基于状态识别的汽车底盘控制研究

基于状态识别的汽车底盘控制研究

0车辆运行状况协调控制车辆运营基础的协调控制是车辆工程领域的研究重点之一。协调控制的主要思想是通过控制总线,使底盘中的转向、悬架、制动等控制子系统通过电子技术相互连接,并由协调控制器对车辆的运行状况进行协调,以使车辆的行驶性能达到最佳。国内外学者在协调控制方面进行了较多研究。这些文献中的研究大致分为两类:一类是将多个系统集成到一个控制器上,通过分析车辆运行的状况来确定整个系统的控制参数,以使得车辆总体性能达到最佳采用状态识别的控制方法有以下优点:首先,各子控制器相对独立,互不干涉,即使在实际车辆运行中,单个子系统受到损坏,也不会导致其他系统失效;其次,上/下层控制器运用CAN信号发送/接受,能够实现控制器资源共享,节省系统运行时间,提高运算效率和精度。1车辆模型1.1悬架侧倾、横摆模型悬架质量运动的模型考虑7自由度,如图1所示。以过悬架质量质心垂直于地面的方向为z轴,车辆前进方向为x轴,以垂直于x轴和z轴且过质心的直线为y轴,考虑侧倾、俯仰、横摆以及垂向运动相互的影响可建立以下运动方程。悬架侧倾运动方程为mH——悬架质量质心到侧倾轴的垂直高度Lω——整车横摆角速度Mu——汽车纵向运动速度v——汽车侧向运动速度d——1/2轮距θ——俯仰角φ——侧倾角悬架垂直运动模型式中Fzkkz当俯仰角θ、侧倾角φ在小范围内,近似有式中,a为质心到前轮的距离。悬架的俯仰运动方程为Mb——质心到后轮的距离1.2焦虑坡度和可建立模型在建模和仿真计算时,对模型进行简化,不考虑坡度阻力和迎风阻力,考虑侧向、纵向及横摆运动3自由度,建立如图2所示模型。其中,轮胎和地面的相互作用力可分解为纵向力F式中F1.3车轮工况制动模型由于底盘三个系统有复杂的运动状况,所以在建立制动系统的数学模型时,要充分考虑到车辆的纵向加速度、侧向加速度的变化对车辆载荷的影响。垂直载荷发生变化会导致各车轮的侧向力和纵向力都发生变化。所以考虑转向时的整车制动模型为式中,各车轮侧向力和纵向力可由第1.4节轮胎模型求出,各符号的意义可参考图2。制动力矩的数学模型为式中FAη——分泵效率BR——车轮制动鼓半径式中I考虑载荷的转移和各向心力的作用,可得到车轮垂直载荷的计算公式为式中RL——轴距在这里以轮1为例,定义mūh1.4车轮模型和路面模型本文采用比较成熟的PACEJKA非线性轮胎联合工况模型,在此不作赘述,详见文献[7]。路面模型采用最常用的滤波白噪声模型2悬架系统的纵向刚度三个系统运动之间存在着相互干扰、相互制约,上述数学模型可通过图3转向、制动系统运动对悬架系统性能的影响如下所述。当汽车转向(或制动)时,由式(1)、(5)可以看出,由于侧倾(或俯仰)力矩对悬架质量会产生侧倾(或俯仰)角加速度,影响整车的乘坐舒适性;当转向和制动同时进行时,又存在着俯仰、侧倾和车身垂直加速度的耦合,对乘坐舒适性产生更大的影响。转向、悬架系统运动对制动系统性能的影响如下所述。当汽车处于转向工况时,由于前轮转角的变化会导致侧向力的变化同时形成整车的侧向运动(产生侧向加速度),从而导致轮胎载荷中侧向惯性力的变化(式(8)、(13)~(16)),如果实际工况考虑到对开路面,那么载荷的变化又会影响纵向力的变化,导致制动距离发生变化;当转向制动时,悬架运动的纵向惯性力也会导致前后轮载荷的变化,前后轮的纵向力也会发生变化;另外,当轮胎工作于饱和状态时,侧向力的增加也会导致纵向力的减小,从而导致制动距离的增加,降低了汽车的安全性。制动、悬架系统运动对转向系统性能的影响:当汽车处于转向制动时,由制动时悬架质量惯性产生的纵向加速度和转向时产生的侧向加速度均会导致纵向惯性力和侧向惯性力的变化,从而导致车轮垂直载荷的变化(式(7)、(8)和式(13)~(16)),从而轮胎的侧向力也发生变化,最终会使车身的横摆角速度发生变化,降低了汽车的稳定性和安全性。3动态状态识别流程基于状态识别的协调控制器(图4),其思想是在上层设计一个用于车辆运动状态识别的协调器(以下称上层协调器),根据车辆各个运动状态及运动关系,可总结出如下的状态识别流程:首先根据前轮转角、实际车速和横摆角速度计算等可以确定车辆是否处于失稳状态,如果失稳,则启用直接横摆力矩控制。此外当转向盘转角小于某一门限值时,认为车辆是直线行驶。另外,根据车速、制动踏板以及车轮转角信息,可以判断车辆的侧倾和俯仰是否需要控制。上层协调器根据车辆传感器获得的信息,进行分析判断后,实时确定各控制器控制参数或控制目标,使车辆的运行工况达到最佳。3.1pid系数调节方法悬架子系统控制器的设计:由于采用经典控制方法或集中控制是非常困难的,且难以获得很好的效果。本文采用参数调整的PID算法来实现对四个悬架控制器权重的分配。假设k时刻控制器的输出为u(k),该时刻采集到的加速度为研究中主要以系统的响应速度为主,对比例系数做了较细致的调节,积分和微分系数在系统的稳态误差和动态误差较大时才加以调节。当车辆匀速行驶时,控制器按普通PID控制进行,即PID控制参数固定不变。当车辆转向或者制动时出现侧倾和俯仰,各PID系数的调节方法如下:上层协调器中有两个关于悬架比例系数调节的规则表。其中,一个规则表调整侧倾比例因子,其输入为直接横摆力矩控制器的设计:采用基于比例切换函数的滑模变结构控制策略,当车辆由于转向或制动等紧急情况造成失稳时,对车辆的横摆力矩直接控制。在转向过程中,由传感器直接或间接获得车辆运动状态参数(纵向速度、前轮转角、横摆角速度和横摆角加速度等),通过施加附加的横摆力矩∆M来实现对车辆横摆角速度的调整,使其逼近理想目标状态。转向过程中∆M的调整可通过对不同车轮分别施加制动来实现横摆角速度及横摆角加速度的实时值为ω、式中Kµ——附着系数系统的角速度误差和角加速度误差为切换函数根据比例切换控制方法,控制率式中,c、α、β为大于零的常数。经反复调试,c=0.6、α=0.12、β=0.05,控制系统能够取得较好效果,且不会出现振抖。制动子系统控制器的设计:制动系统的设计采用变滑移率的逻辑门限值控制算法,具体的方法如下:在制动过程中,传感器采集一些车辆运动状态参数,求解出车辆滑移率,并与上层协调器传过来的目标滑移率进行比较。当误差大于零时,回油管路打开,制动器减压,制动力矩减小,使实际滑移率接近目标滑移率。误差小于零时同理。这种控制方式,可使滑移率保持在目标滑移率附近,提高系统的制动性能。3.2各控制规则的对比车辆的运行状态可分为四种:正常情况下匀速行驶,紧急制动,阶跃转向以及转向制动。传感器获得的整车纵向速度u,侧向速度v,纵向加速度u,侧向加速度v,俯仰角速度θ,侧倾角速度ϕ,方向盘转角(用以计算前轮转角)等信号经过处理后送入协调器,协调器经过分析计算能够准确判断车辆处于何种运动状态。针对这四种运动状态以及上述三个系统之间运动的联系和影响分析,上层协调器设计以下控制规则。规则1:如果v=0,并且u=0,则车辆处于匀速行驶工况,悬架系统控制器按照普通的PID控制,即P、I、D控制参数不变。规则2:如果u<0,并且v=0,则车辆处于紧急制动状况,制动控制系统按照定滑移率的目标工作;直接横摆力矩控制系统不工作;悬架系统由于出现俯仰运动,则需要通过上层协调器向悬架控制器输出信息,调整前后悬架控制器的权重,具体的调整策略如下(规定绕车身y轴转动逆时针方向为正)。上述规则中,α规则3:如果u=0,并且v>0,则表明车辆处于匀速行驶突然阶跃转向工况,制动系统不工作;直接横摆力矩控制子系统根据上层协调器提供的目标横摆角速度和实际横摆角速度的误差,分别对相对应车轮实施直接横摆力矩控制,使横摆角速度逼近目标值;悬架系统由于出现侧倾运动,上层协调器根据侧倾的大小向下层的悬架控制器输出信息,调整左右悬架控制器的权重。具体调整策略为(规定绕车身x轴转动逆时针方向为正)。各参数的实时值按表2所示变化。规则4:如果u<0,并且v>0,则车辆处于转向制动工况,转向、悬架和制动控制器均按照协调控制策略工作,具体方法如下。制动系统按照协调控制策略工作,上层协调器根据制动初速度、侧向加速度、纵向加速度的变化,向制动控制系统发出指令,实时调整各车轮期望滑移率λ式中,v直接横摆力矩控制器也由上层协调器获得车轮转角信号及实时车速信号,确定车辆处于失稳状态后,再由式(18)计算目标横摆角速度,然后经第3.1节中的控制方法分别对相应车轮施加制动采用直接横摆力矩控制。上层协调器对悬架系统的控制中,由于出现侧倾和俯仰的耦合,这里需要定义一个控制因子ε和一个优先级,当式中,K如果4模拟和测试4.1滑模变结构控制下车轮横摆角速度根据上述方法,在Matlab中进行了仿真计算,仿真参数见表3。仿真工况采用4种:车辆分别以60km/h的速度匀速行驶,紧急制动,阶跃转向和转向制动。由于篇幅有限,取具有代表性的几个图。从图6、7可以看出,采用滑模变结构控制后车身横摆角速度明显比较平稳。由于上层协调器对PID控制的实时调整,车身侧倾角加速度分别比被动悬架和普通PID控制降低了17.6%和10.6%(各方均根值分别为0.0220rad/s(4)控制器的优化综上,根据部分时域分析图可以看出,状态识别协调控制算法,采用上层协调器分别调整各子控制器的控制参数或实时跟踪目标,较好地改善了整车的各项性能。4.2温度控制系统硬件系统为验证控制策略的有效性,在仿真试验和硬件在环试验的基础上,进行了基于ARM处理器的实车试验。悬架系统采用自行研制可调阻尼的磁流变减振器,制动控制系统和转向操纵稳定性的控制系统采用改装后的ABS控制系统,三个控制器的算法通过ARM来实现。装有LABVIEW操作系统的PC机用于数据采集信号的处理:整车加速度、车速、轮速、横摆角速度和转向盘转角等传感器的信息经过处理后发送到下层各个单独控制器中,而侧倾、俯仰、侧向加速度和纵向加速度等传感器信号经过处理后输入到上层协调器中。上下层的共用信号可以相互通过CAN总线发送/接收。软硬件系统:试验前,将上述控制算法软件经编写后直接下载到ARM微处理器中。硬件系统主要包含电流源,磁流变减振器,各控制器的硬件电路以及改装后的制动系统。试验的原车是带有ABS的某微型轿车,将ABS的执行机构换成可对单轮进行制动的液压执行机构,其他机构不变。试验方法与条件:整车试验工况分为四种,分别根据国标中对行驶平顺性、整车制动性和操纵稳定性的要求,在某B级路面上进行了以下几种工况下的试验:车辆分别以60km/h匀速行驶,紧急制动,阶跃转向和转向制动。试验结果表明,在匀速行驶工况下,车身垂直加速度方均根值能够由1.02m/s5实车试验的设计本文采用状态识别下的协调控制方法对汽车底盘系统进行了整车系统的建模、仿真与试验。针对复杂的汽车底盘系统,分析找出三个系统之间的联系,并对不同工况下车辆运动信息进行控制分类,同时做大量的仿真对各控制参数进行调试。基于整车仿真结果与控制器设计的参数,对整车三个系统的各控制器软硬件做出设计,进行了状态识别下的汽车底盘系统实车试验。(1)基于状态识别的协调控制系统在复杂工况下能够有效地抑制车身的垂直振动、俯仰和侧倾,极大地改善整车的平顺性。(2)在车辆转向或转向制动时,直接横摆力矩控制器能够根据上层协调器的信息,较好地跟踪车身的目标横摆角速度,提高整车的操纵稳定性。(3)制动子系统控制器能够根据上层协调器提供的实时目标滑移率,使车轮及时得到最优滑移率,缩短制动距离,提高了制动性能。式中FIz式中IFFm——整车质量δiηB——助力器助力比Dp各车轮旋转运动方程为FRhk另外,K(1)半主动pid控制下pid结果对比行驶平顺性的仿真采用普通的被动悬架和采用半主动PID控制下的结果进行对比(图5)。从图5可以看出,车身垂直加速度值改善明显,经计算方均根值由0.927m/s(2)标准曲线和bmm的控制根据国家标准GB/T6323.2—1994对操纵稳定性中车身侧偏的试验要求,在最高车速的70%时(仿真时采用60km/h),给转向盘一个三角脉冲转角输入。得到控制前后整车操纵性和平顺性如图6、7所示。(3)种状况下的血压根据国家标准QC/T582—1999对制动性的试验要求,仿真初速度以20m/s时在最大管路压力下制动。图8是分别采用常规制动,定滑移率制动和变滑移率制动下的整车制动距离对比,从图8可以看出,采用变滑移率的门限值控制时的制动距离比常规制动和定滑移率制动条件下分别缩短了2.89m和1.75m(三种状况下分别为22.8285m,21.6871m,19.9293m)。图9是在变滑移率制动的条件下,悬架系统采用被动模式、普通PID和状态识别协调控制下的车身俯仰角加速度时域图,从图9看出,采用状态识别协调