賀煥利

(湖北汽車工業(yè)學(xué)院汽車工程系，湖北十堰 442002)

車輛穩(wěn)定性控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

賀煥利

(湖北汽車工業(yè)學(xué)院汽車工程系，湖北十堰 442002)

為了防止車輛側(cè)翻和提高行車主動(dòng)安全性，建立了考慮側(cè)傾穩(wěn)定性的車輛穩(wěn)定性控制系統(tǒng)。首先建立了車輛穩(wěn)定性參考模型，分析了側(cè)傾穩(wěn)定性模型;然后為了得到維持車輛穩(wěn)定所需的修正橫擺力偶矩，基于滑?？刂圃碓O(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)的上層控制器;在制動(dòng)力分配方面，制定了單側(cè)車輪同時(shí)制動(dòng)的分配策略;最后利用CarSim和Matlab/Simulink對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行了聯(lián)合仿真試驗(yàn)驗(yàn)證與分析。魚鉤轉(zhuǎn)向開環(huán)試驗(yàn)結(jié)果表明:該控制系統(tǒng)橫向穩(wěn)定性和側(cè)傾穩(wěn)定性優(yōu)異。雙移線閉環(huán)試驗(yàn)結(jié)果表明:車輛跟蹤目標(biāo)路徑良好，即能有效響應(yīng)駕駛員的操縱意圖。該控制系統(tǒng)滿足FMVSS 126法規(guī)通過性要求，提高了車輛主動(dòng)安全性。

車輛;操縱動(dòng)力學(xué);穩(wěn)定性;側(cè)翻;滑?？刂?/p>

近年來，正碰、側(cè)碰和側(cè)翻等交通事故給人們的生命財(cái)產(chǎn)帶來嚴(yán)重?fù)p失。這主要是因?yàn)樵诟咚贀Q道行駛或躲避障礙時(shí)，駕駛員雖然轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤對(duì)車輛進(jìn)行及時(shí)干預(yù)，但由于轉(zhuǎn)向不足或轉(zhuǎn)向過多，車輛仍然產(chǎn)生駛離道路或側(cè)滑失穩(wěn)的危險(xiǎn)。側(cè)翻類型主要包括絆倒型側(cè)翻、駛離道路跌落側(cè)翻和操穩(wěn)型側(cè)翻等［1-4］。其中操穩(wěn)型側(cè)翻主要是由車輛在高附著路面上高速行駛時(shí)駕駛員轉(zhuǎn)向過急使得側(cè)向加速度過大引起的。數(shù)理統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明:重型貨車、客車、SUV等高質(zhì)心車輛高速行駛時(shí)發(fā)生操穩(wěn)型側(cè)翻的情況較多。因此，提高車輛中、高速行駛時(shí)的操縱穩(wěn)定性對(duì)車輛安全行駛具有重要意義。

目前，車輛穩(wěn)定性控制系統(tǒng)(如ESP、TCS、ESC等)能夠顯著改善車輛的操縱性能，提高主動(dòng)安全性。據(jù)美國(guó)NHTSA估計(jì)，ESC的應(yīng)用能夠使乘用車和SUV單車碰撞事故分別減少34%和59%［5-6］。2007年6月，美國(guó)推出第一部ESC實(shí)驗(yàn)法規(guī)——FMVSS 126，并于2009年9月正式實(shí)施。該法規(guī)規(guī)定美國(guó)市場(chǎng)上銷售的載荷低于4 536 kg的車輛必須裝備ESC。

現(xiàn)有的ESC系統(tǒng)穩(wěn)定性模型的建立主要基于2自由度自行車模型［7-8］，其控制對(duì)象也僅限于橫向穩(wěn)定性，因此建立基于車輛橫向和側(cè)向穩(wěn)定性的控制系統(tǒng)具有重要意義。本文以獨(dú)立前懸架、非獨(dú)立后懸架配置的某SUV為對(duì)象，首先建立了考慮側(cè)傾的線性3自由度模型，并基于該3自由度模型提出了車輛橫向穩(wěn)定和側(cè)傾穩(wěn)定的參考型模型;然后基于滑?？刂评碚撛O(shè)計(jì)了考慮側(cè)傾的車輛穩(wěn)定性控制系統(tǒng)，制定了生成修正橫擺力矩的制動(dòng)力分配策略;最后進(jìn)行了開環(huán)和閉環(huán)仿真試驗(yàn)以驗(yàn)證控制系統(tǒng)的有效性，并依據(jù)FMVSS 126法規(guī)進(jìn)行了ESC通過性試驗(yàn)。

1 線性三自由度模型

為了對(duì)車輛側(cè)傾穩(wěn)定性進(jìn)行控制與分析，需建立線性3自由度模型［9］。假設(shè)該SUV側(cè)傾軸線近似水平且接近于車軸高度位置，以車身質(zhì)心處的鉛垂線與側(cè)傾軸線的交點(diǎn)為原點(diǎn)?？v向以車身前進(jìn)方向?yàn)閤軸的正方向，以右手原則建立車輛的參考坐標(biāo)系，將車輪縱向力的作用簡(jiǎn)化為一附加的橫擺力偶矩M，忽略縱向力對(duì)車速的影響，即車速為一常量，得3自由度動(dòng)力學(xué)方程為

其中:m為整車質(zhì)量;ms為車身質(zhì)量;Ix，Ixz，Iz分別為車身對(duì)相應(yīng)軸的慣性積;h為車身質(zhì)心到側(cè)傾軸處的垂直高度;a，b分別為車身質(zhì)心到前、后軸的距離;V為車身質(zhì)心縱向速度;r為車身質(zhì)心的橫擺角速度;β為車身質(zhì)心的側(cè)偏角;p為車身的側(cè)傾角速度;φ為車身的側(cè)傾角;Fyf，F(xiàn)yr分別為前、后軸的等效側(cè)偏力;M為車輛附加的橫擺力偶矩; Kφf，Kφr分別為前懸架和后懸架彈簧的等效側(cè)傾角剛度;Cφf，Cφr分別前懸架和后懸架橫向穩(wěn)定桿的側(cè)傾角剛度;Dφf，Dφr分別為前懸架和后懸架減震器等效側(cè)傾阻尼系數(shù)。車輛受力分析簡(jiǎn)圖見圖1。

圖1 車輛受力分析簡(jiǎn)圖

由線性輪胎模型和運(yùn)動(dòng)學(xué)基本關(guān)系可得

其中:kf和kr分別為前、后軸輪胎的側(cè)偏角剛度; αf，αr為前、后軸輪胎的等效側(cè)偏角;Ef，Er分別為前、后軸車輪的等效側(cè)傾轉(zhuǎn)向系數(shù)。將式(2)代入車輛3自由度動(dòng)力學(xué)方程，取狀態(tài)變量為X= [βrpφ]T，則可以表示為狀態(tài)空間方程的形式，即F=GX+QU，其中U=[δM]T。進(jìn)一步化簡(jiǎn)可得=AX+BU，其中A=F-1G，B=F-1Q。

2 車輛穩(wěn)定性參考模型

2.1 車輛橫向穩(wěn)定性

車輛橫向穩(wěn)定指車輛轉(zhuǎn)向行駛過程中無側(cè)滑甩尾發(fā)生，并能有效地響應(yīng)駕駛員的行駛意圖。其中，側(cè)滑甩尾現(xiàn)象產(chǎn)生的原因主要是由于車輛受地面附著條件限制以致不能得到維持其穩(wěn)定行駛的側(cè)向附著力。而駕駛員對(duì)方向盤轉(zhuǎn)角的操縱輸入主要來源于與車輛穩(wěn)態(tài)增益有關(guān)的駕駛經(jīng)驗(yàn)，因而車輛橫向穩(wěn)定性參考模型主要由地面附著條件和車輛穩(wěn)態(tài)增益決定，規(guī)定了車輛橫向穩(wěn)定時(shí)狀態(tài)量(如側(cè)向加速度、質(zhì)心側(cè)偏角和橫擺角速度等)的大小。

1)側(cè)向加速度ay受側(cè)向附著系數(shù)μs的限制。理論上ay最大可達(dá)9.8 μsm/s2。本研究ay最大值取aymax=8 μsm/s2。

3)標(biāo)定橫擺角速度參考值rref是橫向穩(wěn)定控制的核心與關(guān)鍵。令X·=0，由狀態(tài)空間方程·X= AX+BU得橫擺角速度對(duì)車輪轉(zhuǎn)角的穩(wěn)態(tài)增益為r(s)/δ(s)=Gainr。另外，當(dāng)車輛過度轉(zhuǎn)向時(shí)，最大的橫擺角速度受最大側(cè)向加速度的限制，因而r的參考值為rref=min{Gainr*δaymax/(Vcosβ)}。當(dāng)r-rref=Δx2＞0時(shí)，車輛轉(zhuǎn)向過多;當(dāng)rrref=Δx2＜0時(shí)，車輛轉(zhuǎn)向不足。

2.2 車輛側(cè)傾穩(wěn)定性

若車輛橫向穩(wěn)定，則其側(cè)滑甩尾引起的絆倒型側(cè)翻和駛離道路引起的跌落側(cè)翻可以得到很大程度的避免。即車輛橫向穩(wěn)定性控制影響車輛的側(cè)傾穩(wěn)定性。本文將進(jìn)一步探討操穩(wěn)型側(cè)翻的側(cè)傾穩(wěn)定性問題。

操穩(wěn)型側(cè)翻多是在側(cè)向加速度變化很快的情況下發(fā)生的。對(duì)方向盤角階躍輸入的車輛系統(tǒng)來說，其側(cè)傾角在初次達(dá)到穩(wěn)態(tài)之后會(huì)有一個(gè)超調(diào)量，可能會(huì)在比準(zhǔn)靜態(tài)側(cè)翻條件更小的側(cè)向加速度時(shí)導(dǎo)致內(nèi)側(cè)車輪離開地面，即準(zhǔn)靜態(tài)側(cè)翻假設(shè)在側(cè)向加速度變化較慢時(shí)才合理，因而操穩(wěn)型側(cè)翻主要是一種瞬態(tài)側(cè)翻。側(cè)傾角超調(diào)量的大小與側(cè)傾阻尼和輸入頻率有關(guān)，故提高車輛側(cè)傾穩(wěn)定性的思路為:①控制系統(tǒng)能夠使車輛側(cè)傾角盡快達(dá)到穩(wěn)態(tài)，即相當(dāng)于增大側(cè)傾阻尼;②控制系統(tǒng)能夠降低駕駛員的操縱頻率，從而遠(yuǎn)離側(cè)傾共振頻率。

同理，令X·=0，由狀態(tài)空間方程X·=AX+BU得側(cè)傾角對(duì)車輪轉(zhuǎn)角的穩(wěn)態(tài)增益為φ(s)/δ(s)= Gainφ，即φstable=δGainφ。故可得側(cè)傾角的參考值為

即若側(cè)傾角φ一直在穩(wěn)態(tài)側(cè)傾角容許極限內(nèi)，則有φref-φ=Δx4= 0;否則，控制系統(tǒng)認(rèn)為側(cè)傾角響應(yīng)值偏大，車輛有側(cè)傾失穩(wěn)的危險(xiǎn)。由于一般的控制系統(tǒng)是基于單一的控制目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)，而汽車實(shí)際工作過程中側(cè)向穩(wěn)定性和橫向穩(wěn)定性總是相互影響，因此必須建立一個(gè)合適的控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)側(cè)向和橫向穩(wěn)定這兩個(gè)控制目標(biāo)。

3 車輛穩(wěn)定性控制系統(tǒng)

圖2 系統(tǒng)工作原理

3.1 滑模變結(jié)構(gòu)控制器設(shè)計(jì)

由于滑模變結(jié)構(gòu)控制相對(duì)于其他控制策略具有響應(yīng)快速、對(duì)參數(shù)變化和擾動(dòng)不靈敏的優(yōu)點(diǎn)，因此適合于車輛穩(wěn)定性控制，以保證控制算法的時(shí)效性。

依據(jù)所建立的線性3自由度模型，以附加的橫擺力矩M為系統(tǒng)輸入u，將車輪轉(zhuǎn)角δ視為系統(tǒng)的干擾輸入，在車輛系統(tǒng)的狀態(tài)空間方程中提取車身質(zhì)心側(cè)偏角、車身質(zhì)心橫擺角速度和車身側(cè)傾角3個(gè)分量，將動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)一步整理成如下形式:

定義滑模面切換函數(shù)為s=Cs(-ref)。根據(jù)滑模變結(jié)構(gòu)原理，滑模可達(dá)性條件僅能保證狀態(tài)空間任意位置運(yùn)動(dòng)點(diǎn)在有限時(shí)間內(nèi)達(dá)到切換面的要求，而對(duì)于趨近運(yùn)動(dòng)的具體軌跡未作任何限制，顯然并不利于車輛的穩(wěn)定性控制。本文采用指數(shù)趨近律法則改善運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)。

在保證快速趨近的同時(shí)，為了消除抖振，采用邊界層法，即引入飽和函數(shù)替代符號(hào)函數(shù)。定義飽和函數(shù)如下:即由滑?？刂破鞯玫剿璧臋M擺力偶矩。

3.2 制動(dòng)力分配策略

在美國(guó)法規(guī)FMVSS 126中要求ESC能夠獨(dú)立地調(diào)整各輪的制動(dòng)力矩，從而產(chǎn)生所需的橫擺力矩，因而ESC配備的ABS一般為4通道-4傳感器的結(jié)構(gòu)布置形式。諸多研究中生成橫擺力偶矩多采用單個(gè)車輪制動(dòng)方式，如前外輪或后內(nèi)輪制動(dòng)的方式［11-12］。這種制動(dòng)力分配方式所需的制動(dòng)輪缸壓力較大。本研究采取了更為簡(jiǎn)單有效的制動(dòng)力分配策略，主要特點(diǎn)為:①根據(jù)滑?？刂破魉脵M擺力矩的方向和大小，依靠單側(cè)車輪制動(dòng)生成橫擺力矩，從而減小制動(dòng)輪缸的壓力;②充分利用前后軸制動(dòng)力分配的結(jié)構(gòu)參數(shù)和車輪轉(zhuǎn)角的大小計(jì)算和調(diào)節(jié)所需的制動(dòng)主缸壓力，從而在液壓測(cè)試方面只需一個(gè)制動(dòng)主缸壓力傳感器即可。

對(duì)單個(gè)車輪來說，制動(dòng)力Fxi和制動(dòng)力矩Mbi近似存在如下關(guān)系:

而制動(dòng)力矩和制動(dòng)輪缸壓力近似滿足

其中:μbAbRb為與制動(dòng)器類型和結(jié)構(gòu)有關(guān)的制動(dòng)壓力系數(shù);i分別為各車輪fl，fr，rl，rr的標(biāo)注符號(hào)。

設(shè)直線行駛時(shí)前后軸制動(dòng)力的分配比為λ，若前軸車輪制動(dòng)輪缸與制動(dòng)主缸壓力相同均為P0，由式(6)、(7)得后軸車輪制動(dòng)輪缸壓力為λP0。

對(duì)車輛進(jìn)行受力分析，當(dāng)橫擺力矩為正時(shí)，左側(cè)車輪制動(dòng)，可得整理可得

3.3 ABS控制器與執(zhí)行器

依據(jù)該SUV的軸荷分布和輪胎的力學(xué)特性可知:當(dāng)將前軸兩輪的滑移率sf控制在0.12～0.17時(shí)，將后軸兩輪的滑移率sr控制在0.1～0.15可使各輪均獲得較大的制動(dòng)力系數(shù)和側(cè)向力系數(shù)。通過對(duì)各車輪實(shí)際的滑移率與滑移率參考值比較進(jìn)行判斷，ABS控制器輸出控制模式信號(hào)，對(duì)液壓電磁閥進(jìn)行開關(guān)控制。即當(dāng)實(shí)際滑移率低于下限參考值時(shí)輸出模式為1，對(duì)制動(dòng)輪缸加壓;當(dāng)實(shí)際的滑移率高于其上限參考值時(shí)輸出模式為0，對(duì)制動(dòng)輪缸進(jìn)行減壓;當(dāng)滑移率在上限參考值和下限參考值之間時(shí)，保持原有的輸出模式不變，制動(dòng)輪缸保壓。另設(shè)液壓回路壓力的傳遞遲滯均為0.06 s，從而建立了ABS控制器與執(zhí)行器模型。

4 典型工況仿真驗(yàn)證

4.1 CarSim實(shí)車仿真模型

車輛實(shí)際行駛時(shí)，輪胎特性、道路附著條件、制動(dòng)等對(duì)轉(zhuǎn)向具有非線性影響。為了提高實(shí)車的仿真精度和驗(yàn)證穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的控制效果，需要建立接近實(shí)車動(dòng)力學(xué)特性的整車模型。本研究采用面向特性的參數(shù)化建模方法，依據(jù)該車的基本參數(shù)(如表1所示)，在CarSim中定義和設(shè)置了車身、輪胎、懸架、制動(dòng)系等各子模型的具體特性參數(shù)，忽略車輛空氣動(dòng)力學(xué)的影響，建立了CarSim實(shí)車仿真模型［13］，如圖2所示。該模型實(shí)質(zhì)上為非線性整車動(dòng)力學(xué)模型。

另外，通過CarSim內(nèi)置的K＆C仿真試驗(yàn)臺(tái)可以測(cè)試和計(jì)算得到前后懸架的等效側(cè)傾角剛度、輪胎線性側(cè)偏剛度等量，從而用于基于3自由度模型的控制器設(shè)計(jì)與計(jì)算，具體方法不再贅述。

為了對(duì)比分析上述RSC的控制效果，本研究建立了另外一種PID跟隨控制算法，即只對(duì)橫擺角速度量起控制作用的經(jīng)典ESC控制器。然后利用CarSim與Matlab/Simulink對(duì)ESC、RSC進(jìn)行了開環(huán)和閉環(huán)聯(lián)合仿真試驗(yàn)驗(yàn)證。

4.2 魚鉤轉(zhuǎn)向開環(huán)仿真試驗(yàn)

由于魚鉤轉(zhuǎn)向試驗(yàn)是種最易于發(fā)生轉(zhuǎn)向行駛側(cè)翻的試驗(yàn)，因而在美國(guó)聯(lián)邦法規(guī)49CFR Part 575［14］中被作為一種動(dòng)態(tài)試驗(yàn)用于評(píng)估車輛防側(cè)翻安全性能。它模擬車輛駛到道路一側(cè)的邊緣后，為了盡快使車輛避免可能的墜落或絆倒危險(xiǎn)，駕駛員通常在驚慌失措的情況下轉(zhuǎn)向過大過急，致使車輛過多校正，從而發(fā)生側(cè)翻的情況。本研究進(jìn)行魚鉤轉(zhuǎn)向的仿真試驗(yàn)條件為:試驗(yàn)廣場(chǎng)的路面附著系數(shù)為0.85，試驗(yàn)車輛首先以80 km/h速度直線行駛，在1 s時(shí)駕駛員換至空擋后開始輸入魚鉤轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)角(如圖3所示)，試驗(yàn)車輛在駕駛員的轉(zhuǎn)向控制下自由行駛。

表1 某SUV車輛基本參數(shù)

圖3 魚鉤轉(zhuǎn)向方向盤轉(zhuǎn)角輸入

車身側(cè)傾角試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。由圖4可知:無穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的車輛發(fā)生側(cè)翻。RSC和ESC均能提高車輛的防側(cè)翻能力，即所提出的RSC控制算法和制動(dòng)力分配策略有效。ESC雖沒有考慮側(cè)傾問題，但其通過對(duì)不足轉(zhuǎn)向和過多轉(zhuǎn)向的控制調(diào)節(jié)來對(duì)車輛側(cè)傾進(jìn)行間接控制。RSC雖然對(duì)車輛的側(cè)傾穩(wěn)定性與橫向穩(wěn)定性同時(shí)進(jìn)行控制，但側(cè)傾穩(wěn)定性控制并沒有對(duì)車輛橫向穩(wěn)定性產(chǎn)生負(fù)面影響。

圖4 車身側(cè)傾角試驗(yàn)結(jié)果

質(zhì)心側(cè)向加速度響應(yīng)如圖5所示。對(duì)于無穩(wěn)定性控制的車輛來說，臨近側(cè)翻時(shí)即4.6 s時(shí)刻車輛的側(cè)向加速度瞬態(tài)峰值約為0.81 g。對(duì)于ESC來說，瞬態(tài)峰值出現(xiàn)相對(duì)較晚，峰值約為0.72g，相比無控制車輛下降了12.5%。而對(duì)于RSC來說，在4～8 s時(shí)段內(nèi)側(cè)向加速度波動(dòng)不明顯，相對(duì)ESC更為穩(wěn)定，即RSC系統(tǒng)側(cè)傾穩(wěn)定性控制有助于降低車輛質(zhì)心處側(cè)向加速度，提高車輛的側(cè)向穩(wěn)定性。

圖5 質(zhì)心側(cè)向加速度響應(yīng)

如圖6所示，ESC在面對(duì)魚鉤轉(zhuǎn)向這種惡劣轉(zhuǎn)向情況時(shí)，車身側(cè)偏角在4～6 s時(shí)間段顯著增大，車輛表現(xiàn)出有一定程度側(cè)滑甩尾。這無疑會(huì)增大駕駛員對(duì)車輛的控制難度，而RSC基本能夠使側(cè)偏角控制在車輛穩(wěn)定要求的范圍內(nèi)。

圖6 車身質(zhì)心側(cè)偏角

4.3 雙移線閉環(huán)仿真試驗(yàn)

為了能更真實(shí)地驗(yàn)證控制系統(tǒng)對(duì)車輛穩(wěn)定性的影響，進(jìn)行雙移線仿真試驗(yàn)以檢驗(yàn)車輛回避障礙性能和閉環(huán)響應(yīng)能力。在CarSim中設(shè)置雙移線車輛的目標(biāo)路徑并構(gòu)建道路場(chǎng)景，試驗(yàn)路面附著系數(shù)為0.85。轉(zhuǎn)向駕駛員模型選用MacAdam駕駛員模型［15］，預(yù)瞄時(shí)間為0.5 s。車速駕駛員模型自動(dòng)控制節(jié)氣門開度和擋位變化使車輛以50 km/h的目標(biāo)車速行駛。某時(shí)刻雙移線閉環(huán)仿真試驗(yàn)場(chǎng)景如圖7所示。

圖7 雙移線閉環(huán)仿真試驗(yàn)場(chǎng)景

由圖8車輛行駛軌跡可知:該試驗(yàn)條件下ESC和RSC基本都能跟蹤所設(shè)的目標(biāo)路徑，與無穩(wěn)定性控制的車輛相比，其橫向穩(wěn)定性更加優(yōu)異。從圖9可見:ESC和RSC使駕駛員轉(zhuǎn)向輸入更為平穩(wěn)，RSC也進(jìn)一步降低了駕駛員的操縱強(qiáng)度，使輸入頻率盡可能遠(yuǎn)離側(cè)傾共振頻率。

圖8 大地坐標(biāo)系下車輛行駛軌跡

圖9 駕駛員方向盤轉(zhuǎn)角輸入

4.4 FMVSS 126通過性仿真試驗(yàn)

根據(jù)美國(guó)法規(guī)FMVSS126試驗(yàn)方法和評(píng)價(jià)指標(biāo)，利用CarSim和Simulink建立仿真試驗(yàn)流程［16］。方向盤轉(zhuǎn)角信號(hào)根據(jù)車輛狀態(tài)和試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)編程計(jì)算自動(dòng)生成，主要為開環(huán)斜坡轉(zhuǎn)向和0.7 Hz正弦轉(zhuǎn)向輸入，如圖10(a)所示。對(duì)設(shè)計(jì)的RSC系統(tǒng)進(jìn)行通過性測(cè)試，部分仿真結(jié)果如圖10所示。側(cè)偏角、橫擺角速度、側(cè)傾角的實(shí)車仿真值基本能快速跟蹤其穩(wěn)定性參考值，進(jìn)一步說明將滑?？刂扑惴☉?yīng)用于車輛穩(wěn)定性的跟隨控制非常有效。為了能夠清晰反映ABS防抱死控制器對(duì)制動(dòng)輪缸壓力的調(diào)節(jié)作用，任意選取了70～90 s時(shí)段各制動(dòng)輪缸壓力變化曲線(如圖10(e)所示)，結(jié)果表明該系統(tǒng)符合法規(guī)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了車輛3種典型側(cè)翻形式與車輛橫向穩(wěn)定性和側(cè)傾穩(wěn)定性之間的關(guān)系，提出以轉(zhuǎn)向輸入的穩(wěn)態(tài)側(cè)傾角響應(yīng)作為側(cè)傾穩(wěn)定性的控制目標(biāo)?；诨？刂评碚撛O(shè)計(jì)了車輛穩(wěn)定性系統(tǒng)的上層控制器，制定了一種新形式的制動(dòng)力分配策略，并與具有車輪防抱死功能的ABS控制器共同應(yīng)用于車輛穩(wěn)定性控制。對(duì)所設(shè)計(jì)的車輛穩(wěn)定性控制系統(tǒng)進(jìn)行了開環(huán)和閉環(huán)仿真試驗(yàn)。結(jié)果表明:該系統(tǒng)效果良好，且滿足FMVSS 126法規(guī)通過性試驗(yàn)要求，顯著提高了車輛主動(dòng)安全性。

圖10 FMVSS 126通過性試驗(yàn)

［1］National Highway Traffic Safety Administration(NHTSA).National Automotive Sampling System［DB/OL］.［2009-10-22］.http://www-nass.nhtsa.dot.gov/ nass/cds/SearchForm.aspx.

［2］邵毅明，司紅建，查官飛.大客車側(cè)翻安全性仿真分析［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2013，27(2):6 -12.

［3］Chantal S.Parenteau，David C.Viano，Minoo Shah，et al. Field Relevance of a Suite of Rollover Tests to Real-world Crashes and Injures［J］.Accident Analysis＆Prevention，2003，35:103-110.

［4］倪菲菲，張良平.汽車準(zhǔn)靜態(tài)側(cè)翻的仿真分析［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2013，27(3):12-15.

［5］NHTSA.Final Rule:FMVSS 126 Electronic Stability Control System［S/OL］.［2007-03-11］.http://www. nhtsa.gov/DOT/NHTSA/Rulemaking/Rules/Associated%20Files/ESC_FR_03_2007.pdf.

［6］郭孔輝，付皓，胡進(jìn)等.車輛電子穩(wěn)定性控制試驗(yàn)與評(píng)價(jià)方法的仿真應(yīng)用［J］.汽車技術(shù)，2008(10):1-3，15.

［7］王軍，李飛強(qiáng)，劉昭度，等.基于分布式結(jié)構(gòu)的車輛穩(wěn)定性控制系統(tǒng)［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2009，40(6):33 -36.

［8］趙樹恩，李以農(nóng)，鄭玲，等.基于滑?？刂评碚摰能囕v橫向穩(wěn)定性控制［J］.重慶大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2007，30(8):1-5.

［9］郭孔輝.汽車操縱動(dòng)力學(xué)［M］.長(zhǎng)春:吉林科學(xué)技術(shù)出版社，1991.

［10］KIENCKE U，NIELSEN L.Automotive Control Systems for Engine，Driveline，and Vehicle［M］.2nd ed.Berlin: Springer，2005:345-349.

［11］盧少波，李以農(nóng)，鄭玲.基于制動(dòng)與懸架系統(tǒng)的車輛主動(dòng)側(cè)翻控制的研究［J］.汽車工程，2011，33(8):669 -675.

［12］Rajesh Rajamanj.Vehicle Dynamics and Control［M］. Berlin:Springer，2005:221-240.

［13］李志魁.基于CarSim的整車動(dòng)力學(xué)建模與操縱穩(wěn)定性仿真研究［D］.長(zhǎng)春:吉林大學(xué)，2007.

［14］National Highway Traffic Safety Administration(NHTSA).49 CFR Part 575:Rollover Resistance［R］.USA: NHTSA，2001.

［15］MacAdam C C.Application of an Optimal Preview Control for Simulation of Closed-Loop Automobile Driving［J］.IEEE Transactions on Systems，Man and Cybernetics，1981，11(6):393-399.

［16］Mechanical Simulation Corporation.FMVSS 126 Electronic Stability Test and CarSim［R］.USA:CarSim Technical Memo，2007.

(責(zé)任編輯 劉舸)

Design and Analysis of Stability Control System for Vehicles

HE Huan-li

(Department of Automotive Engineering，
Hubei University of Automotive Technology，Shiyan 442002，China)

In order to prevent vehicle rollover and enhance traffic active safety，a new stability control system with roll stability considered is presented.Firstly，by analyzing the theoretical basis of roll stability，the new stability reference model was deduced and established.Then an upper controller based on sliding mode control was designed to calculate the yaw moment needed in keeping vehicle driving stably.The braking force allocation strategy was also developed with unilateral wheels braking at the same time.Finally，by using co-simulation method between CarSim and Matlab/Simulink，the effectiveness of the control system proposed was verified and further analyzed.The fishhook steering test shows the system is excellent in keeping both lateral stability and roll stability.The double lanechange test shows vehicle with the system performs well in tracking the target path and responding the drive’s intention.The proposed stability control system satisfies FMVSS 126 regulation，and it is feasible to enhance vehicle active safety.

vehicles;maneuver dynamics;stability;rollover;sliding mode control

U461

A

1674-8425(2014)06-0025-07

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2014.06.005

2014-01-09

賀煥利(1984—)，女，陜西寶雞人，主要從事車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)與控制研究。

賀煥利.車輛穩(wěn)定性控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2014(6):25-31.

format:HE Huan-li.Design and Analysis of Stability Control System for Vehicles［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2014(6):25-31.