李勝琴 何 樂(lè)

（東北林業(yè)大學(xué)交通學(xué)院1） 哈爾濱 150040） （清華大學(xué)汽車(chē)安全與節(jié)能?chē)?guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2） 北京 100084）

0 引 言

汽車(chē)電子穩(wěn)定性程序（electronic stability program，ESP）通過(guò)控制車(chē)輪的制動(dòng)力或發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出力矩，來(lái)控制汽車(chē)的橫擺角速度并將車(chē)輛的側(cè)偏角限制在一定范圍內(nèi)，從而在汽車(chē)躲避前方突然出現(xiàn)障礙物、急轉(zhuǎn)彎車(chē)道上高速行駛以及低附路面等處于附著極限時(shí)，協(xié)助駕駛員控制汽車(chē)的操縱穩(wěn)定性［1－2］，防止車(chē)輛出現(xiàn)過(guò)度轉(zhuǎn)向、不足轉(zhuǎn)向或側(cè)翻等危險(xiǎn)工況．

國(guó)內(nèi)對(duì)ESP系統(tǒng)的研究起步較晚，大多數(shù)研究重心仍停留在控制策略的理論研究上，由于在汽車(chē)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)初期，無(wú)法實(shí)施基于整車(chē)動(dòng)力學(xué)模型和底盤(pán)電控系統(tǒng)虛擬樣機(jī)的裝備ESP等底盤(pán)電控系統(tǒng)的汽車(chē)性能評(píng)價(jià)，整車(chē)廠商很難在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段對(duì)汽車(chē)電子供應(yīng)商提出完善的產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)要求，故無(wú)法開(kāi)展對(duì)整車(chē)裝備電控系統(tǒng)后的性能預(yù)測(cè)分析控制；同時(shí)由于無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題，大大增加了整車(chē)廠商與汽車(chē)電子供應(yīng)商的底盤(pán)電控系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)周期和研發(fā)成本．

本文針對(duì)某型車(chē)建立ADAMS與MATLAB聯(lián)合仿真模型，建立基于橫擺角速度的ESP控制方法，并對(duì)控制結(jié)果進(jìn)行仿真研究，探討ESP系統(tǒng)評(píng)價(jià)方法及評(píng)價(jià)體系的合理性及有效性．

1 ESP系統(tǒng)組成及工作原理

比較典型的汽車(chē)ESP控制系統(tǒng)包括傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)、傳感器（輪速傳感器、轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器、側(cè)向加速傳感器、橫擺角速度傳感器、制動(dòng)主缸壓力傳感器）、液壓調(diào)節(jié)器、汽車(chē)穩(wěn)定性制電子控制單元（ECU）和輔助系統(tǒng)（發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)）［3－4］．

目前市場(chǎng)上的ESP系統(tǒng)基本上都是采用差速制動(dòng)作為控制方式．如圖1所示，ESP系統(tǒng)通過(guò)傳感器檢測(cè)車(chē)輛的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，與駕駛員操作意圖進(jìn)行比較，來(lái)判斷車(chē)輛是否處于穩(wěn)定的行駛狀態(tài)．進(jìn)而決定是否進(jìn)行制動(dòng)調(diào)節(jié)．首先系統(tǒng)判斷汽車(chē)處于過(guò)多轉(zhuǎn)向還是過(guò)度不足轉(zhuǎn)向，當(dāng)汽車(chē)處于過(guò)多轉(zhuǎn)向時(shí)，通過(guò)對(duì)前外車(chē)輪施加制動(dòng)產(chǎn)生與汽車(chē)轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)方向相反的橫擺力矩，從而抑制汽車(chē)的過(guò)多轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)；當(dāng)汽車(chē)處于不足轉(zhuǎn)向時(shí)，則通過(guò)對(duì)后內(nèi)側(cè)車(chē)輪施加制動(dòng)產(chǎn)生與汽車(chē)轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)方向相同的橫擺力矩，抑制汽車(chē)的不足轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)．

圖1 ESP控制系統(tǒng)原理圖

本文將橫擺角速度作為監(jiān)測(cè)狀態(tài)，進(jìn)而判斷車(chē)輛的運(yùn)行狀態(tài)，利用模糊控制理論進(jìn)行ESP系統(tǒng)控制，考察該控制系統(tǒng)的有效性與合理性．

2 車(chē)輛模型

2.1 虛擬樣機(jī)模型

為了進(jìn)行ESP控制系統(tǒng)的仿真研究，首先需要對(duì)原型車(chē)進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，建立ADAMS／Car虛擬樣機(jī)模型．ADAMS／Car整車(chē)虛擬樣機(jī)模型，通常包括前／后懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)、車(chē)身、輪胎模型等子模型及路面等外部約束．

原型車(chē)前懸架為高置雙A臂、后懸架為E型多連桿式．根據(jù)實(shí)際測(cè)量結(jié)果，在ADAMS／car中建立如圖2的包含轉(zhuǎn)向系、橫向穩(wěn)定桿的前／后懸架模型．

圖2 虛擬樣機(jī)前、后懸架模型

車(chē)輛的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)、車(chē)身及橫向穩(wěn)定器等子系統(tǒng)，可以在ADAMS／Car自帶模板的基礎(chǔ)上按照原型車(chē)參數(shù)進(jìn)行修改．車(chē)輛的各子系統(tǒng)完成之后，裝配成如圖3的整車(chē)虛擬樣機(jī)模型．

圖3 整車(chē)虛擬樣機(jī)模型

車(chē)輛的輪胎模型選用Pac2002魔術(shù)公式模型，利用輪胎試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出適用于ADAMS／Car軟件所需的參數(shù)，建立模型．利用路面建模器建立二維平坦路面．利用路面參數(shù)和車(chē)輛模型參數(shù)共同模擬實(shí)際路面附著系數(shù)的變化．

為了驗(yàn)證所建立的模型，進(jìn)行車(chē)輛雙移線試驗(yàn)?zāi)M，并將模擬結(jié)果與實(shí)車(chē)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)圖4．可以看出試驗(yàn)曲線與模擬曲線吻合程度較好，認(rèn)為所建立整車(chē)樣機(jī)模型能夠反映車(chē)輛的基本特性，可以用于進(jìn)行車(chē)輛操縱穩(wěn)定性及ESP控制系統(tǒng)的模擬仿真分析．

圖4 雙移線試驗(yàn)與模擬分析對(duì)比

2.2 聯(lián)合控制模型

為了進(jìn)行ESP控制系統(tǒng)聯(lián)合仿真，需要將在ADAMS／Car中建立的虛擬樣機(jī)模型轉(zhuǎn)化為S－function，到 Matlab／Simulink軟件環(huán)境下中進(jìn)行 閉 環(huán) 控 制 仿 真［5－6］．圖 5 為 ADAMS／Car 和Matlab／Simulink的ESP聯(lián)合仿真模型，即首先從整車(chē)虛擬樣機(jī)模型得出車(chē)輛橫擺角速度等狀態(tài)參數(shù)，然后與參考模型計(jì)算出的期望橫擺角速度進(jìn)行比較，判斷車(chē)輛的穩(wěn)定狀態(tài)，從而對(duì)相關(guān)車(chē)輪制動(dòng)．

圖5 ADAMS／car和 matlab／Simulink的ESP聯(lián)合仿真模型

圖中adams＿sub模塊是由ADAMS／Car導(dǎo)出的虛擬樣機(jī)S－function模塊，該模塊包含了整車(chē)的全部信息．其中，在建整車(chē)子部件時(shí)已定義了輸入和輸出狀態(tài)變量，如在建制動(dòng)器模型時(shí)定義各個(gè)車(chē)輪的制動(dòng)壓力為輸入狀態(tài)變量，在建車(chē)身時(shí)定義其橫向速度、縱向速度、橫擺角速度為輸出狀態(tài)變量，在建車(chē)輪時(shí)定義輪速為輸出狀態(tài)變量，在建轉(zhuǎn)向系統(tǒng)時(shí)定義轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角為輸出狀態(tài)變量．desired模塊為線性二自由理想模型，用于完成汽車(chē)期望狀態(tài)參數(shù)的計(jì)算；ESP模塊是ESP聯(lián)合仿真系統(tǒng)的核心，它主要完成汽車(chē)穩(wěn)定性判斷和主動(dòng)橫擺控制等，本文采用基于橫擺角速度的模糊控制．控制原理見(jiàn)圖6．

圖6 ESP控制原理圖

3 仿真控制效果

美國(guó)國(guó)家高速公路交通安全局NHTSA于2007年4月發(fā)布了FMVSS126，該法規(guī)對(duì)ESP的功能、試驗(yàn)方法和評(píng)價(jià)指標(biāo)作了規(guī)定．FMVSS 126標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的正弦延遲試驗(yàn)轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角如圖7所示，為0．7Hz頻率的正弦輸入，以13．5°／s的速度增加轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角，初始轉(zhuǎn)角為δ＝1．5A0．3g，入口初始速度為80km／h．每次振幅增加0．5A0．3g．轉(zhuǎn)向角最大值δ大于270°或者等于6．5倍的A0．3g時(shí)，停止試驗(yàn)．完成正弦轉(zhuǎn)角試驗(yàn)后，以車(chē)輛側(cè)向位移和橫擺角速度作為穩(wěn)定性控制的評(píng)價(jià)．

圖7 正弦延遲試驗(yàn)

當(dāng)轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角達(dá)到或超過(guò)5A0．3g時(shí)，對(duì)于整車(chē)質(zhì)量小于3 500kg的汽車(chē)，要求正弦轉(zhuǎn)角試驗(yàn)開(kāi)始后1．07s時(shí)的汽車(chē)質(zhì)心側(cè)向位移大于1．83m；對(duì)于整車(chē)質(zhì)量大于3 500kg的汽車(chē)，該位移應(yīng)大于1．52m．

對(duì)橫擺角速度的評(píng)價(jià)參看圖8，圖中T0為正弦轉(zhuǎn)角結(jié)束時(shí)刻．對(duì)橫擺角速度要求如下

式中：rpeak為第二個(gè)正弦點(diǎn)的峰值橫擺角速度；rT0＋1為 T0＋1 時(shí) 刻 的 橫 擺 角 速 度；rT0＋1．75為T(mén)0＋1．75時(shí)刻的橫擺角速度．

圖8 正弦轉(zhuǎn)角試驗(yàn)評(píng)價(jià)

按照FMVSS 126標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的正弦延遲試驗(yàn)方法，進(jìn)行了高附路面下的模擬正弦延遲試驗(yàn)仿真分析［7］．圖9和圖10分別為該車(chē)在ESP關(guān)閉和開(kāi)啟狀態(tài)下的正弦延遲試驗(yàn)仿真分析結(jié)果．由圖9可見(jiàn)，轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角幅值為80°和120°時(shí)，車(chē)輛橫擺角速度幅值隨著轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角的變化而變化，當(dāng)轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角回到中間位置后，車(chē)輛的橫擺角速度經(jīng)過(guò)了1s左右的小幅振蕩后也回到0值，說(shuō)明車(chē)輛能夠回到穩(wěn)定狀態(tài)，車(chē)輛處于能夠操縱狀態(tài)．而當(dāng)轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角幅值達(dá)到169°時(shí)，橫擺角速度經(jīng)過(guò)振蕩后沒(méi)有回到0值，轉(zhuǎn)向盤(pán)回到中間位置后車(chē)輛的橫擺角速度仍然為35°／s，在3s時(shí)刻，車(chē)輛的橫擺角速度仍然保持35°／s．圖10為開(kāi)啟了ESP系統(tǒng)后的正弦延遲試驗(yàn)仿真結(jié)果．圖中可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角幅值達(dá)到180°時(shí)，車(chē)輛的橫擺角速度在轉(zhuǎn)向盤(pán)回到中間位置后t＝3s時(shí)刻經(jīng)過(guò)振蕩歸零，車(chē)輛仍然能夠保持直線行駛，處于可操控狀態(tài)．當(dāng)轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角幅值達(dá)到279°時(shí)，車(chē)輛橫擺角速度振蕩幅值增加，但是在t＝4s時(shí)刻仍然能夠歸零，車(chē)輛能夠繼續(xù)保持直線行駛狀態(tài)，按照FMVSS 126標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，車(chē)輛仍然處于穩(wěn)定行駛狀態(tài)．說(shuō)明當(dāng)車(chē)輛處于過(guò)度轉(zhuǎn)向的極限工況下，ESP系統(tǒng)能夠抑制車(chē)輛的過(guò)度轉(zhuǎn)向，進(jìn)而使車(chē)輛在大的轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角輸入下仍然能夠維持穩(wěn)態(tài)行駛，提高了車(chē)輛的操縱穩(wěn)定性．

圖9 ESP關(guān)閉時(shí)橫擺角速度變化

4 結(jié) 論

1）利用ADAMS／Car軟件分別建立原型車(chē)各子系統(tǒng)模型，進(jìn)而建立整車(chē)虛擬樣機(jī)模型，用于進(jìn)行車(chē)輛ESP控制系統(tǒng)模擬仿真研究，試驗(yàn)驗(yàn)證模型精度高．

2）利用 Matlab／Simulink建立基于橫擺角速度的ESP模糊控制模型，能夠通過(guò)對(duì)車(chē)輪實(shí)施制動(dòng)，進(jìn)而有效地控制車(chē)輛穩(wěn)定行駛，改善汽車(chē)的操縱穩(wěn)定性．

3）按照FMVSS 126標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的正弦延遲試驗(yàn)方法，進(jìn)行高附路面下的模擬正弦延遲試驗(yàn)仿真分析，結(jié)果表明當(dāng)車(chē)輛處于過(guò)度轉(zhuǎn)向的極限工況下，ESP系統(tǒng)能夠抑制車(chē)輛的過(guò)度轉(zhuǎn)向，進(jìn)而使車(chē)輛轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角達(dá)到279°時(shí)，仍然能夠維持穩(wěn)態(tài)行駛．

圖10 ESP開(kāi)啟后橫擺角速度變化

［1］李向瑜，高振海，郭 健，等．汽車(chē)裝備電子穩(wěn)定性程序后的性能評(píng)價(jià)方法［J］．拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車(chē)，2008，35（4）：1－4．

［2］ANTON T，van Zanten．Bosch ESP systems：5years of experience［J］．SAE，2000（1）：1633－1638．

［3］余志生．汽車(chē)?yán)碚摚跰］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000．

［4］U．S．Department of Transportation，National Highway Traffic Safety Administration．Laboratory test procedure for FMVSS 126，Electronic Stability Control Systems，TP－126－01［Z］．U．S．Department of Transportation，April 10，2008．

［5］范小彬，夏群生．基于虛擬樣機(jī)的汽車(chē)穩(wěn)定性主動(dòng)橫擺模糊控制［J］．拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車(chē)，2010，37（1）：47－49．

［6］王德平，郭孔輝，宗長(zhǎng)富．車(chē)輛動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性控制的理論研究［J］．汽車(chē)工程，2000，22（1）：729－732．

［7］劉春輝，王增才．車(chē)輛電子穩(wěn)定性程序的最優(yōu)控制［J］．武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)：交通科學(xué)與工程版，2010，34（1）：64－67．