線控轉(zhuǎn)向汽車(chē)防側(cè)翻穩(wěn)定性控制

王陽(yáng)陽(yáng)等

摘要： 通過(guò)線控轉(zhuǎn)向（SteerbyWire，SBW）系統(tǒng)控制汽車(chē)方向盤(pán)轉(zhuǎn)角提高某汽車(chē)在極限行駛中抗側(cè)翻能力.建立SBW整車(chē)模型，基于緊急避讓、緊急掉頭和蛇行運(yùn)動(dòng)等3種危險(xiǎn)操縱穩(wěn)定性工況分析，得出該車(chē)易側(cè)翻的結(jié)論.提出基于橫向載荷轉(zhuǎn)移率（Lateral Load Transfer Ratio， LTR）的車(chē)輛動(dòng)態(tài)防側(cè)翻控制算法，通過(guò)SIMULINK與CarSim的聯(lián)合仿真平臺(tái)，建立轉(zhuǎn)向優(yōu)化控制模型.仿真結(jié)果表明在典型工況下該車(chē)防側(cè)翻性能得到明顯改善.

關(guān)鍵詞：

汽車(chē)； 側(cè)翻穩(wěn)定性； 線控轉(zhuǎn)向； 橫向載荷轉(zhuǎn)移率； 優(yōu)化控制

中圖分類(lèi)號(hào)： U463.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

0引言

隨著汽車(chē)技術(shù)的發(fā)展，純機(jī)械式已不再是轉(zhuǎn)向動(dòng)作實(shí)現(xiàn)的唯一方式，通過(guò)電信號(hào)發(fā)送轉(zhuǎn)向指令的線控轉(zhuǎn)向（SteerbyWire，SBW）技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始被廣泛關(guān)注.線控主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能夠?qū)ζ?chē)的輪胎角度和轉(zhuǎn)向信號(hào)輸入進(jìn)行獨(dú)立控制，相對(duì)于傳統(tǒng)的機(jī)械轉(zhuǎn)向，能將駕駛者的意圖更迅捷地向車(chē)輪傳遞.在一些危險(xiǎn)如側(cè)滑、側(cè)翻情況下，有利于提高汽車(chē)轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性.

汽車(chē)側(cè)翻穩(wěn)定性一直是汽車(chē)主動(dòng)安全性的重要指標(biāo).1998年美國(guó)加利福利亞科技學(xué)院噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的LEE建立車(chē)輛動(dòng)態(tài)試驗(yàn)臺(tái)，研究通過(guò)轉(zhuǎn)向和防側(cè)傾桿對(duì)車(chē)輛進(jìn)行聯(lián)合防止側(cè)傾的控制方法.2007年愛(ài)爾蘭國(guó)立梅努斯大學(xué)的SOLMAZ通過(guò)將汽車(chē)橫向載荷轉(zhuǎn)移率（Lateral Load Transfer Ratio， LTR）控制在一定范圍內(nèi)，提出防止主動(dòng)轉(zhuǎn)向汽車(chē)側(cè)翻控制器的方法.2012年法國(guó)凡爾賽機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室的IMINE等基于高階動(dòng)態(tài)滑移模型的仿真分析提出針對(duì)重型車(chē)輛的防側(cè)翻控制方法.2013年?yáng)|南大學(xué)交通學(xué)院的孫璐等建立三自由度車(chē)輛動(dòng)力學(xué)閉環(huán)仿真模型，研究不同道路因素以及因素間交互作用對(duì)車(chē)輛側(cè)翻的影響程度.2014年法國(guó)亞眠大學(xué)信息與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的DAHMANI等基于Takagi Sugeno（TS）模糊模型，進(jìn)行考慮道路坡度的車(chē)輛側(cè)翻預(yù)測(cè)方法的理論和實(shí)驗(yàn)研究.北京理工大學(xué)的施國(guó)標(biāo)等應(yīng)用虛擬前輪側(cè)偏剛度的概念得到橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角的反饋系數(shù)，分析虛擬前輪側(cè)偏剛度系數(shù)對(duì)極點(diǎn)t頻率特性等的影響.中國(guó)石油大學(xué)的于蕾艷等設(shè)計(jì)SBW系統(tǒng)的變傳動(dòng)比，主動(dòng)控制前輪轉(zhuǎn)角，提高汽車(chē)的操縱穩(wěn)定性.湖南大學(xué)的趙威建立基于CarSim和LabVIEW平臺(tái)的汽車(chē)SBW系試驗(yàn)臺(tái)的在環(huán)系統(tǒng)仿真.同濟(jì)大學(xué)的余卓平等[9]研究主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向?qū)?chē)輛操縱穩(wěn)定性能的影響.豐田公司早在2008年就進(jìn)行SBW系統(tǒng)的概念設(shè)計(jì).[10]

綜上，提高車(chē)輛側(cè)翻穩(wěn)定性的主要實(shí)現(xiàn)方式集中在結(jié)構(gòu)和整車(chē)控制方面，通過(guò)轉(zhuǎn)向控制側(cè)傾受制于機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng).本文主要建立SBW汽車(chē)模型，仿真分析研究在緊急工況（緊急制動(dòng)，緊急掉頭和蛇行工況）下SBW系統(tǒng)的側(cè)翻穩(wěn)定性，并在此基礎(chǔ)上建立SBW系統(tǒng)防側(cè)翻控制模型，且對(duì)比各工況下改進(jìn)前后車(chē)身側(cè)傾的情況.結(jié)果表明優(yōu)化控制后的SBW系統(tǒng)轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性和車(chē)輛安全性明顯提升.

1線控轉(zhuǎn)向整車(chē)模型

基于汽車(chē)動(dòng)力學(xué)建模軟件CarSim和整車(chē)參數(shù)，建立整車(chē)模型，見(jiàn)圖1.

基于CarSim整車(chē)模型中的機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中方向盤(pán)轉(zhuǎn)角與齒條位移、齒條位移與左右車(chē)輪轉(zhuǎn)向角的擬合關(guān)系，利用CarSim與SIMULINK聯(lián)合仿真技術(shù)，通過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)角替代方向盤(pán)轉(zhuǎn)角，建立包括SBW系統(tǒng)的整車(chē)模型見(jiàn)圖2.從CarSim整車(chē)模型中獲取車(chē)輛的方向盤(pán)轉(zhuǎn)角和車(chē)速信號(hào)，查取二維表（轉(zhuǎn)向盤(pán)到齒條的傳遞特性表），從而得到左前輪和左后輪的轉(zhuǎn)角.

2整車(chē)穩(wěn)定性分析

2.1緊急避讓工況

在緊急避讓工況下，以車(chē)輛側(cè)向偏移量為輸入，汽車(chē)從直線行駛快速達(dá)到5 m的側(cè)向偏移量，再快速恢復(fù)到偏移量為0的狀態(tài).雙移線試驗(yàn)中車(chē)身側(cè)傾角時(shí)間曲線見(jiàn)圖3.由此可知：當(dāng)速度設(shè)置為80 km/h時(shí)，出現(xiàn)車(chē)身大幅度側(cè)傾，有側(cè)翻危險(xiǎn)；當(dāng)速度設(shè)置為90 km/h時(shí)，車(chē)輛中途側(cè)翻.

速度為60 km/h時(shí)緊急避讓工況下各輪垂直力時(shí)間曲線見(jiàn)圖4.由此可知：當(dāng)速度設(shè)置為60 km/h時(shí)，右側(cè)車(chē)輪在9.2～10.5 s時(shí)間段內(nèi)出現(xiàn)垂直力為0的情況；在8和11.8 s這2個(gè)時(shí)刻，左側(cè)車(chē)輪地面垂直力接近于0，有側(cè)翻危險(xiǎn).

2.2緊急掉頭工況

在緊急調(diào)頭工況下，對(duì)方向盤(pán)轉(zhuǎn)角輸入進(jìn)行控制，從6 s時(shí)刻開(kāi)始輸入110°大小的階躍轉(zhuǎn)角，持續(xù)作用5 s后，倒轉(zhuǎn)方向盤(pán)將轉(zhuǎn)角減小為0.緊急掉頭工況下車(chē)速20 km/h的車(chē)輛側(cè)向加速度時(shí)間曲線見(jiàn)圖5.在此工況中，以最低穩(wěn)定速度20 km/h仿真便會(huì)在中途側(cè)翻.

2.3蛇行工況

蛇行工況控制車(chē)輛的道路軌跡為左右擺動(dòng)的蛇形軌跡，最大側(cè)向偏移量為2 m，持續(xù)3個(gè)周期.蛇行試驗(yàn)中車(chē)身側(cè)傾角時(shí)間曲線見(jiàn)圖6.由此可知：當(dāng)車(chē)速為50和60 km/h時(shí)，車(chē)身側(cè)傾角穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)，當(dāng)車(chē)速為70 km/h時(shí)，車(chē)身側(cè)傾角出現(xiàn)大幅波動(dòng)并最終引起車(chē)輛側(cè)翻.

車(chē)速60 km/h時(shí)各車(chē)輪垂直力時(shí)間曲線見(jiàn)圖7.由此可知：在車(chē)速為60 km/h時(shí)，4個(gè)輪的垂直力不斷波動(dòng)變化，左側(cè)車(chē)輪和右側(cè)車(chē)輪都有為0的時(shí)刻，在這些時(shí)刻車(chē)輛都有側(cè)傾危險(xiǎn).

4控制效果分析

4.1緊急避讓工況

緊急避讓試驗(yàn)優(yōu)化前后車(chē)身側(cè)傾角變化比較見(jiàn)圖8.由此可知：優(yōu)化控制后，當(dāng)速度為80 km/h時(shí)，穩(wěn)定性得到提高，車(chē)輛能平穩(wěn)的行駛；當(dāng)速度為90 km/h，車(chē)輛在雙移線的中間段穩(wěn)定行駛，但在最后回到原路線上時(shí)側(cè)翻，然而90 km/h已經(jīng)超過(guò)該車(chē)的最高車(chē)速，因此在允許車(chē)速內(nèi)車(chē)輛穩(wěn)定性通過(guò)該優(yōu)化控制仍能達(dá)到理想行駛狀態(tài).

4.2緊急掉頭工況

優(yōu)化前后車(chē)身側(cè)傾角變化見(jiàn)圖9.由此可知：在沒(méi)加穩(wěn)定性?xún)?yōu)化控制算法前，當(dāng)速度為20 km/h時(shí)，車(chē)輛中途側(cè)翻；經(jīng)優(yōu)化控制后，當(dāng)速度為20 km/h時(shí)，可以防止車(chē)輛側(cè)翻.

4.3蛇行工況

蛇行試驗(yàn)車(chē)速為70 km/h時(shí)優(yōu)化前后車(chē)身側(cè)傾角的變化見(jiàn)圖10.由此可知：在沒(méi)有施加穩(wěn)定性?xún)?yōu)化控制算法時(shí)，當(dāng)速度設(shè)置為70 km/h時(shí)，車(chē)輪的地面支撐在行駛過(guò)程中會(huì)降低到0，車(chē)身擺動(dòng)較大，并中途側(cè)翻；優(yōu)化控制后，車(chē)速為70 km/h時(shí)車(chē)輛能穩(wěn)定地通過(guò)蛇行試驗(yàn).

5結(jié)論

對(duì)線控轉(zhuǎn)向汽車(chē)的防側(cè)翻穩(wěn)定性控制進(jìn)行研究，得到如下結(jié)論.

1）利用CarSim和SIMULINK建立線控轉(zhuǎn)向整車(chē)模型，對(duì)緊急避讓、緊急調(diào)頭和蛇行工況下的整車(chē)穩(wěn)定性進(jìn)行分析，得出該車(chē)易于側(cè)翻的情況.

2）基于橫向載荷轉(zhuǎn)移率LTR指標(biāo)，建立線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的SIMULINK防側(cè)翻控制模型.

3）結(jié)果表明控制后的線控轉(zhuǎn)向汽車(chē)車(chē)身側(cè)傾角變化減小并趨于平穩(wěn)，穩(wěn)定行駛車(chē)速極限值提高，側(cè)翻危險(xiǎn)降低，轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性和車(chē)輛安全性明顯提升.

參考文獻(xiàn)：

[1]LEE A Y. Coordinated control of steering and antiroll bars to alter vehicle rollover tendencies[J]. J Dynamic Sys Measurement & Control， 1998， 124（1）： 127132.

[2]SOLMAZ S. A methodology for the design of robust rollover prevention controllers for automotive vehicles with active steering[J]. Int J Control， 2007， 11（80）： 17631779.

[3]IMINE H， FRIDMAN L M， MADANI A T. Steering control for rollover avoidance of heavy vehicles[J]. IEEE Trans Vehicular Technol， 2012， 61（8）： 34993509.

[4]孫璐， 游克思， 王易陽(yáng)， 等. 道路因素對(duì)車(chē)輛側(cè)翻的影響分析[J]. 東南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2013， 43（3）： 644648.

SUN Lu， YOU Kesi， WANG Yiyang， et al. Influence analysis of road conditions on vehicle rollover [J]. J Southeast Univ（Nat Sci）， 2013， 43（3）： 644648.

[5]DAHMANI H， OLIVIER P， HAJJAJI A E， et al. Observerbased robust control of vehicle dynamics for rollover mitigation in critical situations[J]. IEEE Trans Intelligent Transportation Sys， 2014， 15（1）： 274284.

[6]施國(guó)標(biāo)， 于蕾艷， 林逸. 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的全狀態(tài)反饋控制策略[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)， 2008， 39（2）： 3032.

SHI Guobiao， YU Leiyan， LIN Yi. Research on full state feedback control strategy of steerbywire[J]. Trans Chin Soc Agriculture Machinery， 2008， 39（2）： 3032.

[7]于蕾艷， 林逸， 施國(guó)標(biāo). 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主動(dòng)轉(zhuǎn)向控制策略研究[J]. 計(jì)算機(jī)仿真， 2008， 25（5）： 233236.

YU Leiyan， LIN Yi， SHI Guobiao. Research on active steering control strategy of steerbywire system[J]. Comput Simulation ， 2008， 25（5）： 233236.

[8]趙威. 基于汽車(chē)線控轉(zhuǎn)向系試驗(yàn)臺(tái)的在環(huán)系統(tǒng)仿真[D]. 湖南大學(xué)， 2012.

[9]余卓平， 趙治國(guó)， 陳慧. 主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向?qū)?chē)輛操縱穩(wěn)定性能的影響[J]. 中國(guó)機(jī)械工程， 2005， 16（7）： 652657.

YU Zhuoping， ZHAO Zhiguo， CHEN Hui. Inflences of active front wheel steering on vehicle maneuver and stability performance[J]. China Mech Eng， 2005， 16（7）： 652657.

[10]YUICHI O， YUTAKA O， TAKESHI G， et al. Design concept and advantages of steerbywire system[EB/OL]. （20080414）[20141010]. http：//papers.sae.org/2008010493/.

（編輯武曉英）