基于TTR预警的重型车辆防侧翻控制算法_图文

1、第39卷增刊2吉林大学学报(工学版Vol.39Sup.22009年9月Journal of Jilin University (Engineering and Technology Edition Sept.2009收稿日期:2009204225.基金项目:高等学校博士学科点专项科研基金项目(200801830030;“863”国家高技术研究发展计划项目(2006AA110104.基于T TR 预警的重型车辆防侧翻控制算法于志新1,2,宗长富2,何磊2,王素文3(1.长春工业大学机电工程学院,长春130012;2.吉林大学汽车动态模拟国家重点实验室,长春130022;3.长春理工大学理学院,长

2、春130022摘要:对建立的重型车辆8DO F 与5DO F 实时简化动力学模型进行了比较,优选出了能较好预测未来侧翻危险程度的5DOF 模型,进而研究了基于该模型的实时T TR 侧翻预警算法和基于预警算法的防侧翻LQ R 最优主动控制策略。应用差动制动的方法对重型车辆进行了主动侧倾控制,还选取鱼钩等四种转向工况,以TruckSim 和MatLab 联合仿真来验证预警算法的精度与可靠性。仿真结果表明,基于差动制动的L QR 控制方法能有效地降低侧翻指标横向载荷转移率(L TR ,避免侧翻的发生,显著提高了重型车辆的侧倾稳定性。关键词:车辆工程;重型车辆;侧翻预警;差动制动中图分类号:U469.

3、5文献标识码:A 文章编号:167125497(2009Sup.220251204Algorithms of anti 2rollover control for heavy vehicle based on TTR w arningYU Zhi 2xin 1,2,ZON G Chang 2f u 2,H E Lei 2,WAN G Su 2wen 3(1.S chool of Mechat ronic Engineering ,Changchun Universit y of Technology ,Changchun 130012,China;2.S tate Key L aborator

4、y of A utomotive D y namic S im ulation ,J ilin Universit y ,Changchun 130022,China;3.De partment of Science ,Changchun Universit y of S cience and Technolog y ,Changchun 130022,China Abstract :The models of simplify real 2time dynamic for t he heavy vehicles was compared ,and a 5DO F model of heavy

5、 semi 2trailer was selected out because it can better predict t he f ut ure rollover risk.An algorit hm of real 2time T TR rollover warning based on t he model and optimal active cont rol strategies for anti 2rollover L QR based on t he algorit hm were researched.The heavy vehicles were active cont

6、rolled for rollover wit h differential braking.Accuracy and reliability of warning algorit hms was also verified using TruckSim and MatLab Co 2simulation for fishhook etc.steering sit uation.The result s show t his met hod can reduce rollover performance index of Lateral Load Transfer Ratio effectiv

7、ely and avoid occurred rollover and imp rove t he roll stability of heavy vehicles significantly.K ey w ords :vehicle engineering ;heavy vehicles ;rollover warning ;differential braking自上世纪90年代起,美、日、法等国都投入巨资开展针对SUV 和重型车辆的侧翻预警和控制的研究,主要应用基于侧向加速度、侧倾角及横向载荷转移率(L TR 2Lateral Load Transfer Ratio 门限值的警示算法。车

8、辆防侧翻控制系统主要应用主动悬架、主动横向稳定器和差动制动等来抑制车身侧倾的趋势,减少侧翻事故的发生124。我国在汽车预防侧翻主动安全控制方面还处吉林大学学报(工学版第39卷于起步阶段。吉林大学、南京航空航天大学等科研机构针对重型半挂车侧倾稳定性问题,通过建立车辆侧翻模型对质心侧偏角和横摆角速度进行联合控制,并应用主动悬架和主动横向稳定器等方法对防侧翻控制系统进行了仿真验证526。本文提出了一种基于模型的侧翻时间(T TR2Time To Rollover预警算法来判断车辆接近侧翻的程度,再结合预警参考模型预测出车辆侧翻发生时间以提高汽车主动安全性。并对应用线性二次型状态调节器(L QR2Li

9、near QuadraticRegulator控制算法获取最优附加横摆力矩,采取差动制动精确控制相应制动车轮,降低侧翻危险。1侧翻预警算法T TR是指车辆以当前时刻运行到一侧车轮离地时所需的时间。因为车轮离地是车辆侧翻事故即将发生的信号。侧翻发生后,真实的T TR可以反推求出。如图1所示,一旦车辆侧倾角超过设定的临界值,就可以从侧翻时刻起沿着T TR2时间曲线中一条斜率为-1的直线进行反推并定义事故发生前一个0.2s的时刻使其有0.2s的“真实T TR”。如果能实时预测重构T TR,就可以精确描述和报告车辆侧翻的危险程度7 。图1TTR概念示意图Fig.1Schematic diagram o

10、f TTR concept本文应用吉林大学汽车动态模拟国家重点实验室建立的重型半挂车8DO F及简化5DO F模型做为预警参考模型来研究侧翻预警算法5。T TR预警算法是以侧翻模型来预测真实车辆状态参数的响应,以当前状态为初始值,步长为T s来计算模型的侧翻指标。侧翻指标选取基于模型的L TR(-1+1之间,其绝对值为1则说明车辆开始侧翻。预设侧翻预警门限值为X秒,当侧翻指标第一次满足侧翻条件时记下计算步数N,得到预警时间T TR=N×T s。若X秒内侧翻指标不满足侧翻条件则停止计算,设置侧翻预测时间为X s,即未来X s内不会侧翻;小于门限值则认为存在侧翻风险。T T R值越小则汽

11、车侧翻风险越高,T T R为0即说明汽车正在侧翻。侧翻预警算法流程如图2所示 。图2侧翻预警算法流程图Fig.2Flow chart of anti2rollover w arning algorithm2重型车辆侧翻预警联合仿真由于重型半挂车更容易侧翻,所以对其预警就尤为重要。本文应用TruckSim对5DOF、8DO F车辆预警模型分别在四种(斜坡、阶跃、避障和鱼钩转向工况下进行6080km/h车速的侧翻预警仿真。限于篇幅,本文以图3、图4为例进行鱼钩转向工况70km/h车速时的T TR预警和L TR对比结果说明 。图370km/h时TTR预警对比Fig.3Comparison of TT

12、R w arning at70km/h由对比曲线可知,5DO F和8DO F模型在T TR门限值为3s时的预测效果较好,准确度都很高。再由此5DO F预警模型与TruckSim模拟252增刊2于志新,等:基于T TR预警的重型车辆防侧翻控制算法 图470km/h 时LTR 预警对比Fig.4Comparison of LTR w arning at 70km/h的真实车辆进行验证,显示此模型跟随性好,侧翻性能指标跟踪效果稳定。因此选5DOF 模型作为重型半挂车防侧翻控制算法的预警参考模型。3防侧翻控制算法与仿真3.1控制器的设计以实时参考模型为基础,应用基于预警算法的防侧翻L QR 最优主动控

13、制策略,并以差动制动(DB 2differential braking 为防侧翻控制系统的执行机构来对重型车辆进行主动侧倾控制。 线性二次型最优控制(L Q 2Linear Quadratic Optimization 是一种普遍采用的最优控制系统设计方法,用以控制状态空间表达式给出的线性系统,其性能指标是系统状态与控制输入的二次型函数。而线性二次型状态调节器(LQ R 则适用于无限长时间、线性时不变(L TI 2Linear Time 图5线性二次型调节器构造框图Fig.5B lock diagram of Linear Q u adratic R egulatorInvariant二次型最

14、优控制问题。本文控制器构造如图5所示。L QR 问题就是在线性系统的约束条件下,选择控制输入u (t ,使得二次型性能指标J 达到最小。J =(z T Q z +u T R u d t(1式中:矩阵Q 和R 为设计参数,分别代表性能输出z 和控制输入u 的相对权重。对于实际问题,Q 是半正定,R 是正定的,(A ,B 0可控,(C 1,A 可观测,则有最优反馈矩阵:K FB =R -1B T0S(2唯一的最优控制:u (t =-K FB x (t R -1B T0S x (t (3u (t 即为控制器所设计出的差动制动产生的实时最优横摆阻力矩,用以纠正车辆的不足转向和过度转向。S 为对称、半正

15、定矩阵,是Riccati 方程:SA +A TS -SB 0R -1B T 0S +C T1QC 1=0(4的唯一解。闭环系统:x (t =(A -B 0R -1B T0S x (t (5是渐进稳定的,其解为最优轨迹x 3(t 。3.2基于TTR 预警的防侧翻控制算法如图6所示,本文防侧翻控制算法以T TR 为触发信号,将L QR 决策得到的最优附加横摆力矩以差动制动方式精确控制相应车轮制动。考虑重型半挂车具有后部放大效应而使其横摆和侧翻稳定极限降低,选取车辆的稳定性控制目标为横摆角速度和质心侧偏角,采用L Q R 最优控制产生理想的附加横摆力矩,再以图7所示的差动图6侧翻控制算法流程图Fig

16、.6Flow chart of algorithm for controlrollover图7差动制动逻辑判断框图Fig.7B lock diagram of logic judgment for DB352吉林大学学报(工学版第39卷制动逻辑控制相应的制动车轮,最终通过抑制L TR 来防止车辆侧翻。 4仿真结果分析如图8所示,以鱼钩转向工况下80km/h 车速进行基于差动制动的牵引车前轮制动力矩随时间变化的仿真曲线(后轮略为例进行分析。 (a 左前轮 (b 右前轮图8牵引车前轮制动力矩Fig.8B raking torque of tractor front wheel牵引车前轮预警控制时在

17、12.5s 所需制动力矩不到1.5kN m ,而基于连续控制时在02.5s 内所需制动力矩最大达到2.25kN m ;牵引车右前轮预警控制时在36.7s 施加制动力矩,4s 后达到制动器饱和值3.5kN m ,而基于连续制动时在2.56.7s 施加制动力矩,在5s 才达到制动器饱和值3.5kN m 。可见,此控制系统大大节省了制动能量,明显降低了制动强度。由图9可知,基于T TR 侧翻预警控制,可将半挂车质心侧偏角幅度由控制前的3°减至0°附近。5结论(1本文对5DO F 和8DOF 重型半挂车预警模型与TruckSim 模拟的真实车辆进行了验证,选取有更高运算速度和超实时

18、性的5DO F 模型作为重型车辆防侧翻控制算法的预警参考模型。图9半挂车质心侧偏角随时间变化曲线Fig.9Change curve of side slip angle of semi 2trailer(2在鱼钩转向等工况下,对参考模型进行仿真以验证L Q R 防侧翻控制算法。结果表明:此算法能很好的控制车辆侧翻,防止侧翻事故发生,具有很好的可靠性、普适性和稳定性。参考文献:1L und Y I ,Bernard J E.Analysis of simple rollovermetricsCSA E Paper 950306.2Chen Bo 2chiuan.Warning and contr

19、ol or vehiclerollver prevention D .Department of Mechanical Engineering ,University of Michigan ,2001.3Rakhja S ,Piche A.Development of directional sta 2bility criteria for an early warning safety device C SA E Paper 902265.4Ervin R D ,Winkler C B ,Fancher P S ,et al.Cooper 2ative agreement to foster the development of a heavy vehicle intelligent dynamic stability enhancement systemR .University of Michigan Transportation Research Institute ,1992.5麦莉,宗长富,