汽車急轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性控制策略探討

王翠?葉智彪?吳炳理

摘 要：本文對(duì)汽車轉(zhuǎn)向行駛狀態(tài)進(jìn)行分析，提出相關(guān)的控制策略，來防止汽車急轉(zhuǎn)向時(shí)產(chǎn)生橫擺側(cè)滑現(xiàn)象，保持車輛的橫向穩(wěn)定性，減少道路交通事故的發(fā)生。

關(guān)鍵字：汽車急轉(zhuǎn)向；橫向穩(wěn)定性；控制策略

1 引言

隨著高速公路的發(fā)展和汽車技術(shù)的進(jìn)步，汽車的車速在不斷提高，隨之而來的交通安全問題成為一個(gè)社會(huì)性的問題。根據(jù)有關(guān)部門調(diào)查顯示，在這各種各樣的交通事故中，影響道路交通事故發(fā)生的因素眾多，特別是車輛在高速下失去穩(wěn)定性也成為了引起的事故發(fā)生的主要影響因素之一。當(dāng)車輛在高速轉(zhuǎn)彎行駛過程中，輪胎必須提供足夠的縱向力和側(cè)向力來保證和實(shí)現(xiàn)預(yù)定的轉(zhuǎn)彎軌跡。在實(shí)際駕駛操作中，當(dāng)車輛處于高附著、低速等比較穩(wěn)定的行駛狀態(tài)時(shí)，駕駛員一般主要是通過感知車輛的狀態(tài)變量，通過對(duì)方向盤的調(diào)整，使車輛維持在穩(wěn)定行駛狀態(tài)。但當(dāng)車輛在高速轉(zhuǎn)彎等危險(xiǎn)工況下行駛時(shí)，駕駛員很難根據(jù)所感知的車輛狀態(tài)變量來進(jìn)行正確的轉(zhuǎn)向調(diào)整。而如果在轉(zhuǎn)彎過程中施加制動(dòng)，車輪容易抱死，車輛極易失去穩(wěn)定性?；谝陨系那闆r有必要對(duì)汽車高速彎道橫向穩(wěn)定性動(dòng)力學(xué)控制進(jìn)行研究。

2 國內(nèi)外現(xiàn)狀

隨著汽車工業(yè)的高速發(fā)展，國內(nèi)外有部分學(xué)者對(duì)于車輛動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性控制進(jìn)行了初步的研究。在國外，從ABS到TCS，從TCS到后來的ASR、DSC，再到VSC，這些都是研究人員為滿足人們的需求而做的一系列改進(jìn)。BOSCH的DSC，豐田的VSC，BMW的DSC，通用的ESC，本田的VSA，現(xiàn)代的VSM，保時(shí)捷的PSM等系統(tǒng)，這些系統(tǒng)可以在驅(qū)動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)防止車輪滑轉(zhuǎn)，提高車輪的驅(qū)動(dòng)能力，保持車輛的操縱性和穩(wěn)定性，但是，這種系統(tǒng)只改善了車輛普通工況下的車輛性能，對(duì)于極限工況下的車輛的控制則效果不佳。在國內(nèi)，最近先進(jìn)制造領(lǐng)域863課題“汽車電子穩(wěn)定程序（ESP）微傳感器及系統(tǒng)”項(xiàng)目宣布取得成果，研發(fā)出了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的汽車用ESP儀器系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)只是剛剛研發(fā)出來的階段，其性能與可靠性還有待得到實(shí)車實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。而對(duì)于車輛在極限工況下的汽車橫向穩(wěn)定性的研究目前還不多，特別是對(duì)于不同路面附著系數(shù)下的車輛在高速彎道上的行駛。

3 控制策略的探討

由于汽車動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性控制系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，車輛的橫向穩(wěn)定性受車輛結(jié)構(gòu)參數(shù)、行駛速度、路面附著系數(shù)和轉(zhuǎn)向盤輸入轉(zhuǎn)角等眾多因素影響，是一個(gè)非線性問題，致使運(yùn)用經(jīng)典控制和現(xiàn)代控制理論來控制顯得十分復(fù)雜，而且很難達(dá)到預(yù)期效果。

目前，車輛穩(wěn)定性控制方法有邏輯門限控制、PID控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和模糊PID控制等。邏輯門限控制、PID控制本質(zhì)上屬于線性控制，對(duì)于汽車動(dòng)力學(xué)這個(gè)具有很強(qiáng)非線性的對(duì)象來說，控制效果具有先天的不足，一旦參數(shù)確定，控制邏輯就會(huì)被固定下來，就不能對(duì)汽車這種強(qiáng)烈的非線性系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制雖然其本質(zhì)上是非線性的，且具有一定的智能性，但是其以模仿人在不確定性環(huán)境下的決策行為，從經(jīng)驗(yàn)中自動(dòng)產(chǎn)生規(guī)則，對(duì)數(shù)學(xué)模型的依賴性弱。

實(shí)際的汽車模型是很復(fù)雜的，是不能單用數(shù)學(xué)模型表達(dá)的。以往的研究一般將汽車動(dòng)力學(xué)模型線性化為二自由度模型，以橫擺角速度和側(cè)偏角為控制變量對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，在理論上可以取得良好的控制效果，但是，這種理想化的汽車模型是不存在的。為了獲得汽車模型中所需要的相關(guān)控制參數(shù)及狀態(tài)變量，需要對(duì)模型本身進(jìn)行精確的了解，需要準(zhǔn)確地對(duì)模型本身的參數(shù)進(jìn)行確定。

4 控制策略的提出

通過對(duì)現(xiàn)有的汽車穩(wěn)定性控制系統(tǒng)進(jìn)行分析，得出目前汽車市場上的穩(wěn)定性控制系統(tǒng)在高速、低附著系數(shù)等極限工況下存在的不足出發(fā)，提出下列策略：

在對(duì)車輛進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，考慮到實(shí)際車輛的橫向穩(wěn)定性系統(tǒng)控制有很強(qiáng)的非線性，建立相應(yīng)汽車動(dòng)力學(xué)模型；再根據(jù)車輛輸入的信號(hào)判定駕駛員對(duì)車輛的駕駛意圖，計(jì)算出車輛在理想狀態(tài)下的運(yùn)行工況參數(shù)；接著根據(jù)車輛實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)與車輛理想運(yùn)行狀態(tài)的誤差反饋，設(shè)計(jì)一種可以對(duì)車輪施加制動(dòng)力來實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車橫擺運(yùn)動(dòng)的調(diào)節(jié)的橫擺力矩控制器；最后，利用計(jì)算機(jī)仿真，針對(duì)這些特殊工況，將僅安裝ABS系統(tǒng)的汽車與在ABS系統(tǒng)基礎(chǔ)上加裝穩(wěn)定性控制器的系統(tǒng)，進(jìn)行仿真對(duì)比分析，從而得出本控制方法在目前市場的存在的優(yōu)勢。

本策略的主要研究工作和內(nèi)容有：

（1）分析汽車動(dòng)力學(xué)特性，建立汽車動(dòng)力學(xué)模型，其中包括整車模型、輪胎模型、制動(dòng)系統(tǒng)模型、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模型等。為本策略的研究提供了正確的汽車動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)模型。

（2）分析汽車在高速轉(zhuǎn)彎工況下的變化規(guī)律，判斷汽車失穩(wěn)的原因，建立理想狀態(tài)下的車輛參考模型，對(duì)影響車輛穩(wěn)定性行駛的參數(shù)變量進(jìn)行分析和研究，為整個(gè)汽車橫向穩(wěn)定性控制系統(tǒng)打下了理論基礎(chǔ)。

（3）設(shè)計(jì)參數(shù)自適應(yīng)模糊PID控制的模糊PID控制器，將參考的名義橫擺角速度與實(shí)際橫擺角速度之間的差值和差值的變化率作為控制器的輸入變量，附加的橫擺力偶矩作為輸出變量。

（4）結(jié)合所建立的汽車動(dòng)力學(xué)模型，將模糊PID控制器仿真模型加入其中，并把此系統(tǒng)模型在不同路面系數(shù)、不同轉(zhuǎn)向角輸入工況下進(jìn)行仿真研究。

5 結(jié)語

分析目前研究中的不足，提出了汽車高速急轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性控制策略，防止汽車急轉(zhuǎn)向時(shí)產(chǎn)生橫擺側(cè)滑現(xiàn)象，使我國汽車橫向穩(wěn)定性的控制得到提高，形成自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的汽車電子控制技術(shù)，使目前的汽車向智能型車輛發(fā)展，減少道路交通事故的發(fā)生，并通過此控制策略的研究，對(duì)汽車的其他性能控制起到借鑒作用。

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