dynamics model;Linear two-degree-of-freedom vehicle simulation model

U461.6

A

1671-7988(2021)20-59-07

U461.6

A

1671-7988(2021)20-59-07

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.020.015

袁長志，男，碩士，重慶理工大學車輛工程學院，研究方向：車輛現(xiàn)代設計理論及方法研究。

，屈翔（1978—），男，副教授，碩士，就職于重慶理工大學車輛工程學院，從事車輛現(xiàn)代設計理論與方法研究。