汽车动力学稳定性控制研究进展

汽车非线性动力学与稳定性控制汽车动力学稳定性控制技术进展提纲汽车瞬态非线性动力学建模二失稳过程测量与预判三动力学稳定性控制算法四研究背景一小结五2国际技术发展趋势3初期：致力于改进轮胎、悬架、转向与传动系来提高汽车固有的操纵稳定性。上世纪80年代起，ABS、ESC、主动悬架、SBC、主动安全带、ACC、安全辅助系统。政府主导安全计划：日本先进安全车（ASV），欧盟e-Safe。一、研究背景我国技术与行业现状交通安全形势严峻，交通事故伤亡10万人/年；自主开发汽车安全等级较低；主动安全系统严重依赖国外技术与产品；关键零部件技术自主发展缓慢！！一、研究背景ESP是汽车动力学与控制领域最核心技术代表，其系统构成最早由VanZentan等提出。目前被德国Bosch、美国TRW等少数企业垄断。采用ESP成为解决汽车稳定性控制、提高主动安全的首要技术手段。据统计采用ESP能将交通事故伤亡率降低30%以上。美国、欧盟自2012年期实施法规，强制安装ESP。4ESP系统构成ESP工作原理ESP：汽车动力学稳定性控制系统ABS：汽车制动防抱死系统TCS：牵引力控制系统AYC：主动横摆力偶矩控制系统我国ESP技术缺失，自主品牌出口欧盟因ESP技术缺失无法满足新的安全法规要求。“华晨再遭欧洲碰撞门，骏捷缺少ESP被判零星”

《中国汽车报》，2009.4.3课题组ABS关键技术，曾获中国汽车工业科技进步一等奖（2005）突破ESP关键动力学与控制核心技术成为我们近年来的攻关重点。一、研究背景5关键科学问题ESP控制在稳定、欠稳定区域效果明显，但仍无法防止汽车完全失控事故发生。——NHTSAReport，DOTHS810794，July，2007.本人在2008年，提出了汽车失稳临界区域概念，界定ESP由稳定滑向失稳过程，临界失稳时汽车由准稳态向瞬态非线性快速过度，过度时间100ms量级。稳定、欠稳定区失稳临界研究目标开展失稳临界区域汽车动力学稳定性控制研究，揭示汽车失稳机理，研究失稳防止控制算法，研制动力学稳定性控制器。在实现ESP基本功能样机基础上，进一步向失稳临界区域拓展，全面防范汽车极限工况失稳。6一、研究背景研究体系3三个关键问题：1）非线性瞬态动力学定量分析2）失稳过程测量与预判3）稳定性控制算法三个关键问题：1）非线性瞬态动力学定量分析2）失稳过程测量与预判3）稳定性控制算法7批准号负责人项目名称经费50575120宋健教授基金面上项目：基于驾驶员驾驶意图识别的汽车动力学稳定性控制方法25万50905092李亮青年基金项目：失稳临界区域汽车动力学状态实时观测与稳定性控制方法研究20万51275557李亮基金面上项目：汽车失稳临界区域非线性瞬态动力学定量描述理论和模型预测控制方法研究84万51422505李亮优秀青年基金：汽车三维空间稳定性机理与多安全系统协同100万04专项李亮ESP全工况性能模拟测试试验台研制620万基金支持4一、研究背景汇报内容汽车瞬态非线性动力学定量分析二失稳过程测量与预判三动力学稳定性控制方法四研究背景一小结五8二、汽车瞬态非线性动力学定量分析面向控制动力学建模1面向结构建模：ADAMS模型4轮15DOF模型实时仿真4轮7DOF模型在线控制修正的HSRI轮胎非线性建模整车与轮胎动力学参量耦合：轮胎参量：[λ,α,μ,Fz,Vwh]整车参量：[ax,ay,Vx,β,σst]实现了HSRI物理特征模型在大联合滑移的非线性区域内根据运动参量在线修正的建模方法，解决了轮胎模型精确定量化与运算实时性同时满足的难题。模型精度：偏差<10%，16位机单次运行时间<3ms9二、汽车瞬态非线性动力学定量分析面向控制动力学建模14轮7DOF模型：在线控制修正的HSRI轮胎瞬态非线性建模模型耦合轮胎：[λ,α,μ,Fz,Vwh]整车：[ax,ay,Vx,β,σst]实现了在大联合滑移的非线性区域内根据运动参量在线修正的建模方法，解决了模型精确定量化与运算实时性同时满足的难题。模型精度：偏差<10%，16位机单次周期<3ms10二、汽车瞬态非线性动力学定量分析关键动力学控制参量观测体系2231构建动力学参量观测器：

轮胎-路面动态附着轮胎力及其参数

车身侧偏角11二、汽车瞬态非线性动力学定量分析纯滑移过程附着特性识别模糊逻辑+耗散功率法动力学参量观测：轮胎-路面动态附着轮胎-路面动态附着特性3高附->低附12二、汽车瞬态非线性动力学定量分析动力学参量观测：轮胎-路面动态附着联合工况路面动态附着特性313二、汽车瞬态非线性动力学定量分析动力学参量观测：轮胎力及其参数414发表在SCI期刊Int.J.VehicleDesign

论文被引用10余次。韩国Hanyang大学KunsooHuh教授在IEEE.Trans.VT

期刊论文中引用本研究成果，认为：“提出的非线性近似观测器实现了轮胎力和轮胎参量的同步实时观测”，并在其论文中进一步引用经本人修正的HSRI轮胎模型用于汽车横向运动监控。二、汽车瞬态非线性动力学定量分析动力学参量观测：车身侧偏角5车载传感器采集信号EKF卡尔曼滤波侧向速度观测基于7自由度车辆模型的侧向加速度预估方向盘转角轮缸压力（估算）轮速纵向加速度车速（估算）横摆角速度侧向加速度预估侧向加速度侧向速度方向盘转角轮缸压力（估算）轮速车速（估算）横摆角速度纵向加速度前一时刻侧向速度路面附着系数实时估计名义横摆角速度横摆角速度偏差预估侧向加速度侧向速度路面附着系数实车路面附着系数路面附着系数侧向速度侧向速度侧向速度观测器双移线实验：成果发表在Int.J.VehDesign，Int.J.AutoTech等SCI期刊上，土耳其Toosi科技大学Khaknejad教授认为“提出了一种侧偏估算算法，并在不同路面上验证了其鲁棒性”，韩国科技大学Y.CHO教授指出本人论文“综合比较分析了所开发不同自由度非线性模型并评述了模型的非线性特征”。15汇报内容瞬态非线性动力学定量分析二失稳过程测量与预判三汽车动力学稳定性控制四研究背景一小结五16三、失稳过程测量与预判汽车动力学测量与分析1高斯投影坐标变换国内首款可实现精确非线性动力学量测实车试验平台:测量整车动力学参量多大33个。17带基站差分GPS：2cm测姿；采用6轴IMU+3轴磁力计解耦横向加速度与侧倾加速度；三、失稳过程测量与预判极限工况操纵特性分析2模型精度：最大位置偏差比传统最优预瞄驾驶员模型下降50%，最大横摆偏差下降28%闭环测试需驾驶员模型没有适用于极限工况的驾驶员模型：较好实现路径规划、高精度轨迹跟随，且考虑边界约束。最优预瞄驾驶员模型原理清晰、结构简单、应用方便、精度较高，应用比较广泛。代表论文：Comprehensivelateraldrivermodel…,Int.J.Auto.Tech.预瞄时间自适应最优预瞄驾驶员模型，机械工程学报18转向可响应分析三、失稳过程测量与预判失稳预判3稳定性预测判据剔除异常操纵19汇报内容汽车瞬态非线性动力学定量分析二失稳过程测量与预判三动力学稳定性控制四研究背景一小结五2021四、稳定性控制算法汽车稳定性控制基于驾驶意图识别的控制方法轮胎-地面附着控制驱动转矩控制基于模型的预测控制方法制动力矩控制解耦123驾驶意图识别转向操纵控制目标预测四、稳定性控制算法基于驾驶员驾驶意图识别的动力学稳定性控制1主控变量：横摆角速度辅助控制变量：侧偏角原因：1）横摆角速度偏差直接反映了转向特性和品质2）横摆角速度是直接测量的变量，可靠性高3）侧滑时不足以反映汽车的失稳状态，辅助以质心侧偏角（低附路面）侧向力主导型失稳：稳态横摆角速度偏差控制运动诱导型失稳：瞬态迟滞与超调控制稳定性控制方程研究成果被国家自然科学基金委2009年发表的《加强基础，倡导创新，规范管理，引领未来-NSFC机械学科年度结题项目评述》中作为机械系统动力学领域代表性成果加以介绍。22四、稳定性控制算法稳定性预测控制2提出基于非线性动力学模型的横摆角速度响应预测控制方法转向特性预判上图：偏差在初期较大，滞后判断为不能跟随，容易过度干预中图：对转向状态的判断比较滞后下图：融合上面两种情况的优点代表论文：SCI

3篇：Real-timeyawratepredictionbasedonnonlinearmodel…,J.AutomobileEngineering.Atorque-basednonlinearpredictivecontrolapproach...J.AutomobileEngineering.Multi-statecontrolstrategyofstartingforwetfrictionclutch...Int.J.Auto.Tech.23四、稳定性控制算法扭矩与主动制动解耦控制3扭矩滑膜控制压力滑膜控制代表论文：SCI1篇PIDplusfuzzylogicmethodforTCS…,

Int.J.Auto.Tech.CoordinatedVehicleTractionControl…,VehicleSystemDynamics.ESP/TCS控制中，动力性和平顺性有一定的矛盾：控制扭矩和压力协调不好会对耗；路面突变时，如何快速调整且过渡平顺，是控制的难点《Int.J.AutomotiveTechnology》Chiefeditor:Prof.SimsooPark:“YouhaddonemanyworksonTCSdevelopment,Simulationstudy,HILStest,andvehicletest…Itwillbeveryhelpfultoresearcherswhowanttodevelopsimilarcontrolsystem.”24四、稳定性控制算法动态附着控制：强驱动抖振防止4振动度（vibrationdegree）

TRWESP

消抖控制效果先后两篇论文发表在本领域顶级期刊上：CoordinatedVehicleTractionControl…,VehicleSystemDynamics.Anovelfuzzylogiccorrectionalgorithm…,VehicleSystemDynamics.25汇报内容汽车瞬态非线性动力学定量分析二失稳过程测量与预判三动力学稳定性控制四研究背景一小结五26五、小结提出基于驾驶员驾驶意图识别的动力学稳定性控制方法，并拓展到失稳临界区域，实现了基于模型预测的汽车动力学稳定性控制方法。打破国际公司垄断，研制了国内首款达到美国FMVSS126法规的ESP技术。并在华晨尊驰、长安C118、东风猛士等4款轿车上得到应用。制定了汽车动力学稳定性控制系统测试规范，并被华晨、长安