基于主動懸架控制的客車防側翻研究

馮浩

摘要：現如今，客車的發展越來越快，客車是我國公路客運中主要的運輸工具，因質量大，質心高度與輪距之比較大等結構特征，使得其相較于其他車型更容易發生側翻事故。由于載客人數多，客車一旦發生側翻往往會導致大量人員傷亡。因此，客車防側翻技術逐漸成為客車主動安全領域的研究熱點。

關鍵詞：客車防側翻;側翻預警;研究

引言

近年來，隨著我國高速公路網絡的不斷完善，公路交通運輸行業和旅游業也取得了快速發展，旅游業的快速發展使得越來越多客車投入使用。在我國人均擁有轎車數量比較小的情況下，客車由于其特有的方便性和靈活性成為人們出行方式的首選，這也符合我國倡導的“綠色出行”理念。在這種背景下，我國客車制造業取得了快速發展，2016年中國客車產量達60.85萬輛，中國客車在市場上的競爭力明顯得到提高。

1汽車側翻控制關鍵技術

1.1主動轉向技術

主動轉向控制主要通過控制轉向輪的轉動來產生橫擺力矩，間接控制車輛側傾運動，不僅達到了防側翻的目的，還提高了汽車的行駛穩定性。主動轉向技術可以分為主動前輪轉向控制和四輪轉向控制。開發了一種主動轉向輔助系統來避免重型車輛發生側翻。建立了基于高階滑模觀測器的估計器用于計算側向加速度值和質心高度等車輛動力學參數，建立相應的控制策略以保證車輛的側翻穩定性，并通過仿真和實驗驗證了其正確性。國內，西華大學的徐延海博士以二自由度為參考模型，在建立8自由度動力學模型基礎上，運用主動轉向控制策略技術來改變轉向輪角度，仿真結果驗證該方法可以有效地減少車輛側向加速，提高車輛防側翻能力。雖然主動轉向控制簡單高效，但其在防側翻控制的同時會使汽車脫離原來的行駛路線改變駕駛員行駛意圖。在高速超車或緊急避障等工況下進行防側翻控制，車輛通過減小較大的前輪轉角來增大汽車瞬時回轉半徑，從而降低側向加速度。這會使得車輛的行駛軌跡與駕駛員的駕駛意圖產生較大偏差，可能駛出道路造成更加嚴重的后果，因而其在實際應用中受到了一定限制.

1.2差動制動控制

差動制動控制是在車輪防抱死系統（ABS>的基礎上發展而來，其原理是通過實時控制各個車輪的制動力，對整車產生一個附加橫擺力矩以減小車輛橫擺程度，從而間接地防止車輛發生側翻危險。同時，差動制動控制在工作過程中會降低車速，從而可以進一步減小車輛的側向加速度。開發一種基于車身電子穩定系統的防側翻控制方法，該方法對車輛側傾狀態進行實時評估和預測，進而提前通過差動制動控制的方式來防止車輛發生側翻。國內，吉林大學汽車動態模擬國家重點實驗室的郭孔輝院士等人在差動控制算法及其硬件在環仿真實驗方面進行深入研究，并取得了較多成果。但是，客車側翻總是在短時間內發生，而差動制動是通過控制客車橫擺運動間接影響側傾運動的，響應時間有滯后。

1.3飛輪控制

飛輪廣泛應用于衛星姿態控制中，通過控制大慣量飛輪的加速和減速，在飛輪與飛輪基體之間產生力矩，從而達到衛星姿態控制的目的。同樣原理，飛輪也可以應用于汽車側翻的控制中，在汽車側傾軸向上安裝兩個旋轉方向相反的飛輪。汽車啟動后兩個飛輪緩慢加速一定的轉速，并且在隨后的正常行駛中保持這個速度旋轉。當汽車將要發生側翻時，與側翻方向相反的飛輪被制動，飛輪的角動量通過制動力矩傳遞給車身使車身受到一個與側翻方向相反的回拉力矩，從而可以有效地抑制汽車側翻事故。

2客車主動懸架防側翻控制策略研究

2.1模糊PID控制

模糊PID控制是把模糊控制和傳統的PID控制相結合的一種復合控制方法。傳統的PID控制器雖然具有結構簡單，控制精度高，穩定性好等優點，但由于對環境的適應能力較弱，抗干擾能力差等缺點的存在，使其僅適用于較為簡單的系統。模糊控制作為智能控制方法的一種，其魯棒性強，能夠較好地克服系統中的不確定因素，但控制精度不如PID控制。所以，本論文采用結合以上兩種控制方法優點的模糊PID控制，使得控制器具有更好的控制效果。

2.2主動懸架控制力分配器

前文設計的PID控制器和模糊PID控制器得到的懸架主動控制力只代表一個數值，如何將這個懸架主動控制力分配到每個懸架上，則由主動懸架分配器完成。懸架力分配器的作用就是以PID控制器或模糊PID控制器的懸架力為輸入量，根據一定的邏輯關系，最終得到每個懸架需要的主動控制力。當客車突然向右轉彎行駛時，車身會繞著側傾軸線產生向左的側傾運動。為了防止客車側傾過大發生側翻危險，主動懸架控制系統應該產生一個與車身側傾方向相反的力矩來抑制客車側傾運動。因此，懸架分配器使右側前后主動懸架的控制力給車身一個向下的拉力，左側前后主動懸架控制力給車身一個大小相同方向相反的推力，這樣才能抑制客車車身的側傾運動，從而降低客車發生側翻的概率。

2.3基于預警的客車防側翻控制系統聯合仿真

上述客車連續防側翻控制在客車沒有側翻危險的情況下，仍然會使主動懸架工作，從而增加了能量消耗，同時控制算法較復雜，對硬件設備要求較高。基于此，本論文結合了側翻預警和主動懸架模糊Pm控制器，建立基于預警的客車防側翻控制系統，其在接收到側翻預警信號后主動懸架開始工作，工作時間相對較短，降低了控制系統能量的消耗，在實際過程中更具實用性。

2.4模糊控制器設計流程

1）量化因子和比例因子模塊量化因子是把模糊控制器的輸入值按照一定的比例從物理論域映射到模糊論域中，而比例因子則是把經過清晰化的模糊控制器輸出量從模糊論域按照一定比例映射到實際物理論域中。2）模糊規則模塊設定模糊規則是模糊推理的首要前提，也是設計模糊控制系統的主要內容，其作用相當于傳統控制系統中的校正和補償裝置。模糊控制規則的確定有兩種方法：一種是根據操作人員對系統的實際操作經驗或者專家對系統的經驗知識總結得出的;另一種是工程師對需要研究的控制系統進行測試實驗，通過分析系統的輸入、輸出數據中制定一些規則。3）模糊推理模塊模糊推理模塊是模糊控制器的核心，它利用模糊規則推理給出合適的控制量。本論文的模糊控制器選取Mamdani推理方法，其對每條控制規則進行取小和取大操作，取各個規則下隸屬度最小值和最大值作為當前規則的最小和最大適配度，所得到的整個并集的面積就是總的推論。4）清晰化模塊通過模糊推理得到的結果是一個模糊集和，但在模糊控制系統的實際應用中，必須有一個確定的輸出量來控制被控對象。在推理的模糊集合中，選取一個最能代表模糊推理結果可能性的精確值的過程稱為清晰化。

結語

結合了Trucksim客車側翻模型和主動懸架PID和模糊PID防側翻控制策略，建立了客車連續防側翻控制系統，并在方向盤角階躍輸入和正弦輸入兩種行駛工況下進行了聯合仿真。對比分析了采用不同主動懸架控制策略下客車側翻穩定性，結果表明：采用模糊PID控制的主動懸架，相較于傳統PID控制的主動懸架，能夠更大程度上改善客車的側翻穩定性。在此基礎上，結合側翻預警系統建立了基于預警的客車防側翻控制系統，并在魚鉤轉向和雙移線兩種試驗工況下進行了聯合仿真。仿真結果表明：基于預警的客車防側翻控制系統的控制效果雖然不如客車連續防側翻控制系統，但由于其能耗相對較低和對硬件的要求較低等優點，使得其更具實用性。在上述兩種試驗工況下可以一定程度上提高客車的抗側翻險。與不施加任何控制相比，其力，避免客車發生側翻危能。

參考文獻

[1]張會武，袁亞朋.石家莊大客車邢臺沙河側翻3死多傷.燕趙都市報，2017-04-10.

[2]邱燁，帥箔.江西交通廳：深刻汲取“2·20”重大交通事故教訓.中國新聞網，2018-02-22

（作者身份證號碼：341125199008287935）