汽车主动安全研究现状之ESP.doc

汽车主动安全研究现状之ESP前 言汽车业的发展，为人们的出行提供了极大的便利。但与此同时，交通事故也成为了致命的灾难。据不完全统计，在世界范围内每年大概会有120万人死于交通事故。其中世界卫生组织的一份统计调查表明，交通事故是造成年龄段在 10到 25 岁青少年死亡的主要原因。同时在各种对人类生命造成威胁的原因中，交通事故排第九。这种事故所造成的伤亡以及对公共安全所产生的威胁是不容忽视的。 汽车安全防御包含两大块，被动安全防御和主动安全防御。其中被动安全的研究目的是在事故发生以后尽量减轻事故所产生的损失和伤害；主动安全的研究目的是在事故发生前，能够通过有效措施来避免事故的发生，也就是在可能导致事故的驾驶行为意图出现时，就及时进行制止。基于这样的前提下，汽车安全技术的研究十分必要，尤其是主动安全技术。汽车电子稳定程序( Electronic Stability Program, 简称ESP) 是行驶车辆的一种主动安全系统，它包含了防抱死制动系统( Anti-lock Brake System, ABS) 、驱动防滑系统( Acceleration Slip Regulation, ASR) ，并增加了横摆力矩控制系统( Yaw-moment Cont rol, DYC) ，从而在制动、驱动和转向情况下对汽车安全稳定行驶提供有力支持。ESP 通过车载传感器测量方向盘转角、横摆角速度、侧向加速度和4 个车轮的轮速，由ECU 计算出驾驶员期望的行驶轨迹和车辆的运动状态，使汽车能在严峻的行驶条件下通过一定的控制方法，对汽车进行控制，从而修正汽车的过度转向或不足转向，以避免汽车失稳，保证汽车的行驶安全。ESP对于提升汽车的稳定性，进而提高汽车的主动安全性能有着重要意义。1.ESP的发展现状1.1ESP的结构及工作原理ESP控制系统的结构：图1是现在比较典型的汽车ESP控制系统的结构,包括：传统制动系统(真空助力器、管路和制动器)、传感器(4个轮速传感器、方向盘转角传感器、侧向加速度传感器、横摆角速度传感器、制动主缸压力传感器)、液压调节器、汽车稳定性控制电子控制单元(ECU)和辅助系统(发动机管理系统).图 1博世 ESP 系统的硬件结构ESP控制系统的工作原理：在汽车行驶过程中,方向盘转角传感器监测驾驶者转弯方向和角度,车速传感器监测车速、节气门开度,制动主缸压力传感器监测制动力,而侧向加速度传感器和横摆角速度传感器则监测汽车的横摆和侧倾速度.ECU 根据这些信息,通过计算后判断汽车要正常安全行驶和驾驶者操纵汽车意图的差距,然后由 ECU 发出指令,调整发动机的转速和车轮上的制动力,如果实际行驶轨迹与期望的行驶轨迹发生偏差,则ESP 系统自动控制对某一车轮施加制动,从而修正汽车的过度转向或不足转向,以避免汽车打滑、转向过度、转向不足和抱死,从而保证汽车的行驶安全.1.2国内外ESP的研究现状清华大学王会义、宋健 汽车电子稳定程序的控制算法清华大学学报清华大学王会义、宋健采用车辆横摆角速度的状态差异法,设计主副两个层次的ESP 控制逻辑。其中，主循环控制以车辆的状态差异值（状态差异值由实测车辆的横摆角速度与由一个2自由度车辆模型计算得到的车辆横摆角速度相比较而获得）为控制参数控制车辆的横摆角速度, 实施直接横摆控制( DYC) ；副循环监视车轮状态,防止在控制过程中出现车轮抱死的情况。应用Matlab/Simulink/xPC 实时仿真工具,建立硬件在环仿真试验台。采用该试验台,选择ESP性能测试专用Fishhook测试模式,对所设计的ESP控制算法进行试验验证。试验结果验证了所设计ESP 算法的有效性和实时适应性。吉林大学李静等 车辆电子稳定性程序神经网络PID 控制算法吉林大学学报吉林大学李静等采用传统的PID控制为基础,在此基础上引入了三层神经网络控制（输入神经元、隐含神经元、输出神经元）.采用整车横摆角速度作为主控制参数,质心侧偏角作为辅助控制参数.搭建ESP硬件在环试验台,针对典型工况,采用硬件在环试验方法完成了基于神经网络PID控制算法的ESP软硬件调试和匹配.进行硬件在环仿真实验,分析仿真结果,车辆ESP神经网络PID控制算法能够在线整定PID控制器参数,使汽车在极限转向工况下具有良好的操纵稳定性,改善了汽车的主动安全性能.【1】【2】比较,文献2的控制策略中,引入了三层神经网络控制,对控制策略进行了优化.通过对比文献1、2的硬件在环仿真结果,相比文献1中的主副循环控制策略,文献2的神经网络PID控制算法能够更大程度上改善汽车的主动安全性.合肥工业大学喻海军等 基于ANFIS 的汽车ESP 控制方法研究合肥工业大学学报合肥工业大学喻海军采用自适应神经模糊推理系统( Adaptive Neuro-fuzzy Inference System,简称ANFIS) 研究车辆ESP 的反馈控制.以给出的基本T-S 模糊推理模型为基础,建立5个层次的自适应神经模糊推理系统,对给定参数进行训练.（取横摆角速度的偏差e及其偏差的变化率ec为输入变量,附加的横摆力矩u为输出变量）.考虑车辆的转向特性, 建立车辆的轮胎模型和二自由度参考模型,在Simulink中建立基于横摆角速度的ANFIS 模型,进行ESP 的反馈控制仿真.仿真结果表明,所设计的ANFIS 模型能很好地对汽车ESP 系统进行控制,提高了汽车行驶的稳定性.研究表明,ANFIS 模型可以以任意精度逼近任何线性或非线性函数,且收敛速度快、误差小,具有智能控制的特点,能够比较精确地对ESP 这种非线性系统进行控制.德国的 P.Koleszr Development of an Electronic Stability Program Completed with Steering Intervention for Heavy Duty Vehicles基于重型车辆转向干预的ESP系统发展德国的 P.Koleszr为了控制重型车辆更好的适应不同路况,介绍了一些能够提高重型车辆动力学性能的系统.其中主要介绍了ESP系统和线控转向系统,用以提高汽车在不同行驶工况下下的操纵稳定性.方法是集成主动转向控制到运动偏航控制中,基于此进行仿真实验.对比三种模式下的仿真结果,可以看出在不同外界影响因素下,建立的系统都能够有效地提高车辆的稳定性,并且缩短制动距离.吉林大学 王良模等 基于模糊PID控制策略的ESP 控制系统仿真江苏大学学报吉林大学王良模等采用“魔术公式”（拟合精度高、对轮胎描述统一性好）建立了轮胎的纵向力和侧向力的数学模型,以及7自由度整车模型.ESP控制系统的设计：确定名义值,设计ESP 控制系统3层算法结构,设计模糊化参数的PID联合控制器.运用Matlab/Simulink 软件建立了包括发动机、制动器、轮胎和车身子模型的整车动力学模型.在此基础上,进行了ISO3888 紧急双移线等极限工况下的整车操纵稳定性仿真试验.当横摆加速度与名义值产生偏差超过一定范围时,ESP控制系统对被控车轮进行制动,限制了质心侧偏角的增加.通过转向盘可以有效地控制汽车的侧向加速度变化,且轨迹跟随性较好,提高了汽车操纵稳定性.同时,联合控制的效果优于单独控制横摆角速度1 个变量.Taeyoung Chung Design and Evaluation of Side Slip Angle-Based Vehicle Stability Control Scheme on a Virtual Test Track在虚拟测试道路上以侧滑角为基础的车辆稳定性控制方案的设计与评价Taeyoung Chung介绍了在虚拟测试道路上,以侧滑角为基础的车辆稳定性控制方案的设计与评价方法.基于车辆平面运动的差动制动控制律设计自由偏航车辆模型,进行车身侧偏角的控制阈值VSC设计.由于VSC总是与发动机一起工作,所以车辆的整体性能不仅依赖于VSC作用而且考虑了驾驶人员的影响.采用VVT仿真实验,VTT由实时汽车驾驶模拟器、视觉动画引擎、视觉显示和驾驶员-车界面构成.试验结果表明,使用VTT建立可变控制阈值满足设计需要.VVT在设计和评估时的应用,可以有效降低设计成本,缩短设计周期.吉林大学 郭健等 考虑驾驶员紧急转向意图的ESP系统理想横摆角速度确定方法吉林大学学报（工学版）吉林大学郭健等通过分析ESP系统参考模型对驾驶员行驶意图表征的局限性,尝试在传统两自由度模型确定参考横摆角速度基础上,引入方向盘角速度来描述驾驶员的转向急迫程度,更为全面准确地描述驾驶员在极限工况下行驶意图.并将其引入到理想横摆角速度的确定算法中,更为合理地确定了ESP系统的控制介入时刻,提高了车辆对驾驶员意图的响应性能,避免了介入时间不适当引发的对驾驶员正常驾驶意图的干扰.基于提出的ESP控制算法,在长安某款轿车上完成了ESP系统的匹配,并在实验场进行了整车装配ESP后的性能测试的冬夏两季实验,验证了修正算法的有效性.美国Leo Laine Control Allocation based Electronic Stability Control System for a Conventional Road Vehicle一种关于传统道路车辆基于控制分配的电子稳定控制系统美国Leo Laine控制分配用于执行器的自由度比控制系统中,它也被称为过驱动系统.在这里,它是假定转向由司机完全控制.控制分配器采用内燃机和四个机械盘式制动器补偿所有的转向不足或转向过度行为.进行仿真实验,仿真结果表明：机械制动器的关键时间常数应大于0.1才能成功控制分配时的最极端的转向盘角.当时间常数降低到0.06秒后,SWA270度是很容易操控的.此外,所提出的电子稳定控制系统通过了选择的正弦停留测试程序,但是正弦停留测试程序存在缺陷,将来处理车辆的输入数据,需要引起转向过度的偏航角速度或者基于锥形的演习来替代正弦停留.南京理工大学王良模等 基于多体动力学的ESP 控制系统联合仿真南京理工大学学报南京理工大学王良模等应用ADAMS/Car,建立含有ABS四通道独立控制盘式制动器的整车动力学模型.根据汽车稳定性控制的基本原理,运用模糊控制和比例积分微分控制理论设计了电子稳定性程序( ESP) 控制系统三层算法结构,ESP控制系统的设计主要包含：确定名义值、总体控制系统结构设计、模糊化参数的PID联合控制器设计、ESP集成控制系统.在MATLAB/Simulink 环境下,建立了ESP控制系统和车辆动力学模型的联合仿真模型,进行多种工况下的汽车操纵稳定性仿真试验.仿真结果表明,所提出的动力学模型、ESP控制系统的控制策略和联合仿真算法是正确有效的,所设计的控制器能有效地控制汽车的侧向加速度,且轨迹跟随性较好,可有效控制车轮的制动,抑制汽车的不足或过多转向趋势,改善汽车操纵稳定性.上海理工大学陈家琪 汽车ESP 实验系统及其硬件在环仿真研究上海理工大学学报上海理工大学陈家琪ESP实验系统采用分层模块化设计,整个系统共分为控制层、应用层和执行层这3 层.ESP实验系统仿真平台包括用户操作模块、数据存储模块、网络通信模块、动力学模型运算模块、数据曲线绘制和动画显示模块.研究ESP( 电子稳定系统) 实验系统和实验方法,构建了一种基于Matlab/ Simulink人机实时交互的ESP硬件在环仿真平台,并通过蛇形穿杆实验对实车和模型的性能进行了比较,结果表明了该仿真平台的合理性、有效性和实时性, 为汽车ESP 产品的开发提供了有效手段.重庆理工大学欧健 汽车ESP系统的建模及仿真分析重庆理工大学学报重庆理工大学欧健,石智卫应用Matlab/Simulink建立MF轮胎模型、七自由度车辆模型.以汽车横摆角速度为控制变量,目标横摆力矩为控制输出,采用模糊控制算法建立了控制系统.结合在AMESim 中建立的四通道液压制动模型,通过接口连接建立汽车ESP 联合仿真模型.在典型工况下对其控制效果进行仿真分析.结果表明,ESP 可以对汽车进行较好的控制,提高汽车的稳定性和安全性.长沙理工大学信瑛南 基于蚁群优化的控制算法仿真长沙理工大学学报（自然科学版）长沙理工大学信瑛南等建立了由Gim轮胎模型、车身模型、轮胎力模型、制动力分配模型和理想二自由度模型组成的八自由度整车模型,还建立了蚁群算法优化的模糊控制器.并在具有较好的灵活性、鲁棒性的模糊PID控制器的基础上引入了蚁群算法,设计了基于蚁群优化的模糊PID控制系统的结构与计算方法,从而达到对参数Kp,Ki,Kd的优化设计,同时利用Simulink软件进行仿真.仿真结果证明,引入蚁群算法的模糊PID控制系统与传统的模糊PID控制方法相比,该控制方法具有更好的稳定性和动态响应性可加快系统的收敛速度,缩短系统响应时间.为ESP系统更快速度地响应提供了一种可行的方法.蚁群优化的模糊PID控制系统的结构：在经典的闭环反馈控制的比例积分环节引入了Fuzzzy推理,对Kp、Ki、Kd进行推理,在此前提下引入蚁群算法,将推理的三参数通过蚁群算法寻优,将优化的三参数输入到PID模糊控制器.An Integrated Development Environment for Transparent Fuzzy Agents Design:an Application to Automotive Electronic Stability Program一种集成开发环境的模糊代理设计：应用于汽车电子稳定程序Giovanni Acampora介绍了一种先进的基于模糊控制器的集成开发环境-FML,一种使用、高效的电子稳定程序（ESP）设计方法,开发了一种新型模糊控制器.该控制器基于标记的树结构,能够进行模糊控制器设计,控制系统可以在不同的硬件被重新编程不需要重复设计和实施步骤.此外,标记的树状结构,允许在分布式环境中直接嵌入透明的模糊控制器.标记树状结构和多智能体的联合使用,开发了一种先进的图形环境,让模糊的设计师画出自己的想法,通过分布式模糊控制器实现控制系统的开发时间将大幅减少.通过设计一个创新的能够控制自主单轮的e-braking电子稳定程序,开发的整体环境得以验证.以上方法经验,为以后开发基于fuzzy IDE的完全分布式ESP系统提供了一种有效的途径.东北林业大学李胜琴等 基于ADAMS的车辆ESP控制模型及方法研究武汉理工大学学报（交通科学与工程版）东北林业大学李胜琴应用ADAMS建立模型车车轮、发动机、车身等子系统模型,然后装配成整车虚拟样机模型.并利用路面建模器建立二维平坦路面,进行了车辆双移线试验模拟.将模拟结果与实车试验结果进行对比,验证了整车虚拟样机模型能够反映车辆的基本特性,可以用于进行车辆操纵稳定性及ESP控制系统的模拟仿真分析.在此基础上确定基于横摆角速度和车辆侧偏角的ESP模糊控制方法,将在ADAMS/Car中建立的虚拟样机模型转化为S-function,到Matlab/Simulink软件环境下中进行闭环控制仿真.按照FMVSS126标准规定的正弦延迟试验方法,进行了高附路面下的模拟正弦延迟试验仿真分析.结果表明,当车辆处于过度转向的极限工况下,所设计的ESP控制系统系统能够抑制车辆的过度转向,进而使车辆在大的转向盘转角（279）输入下仍然能够维持稳态行驶,提高了车辆的操纵稳定性.合肥工业大学胡延平等 基于非线性直接横摆力矩控制的ESP 研究汽车工程合肥工业大学胡延平等首先在硬件在环平台上采用了Dugoff 非线性轮胎模型、建立了7 自由度车辆模型.然后,建立了包含车辆参考模型、状态观测器、功能控制器模块和执行机构分配模块ESP 系统.其中车辆参考模型是搭建的2自由度线性模型；状态观测器采用非线性观测器结合常规线性观测器值与传感器值,对纵、侧向车速进行观测；功能控制器模块采用主动单侧双轮制动、输出反馈的非线性H控制方法进行设计；分别对控制器不同触发条件分析,构建合理的执行机构控制模块.最后进行ESP 硬件设计和硬件在环平台搭建.设计以ARM7 芯片作为处理器和由某型ESP 的液压执行机构改装而成HCU的ESP 实体控制器.搭建了由ESP 硬件、Labview 的PXI 主机和PC机3部分组成的硬件在环平台,并进行了硬件在环测试.硬件在环测试结果证明了非线性控制策略比常规的线性控制更能有效地控制车辆,通过执行机构分配模块的决策,能较好地解决执行机构之间的分配,保证ESP 多种功能的正常发挥.参考文献1王会义,宋健.汽车电子稳定程序的控制算法J.清华大学学报( 自然科学版),2007,47（2）:224-227.2李静,徐斌,张英锋,刘巍,刘曼远.车辆电子稳定性程序神经网络PID控制算法J.吉林大学学报( 工学版),2007,37（4）:742-744.3喻海军,刘翔宇,方敏. 基于ANFIS 的汽车ESP 控制方法研究J.合肥工业大学学报( 自然科学版),2010,33（7）:1015-1019.4 P.Koleszr, B. Trencsnia ,L. Palkovics.Development of an Electronic Stability ProgramCompleted with Steering Intervention for Heavy Duty Vehicles J. IEEE ISIE 2005, June 20-23, 2005, Dubrovnik, Croatia.5王良模,安丽华,吴志林,马春卉,李力.基于模糊PID 控制策略的ESP 控制系统仿真J.江苏大学学报（自然科学版）,2011,32(3):266-271.6Taeyoung Chung,Kyongsu Yi. Design and Evaluation of Side Slip Angle-BasedVehicle Stability Control Scheme on a Virtual Test Track J. IEEE TRANSACTIONS ON CONTROL SYSTEMS TECHNOLOGY, VOL. 14, NO. 2, MARCH 2006.7郭健,高振海,管欣,董益亮,谯艳娟.考虑驾驶员紧急转向意图的系统理想横摆角速度确定方法J.吉林大学学报（工学版）,2011,41(2):74-77.8 Leo Laine,