汽車ESP系統的分層模塊化研究

袁長志，屈翔

汽車ESP系統的分層模塊化研究

袁長志，屈翔*

（重慶理工大學 車輛工程學院，重慶 400054）

為了提高車輛電子穩定程序的控制精度，采用分層模塊化思想將ESP系統分為輸入層、控制層和執行層進行研究。Adams/Car建立開發車的車輛動力學模型，Matlab/Simulink建立線性二自由度汽車仿真模型；以橫擺角速度、質心側偏角為聯合控制變量，采用PID控制算法建立ESP系統，最終輸出維持車身穩定的各車輪制動力矩。為驗證控制系統的有效性，利用Adams/Controls構建了Adams/Car與Simulink虛擬聯合仿真環境，并在前輪角階躍輸入和單移線輸入兩種試驗工況下進行驗證。試驗結果表明：所設計的ESP系統不僅提高了車輛行駛穩定性而且能使車輛的質心側偏角保持在更小范圍內，使路徑跟蹤能力更強。

ESP系統；分層模塊化思想；車輛動力學模型；線性二自由度汽車仿真模型

前言

汽車制造技術的飛速發展使得汽車的生產量快速提高，人們的出行也因此更加方便，但是交通事故的發生也更加頻繁。減少交通事故的發生已成為人們要解決的緊迫問題，交通事故的發生往往取決于道路環境條件和車輛狀況。其中，對于車輛而言，提高汽車主動安全性是降低交通事故發生率的重要方式之一，相繼產生了自動防抱死系統ABS、牽引力控制系統TCS和能使車輛在各種狀態下保持最佳穩定性的車身電子穩定系統ESP（Electronic Stability Program）等研究結果。其中，ESP系統作為基于ABS系統和TCS系統而研發出來的一種主動安全技術是當前研究的熱點[1]。

目前，國內外專家和學者都有對ESP系統進行研究。Bosch和BMW公司合作，在ABS/TCS系統的基礎上，研制了車身穩定性控制系統DSC?[2]；Bo Chen等人利用滑模變結構控制來分配ESP系統中輸出的制動力矩[3]；Motoki Shino等人采用最優控制算法設計了ESP系統[4]；Cong Xu等人利用自適應滑?？刂扑惴ㄔO計ESP系統來控制車身的穩定性[5]；歐健教授等人以橫擺角速度為控制變量，采用模糊控制算法建立了ESP系統[6]；李勝琴副教授等人以車輛橫擺角速度作為控制變量，建立了ESP模糊控制系統，并驗證所設計的ESP系統能保證汽車在干路面和冰雪路面下穩定行駛[7]。孫躍東教授等人利用模糊 PID算法建立了ESP控制器，并通過聯合仿真驗證了ESP系統的有效性[8]。

目前對于ESP系統的研究，人們往往把重點都放到了ESP控制器的算法上，而忽略了對ESP系統中執行器的研究。因此，本文為了對兩者同時進行研究，提高ESP系統的控制精度，采用了分層模塊化思想分別設計ESP系統中的控制器和執行器?；赑ID控制理論、協調控制策略設計了ESP系統的控制層[9]，以差動制動控制策略建立了執行層。通過Adams/Controls搭建了Adams/Car和Matlab/Simulink協同仿真平臺，仿真試驗結果表明所設計的ESP控制系統能顯著改善車輛的操縱穩定性。

1 車輛動力學模型

本文以某企業開發車為研究對象，其整車模型實車部分主要參數如表1所示。

通過開發車各子系統的參數來進行Adams/Car車輛動力學建模，主要分為三步：

（1）建立模板文件，主要包括懸架系統、轉向系統、車身系統、制動系統、輪胎系統、動力系統模板文件。

（2）建立子系統文件，前麥弗遜懸架和后多連桿獨立懸架子系統如圖1所示。

（3）建立通訊器（communicator）將各個子系統的數據信息進行傳遞，然后將子系統在standard界面中進行整車動力學模型的組裝。

表1 整車參數

參數名稱參數數值 長度/mm寬度/mm高度/mm軸距/mm前輪距/mm后輪距/mm整備質量/kg質心高度（設計狀態）/mm最小轉彎半徑/m前懸架類型后懸架類型轉向系統4 5041 8491 6652 6621 5701 5701 5406405.34麥弗遜獨立懸架多連桿獨立懸架齒輪齒條式轉向系統

圖1 前、后懸架子系統模型

2 線性二自由度汽車模型

為了獲得車輛行駛過程中控制變量的理想值。如圖3所示，將開發車簡化為只具有沿橫向y軸移動和繞z軸旋轉兩個二自由度的汽車模型[10]。

可得線性二自由度汽車運動微分方程式：

MATLAB/Simulink是一種能圖形建模的軟件，能以汽車運動方程為基礎建立仿真模型。根據式（1）和表1中整車參數建立線性二自由汽車的Simulink仿真模型，以u和δ為輸入，輸出為汽車的ωr和β。

3 ESP系統分層模塊化設計

為了提高ESP系統的控制精度，采用分層模塊化思想設計ESP系統，將整個控制系統分為輸入層、控制層、執行層來進行研究，各層由若干個子模塊構成，每個子模塊分別完成相應的任務[11]。輸入層包括通過Adams/Car軟件建立的開發車的動力學模型獲得車輛的實際運動狀態參數。

MATLAB/Simulink線性二自由度汽車仿真模型計算出的開發車相應運動狀態參數名義值；控制層由兩個模塊構成，對車輛穩定性進行識別的判斷模塊及求出使車輛恢復穩定所需的附加橫擺力矩的計算模塊；執行層輸出各車輪的制動力矩,由各車輪的制動力矩產生所需要的附加橫擺力矩，使車輛能在極限工況下穩定行駛[12]。

3.1 輸入層的設計

輸入層主要由Adams/Car車輛動力學模型和線性二自由度汽車仿真模型構成。通過向兩模型輸入車輛仿真工況信號：前輪轉角（steering_wheel_angle）、縱向車速（Body_It. longitudinal_velocity）等；由兩模型輸出橫擺角速度ω(body_ yaw_rate)、質心側偏角(body_side_slip_angle)、橫擺角速度名義值（body_yaw_rate_theoretical）、質心側偏角名義值（body_side_slip_angle_theoretical）信號等。

3.2 控制層的設計

3.2.1 車輛穩定性判斷模塊

車輛行駛的穩定狀態可以由控制變量的準穩定公差帶判斷，橫擺角速度ω的準穩定公差帶可表示為[13]：

質心側偏角β的準穩定公差帶可表示為[14]：

式中c、c1、c2為常數，通過對汽車動力學穩定性進行分析，查閱相關文獻[15]，一般取c=0.165、c1=4.386、c2=2.562。

汽車的行駛過程中，若式（2）或（3）不成立，則表示控制變量已經不再允許的范圍內，汽車已經失去了穩定性，此時ESP系統應介入工作。

3.2.2 PID控制器模塊

PID控制由于具有簡單明了、穩定可靠的優點，廣泛應用于控制系統。輸入的控制變量差值進行比例、積分和微分運算后，獲得的結果作為系統控制信號被傳輸到受控對象。

圖4 PID控制系統原理圖

PID控制規律：

在設計PID控制器時。由文獻[16]可知，當質心側偏角較小時，可以控制車輛的橫擺角速度來調節車身穩定性；當質心側偏角較大時，則不能片面地依靠橫擺角速度來調節車身穩定性，因此以協調控制策略設計其ESP系統的控制器模塊。PID控制器模塊的輸入為由兩模型獲取的控制變量的差值，車輛所需的附加橫擺力矩為輸出。

3.3 執行層設計

差動制動方式是制動不同的車輪，以產生調節車輛行駛狀態的附加橫擺力矩[17]。

由圖6可知，制動不同的車輪所產生的附加橫擺力矩不同。建立Dugoff 輪胎仿真模型來研究選取最佳的車輪進行穩定性控制。

圖6 車輛受力分析圖

Dugoff 輪胎模型的方程式為：

其中：

其中S為輪胎滑移率，分為制動和驅動兩種情況。

F為輪胎縱向力、F為輪胎側向力。

由Dugoff輪胎模型方程式建立Simulink仿真模型如圖7所示：

圖7 Dugoff輪胎仿真模型

由Dugoff輪胎仿真模型可得各個輪胎制動時所產生的附加橫擺力矩變化。當車輛如圖6左轉制動時，各車輪制動產生的附加橫擺力矩如圖8所示，橫坐標代表各車輪的滑動率，縱坐標代表附加橫擺力矩的大小變化。當制動左前輪和右后輪，所產生的附加橫擺力矩較小且伴隨方向改變；當制動右前輪和左后輪，所產生的附加橫擺力矩較大且方向保持不變，因此橫擺力矩較穩定比較容易控制。因此，在控制車身的穩定性時，優先選擇右前輪和左后輪進行控制。

利用Dugoff輪胎模型研究車輛在不同工況進行制動時各輪產生的附加橫擺力矩變化，可得當使用單輪制動來糾正車輛的不穩定行駛狀態時，制動車輪的選擇如表2所示。

根據有限狀態機理論，對制動車輪的這種邏輯選擇關系可以用Stateflow軟件來控制[18]。e代表橫擺角速度差，delta代表前輪轉角，四個車輪分別為P1、P2、P3和P4。根據表2制動車輪的選擇，建立單輪制動的控制邏輯如圖9所示：

圖8 單輪制動對橫擺力矩的影響

表2 單輪制動分配策略

車輪轉角橫擺角速度差值制動車輪 δ>0Δe>0右前輪 δ>0Δe<0左后輪 δ<0Δe>0右后輪 δ<0Δe<0左前輪 任意值Δe=0無

圖9 單個車輪制動控制邏輯圖

由圖6可知，當對右前輪進行制動時。設輪胎此時側向力為F。當施加制動力F時，則由制動力引起的附加橫擺力矩為：

由輪胎的側偏特性可知，F的產生將使輪胎的側向力F變為F0：

式中為前軸距質心的距離；為輪距；為前輪轉角。

所以總的附加橫擺力矩[19]為：

4 聯合仿真分析

Adams/Controls是Adams軟件中一個重要的模塊，它提供了Adams/Car和Matlab/Simulink聯合仿真的接口，實現了兩者數據之間的連接和通信。將Adams/Car車輛動力學模型導入到Matlab/Simulink中與線性二自由度汽車模型及ESP控制系統構成聯合仿真。

本文為驗證所設計的ESP系統能否有效地提高汽車穩定性，考慮兩種極限情況下：汽車因躲避障礙物而突然大角度轉向和在高速移線行駛時，輪胎橫向力很容易接近附著極限，從而引起汽車的失穩。分別采用前輪角階躍輸入和單移線輸入工況來模擬實際行駛中遇到的行駛狀態進行聯合仿真，以驗證設計的ESP系統是否可以幫助車輛在極限工況下按照預定軌跡保持穩定行駛。

4.1 前輪角階躍輸入

前輪角階躍試驗是測試車輛因躲避障礙物而突然大幅度轉向的性能的重要測試工況。

仿真工況：車輛以100 km/h速度直線行駛時，在0.05 s的時間內迅速給車輛一個70°的方向盤轉角并維持此轉角不動[20]，仿真時間為5.0 s。

圖10 橫擺角速度響應曲線

圖11 質心側偏角響應曲線

由圖10可知。在角階躍輸入仿真中，ESP系統大約在0.7 s時開始介入，使得帶有ESP系統控制的車輛橫擺角速度超調量25.0 deg/s左右、而未加ESP系統控制的車輛橫擺角速度超調量在26.5 deg/s左右，因此ESP系統使得車輛控制更加精準，減少了誤差量。方向盤停止轉動后，帶有ESP控制的車輛橫擺角速度逐漸減少并趨于定值，車輛處于穩定狀態，未加控制的車輛，橫擺角速度一直增加，車輛出現甩尾情況，失去了穩定性。

由圖11可知，裝配了ESP系統的車輛質心側偏角在整個仿真過程中值維持在較小范圍內，使得車輛具有較強的路徑跟蹤能力。

4.2 單移線工況

汽車在高速緊急換道行駛時，路面將提供不了所需的側向力，車輛將很容易失很好地模擬移線工況即在規定時間內給車輛方向盤一個正弦輸入，這很好的模擬了汽車實際行駛過程中的換道行駛[21]。

仿真工況：車輛以80 km/h速度直線行駛時，在0.5 s時，給方向盤一個幅值60°，周期為3 s的正弦輸入，仿真時間為5.0 s。

圖12 橫擺角速度響應曲線

由圖12橫擺角速度隨時間的變化曲線可以看出，0.5 s隨著轉向開始橫擺角速度逐步增大，0.65 s左右兩曲線開始發生分離，ESP系統開始介入。帶有ESP控制系統的車輛橫擺角速度變化區間在[-16 deg/s，16.7 deg/s]內，車輛橫擺角速度響應較好的跟隨方向盤的轉動，車輛能按照設定路線行駛。而被動系統橫擺角速度逐漸增大，輪胎側向力達到附著極限，輪胎進入非線性特性區域，車輛失去了穩定。

圖13 質心側偏角響應曲線

由圖13質心側偏角隨時間的變化曲線可知，帶有ESP系統控制的車輛的質心側偏角在1.7 s和3.1 s達到最大值，絕對值小于4.5°，質心側偏角變化能很好的遵循汽車的轉向情況，車輛能按照預定路徑行駛。未帶ESP系統控制的車輛質心側偏角迅速增大，車輛失去了穩定性，因此所設計的ESP系統在車輛偏航控制中具有很好的控制效果。

5 結語

本文以某開發車為研究對象，采用分層模塊化思想將ESP系統分成輸入層、控制層、執行層進行研究。

（1）利用Adams/car建立開發車的動力學模型；將開發車簡化為線性二自由度汽車模型，并利用Matlab/Simulink軟件將其轉化為仿真模型，由兩模型構成ESP系統的輸入層。

（2）提出以橫擺角速度ω、質心側偏角為聯合控制變量，并利用兩控制變量進行了車輛穩定性判斷；采用PID控制算法設計了ESP系統控制器。

（3）采用單輪制動控制策略設計ESP系統的執行層，最終輸出維持車身穩定所需的各車輪制動力矩。

（4）利用Adams/Controls搭建了Adams/Car和Matlab/ Simulink協同仿真平臺，選擇了能表征車輛操縱穩定性的前輪角階躍輸入和單移線輸入兩種工況進行了聯合仿真分析。試驗結果表明，采用分層模塊化思想設計的ESP系統能使控制變量更好的維持在準穩態公差帶內，無論是車輛行駛的穩定性以及路徑跟蹤能力都比未加ESP系統控制的車輛要好，顯著改善了開發車的操縱穩定性，驗證了采用分層模塊化思想設計的ESP系統的有效性。

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Research on Layered Modularization of Vehicle ESP System

YUAN Changzhi, QU Xiang*

（Chongqing University of Technology, College of Vehicle Engineering, Chongqing 400054）

ESP system;Idea of layered modularization;Vehicle dynamics model;Linear two-degree-of-freedom vehicle simulation model

U461.6

A

1671-7988(2021)20-59-07

U461.6

A

1671-7988(2021)20-59-07

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.020.015

袁長志，男，碩士，重慶理工大學車輛工程學院，研究方向：車輛現代設計理論及方法研究。

，屈翔（1978—），男，副教授，碩士，就職于重慶理工大學車輛工程學院，從事車輛現代設計理論與方法研究。