車輛穩定性技術的研究*

杜軍瓊 李軍

（重慶交通大學機電與車輛工程學院）

近年來由于安全事故的頻發，導致人們對車輛安全性擔憂，其中車輛穩定性技術對安全性的提升尤為重要。根據2020年1-10月的國內安全事故統計，其中交通事故在總的安全事故中是占比最大的，最高的數據時能到總的安全事故的一半，由此可見車輛的安全性是最需要關注的。由此可證明，車輛側滑失穩是必須要關注的問題[1]。綜上所述，車輛穩定控制研究很有意義。所以，文章對車輛穩定影響較大的幾個因素：滑移率、車輛側傾和質心側偏角以及橫擺角速度展開了研究。

1 車輛穩定性的概念

當汽車行駛車速過快或在緊急情況下駕駛員操作汽車進行避讓時，快速轉動方向盤會導致汽車發生側滑甚至側翻。車速過快時，不易被駕駛員控制，容易發生側滑、甩尾和側翻等事故，這就會導致車輛側向失穩。因此，汽車在穩定方向的控制研究應運而生，稱作車輛穩定控制系統。

車輛穩定控制系統是通過縮小實際值與期望值的差值來盡量使車輛保持穩定，具體來說就是當駕駛員的操作與車輛的實際運行狀態存在偏差時，縮小偏差，比如在一些道路條件差，彎道半徑小的區域行駛，車輛行駛時的真實狀態與駕駛員所想的期望狀態有偏差，可能會出現轉彎過度或者轉彎不足的現象，這時車輛控制系統就會對車輛運行狀態進行糾正，使汽車達到理性運行狀態；再者就是將失穩狀態下的汽車回歸到正常運行狀態來。比如在駕駛員意識不清，操作不準確的情況下，汽車出現異常情況，如甩尾、側滑以及左右擺動等，車輛穩定系統會更正，引導到正常行駛狀態。簡單來說，車輛穩定控制系統是1種主動安全控制系統，對汽車出現的不穩定狀況進行及時修正。

2 車輛穩定系統控制目標

目前對車輛穩定控制的研究主要集中在算法研究方面，其中按控制目標的不同可大致分為3類：以滑動率、以橫擺角速度和質心側偏角以及側傾運動為控制目標。

2.1 滑動率作為參考目標

滑動率定義：

式中：Si——滑動率，%；

ui——表示車輪質心速度，km/h；

r——沒有地面制動力時的車輪滾動半徑，m；

ww——表示車輪角速度，rad/min。

S=0，車輪純滾動；0

滑動率與附著系數關系如圖1所示，其中：φb為制動力系數，φp為峰值附著系數，φs為滑動附著系數，φl為側向力系數。如圖1所示，側向力系數隨著滑動率的增大而減小，制動力系數隨著滑動率的增大而增大，當增大到一定值時，隨著滑動率的增大而減小，由此可見，要使得滑動率達到最優，側向力系數必然減小，力求使2個值達到相對最優是研究者期望達到的目標。

圖1 滑動率與附著系數關系圖

文獻[3]考慮到車輛在驅動和制動過程中，輪胎的變參數和路面的摩擦對車輛速度的精確值的影響，通過輪胎模型和縱向動力學模型的結合，建立了非線性系統狀態方程，使用卡爾曼濾波算法對車輛縱向速度估計，得到估計值，再進一步解出車輪的滑移率。文獻[4]在電動制動系統使用模糊神經網絡系統對傳統PID控制系統改進，控制滑移率在安全范圍內。文獻[5]基于離散滑模變結構理論，設計包含強魯棒性特點的車輪滑移率離散積分滑膜控制器，使用延遲估計方法和補償系統不確定性，對抖振進行抑制，在Elman神經網絡下，利用其時間序列的預測功能建立車輪目標滑移率預測模型，估計下一時刻的目標滑移率，在粒子群優化算法的作用下對模型的滑移率修正，提高控制精度。文獻[6]基于滑移率的滑?？刂坡蕦坡士刂疲谳啘p速度控制的滑?？刂坡士刂戚啘p速度，利用2者的優勢互補實現電動汽車在制動過程中對制動能量的穩定回收。文獻[7]基于輪胎模型實現對車輪滑移率的確定，利用滑模控制算法，將實際上滑膜率與目標滑膜率之間的偏差減小，對車輛實現穩定控制。

以滑移率為控制目標實現車輛的穩定性是具體到對車輪的控制，對制動力和驅動力進行分配，使車輛的滑移在安全范圍內。目的是防止車輛側滑，使車輛穩定行駛。

2.2 橫擺角速度和質心側偏角為參考目標

橫擺角速度是以車輛坐標系中以z軸為旋轉軸，表示汽車在制動和轉彎過程中的車輛狀態，綜合確定橫擺角速度的方法有：

1）通過橫擺角速度感應器直接測得；

2）通過多種感應器的融合來確定。

因橫擺角速度感應器的成本較高，在大多數的中低檔車上還未得到普及，所以大多數的研究者是基于多種傳感器融合間接得到橫擺角速度，基于多種傳感器融合實現對橫擺角速度值的估計，具體需要在運動學模型和動力學模型得到橫擺角速度的估計值，運動學模型下對橫擺角速度值的估計是在多個傳感器在得到感知信號后，綜合各傳感器的得到的信號值，算出橫擺角速度的估計值；在動力學模型下主要通過整車模型和輪胎模型的以及對參數的準確性要求高，當估計模型不準確和參數不易獲得時，所要求出的車輛橫擺角速度值難度就會加大[8]。橫擺角速度值估計方法對比如表1所示。

表1 橫擺角速度值估計方法對比

質心側偏角定義為汽車行駛速度方向與車輛縱軸之間的夾角，數值表示為

式中：α——質心側偏角，（°）；

vy——橫向車速，km/h；

vx——縱向車速，km/h。

由公式可知是橫向車速與縱向車速的反余切值。對質心側偏角的估計主要有：

1）通過觀測器直接測得；

2）動力學估計方法；

3）運動學估計方法。觀測器測質心側偏角同橫擺角速度類似，具有較高成本，不易普及。

運動學估計方法是對橫向加速度和橫擺角速度等傳感器信號進行積分得到質心側偏角[9]，動力學模型的核心在于車輛縱向力的測得，具體是對輪胎上的制動力和驅動力的估計，對縱向力的估計方法有2類，一類是半經驗輪胎模型的縱向力估計。文獻[10]對輪胎非穩態模型的領域，根據物理模型建立了胎面的阻尼器模型和建立等效為彈簧和阻尼器的胎體模型，根據輪胎胎體力與力矩的平衡，建立輪胎非穩態模型。另一類是基于車輪動力學模型的縱向力估計，文獻[11]在車輪動力學模型的基礎上，根據制動力和制動踏板角度等估算出縱向力。

文獻[12]基于模型控制算法上車輛主動轉向和輪胎力分配進行集成控制，采用帶約束的預測控制模型，通過二次規劃方法后求解后輪轉角和附加前輪轉角，在保證橫擺角速度的前提下，減小汽車的側偏現象，提高穩定性。文獻[13]以質心側偏角和橫擺角速度為控制目標，采用觀測器對車輛狀態進行觀察，基于變結構理論構建以滑膜控制算法設計控制器實現對質心側偏角的估計，對車輛是否偏離行駛軌跡進行判斷，實現對車輛的控制，該方法實現了參考值和實際控制量的分離，將參考值通過上層控制器來確定，下層控制器實現對力矩的分配控制，簡化了系統的操作的流程，便于系統的控制。文獻[14]在二自由度模型下計算出理想的橫擺角速度和質心側偏角，通過轉向控制器將實際值與理想值的偏差作為輸入，對車輛狀態調節。

在車輛穩定控制中，把橫擺角速度和質心側偏角作為控制目標是最先被使用到車輛穩定性研究中，也是目前發展的較為成熟的控制方式，目的是防止汽車在行駛過程中偏離行駛軌跡和對車輛轉向不足或者轉向過度調節，保證車輛行駛穩定。

2.3 側傾運動為參考目標

國內外對車輛靜態側傾的參考值主要有靜態穩定因子，表達式為，表示為車輛半輪距T與質心高度H的比值，但該公式是將車輛視為一個剛體，對車輛在運動中的狀態參考意義不大；側拉比例系數值是將車輛放在一個側傾平臺上，在車的一側施加力拉動汽車側傾，當另一側輪胎剛剛離開地面時即為系數值，表達式為，側行拉力（F）與汽車質量(W)的比值，可用于估算出汽車在臨界狀態下的橫向加速度；側傾比例系數TTR=tanφ，φ為車輛側傾穩定角度，將車輛放在側傾試驗臺，當一側的輪胎即將離地時，試驗臺的側傾角即為車輛最大側傾穩定角[15]。

綜合多個文獻了解到側傾運動的主要參考量車身側傾角，橫向加速度以及橫向載荷轉移引起的車身側傾。

文獻[16]建立8自由度的整車模型，以側傾系數為參考值，在超過設置的系數值時，控制側向加速度實現對車輛側傾的穩定控制。文獻[17]以側傾剛度確定側傾角的大小，當側傾剛度超出預定預設值時，通過調整該車型彈簧剛度和橫向穩定桿的直徑使側傾剛度回到預想值。

文獻[18]為了實現在復雜工況下對車輛耦合的側傾運動狀態能夠得到及時的準確估計，設計了以車輛垂向和橫向耦合動力學作為基礎的雙非線性狀態觀測器算法，能夠在多種路面的激勵下實現車輛系統簧載質量和側傾狀態的聯合估計，并在聯合狀態觀測器的作用下對車輛狀態和側傾率的觀測精度得到實時值。文獻[19]在PID控制中，采用改進粒子群算法對側傾力矩控制，對控制器的參數進行調節和優化，提高車輛側傾穩定性。

以側傾運動作為控制參考目標，在給定側翻閾值內，允許車輛有相應的側傾運動。這種控制方式主要是為了防止車輛產生過大的側傾角，使車輛產生危險動作。

3 結論

綜上所述，車輛穩定性技術在汽車安全方面發揮著至關重要的作用，需要不斷從各個方向對車輛穩定性進行總結，方便之后的研究。

1）國內對車輛穩定系統理論與技術研究還處在發展期，與國外還有很大差距。

2）車輛穩定控制不僅要對傳統方法熟知，算法與傳統方法的融合更是研究大勢。

3）針對多個變量的耦合可試著采用多模型建立，分別對變量分析，最后使用加權函數對整體分析。

4）分析變量既要考慮到對車輛的直接影響，還要考慮其他變量的耦合作用。