（载运工具运用工程专业论文）汽车急转向防侧滑控制研究与仿真.pdf

摘要 汽车在高速行驶经过弯道或汽车高速行驶变更车道时，车辆在很大离心力的 作用下产生横摆运动，当路面较滑时，将迅速导致侧滑，而且一旦侧滑开始，汽 车与路面的横向作用力将迅速减小，汽车将迅速失去控制。本文根据国内外汽车 动力学稳定性控制的研究现状，分析了汽车急转向侧滑的产生，提出了汽车急转 向防侧滑的控制策略，并运用几种控制方法对其进行了研究。 本研究建立了汽车急转向运动状态动力学模型，以及理想状态下车辆转向行 驶的参考模型，研究车辆急转向时运动状态的变化规律，进而建立车辆发生侧滑 与车辆各参数变化之间的关系，对车辆何种情况失稳进行判定。通过对车辆失稳 的判定，根据车辆的不稳定程度来推算出恢复车辆稳定性的横摆力矩并施加控 制。即通过对车轮施加制动力来达到控制汽车的横摆力矩并改善汽车动力学稳定 性的目的。具体的控制方法包括车辆横向稳定性的模糊控制方法、基于横摆力矩 和主动前轮转向的车辆横向稳定性模糊控制方法、车辆横向稳定性的预测控制方 法和基于a b s 的弯道路面车辆制动稳定性控制方法。通过仿真试验验证所提出的 控制方法在汽车急转向防侧滑控制中的有效性，初步得出如下结论： ( 1 ) 本文所提出的控制方法有效且具有较强的鲁棒性。基于直接横摆力矩的 模糊控制方法可以有效的控制横摆角速度，降低了幅值，质心侧偏角也大大减小 了，但横摆角速度超调量减少不多；基于横摆力矩和转动前轮转向的车辆横向稳 定性模糊控制保证了在较小的侧偏角的同时，很好的控制了横摆角速度，使控制 车辆精确的跟踪期望轨迹；而车辆横向稳定性的预测控制方法可以在车辆失稳前 就施加控制，因此能及时、有效地将车辆控制在稳定的运行状态；车辆在通过弯 道时通过制动来降低车速可以大大减小离心力，提高低附着弯道路面行驶车辆的 稳定性。在a b s 基础上综合控制前轮和后轮制动力分布来施以相反的横摆力矩可 以有效地提高车辆在弯道路面行驶的稳定性。 ( 2 ) 相比而言，联合控制要优于单单的直接横摆力矩控制。 ( 3 ) 路面附着情况、车速及转向特性等均对控制效果有影响( 本文仅考虑路 面附着系数不同的情况) 。路面附着系数越低，车速越高，汽车越容易发生失稳， 这时施加稳定性控制与不施加的车辆相比具有明显的优势，对车辆稳定性的改善 十分明显，而在相反的情况，控制效果就没有那么明显。 关键词：汽车防侧滑控制；模糊控制；预测控制；主动前轮转向；横摆力矩；横 摆角速度；侧偏角；仿真 a b s tr a c t u n d e rr a p i d l ys t e e r i n go rl a n ec h a n g em a n e u v e ra th i g hs p e e d ，t h ev e h i c l et e n d t op r o d u c eg r e a ty a wm o m e n ta n dr e s u l ti n t os i d e s l i pm o t i o n ，m o r e o v e r ，i nc a s eo f s t a r t i n gt os l i p ，i tw i l lb er a p i d l yl o s ec o n t r o l s i nt h i sp a p e r , b a s e do nt h ea b r o a d a c h i e v e m e n t si nt h i sf i e l d ，s i d e s l i pm o t i o no ft h ev e h i c l er a p i d l ys t e e r i n gi sa n a l y z e d ， i no r d e rt oc o n t r o li t ，t h ec o n t r o ll o g i ci sd e s i g n e da n ds e v e r a lm e t h o d sa r ei m p l i e d t h ea c t u a lm o d e la n dt h ed e s i r e dm o d e lo ft h ev e h i c l er a p i d l ys t e e r i n gi sb u i l t ， t h ev a r i a t i o nl a wo fv e h i c l em o t i o ns t a t ei sr e s e a r c h e d ，t h e nr e s e a r c ho nr e l a t i o n b e t w e e nv e h i c l es i d e s l i pm o t i o na n dm o t i o ns t a t e ，a n dt h ec a s eo fv e h i c l es i d e s l i pi s a l s od e c i s i o n b ya n a l y z i n gt h ei n s t a b i l i t y , t h ey a wm o m e n tu s e df o rr e s t o r a t i o n s t a b i l i t yc a nb ec a l c u l a t e d ，a n dt h e nt h eb e s tb r a k i n gw h e e lc a nb es e l e c t e d t h a ti s ， t h ev e h i c l es t a b i l i t yi si m p r o v e dt h r o u g ht h ey a wm o m e n tg e n e r a t e df r o mb r a k i n g f o r c e i nt h i sp a p e r ，t h r e ec o n t r o ll o g i c sa n da l g o r i t h m sa r eb u i l t ，t h e ya r ef u z z y c o n t r o lm e t h o df o rv e h i c l ey a ws t a b i l i t y , af u z z yc o n t r o lm e t h o dt oi m p r o v ev e h i c l e y a ws t a b i l i t yb a s e do ni n t e g r a t e dy a wm o m e n tc o n t r o l a n da c t i v ef r o n ts t e e r i n g ， v e h i c l eb r a k es t a b i l i t yo nt u r n i n gi a n eb a s e do na b sa n dg e n e r a l i z e dp r e d i c t i v e c o n t r o lf o rv e h i c l ey a wr a t e t h ev a l i d i t yo ft h ec o n t r o ls t r a t e g i e sa r ep r o v e dt h r o u g h t h es i m u l a t er e s u l t s ；t h ec o n c l u s i o n sw e r ed r a w ni n i t i a l l ya sf o l l o w i n g s ： ( 1 ) t h ev a l i d i t yo ft h ec o n t r o ls t r a t e g i e sa r ep r o v e dt h r o u g ht h e s i m u l a t e r e s u l t s ，c o m p a r i n ga n da n a l y z i n gt h ee x p e r i m e n tr e s u l t s ，i ti ss h o w nt h a t ：b a s e do n f u z z yc o n t r o lf o rv e h i c l ey a ws t a b i l i t y , a m p l i t u d ev a l u eo ft h ey a w r a t ea n dt h es i d e s l i pa n g l ea r er e d u c e d ，b u tt h ed e c r e a s eo fo v e r s h o o to f t h ey a wr a t ei sl i t t l e af u z z y c o n t r o lm e t h o dt oi m p r o v ev e h i c l ey a ws t a b i l i t yb a s e do ni n t e g r a t e dc o n t r o lo fy a w m o m e n tc o n t r o la n da c t i v ef r o n ts t e e r i n gc a ne f f e c t i v e l yc o n t r o lt h ey a wr a t ea n d s i d es l i pa n g l es y n c h r o n o u s l y , a n de n a b l et h ev e h i c l eh a v eg o o dt r a c k i n gp r o p e r t y a g e n e r a l i z e dp r e d i c t i v e c o n t r o lm e t h o df o rv e h i c l ey a ws t a b i l i t yc a ne n a b l et h e c o n t r o l l e ra c t so nb e f o r ev e h i c l ei n s t a b i l i t y ；t h e r e f o r e ，i t c a nk e e pt i m e l ya n d e f f e c t i v es t a b l eo p e r a t i o ns t a t eo fv e h i c l e ，d u et or e d u c i n gt h ec e n t r i f u g a l f o r c e b a s e do nd e c r e a s e ds p e e du s i n gv e h i c l eb r a k i n g ，s oi tc a ni m p r o v ev e h i c l es t a b i l i t y b a s e do nv e h i c l ea b s ，b yc o n t r o l l i n gy a wm o m e n to fv e h i c l ea n dr e g u l a t i n gs l i p r a t eo fw h e e l s ，t h ed y n a m i cr e g u l a t i o no fy a wm o m e n ti nv e h i c l eb r a k i n gi sr e a l i z e d ， t h e r e f o r e ，v e h i c l es t a b i l i t yo nt u r n i n gl a n ei si m p r o v e d ( 2 ) b yc o m p a r i s o n ，t h ec o n t r o le f f e c tb a s e do nc o m b i n e dc o n t r o lm e t h o di s i l b e t t e rt h a nt h a to fd y c o n l y ( 3 ) r o a da d h e s i o nc o e f f i c i e n t v e h i c l es p e e da n ds t e e r i n gc h a r a c t e r i s t i ch a d d e f i n i t ei n f l u e n c eo nc o n t r o le f f e c t ( t h i sp a p e ro n l yc o n s i d e rt h ed i f f e r e n c eo f r o a d a d h e s i o nc o e f f i c i e n t ) t h ev e h i c l ei n s t a b i l i t yi se a s yt oh a p p e na l o n gw i t ht h el o w e r o fr o a da d h e s i o nt o e f f i c i e n ta n di n c r e a s i n go fv e h i c l es p e e d ，b yt h i s ，i tc a nb es e e n t h a tt h ev e h i c l eb a s e do ns t a b i l i t yc o n t r o lh a sm a n ya d v a n t a g e so v e rt h ev e h i c l eo f n oc o n t r o l ，i nt h ec o n t r a r y ：t h ec o n t r o le f f e c ti sn o te v i d e n t k e yw o r d s ：a u t o m o b i l ea n t i s i d e s l i pc o n t r o l ；f u z z yc o n t r o l ；p r e d i c t i v ec o n t r o l ； a c t i v ef r o n ts t e e r i n g ；y a wm o m e n t ；y a wr a t e ；s i d e s l i pa n g l e ；s i m u l a t i o n i i i 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：冰坍丹 日期：2 叼年l7 月彳日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ) 作者签名： 导师签名： 日期：刎年i1 月勾日 日期：0 2 年i 月珀 、 、文 坍 一剐爱 第一章绪论 1 1 论文研究的目的和意义 汽车的操纵稳定性是影响汽车高速安全行驶的一项重要性能，以提高极限转 向工况汽车主动安全性为目的的稳定性控制系统成为研究热点。特别是汽车在高 速行驶经过弯道或汽车高速行驶变更车道时，车辆在很大离心力的作用下产生横 摆运动，当路面较滑时，将迅速导致侧滑，而且一旦侧滑开始，汽车与路面的横 向作用力将迅速减小，汽车将迅速失去控制。据西方国家的一些统计表明，发 生人身伤亡的交通事故中，在潮湿路面上约有1 3 与侧滑有关，在冰雪路面上有 7 0 8 0 与侧滑有关。a u d i 公司的调查表明心1 ，随着车速的提高由于车辆急 转而引发的交通事故也在急剧增长。车速在8 0 k m h 和l o o k m h 之间，造成人 员伤害的事故有4 0 与汽车的急转有关。而当车速达到1 6 0 k m h 时，几乎所有 的事故都是由于汽车的急转造成的。 通过控制车轮滑动率，a b s 和t c s 使汽车获得了最佳的纵向动力学性能和 较好的操纵稳定性，但a b s 和t c s 对汽车操纵稳定性的改善仅局限于非极限工 况。在极限转向工况下，由于侧向外力已经超出轮胎与地面的侧向附着极限而造 成汽车的过度转向和过多的不足转向，从而造成汽车丧失操纵稳定性。a b s 和 t c s 对极限转向工况下汽车操纵稳定性的控制已无能为力。统计数字表明口1 ：1 9 9 1 年1 9 9 8 年期间，德国汽车事故死亡人数从1 9 9 1 年的7 0 0 0 人左右降至1 9 9 8 年的4 7 0 0 人左右，这主要是由于汽车大量装备a b s 和t c s 等电子装置提高了汽 车的安全性所致，但事故总数始终维持在3 0 万3 5 万的水平上；f a a a ( f a i l u r ea n a l y s i sa s s o c i a t e si n c ) 和美国n h t s a ( n a t i o n a lh i g h w a ya n d t r a f f ics a f e t ya d m i n is t r a t i o n ) 的报告指出当安装了a b s 后，在美国多辆汽 车的交通事故的数量减少了，而单辆汽车的事故却增加了。这一方面是由于驾驶 员过分相信a b s 和t c s 而不考虑超过路面所提供的物理极限；另一方面，a b s 和t c s 系统在汽车转向操作时并不对汽车侧向滑移起作用。而当汽车在低附着路 面、换道和突然躲避前方障碍物时要突然的转动方向盘，这就可能使汽车失去控 制。t o y o t a 公司也指出h 1 由于不能控制汽车而导致的事故大部分是因为不能够 对汽车的侧偏运动进行控制而引起车辆的侧滑，进而导致严重的事故，并得出结 论：这一情况无法通过a b s 、t c r 以及其它常规技术解决。 汽车稳定性控制系统可以防止汽车急转的发生，提高极限工况下汽车操纵稳 定性，对减少交通事故，降低事故伤亡人数有重要的意义。目前，车辆横向稳定 性的控制方法有逻辑门限控制、p i d 控制、滑模变结构控制和模糊控制等。由于 汽车急转向防侧滑控制系统的非线性，运用经典和现代控制理论设计控制器显得 十分复杂，而采用模糊控制的方法来研究，很大程度上解决了系统的非线性难题。 本文提出了汽车急转向防侧滑的稳定性控制方法，包括车辆横向稳定性的模糊控 制方法、基于横摆力矩和转动前轮转向的车辆横向稳定性模糊控制方法、车辆横 向稳定性的预测控制方法和基于a b s 的弯道路面车辆制动稳定性的控制方法。 横摆角速度是描述汽车动力学性能的最基本的状态变量之一，能很好的反映 汽车转向时的横向稳定性，所以本文初步设计了以横摆角速度为控制变量的汽车 横向稳定性模糊控制系统。然而，单一的控制目标其应用范围相当有限。例如， 用横摆角速度作控制对象时，车辆在稳定转向工况下可以获得快速、稳定、一致 的转向响应；而在极限工况下，若按照固定的参考横摆角速度模型控制，由于路 面附着力不足以产生期望的转向响应，车辆将会发生侧滑甩出现象，导致危险工 况同样，基于质心侧滑角的稳定性控制虽然能够提高车辆操纵稳定性，但其控制 器的实质无法保证期望的横摆角速度响应。基于上述考虑，本文又提出一种将横 摆力矩控制和主动前轮转向( a f s ) 控制相结合的车辆横向稳定性模糊控制方法。 车辆在实际行驶过程中，往往存在着诸多约束条件和种种不确定性，普通的 控制方法通常是根据过程当前和过去的输出测量值与设定值的偏差，来确定当前 的控制输入，根据当前汽车横摆角速度和侧向加速度来判断车辆是否将产生侧 滑，为时以晚，因此汽车在高速急转向或高速变更车道发生侧滑或激转事故时， 一旦发生将很难控制。而对于复杂系统的不确定性环境具有较强适应能力正是预 测控制的突出优点。预测控制是利用预测模型预估过程未来的输出状况与设定值 之间偏差，然后利用“滚动式 的最优化策略计算当前的控制输入。于是，本文 提出车辆横向稳定性的预测控制方法。 直接横摆力矩控制方法能够改善车辆在路面弯道行驶的稳定性，它是利用车 辆左右轮上的纵向力差来产生附加的恢复横摆力矩使车辆稳定性得以改善，如果 在制动过程中能合理分配纵向附着力和横向附着力，则可以更充分利用地面附着 条件来保证车辆的制动效能和提高制动稳定性。通过制动来降低车速可以大大减 小离心力，提高车辆弯道行驶的稳定性。由附着椭圆知道，不断增大的地面制动 力使车轮能承受的最大侧向力减小，致使地面不能提供足够大的侧向反力，现有 的a b s 系统通常只考虑如何防止车轮的抱死以及车辆的制动效率，而没有考虑在 复杂工况下车辆制动的稳定性问题，结果会导致在a b s 起作用前，不断增加的制 动力可能已经造成了车辆侧滑。最后本文基于a b s 对弯道路面车辆制动稳定性进 行了控制仿真研究。 2 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外发展研究现状 在国外，汽车稳定性控制是在a b s 和a s r 的基础上发展起来的。最初的汽车 稳定性控制概念是在a b s 和a s r 的基础上加以算法上的改进，使之能部分解决汽 车的稳定性问题，但此时的系统还不能称之为汽车稳定性控制系统，只是在a b s 和a s r 基础上的改进。上世纪9 0 年代初，各个生产厂商开始了关于汽车稳定性 控制系统相关的研究。b m w 公司与b o s c h 公司合作于1 9 9 2 年在a b s a s r 的基础 上开发出车辆的动力学稳定控制系统( d s c ) 心3 ，它是通过横摆角速度反馈控制 来调节发动机的输出扭矩，从而实现了对车辆行驶方向性和稳定性的控制。该系 统安装在b m w 8 5 0 c i 轿车上，这种系统只是在原有的a b s a s r 的基础上增加了 方向盘转角传感器，通过两内外非驱动轮的轮速差来间接估算的，在极限工况下 这种估算是不准确的。1 9 9 4 年和1 9 9 6 年b m w 公司与b o s c h 公司在d s c 的基 础上分别开发出了第二代哺1 和第三代系统。但考虑到系统的成本，最早出现的稳 定性控制所用的传感器很少，汽车的横摆角速度大多是通过内外车轮的转速差间 接估计得到的，因此在一些汽车行驶的复杂工况下很难保证汽车的稳定。1 9 9 5 年，b o s c h 公司提出的v d c h3 以及t o y o t a 公司提出的v s c 的概念旧1 ，都是通 过直接测量汽车的行驶中的横摆角速度、侧向加速度的信号，因此扩大了汽车稳 定性系统的应用范围。在这一阶段，基于这种组成结构的汽车稳定性控制算法开 始大量出现，其中b o s c h 的v d c 是其中比较典型的控制方法之一，它采用车辆实 际运行状态与车辆理想运动状态的误差反馈来决策汽车的横摆力矩，并通过差动 制动或对发动机的控制实现对汽车横摆运动的调节，这一控制方法也是现在汽车 稳定性控制中比较常用的控制方怯。初期的汽车稳定性控制系统大多应用在高档 的轿车或商用车上。2 0 0 1 年，a d v a n c t r a c 汽车稳定性控制系统成为第一个应用 于经济型汽车上的系统。 控制策略和算法的开发是汽车稳定性控制开发的核心工作。常用的控制方法 有：采用车辆实际运行状态与车辆理想运行状态的误差反馈来决策车辆的控制横 摆力矩，并通过差动制动或对发动机的控制实现对车辆横摆运动的调节旧1 。基于 车身侧偏角和车身侧偏角的变化率的相平面方法分析车辆在紧急转向时的稳定 性，并采用相应的控制方法实行控制。如基于横摆角速度偏差值的门限控制方法； 采用横摆角速度、侧偏角、侧向加速度作为反馈信号的p i d 控制方法0 。此外， s h o j ii n a g a k i n 采用相平面法描述汽车操纵稳定性，进而采用相应的控制方法。 2 0 世纪9 0 年代开始，直接横摆力矩控制逐渐被引入车辆的稳定性控制中来。文献 n 2 提出了将最优控制理论应用于横摆力矩控制来提高车辆的操纵稳定性。文献3 1 研究了将直接横摆力矩控制应用于电动车辆驱动力和制动力分配以提高其操纵 性和稳定性的方法。随着汽车底盘控制技术以及车用传感器技术的发展，汽车稳 定性控制系统将会与其他控制系统进一步的融合n 4 1 5 1 ，来达到对横摆角速度和 侧偏角等控制变量的多目标控制。各个系统可以共用相同的传感器、共享各种参 数信息。汽车稳定性控制系统与主动转向系统联合控制6 | ，不仅可以控制汽车 在极限工况下的操纵特性，而且可以通过转向轮转角的变化控制汽车在正常情况 下的操纵特性；而汽车稳定性控制系统与主动悬架系统联合控制，可以通过对轮 胎载荷的分配进一步改善汽车的操纵特性。汽车各系统的集成化是汽车技术发展 的方向，这不仅能够降低汽车的成本，而且能够提高汽车的性能。由于汽车稳定 性控制系统涉及的参数多，而且一些参数只能通过估算的方法7 卜乜叫得到，因此 各种估算方法的研究也是目前研究的热点。而一些学者试图将现代控制理论的相 关内容应用到汽车稳定性控制系统中，如滑模控制心心2 l 、鲁棒控制口3 3 等。 1 2 2 国内发展研究现状 国内对汽车转向动力学稳定性控制的研究起步较晚，到目前为止，只有少许 汽车( 如奥迪a 6 、新式帕萨特) 上安装了汽车动力学稳定性控制系统，并且没 有自己的实际开发系统的能力，大多数学者只是基于理论研究。贺岩松心们等人 根据汽车动力学稳定性控制的基本原理，以线性二自由度汽车模型为基础，针对 汽车行驶过程中的过多转向、不足转向或中性转向情况，利用运动微分方程和汽 车几何参数，推导出控制系统工作所需的制动器制动力。程军心5 3 用模拟的方法 研究了汽车动力学控制系统，采用闭环的横摆角速度及汽车侧偏角控制，用它们 之间的相平面来确定稳定性区域，采用p i 控制算法，并且讨论了汽车动力学稳 定性控制和a b s 的结合与切换问题。王德平心叫乜7 1 探讨了汽车动力学稳定性控制 的基本原理，提出了简单的稳定性判断准则，采用逻辑门限值控制算法，在此基 础上，对汽车动力学稳定性进行了仿真分析，并在汽车驾驶模拟器所提供的虚拟 环境下进行了试验验证。张成宝心引从理论上对汽车动力学稳定性控制策略进行 了分析，分别采用单一变量和多变量为控制参数进行了控制，并且分别以横摆角 速度、横摆角加速度、左右轮速差为单控制变量，采用了传统的p i d 控制算法， 多变量控制采用了以转向角和横摆角速度的反馈控制方法和以横摆角速度和整 车侧偏角为控制参数的最优控制方法。郭孔辉心引以纵滑一侧偏联合工况的稳态 轮胎模型为基础，分析了汽车极限转向条件下制动力作用于不同车轮时对汽车横 摆力矩的影响，并通过整车动力学仿真进行了验证。赵治国0 1 对汽车动力学稳 定性控制的基本原理进行了分析，推导出两自由度汽车横摆动力学方程，视实际 汽车前后轮胎侧偏刚度为有界不确定参数，为跟踪线性两自由度理想车辆模型的 稳态输出响应，并设计了汽车动力学稳定性变结构控制策略。田佳卿等人在 汽车二自由度分析模型的基础上，设计了以横摆角速度为控制变量并基于单神经 4 元控制器的自适应控制系统，通过固定方向盘转角仿真，自适应控制有更好的控 制性能，但是没有考虑算法的稳定性以及制动力的具体分配问题。刘彩志2 3 朝 重点讨论了基于轮胎和汽车动力性试验的控制策略，把轮胎的非线性和汽车动力 性考虑在内的直接横摆力矩底盘控制，提高了汽车大侧偏角和高侧向加速度的操 纵稳定性和主动安全性。在光滑路面上进行控制时横摆角速度和侧向加速度不对 应，因此横摆角速度和侧偏角都必须加以控制。为此祁永宁等4 1 将横摆力矩控 制( d y c ) 与四轮转向( 4 w s ) 系统相结合，采用跟踪理想模型的控制策略能够有效 地同时控制汽车转向侧偏角和横摆角速度，得到较好的瞬态及稳态响应，有效地 减轻驾驶员操纵负担，提高了车辆操纵稳定性。余卓平等副为改善车辆操纵稳定 性和鲁棒性，采用圾鲁棒控制理论设计了主动前轮转向前馈控制器和反馈控制 器并进行综合，极大改善了车辆操纵稳定性，并提出将主动转向技术与d y c 的结 合是未来的趋势。黄智63 提出了采用变增益参考模型的滑模跟踪控制策略，以 横摆角速度和侧滑速度为控制对象，独立控制左右轮驱动力产生直接横摆力矩， 提高了车辆在极限工况下的操纵稳定性。 1 3 本论文主要研究工作 根据目前国内外车辆转向横向稳定性控制系统的研究现状，以及课题的需 要，确定本论文的研究内容的总体控制思想为：首先判断驾驶员对车辆的驾驶意 图，决策出理想的车辆运行状态( 如理想的横摆角速度等) 。再将实际车辆状态 与理想车辆状态进行比较，并通过一定的控制逻辑决定应该对车辆实施多大的汽 车横摆力矩可以使车辆恢复稳定，然后由横摆力矩计算出车轮的制动力，即通过 对车轮施加制动力来达到控制汽车的横摆力矩并改善汽车动力学稳定性的目的。 本论文主要进行以下的具体研究工作： 1 建立汽车急转向运动状态动力学模型，用m a t l a b s i m u l i n k 实现数学模型到 仿真模型的转化，并对模型进行仿真与验证，为后面控制系统的研究提供正 确的汽车动力学系统模型。 2 研究车辆急转向时运动状态的变化规律，分析车辆失稳的原因，建立理想状 态下车辆转向行驶的参考模型，进而研究车辆发生侧滑现象与车辆各参数变 化之间的关系，对车辆何种情况失稳进行判定。 3 通过对车辆失稳的判定，根据车辆的不稳定程度来推算出恢复车辆稳定性的 横摆力矩，并选择最佳的制动车轮。 4 运用本文提出的控制方法对汽车急转向防侧滑控制进行研究。研究内容包括 车辆横向稳定性的模糊控制仿真研究、横摆力矩和主动前轮转向结合的车辆 横向稳定性模糊控制及仿真、车辆转向横摆角速度的广义预测控制研究和基 于a b s 的弯道路面车辆制动稳定性的仿真研究。并通过设计仿真试验验证所 提出的这几种方法在汽车急转向防侧滑控制中的有效性。 1 4 论文的结构 论文依托湖南省教育厅重点资助项目( 0 3 a 0 0 5 ) ，湖南省自然科学基金项目 ( 0 4 j j 4 0 0 6 2 ) “汽车急转向防侧滑模糊预测控制研究”。根据课题需求以及进度 安排，本论文分为六章进行研究： 第一章绪论介绍论文的研究目的、意义，研究背景，国内外的研究概况，主 要研究工作及论文结构。 第二章将建立汽车转向行驶的动力学模型，包括车辆整车模型、车辆模型和 轮胎模型，并在不同的工况对模型进行了仿真验证，为后面控制系统的研究奠定 了基础。 第三章将对车辆转向稳定性进行分析，讨论汽车转弯时的侧滑稳定性问题， 然后建立理想转向行驶的参考模型，并基于第二章建立的车辆动力学系统模型， 进行转向车辆的稳定性的判定，最后将探讨车辆转向横向稳定性的控制策略。 第四章将介绍模糊控制基本理论和预测控制理论，将模糊控制算法应用到汽 车转向防侧滑控制中，分别设计了基于直接横摆力矩控制的模糊控制器、侧偏角 和横摆角速度多控制目标的基于横摆力矩和主动前轮转向控制的模糊控制器；并 应用预测控制方法对汽车转向稳定性进行了控制研究；最后基于a b s 对弯道路面 车辆制动稳定性进行了控制研究。 第五章将利用第二章建立的车辆转向稳定性控制系统的模型和第四章提出 的稳定性控制算法进行仿真，主要应用汽车横向稳定性控制离线平台，验证其在 不同路面附着条件下，在几种典型工况下的控制效果。 第六章结论部分对本文的研究进行了系统地概括和总结，提出了需进一步研 究和解决的问题。 1 5 本章小结 本章叙述了汽车急转向行驶横向稳定性重要性、本研究领域研究的现状、水 平以及存在的问题，说明了论文选题的意义，在本章之尾简述了论文的写作思路， 为后续章节的叙述奠定了基础。 6 第二章汽车转向动力学系统模型的建立 建立控制对象的模型是控制系统研究的基础，在进行汽车急转向横向稳定性 控制研究时，必须建立能满足要求的汽车动力学模型。本章将建立了汽车运动模 型和轮胎模型，用m a t l a b s i m u l i n k 实现了车辆动力学模型并进行了仿真。 2 1 整车动力学模型的建立 本文采用的模型为四轮车辆模型。它包括了车辆的纵向、横向平移运动、横 摆运动、车轮的转角、车轮的转动共8 个自由度。这一模型不考虑悬架的垂直运 动，假设汽车的俯仰角和侧倾角均为0 ，各轮胎的机械特性相同。可以有效地模 拟车辆的制动、操纵等动力学特性。如图2 1 所示车辆动力学系统模型。忽略 转向系统影响，直接以前轮转角作为输入，并且认为左、右转向角相等。得简化 的车体运动方程： 图2 1 车辆动力学模型 ( 1 ) 纵向自由度动力学方程 4 m ( f i - v 7 ) = ( 瓦c o s 4 一f ，, s i n 4 ) ( 2 1 ) i = 1 式中，己、巴为轮胎模型输出的纵向力、横向力；4 为车轮与x 轴的夹角 ( 2 ) 横向自由度动力学方程 4 m ( v + u 7 ) = ( f ，, s i n 4 + 易c o s 4 ) ( 2 2 ) i = 1 ( 3 ) 横摆自由度动力学方程 ，：夕= ( c ：一c - ) i w + ( r x 。一只，) i w + ( ：+ c 。) 口一( e 。+ c ，) 6 ( 2 3 ) 式中，l 为整车质量；，为汽车绕z 轴的转动惯量；v 为汽车质心速度；“是 其在石轴上的速度分量；1 ，是其在y 轴上的速度分量；y 为汽车横摆角速度；万为 前轮转角；口为汽车质心至前轴的距离；b 为汽车质心至后轴的距高；l 为汽车 轴距；w 为前后轮距，为汽车质心侧偏角，且t a n ( f 1 ) = 二。 “ ( 4 ) 左前轮动力学方程：厶。吐= m d 。一e 。r m ，l m 6 。 ( 2 4 ) ( 5 ) 右前轮动力学方程：厶：西：= m d ：一c ：尺一m ，：一m 6 2 ( 2 5 ) ( 6 ) 左后轮动力学方程：厶，如= 一只3 r m ，3 一心， ( 2 6 ) ( 7 ) 右后轮动力学方程：厶。西4 = 一e 4 尺一m ，。一m 6 。 ( 2 7 ) 式中，q 为相应轮胎的转动角速度；厶为轮胎的转动惯量；m 胡为差速器半 轴上的输出扭矩；尺为轮胎的动力学半径；m 。，为轮胎受到的制动力矩；m 为 地面给轮胎的滚动阻力矩，其表达公式如下： m 疗= 巴f r ( 2 8 ) 其中，厂为轮胎的滚动阻力系数，其计算公式如下： f = 五( 1 + x 2 1 9 4 4 0 ) ，一般在良好路面上可取为0 0 1 4 。 载荷转移： 载荷转移使垂直负荷在四个车轮之间重新分配，汽车在转弯行驶和加减速行 驶时都会引起车轮垂直载荷的变化，从前面的轮胎模型中可以看出，轮胎垂直载 荷对于其纵向力和侧向力影响较明显，所以必须考虑车辆的载荷转移。 加减速引起的前后载荷转移： 蚯。：一旦h 西 ( 2 9 ) 峨s 4 - 轰拓如 式中，唿为车体重心的高度。 转向行驶引起的左右载荷转移： ：= 兰聊口 。= 兰m 口 各个车轮的总的垂直载荷： 耻赤愕一端一而m 移h b ( 2 10 ) ( 2 11 ) ( 2 12 ) ( 2 13 ) 心= 赤愕一端+ 而m 驴h b 川 觥鸲2 赤孵+ 丽m f t h 一而m f ，h a ( 2 1 5 ) 觥鸲。南孵+ 丽m u h + 而m c h a ( 2 1 6 ) 各车轮的侧偏角为： 前左轮：q ：万一兰尝 ( 2 1 7 ) i u y w | 2 j 前右轮：口，：万一j 竺上冬 ( 2 18 ) 2 u + y w 2 后左轮：鸭：_ 二拦 ( 2 19 ) ： u v w | 2 后右轮：二掣 ( 2 2 0 ) u + y w 2 设为各个车轮的速度，即各车轮中心处沿其转动；b - 向的运动速度。各轮的 轮速为 前左轮：u = ( “一詈7 ) c o s d + ( v + 口7 ) s t n 万 c 2 2 ，) 前右轮：= ( “+ 詈厂) c o s 6 + ( y + 口厂) s ；n 万 c2 2 2 ) 后左轮：2 “一i w 7 ( 2 2 3 ) 后右轮：以= “+ i w 7 ( 2 2 4 ) 2 2 车辆轮胎模型 汽车运动依赖于轮胎所受的力，如纵向制动和驱动力、侧偏力和侧倾力、回 正力矩及翻转力矩等。所有这些都是滑转率、侧偏角、侧倾角、垂直载荷、道路 摩擦系数和汽车运动速度的函数。因而有必要采用较精确的轮胎模型来描述汽车 的运动状态。 本文采用g i m 理论模型7 | ，其侧向力和纵向力可直接由滑移率计算得到。 这一模型主要描述单独纵向力、横向力以及它们之问的联合作用力。纵向力和横 向力又分为制动和驱动两种形式，它们的纵向滑移率定义为 9 f 墨= 坚 o ，制动情况 j “ f 墨：坚 o ，驱动情况 l y c 式中：k 为轮胎圆周速度，m s ；“为车辆纵向速度，m s 定义横向滑移率为 f & = t a n o ! ，制动情况 l 咒= ( 1 一1 只i ) i t a n 口i ，驱动情况 ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) 式中：口为车轮侧偏角，定义口：口阳留p ) ，v 为车辆横向速度，m s 甜 车轮轮胎纵向力 下面推导纯纵向力的计算。 f 以= z 。( 1 - a s , ) i a = ( 1 一“, u 。) 墨 路面轮胎间的摩擦系数可以近似线性地表达为： ( 2 2 7 ) 式中：为滑动速度为零时的摩擦系数；a 是参数，( o ，2 0 ) 、( s i 2 。) 求得。 车轮的法向力：e = c ：戌 式中：c ：为轮胎径向刚度，n m ；为轮胎的径向变形，m 假定在附着区域纵向应力仅与轮胎的纵向刚度和纵向的弹性变形有关，在滑 移区域纵向应力接触压力和轮胎的摩擦系数有关( 或称为附着系数) ，见图2 2 ， 纵向应力可以表示为： 吒2 颤f = 以，o f 乞( 2 2 8 ) i 咚= 2 x p ，乞f ， 式中：呸为轮胎胎面的纵向应力，n ；。 为轮胎与路面间纵向摩擦系数；，为轮胎接触长 度，m ；p 为轮胎与地面间接触压力，n ；尼，为 轮胎纵向刚度，n m ；墨为纵向滑移率的绝对 值； 孝为轮胎的纵向位移变形，m ；乞为轮胎 附着区域长度，m 。 定义无量纲轮胎接触长度： l n = l ，1 s n = s s iscl n = 1 一s n 对轮胎纵向接触应力沿纵向方向积分： 1 0 。驸着区域孽移荔域 & 懿逞 院一 f ： 夕： 、 图2 2 由轮胎滑移率引起的 轮胎纵向力 j 名2 e 鬈+ 从最( 1 3 鬈+ 2 露) ， ( 2 2 9 ) f ：= “x f ，ss s c 式中：墨为纵向滑移和弹性区域的分界点，可以表示为 ：攀 ( 2 3 0 ) 车轮轮胎横向力( 侧偏力) 用同样的方法可以求得横向力的计算方法，最后的计算公式为： 2q & 鬈+ 一只( 1 3 譬+ 2 譬) ，& 疋( 2 3 1 ) 【= 以置，& 芝 ：7 3 x f ( 2 3 2 ) 相应的回正力矩： j m 。= 【c 口咒( 一j 1 + ；乇) + 三以 f 1 。2 ，咒 叉 ( 2 3 3 ) 【m m = o ，咒s c 纵向力与横向力联合作用 考虑轮胎受纵向和横向作用力，定义车轮的附着系数： i = 鸬( 1 - a s , 。) a = ( 1 - 1i l o ) l s i ( 2 3 4 ) ss 。= _ s ：+ s ： 式中x o 为轮胎与路面的静态摩擦系数：a 为特征系数，可用轮胎特性的某点 “s 求得；墨。为滑移率的联合参数。 车轮纵向附着系数为： p x = p ss s ：，= x c o sp ( 2 3 5 、) 车轮横向附着系数为： 以= & s , 。= y s i n f l ( 2 3 6 ) 车轮综合附着系数为： 弘= 0 疋+ 砖 ( 2 3 7 ) 接触区滚动滑动临界点： 最= 嘉厄而 3 8 ， 湔移临界点： s j c - 3 p 乙j f _ - 侧偏临界点： k ：c _ , j 。s 2 活 l 口 定义厶= 1 一鼠；e 为轮胎纵向刚度， 轮胎与路面间的纵向力为： e = e 最鬈+ 以丘( 1 3 鬈+ 2 艺) ， s , c f x = p x f ，ss 2ss c 轮胎与路面间的横向力为： ( 2 3 9 ) ( 2 4 0 ) n m ；q 为轮胎横向刚度，n m ( 2 4 1 ) j c2 q 最鬈+ 以e ( 1 3 z + 2 3 ) ，& 最c( 2 4 2 ) i e = ，e ，& 。 上述理论模型有如下特点：物理意义明确，推导过程清晰。所需要的参数都 有明确的物理意义，可根据实验测得，而不需要大量的力特性实验数据的拟合。 模型对侧向力和纵向力的拟合精度较高，但由于对轮胎物理机制过于简化，使回 正力矩的计算与实验误差较大，在大侧偏角下计算的回正力矩为零，没有反映出 大侧偏角下回正力矩可能为负值的实验事实。 表2 1 车辆主要参数 名 整车质量k g质心高m 轮距m前轴中心至质心距离m前轴中心至质心距离m 称 符 m hw 口 b 口 丐 数 1 5 3 40 7 0 71 7 41 0 41 6 5 值 名 轮胎半径m轴距m 绕z 轴转动惯量姆m 2轮胎的转动惯量姆m 2 称 符 尺 i ) 口 口 - 丐 数 o 3 12 6 92 7 1 21 2 值 1 2 2 3 模型的实现及仿真实例 至此，我们建立了用于汽车急转向横向稳定性控制系统仿真的车辆模型。本 节将对前面建立的汽车稳定性控制系统的数学模型进行验证，选择方向盘角阶跃 输入和单周期正弦输入试验，验