陳慶樟，何 仁，李學(xué)智，許廣舉

(1.常熟理工學(xué)院汽車工程學(xué)院，江蘇常熟215500;2.江蘇大學(xué)汽車工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇鎮(zhèn)江212013)

汽車爆胎后運(yùn)動(dòng)特性發(fā)生改變，容易導(dǎo)致駕駛員的倉促應(yīng)激性操作［1］，一旦駕駛員操作不當(dāng)，汽車將發(fā)生劇烈的側(cè)滑、甩尾，甚至翻傾事故，爆胎自動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)在發(fā)生爆胎后采用自動(dòng)制動(dòng)方式讓車速在車輛失控前減到安全車速范圍或至車輛停下來，可以彌補(bǔ)駕駛員制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間延遲的問題，輔助爆胎車輛實(shí)現(xiàn)安全停車［2-4］.筆者針對(duì)汽車爆胎應(yīng)急自動(dòng)制動(dòng)穩(wěn)定性控制進(jìn)行研究，開發(fā)具有穩(wěn)定性控制功能的爆胎應(yīng)急自動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng).

1 爆胎應(yīng)急自動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)原理

爆胎應(yīng)急自動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)硬件原理如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)硬件原理

基于電控液壓制動(dòng)系統(tǒng)(EHB)的應(yīng)急自動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)，硬件上增加橫擺角速度傳感器和爆胎信號(hào)輸入.爆胎應(yīng)急制動(dòng)穩(wěn)定性控制系統(tǒng)控制單元根據(jù)爆胎信號(hào)驅(qū)動(dòng)制動(dòng)電動(dòng)泵及各電磁閥對(duì)車輛實(shí)施自動(dòng)制動(dòng);根據(jù)橫擺角及橫擺角速度變化情況，對(duì)車輛實(shí)施相應(yīng)差動(dòng)制動(dòng)以實(shí)現(xiàn)車輛的制動(dòng)方向穩(wěn)定;根據(jù)輪速信號(hào)判斷車輪是否抱死，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)電磁閥實(shí)現(xiàn)各車輪的防抱死控制.

系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)如圖2所示，包括常規(guī)制動(dòng)、自動(dòng)制動(dòng)的動(dòng)力源部分、各輪缸進(jìn)油閥、出油閥，隔離閥和平衡閥.在汽車行駛過程中，在蓄能器作用下自動(dòng)制動(dòng)液壓管路上保持一定的預(yù)壓力，常規(guī)制動(dòng)中踏板4作用后，液壓力從制動(dòng)主缸經(jīng)隔離閥、平衡閥傳至各輪缸，進(jìn)行常規(guī)制動(dòng)(圖2中EHB系統(tǒng)的踏板模擬器等沒有示出).當(dāng)發(fā)生爆胎后，自動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)開始作用，隔離閥、平衡閥得電作用，各輪缸進(jìn)油閥打開，制動(dòng)液壓壓力由自動(dòng)制動(dòng)的動(dòng)力源部分傳至各輪缸，爆胎應(yīng)急自動(dòng)制動(dòng)穩(wěn)定性控制系統(tǒng)根據(jù)橫擺角速度信號(hào)，判斷車輛行駛狀態(tài)，進(jìn)而確定各輪缸制動(dòng)壓力大小，產(chǎn)生相應(yīng)的差動(dòng)制動(dòng)，實(shí)現(xiàn)車輛行駛狀態(tài)的控制.

圖2 系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

2 爆胎應(yīng)急自動(dòng)制動(dòng)穩(wěn)定性控制策略

2.1 自動(dòng)制動(dòng)執(zhí)行模塊

由于發(fā)生爆胎瞬間，車輛由于爆胎而產(chǎn)生的橫擺還沒有建立，這時(shí)4個(gè)車輪均施加制動(dòng)力，施加時(shí)間為t0，之后根據(jù)車輛由于爆胎而產(chǎn)生附加的橫擺力矩，確定出車輛抗爆胎橫擺所需的差動(dòng)制動(dòng)模式，對(duì)爆胎輪的對(duì)側(cè)輪缸進(jìn)行增壓［5-8］，根據(jù)車輛橫擺角速度信號(hào)判斷車輛軌跡偏差量，偏差值正的為逆時(shí)針，負(fù)的為順時(shí)針，偏差量如在閾值范圍內(nèi)，可以在4個(gè)車輪上繼續(xù)加力(10 ms)，如橫擺為逆時(shí)針則執(zhí)行抗車輛逆時(shí)針橫擺狀態(tài)值，如橫擺為順時(shí)針則執(zhí)行抗車輛順時(shí)針橫擺狀態(tài)值，車輪ABS控制采用每隔50 ms中斷1次執(zhí)行，如果有ABS控制則優(yōu)先于應(yīng)急穩(wěn)定性控制，執(zhí)行完ABS控制中斷后返回至應(yīng)急穩(wěn)定性控制.直至車速降至20 km·h-1后，車輛保持原制動(dòng)狀態(tài)到停車.

爆胎應(yīng)急自動(dòng)制動(dòng)執(zhí)行模塊如圖3所示，只給出了左后輪爆胎時(shí)控制流程，ifflag=3，而其他輪爆胎的控制流程與左后的基本一致，只需在各狀態(tài)值標(biāo)記上修改成相應(yīng)的爆胎輪標(biāo)記號(hào)就可以.圖3中e為實(shí)際橫擺角速度偏差，Δ為橫擺角速度偏差閥值.

圖3 爆胎應(yīng)急自動(dòng)制動(dòng)執(zhí)行模塊

爆胎應(yīng)急自動(dòng)制動(dòng)各執(zhí)行狀態(tài)值如圖4a-d所示，4種爆胎狀態(tài)(只考慮單獨(dú)車輪爆胎)，共16種狀態(tài)值.FS，RS分別表示前、后隔離閥狀態(tài)，它們?cè)谧詣?dòng)制動(dòng)過程中均保持分隔狀態(tài)即FS=1，RS=1;FB，RB分別表示前、后平衡閥狀態(tài).圖3中狀態(tài)值為0時(shí)則是各輪缸保持壓力;狀態(tài)值為1時(shí)為產(chǎn)生抗順時(shí)針橫擺力矩狀態(tài);狀態(tài)值為2時(shí)為產(chǎn)生抗逆時(shí)針橫擺力矩狀態(tài);狀態(tài)值為3時(shí)為4輪均加壓制動(dòng)狀態(tài).LF-in=0，LF-out=1分別表示左前輪缸進(jìn)、出液閥關(guān)閉或打開;RF-in=0，RF-out=1分別表示右前輪缸進(jìn)、出液閥關(guān)閉或打開;LR-in=0，LR-out=1分別表示左后輪缸進(jìn)、出液閥關(guān)閉或打開RR-in=0，RR-out=1分別表示右后輪缸進(jìn)、出液閥關(guān)閉或打開.

圖4 爆胎應(yīng)急自動(dòng)制動(dòng)各執(zhí)行狀態(tài)值

2.2 爆胎附加橫擺力矩模糊控制器設(shè)計(jì)

采用二維模糊控制器，以車輛橫擺角速度偏差E和橫擺角速度偏差變化率EC作為輸入變量;以爆胎輪對(duì)側(cè)車輪差動(dòng)制動(dòng)輪缸調(diào)節(jié)壓力作為輸出變量.將輸入變量和輸出變量進(jìn)行模糊化，輸入變量和輸出變量的模糊子集均分為{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}7個(gè)模糊等級(jí)，分別表示“負(fù)大”“負(fù)中”“負(fù)小”“0”“正小”“正中”“正大”［6］.

模糊控制器的設(shè)計(jì)原則:當(dāng)實(shí)際值遠(yuǎn)小于期望狀態(tài)值時(shí)，即NB，如果此時(shí)的偏差變化率也遠(yuǎn)小于期望值，為NB，那么為了盡快消除偏差，應(yīng)對(duì)車輛施加一個(gè)正方向的較大的力矩，即此時(shí)的控制量取最大正大PB;而如果此時(shí)的偏差變化率為正小PS，偏差有減小的趨勢，所以應(yīng)取中等正向控制力矩，以防止系統(tǒng)超調(diào)，但又能加快達(dá)到目標(biāo)值的速度;當(dāng)偏差變化為PS或PB時(shí)，易產(chǎn)生超調(diào)，所以此時(shí)控制量應(yīng)不增加或增加較小;同理當(dāng)時(shí)機(jī)狀態(tài)值遠(yuǎn)大于期望的車輛運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，即偏差為PB，如果此時(shí)偏差的變化率也為PB，那么為了盡快消除偏差，應(yīng)對(duì)車輛施加一個(gè)負(fù)方向的較大的控制力矩，此時(shí)的控制量取負(fù)大NB;偏差較小時(shí)，為了防止超調(diào)，并使系統(tǒng)盡快穩(wěn)定，主要矛盾己轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定問題，這時(shí)主要根據(jù)偏差的變化率來安排控制量的變化.根據(jù)這種原則列出表1所示的模糊控制規(guī)則表.

表1 模糊控制規(guī)則表

控制器的輸入變量為橫擺角速度偏差E和橫擺角速度偏差變化率EC，輸出為爆胎輪對(duì)側(cè)差動(dòng)制動(dòng)輪缸調(diào)節(jié)壓力pw，E=γ-γref，EC=˙γ-˙γref，式中:γ為橫擺角;γref為橫擺角參考值(文中只考慮直線行駛，該值為0);˙γ為橫擺角速度;˙γref為橫擺角速度參考值.右前、左后輪爆胎時(shí)，爆胎輪對(duì)側(cè)輪缸電磁閥控制與模糊規(guī)則輸出量關(guān)系如表2所示，左前、右后輪爆胎時(shí)模糊規(guī)則輸出正好相反，如表3所示，offside-in，offside-out分別為爆胎輪對(duì)側(cè)車輪輪缸進(jìn)、出油閥狀態(tài).

表2 右前、左后輪爆胎，爆胎輪對(duì)側(cè)輪缸電磁閥控制與模糊規(guī)則輸出量關(guān)系

表3 左前、右后輪爆胎，爆胎輪對(duì)側(cè)輪缸電磁閥控制與模糊規(guī)則輸出量關(guān)系

3 實(shí)車試驗(yàn)

模擬爆胎裝置連接實(shí)物圖如圖5所示，包括接收與發(fā)射裝置、搖控裝置、放氣電磁閥和爆胎模擬放氣控制閥.

圖5 模擬爆胎裝置連接實(shí)物圖

試驗(yàn)采用的車輛為BJ2500，車輛輪胎氣壓均充至正常值(250 kPa)，平直水泥路面(本公司試驗(yàn)場)，模擬爆胎裝置的爆胎采用搖控開關(guān)控制，為了檢測車輛爆胎制動(dòng)中減速度變化狀況，實(shí)車試驗(yàn)系統(tǒng)中，在車輛靠近質(zhì)心處安裝了加速度傳感器.試驗(yàn)系統(tǒng)模擬爆胎裝置裝車實(shí)景圖如圖6所示，用DL750示波器采集橫擺角速度信號(hào)及輪速信號(hào)，以記錄判斷車輛縱向行駛及橫擺響應(yīng)情況.

圖6 實(shí)車試驗(yàn)系統(tǒng)裝置

采集3路信號(hào)包括系統(tǒng)觸發(fā)信號(hào)(CH1)、橫擺角速度信號(hào)(CH2)和車輛加速度信號(hào)(CH3)，在車速為60 km·h-1，無穩(wěn)定性控制時(shí)，爆胎后純4輪自動(dòng)制動(dòng)，橫擺角速度輸出及加速度輸出信號(hào)(采用電壓值表示)如圖7所示.采用文中所述爆胎穩(wěn)定控制自動(dòng)制動(dòng)策略，車輛橫擺角速度輸出及加速度輸出信號(hào)如圖8所示.

圖7 車速為60 km·h-1，無穩(wěn)定性控制時(shí)，爆胎后車輛橫擺角速度及加速度輸出信號(hào)

圖8 車速為60 km·h-1時(shí)，爆胎穩(wěn)定性控制橫擺角速度輸出及加速度輸出信號(hào)

從圖7可以看出:沒有穩(wěn)定性控制時(shí)，在爆胎后的2 000 ms內(nèi)，橫擺角速度最開始波動(dòng)幅度較大，接著橫擺角速度降低至2.25 V左右，并隨著車速降低(1 500 ms內(nèi))，橫擺角速度值基本回至原值(2.50 V);加速度信號(hào)在爆胎后的2 000～5 000 ms內(nèi)波動(dòng)，接著以一定減速度減速，穩(wěn)定減速時(shí)間大約3 000 ms.從圖8可以看出:有穩(wěn)定性控制時(shí)，在爆胎后2 000 ms內(nèi)，橫擺角速度波動(dòng)，但波動(dòng)幅度比沒有穩(wěn)定控制情況下要小得多，之后基本回到原值，直至車輛停止;加速度信號(hào)在爆胎后2 s多內(nèi)波動(dòng)，減速時(shí)間與沒有穩(wěn)定性控制基本相等，而且減速度趨于穩(wěn)定的時(shí)間比沒有穩(wěn)定控制時(shí)更短.

4 結(jié)論

汽車爆胎應(yīng)急自動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)在車輛爆胎后，通過對(duì)爆胎后車輛產(chǎn)生的爆胎附加橫擺力矩平衡控制，同時(shí)檢測車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，如果車輛偏離了原軌跡，則采用模糊控制策略，進(jìn)行糾偏，實(shí)現(xiàn)爆胎車輛穩(wěn)定制動(dòng)至安全車速.試驗(yàn)表明:車輛在爆胎后，在本系統(tǒng)策略的作用下，可以迅速穩(wěn)定下來并保持原有行駛軌跡(直線)行駛，相關(guān)控制策略可以良好實(shí)現(xiàn)爆胎車輛穩(wěn)定性控制.

References)

［1］傅建中，石 勇.輪胎氣壓監(jiān)測與爆胎自動(dòng)減速系統(tǒng)［J］.汽車工程，2006，28(2):199-200.Fu Jianzhong，Shi Yong.The tire pressure monitoring and vehicle deceleration system for tire blow-out［J］.Automobile Engineering，2006，28(2):199-200.(in Chinese)

［2］Patwardhan S，Tomizuka M，Zhang Weibin，et al.Theory and experiments of tire blow-out effects and hazard reduction control［C］∥Proceedings of American Control Conference.Piscataway，USA:IEEE，1994:1207-1209.

［3］Lozia Z.Simulation test of biaxial vehicle motion after a″tire blow-out″［C］∥SAE Technical Paper Series.USA:SAE Publication Group，Paper Number:2005-01-0410.

［4］何 仁，俞劍波，王潤才.電動(dòng)汽車混合制動(dòng)系統(tǒng)控制的改進(jìn)［J］.江蘇大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2013，34(2):125-130.He Ren，Yu Jianbo，Wang Runcai.Improvement of control strategy in hybrid brake system of electric vehicle［J］.Journal of Jiangsu University:Natural Science Edition，2013，34(2):125-130.(in Chinese)

［5］盧 蕩，宋曉明，陶 峰.爆胎輪胎動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)研究報(bào)告［R］.長春:吉林大學(xué)汽車動(dòng)態(tài)模擬國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，2010.

［6］劉存香，何 仁，胡春花.轎車電磁制動(dòng)與摩擦制動(dòng)集成系統(tǒng)的性能試驗(yàn)［J］.江蘇大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2012，33(5):508-512.Liu Cunxiang，He Ren，Hu Chunhua.Performance experiment of integrated system with car electromagnetic and frictional brakes［J］.Journal of Jiangsu University:Natural Science Edition，2012，33(5):508-512.(in Chinese)

［7］Robinette R，Deering D，F(xiàn)ay R J.Drag and steering effects of under inflated and deflated tires［C］∥SAE Technical Paper Series.USA:SAE Publication Group，Paper Number:970954.

［8］Velupillai S，Guvenc L.Tire pressure monitoring［J］.IEEE Control System Magazine，2007，27(6):22-25.