汽车ABS／ASR／ESP集成控制策略研究

2014年2月第43卷第2期机械设计与制造工程MACHINEDESIGNANDMANUFACTURINGENNEERINGFEB2014VO143NO2DOI103969JISSN2095509X201402008汽车ABSASRESP集成控制策略研究付燕荣，王国业，关志伟1天津职业技术师范大学汽车与交通学院，天津3002222中国农业大学工学院车辆与交通工程系，北京100083摘要在对整车及轮胎受力分析的基础上，基于某轿车建立了9自由度整车动力学模型、发动机模型、车轮模型、传动系模型等，根据仿真模型和车辆系统动力学知识对汽车ABSASRESP集成控制系统中各子系统的触发条件进行了研究，并对ABSASRESP集成控制策略进行了探讨，确定了集成控制系统在制动工况和驱动工况下统一的控制策略。在MATLABSIMULINK环境下实现车辆ABSASRESP的集成控制，并通过各个工况的仿真验证了集成控制策略的有效性和集成控制的优势。关键词动力学模型；ABSASRESP；集成控制；仿真中图分类号U4616文献标识码A文章编号2095509X201402003506随着汽车的行驶稳定性和安全性越来越被人们所重视，汽车ABS得到了广泛的应用，ESPELECTRONICSTABILITYPROGRAM技术经过研究与实践，也被证明是当前有效解决汽车操作稳定性的主动安全技术之一。目前，国内外学者对汽车ABS、ASR及ESP进行了广泛的研究，但将三者结合起来，对汽车ABSASRESP的集成控制研究还比较少。随着汽车底盘动力学控制的不断发展，集成控制是今后的发展方向。作为第一步，把汽车主动安全控制装置ABS、ASR和ESP在结构和功能上集成在一起，形成汽车ABSASRESP集成控制系统，较易实现，且能为汽车其他控制系统的综合集成打下基础。1动力学模型11整车动力学模型根据汽车运动性能分析和控制问题研究的需要，建立车辆系统整车动力学模型。车辆底盘沿纵向轴的运动速度为；沿横向轴的运动速度为；整车包括车身和非簧载质量绕坐标轴的转动角速度为；车身绕纵向轴相对底盘坐标系的侧倾角为，绕横向轴Y相对底盘坐标系的前俯角为0；4个车轮绕各自转动轴的旋转角速度为1，2，3，4。这是一个9自由度的4轮车辆动力学模型，如图1所示。图1车辆动力学模型车辆整车受力情况如图2所示，由图2可得整车动力学方程3为FLCOS81一FY1SIN81F2COS82一FYZSIN82FNF诅FX1SIN6L1COS8LF2SIN62FY2COS82FFM1SIN61FY1COS812SIN621FY2COS82A一F帕F似B一FLCOS81一FY1SIN61一FCOS821FY2SIN62B2一1一M一M8一MD收稿日期20131226基金项目天津职业技术师范大学科研发展基金资助项目KI1015作者简介付燕荣1985一，女，内蒙古临河人，天津职业技术师范大学讲师，硕士，主要研究方向为汽车动力学、车辆机电控制。352014年第43卷机械设计与制造工程图2整车受力示意图式中FX，分别为车辆质心处沿车辆纵向和侧向的合力，N；为质心处绕轴的转矩和，NM；FFI1，2，3，4分别为4个车轮各自所受的纵向力、侧向力，N；，分别为两前轮的转角，RAD；A，B分别为质心至前、后轴的距离，M；曰。，B分别为前、后轮轮距，M；1，2，3，4为回正力矩，NM。12车轮模型轮胎受力情况分析如图3所示。图3前、后轮胎受力分析假设轮胎为一刚体，则车轮的运动转矩平衡方程式可记为F。TQFRT2式中L为车轮转动惯量，KGM；TQ为驱动力矩当车轮为非驱动轮时，0，N；为两驱动轮地面驱动力，N；R为车轮滚动半径，M；T为两半轴驱动力矩，NILL。当车辆俯仰、侧倾时，前后、左右车轮将产生质量转移，可得各轮法向载荷36式中FI1，2，3，4为车轮法向载荷，N；H为汽车质心高，M；L为轴距，M；B为前后轮距的均值，M；M为整车质量，KG；其他参数同式1。轮胎受力与侧偏角有关，根据车辆运动分析各轮侧偏角表示为R竺、161一ARCTANLB1L一丁R，、62协NU竽JR二、I3一ARCTANLB2L一丁，JF，二、一陀协NLJ13发动机模型在汽车行驶过程中，由于负载不稳定，发动机转速、节气门开度等参数发生变化，发动机大部分时间处于非稳态工况下工作。直接建立发动机动态特性模型有一定困难，为兼顾模型仿真的实时陛与发动机模型的准确性，将发动机的动态特性简化为具有一阶惯性滞后环节。4式中为发动机动态输出转矩，NM；为发动机稳态输出转矩，NM；7I为滞后时间，S；T。为时间常数，8；S为LAPLACE算子。14传动系模型从发动机曲轴输出的扭矩经离合器、变速箱、传动轴传递到差速器壳，其运动方程如下，。I，。IIO一式中为变速箱齿轮副的转动惯量；，为差速器壳的转动惯量；TO为差速器壳的回转角加速度；叼西一一一一2014年第2期付燕荣汽车ABSASRESP集成控制策略研究为传动效率；I为变速器传动比；为减速器减速比；厶为差速器行星齿轮的转动惯量；为经过传动系统传递到两半轴的发动机输出扭矩，差速器再将该扭矩分配给左右半轴，其分配关系为105I0TD一05I0式中TR，为左、右轮问差速器输出力矩，NIN；为轮间差速器内摩擦力矩，NII1。15轮胎模型近几年，在汽车操纵动力学研究中应用较广泛的半经验模型有荷兰学者PACEJKA提出的魔术公式MAGICFORMULA和中国学者郭孔辉院士提出的统一轮胎模型UNITIRE。MAGICFORMULA模型是基于轮胎物理原形精确描述稳态条件下的轮胎六分力；UNITIRE模型以轮胎刷子模型为基础，在符合公式摩擦椭圆概念假设条件下，通过E指数形式来精确描述轮胎六分力6J。通过对这两种模型建模机理的对比表明，UNITIRE轮胎模型比MAGICFORMULA模型具有更强的理论基础；通过试验数据辨识模型参数，对比两种模型的全局辨识精度以及预测精度的结果表明，UNITIRE轮胎模型的全局辨识精度略高于MAGICFORMULA模型，且具有更高的预测能力。因此，本文选用郭孔辉院士提出的参数少、形式简洁且满足高阶理论边界条件的“轮胎纵滑与侧偏联合工况下的半经验模型”。2ABSASRESP集成控制策略当ESP开关打开时，汽车ABSASRESP集成控制系统判断汽车的工况，若需要ESP动作，则ESP通过ASR装置牵制发动机的动力输出，同时指挥ABS对各个车轮进行有目的的刹车，产生反横摆力矩，将车辆带回到所希望的运动轨迹上来。在汽车行驶过程中，ABSASRESP集成控制系统通过决策逻辑表来判断集成系统中哪一部分发挥作用。决策逻辑表见表1。表1汽车ABSASRESP集成控制系统决策逻辑表3整车模型及控制性能验证分析汽车ABSASRESP集成控制系统模型如图4所示。为检验汽车ABSASRESP集成控制系统性能，采用典型的危险工况进行仿真，即对开路面加速直行和对开路面转弯。车辆稳定性控制分为两类问题一类是轨迹保持问题；另一类是稳定性问题，即横摆角速度问题，它与轨迹保持问题是相互联系的。为了更加直观地看到仿真效果，本文采用车辆运动轨迹和横摆角来衡量车辆稳定性控制的效果。以下仿真曲线图中，横轴为纵向位移133；纵轴分别为横向位移IN和车身横摆角DEGREE。31对开路面加速直行仿真基于上述仿真模型，为充分比较驱动工况下车辆在无任何控制、仅ASR控制、ESP主导的集成控制下的性能，设置车辆的左侧附着系数为02、右侧附着系数为08、行驶初速度为50KMH、在对开路面上以5挡加速到120KMH，可得仿真结果如图5和图6所示。372014年第43卷机械设计与制造工程38AUTOMOBILEABSASRESPDYNAMICMODEL罢足罢匠图4汽车ABSASRESP集成控制系统整车动力学模型纵向位移MA车辆行驶轨迹鏊接然蟋亦抖纵向位移，MB车身横摆角性能曲线图5无控制和ASR控制下的对开路面车辆加速直行仿真曲线纵向位移MA车辆行驶轨迹辎农纵向位移，MB车身横摆角性能曲线图6ESP主导的集成控制下的对开路面车辆加速直行仿真曲线2014年第2期付燕荣汽车ABSASRESP集成控制策略研究从图5、图6可以看出，在ESP主导的集成控制模式下，车辆在高速行驶时能够一直保持非常好的直线轨迹和非常好的行驶稳定性。该种工况下ESP主导的ABSASRESP集成控制系统未达到ESP横摆力矩控制的条件，依旧需调用ASR进行控制。虽然如此，启用ESP主导的集成控制效果纵向位移，MA车辆行驶轨迹仍然比ASR模式下好。32对开路面加速转弯仿真设置车辆的左侧附着系数为02、右侧附着系数为08、行驶初速度为50KMH、在对开路面上以5挡加速到120KMH、左前轮转向角为8。，可得仿真结果如图7和图8所示。摆熟颦亦纵向位移，MB车身横摆角性能曲线图7无控制和ASR控制对开路面车辆转弯仿真曲线益曼鞘颦亦纵向位移，M纵向位移MA车辆行驶轨迹B车身横摆角性能曲线图8ESP主导的集成控制下的对开路面车辆转弯仿真曲线从图7、图8中可以看出，在ESP主导的集成控制模式下，车辆在高速转弯行驶时能够一直保持良好的中性转向弯道轨迹和非常好的行驶稳定性。这说明ESP主导的ABSASRESP集成控制系统控制效果较好。以上不同工况、不同路面状况的仿真分析结果表明，本文所建车辆动力学模型是合理的，汽车ABSASRESP集成控制策略是有效的。4结束语本文主要基于某轿车进行了ABSASRESP集成控制策略研究，取得了以下成果A在MATLABSIMULINK环境下实现汽车ABSASRESP的集成控制，并通过各种工况的仿真验证了集成控制策略的有效性和集成控制的优势。B所建的基于某轿车的整车动力学模型和仿真模型是合理的。ABSASRESP集成控制能够提高汽车在危险工况下的操作稳定性。C为后续的汽车底盘集成控制研究提供了基础。采用同样的研究思路可以将汽车底盘上的其他装置集成在一起，以提高汽车整车性能。参考文献1贾豫东，宋健，孙群用于电子稳定程序的汽车模型和控制策略J公路交通科技，200451321362王国业汽车ABSEBDVSC集成控制技术研究D北京北京理工大学，20073王斌捷达GTX轿车巡航控制系统关键技术研究D北京北京理工大学，20064THOMASDGILLESPIE车辆动力学基础M赵六奇，金达锋，392014年第43卷机械设计与制造工程译北京清华大学出版社，20065喻凡，林逸汽车系统动力学M北京机械工业出版社，20O56PACEJKAHB，BAKKERETHEMAGICFORMULATIREMODELVEHICLESYSTEMDYNAMICS，VEHICLESYSTEMDYNAMICSJINTERNATIONALJOURNALOFVEHICLEMECHANICSANDMOBILITY，199221L一187郭孔辉汽车操纵力学M吉林吉林科学技术出版社，L991F8EGBERTBAKKER，HANSBPACEJK，LARSLIDNERANEWTIREMODELWITHANAPPLICATIONINVEHICLEDYNAMICSSTUDIESRSAE890087，19899曾蔚瑛，付燕荣，王国业基于PID控制的越野车ESP控制策略研究J车辆与动力技术，2009612161O刘显贵汽车底盘关键子系统的稳定性分析与集成控制研究D合肥合肥工业大学，2010THEDEVELOPMENTOFINTEGRATEDABSASRESPCONTROLUNITFORTHEAUTOMOBILEFUYANRONG，WANGGUOYE，GUANZHIWEI1TIANJINUNIVERSITYOFTECHNOLOGYANDEDUCATION，TIANJIN，300222，CHINA2CHINAAGRICULTURALUNIVERSITY，BEIJING，100083，CHINAABSTRACTBASEDONTHEMATHEMATICALMODELSINCLUDINGTHENINEDOFVEHICLEDYNAMICSMODEL，ENGINEMODEL，WHEELMODELANDTRANSMISSIONMODEL，ITDESIGNSTHECONTROLSTRATEGYUNDERBREAKINGCONDITIONANDDRIVINGCONDITIONITANALYZESTHEABSASRESPINTEGRATIONCONTROLSYSTEMALGORITHMANDDEVELOPSVARIOUSPARTSOFTHECONTROLSTRATEGIESANDPROCESSCONTROLPROCEDURESTHISDISSERTATIONEFFECTIVELYMAKESTHEVARIOUSPARTSTODETERMINETHEINTEGRATEDCONT