（光学工程专业论文）基于驾驶员模型的汽车防侧翻控制研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 摘要 本文围绕基于驾驶员模型的汽车防侧翻控制这一主题，对整车动力学模型的 建立，汽车防侧翻控制系统的建立、驾驶员模型的建立以及基于驾驶员模型的人 一车一路闭环系统仿真等方面进行了研究。 建立控制对象的模型是研究控制系统的基础，故应建立满足要求的汽车动力 学模型来进行汽车的防侧翻控制。汽车横向载荷转移率是常用的一种有效反映汽 车侧翻危险性的指标，因此，本文建立了基于横向载荷转移率的非线性轮胎模型， 在此基础上又建立了能够反映汽车运动状态的八自由度汽车系统动力学模型，并 以此作为汽车防侧翻控制研究的基础。 主动转向技术能够主动改变驾驶员给定的转向轮转角，使得汽车的响应尽可 能地与理想响应特性一致，从而提高汽车的操纵稳定性。通过深入分析转向角对 汽车侧翻特性的影响，采用主动转向技术进行防侧翻控制，并通过仿真分析说明 主动转向能够通过改变汽车的侧向加速度和横摆角速度来降低汽车的横向载荷 转移率，因而可以提高汽车的防侧翻性能。 在预瞄最优曲率驾驶员模型的基础上，根据p i d 控制、模糊控制的特性， 建立了加速度反馈模糊一p i d 控制驾驶员模型。仿真结果表明，所建立的驾驶员 模型具有较好的方向控制能力。 将驾驶员模型、汽车动力学模型及防侧翻控制系统结合起来，根据驾驶员的 操作引起的汽车侧翻的实际情况，选择具有代表性的转向角阶跃输入工况和紧急 避让工况作为试验工况对汽车防侧翻控制进行了仿真。仿真结果表明，基于驾驶 员的防侧翻控制不仅能够提高汽车的防侧翻能力，还能够改善汽车的行车轨迹跟 踪能力，从根本上提高了汽车的操纵性和稳定性。 关键词：驾驶员模型，闭环控制，横向载荷转移率，主动转向，防侧翻 浙江大学硕士学位论文a b s b r a c t a b s t r a c t t h ea i mo ft h ed i s s e n a t i o ni st os t u d y 虹l ev e l l i c l e s 狃t i - r o l l o v e rc o n t r o lb a s e do n t h e 妊v e rm d e l ，m ef o l l o w i i l gi s s u e sa r ed i s c u s s e d ：t h ee s t a b l i s h i n go fw h 0 1 ev e h i c l e m o d e l ，m ed e s i g m n go fa n t i - r o l l o v e rc o n 缸o ls y s t e m ，也ee s t a b l i s 王l i n go fd r i v e rm o d e l a l l d 也es i m u l a d n go ft h ed r i v e r _ v e h i c l e r o a dc l o s e - 1 0 0 ps y s t e mb a s e do n 也ed r i v e r n l o d e la n ds oo n f o ra t i r e ，i t sl a t e r a lf b r c ea 1 1 db r a 蛐n gf o r c ea r eb o t hr e l 砷e dt oi t sv e r t i c a ll o a 也 a n dt h ev e r t i c a ll o a di sa f 梵c t e db yt h er o l lm o v e m e n t ，m o r e o v e rt h el a t e r m 1 0 a d t a i l s f - e rr a t e ( l 1 7 r ) i sa ni m p o r t a n tp a r a m e t e rt od e s c r i b et 1 1 ec h a n g eo ft l l ev e r r c i c a l l o a d b yc o n s i d e 血gt h i s ，an o n l i n e a rt i r em o d e la n da j l8 一d o fv e h i c l ed y n 锄i c m o d e lh a v eb e e nb u i l tb a u s e do nm el t r ，a 芏1 dt l l es t l j d yo na m i r o l l o v e rc o n 仃o li sb a s e o nt h e s em o d e l s a c t i v es t e e r i n gm e 0 1 0 9 yc a nc h a n g et h es t e e r i n ga n g l ei n d e p e n d e n t l yt oc h a n g e t l l em o v e m e n to ft 1 1 ea u t o m o b i l e t 1 1 r o u 曲a n a l y s i sh o wt h es t e e r i n ga n 9 1 ei n n u e n c e s t h er o l lm o v e m e n t ，t l l i sp a p e ru s e sa c t i v es t e e r i n g l e 0 1 0 9 ya sa 1 1a n t i r o l l o v e rc o n t r o l m e t h o d d 嘶n gt h es i i l l u l a t i o n ，t h em e 岫di sv a l i d a t e d t h er e s u l t ss h o wt h a ta c t i v e s t e e r i n gt h e o l o g yc a ni m p r o v en l e 觚t i - r o l l o v e rp e d i o m l a n c eb yr e d u c i n gt h el t r t h r o u 曲c h a n 萨t h ey a w r a t ea 1 1 dt h el a t e r a la c c e l e r a t i o n a c c o r d j n gt ot 1 1 ec h a r a c t e r i s t i c so fp d c o n t r o la n d 缸乙z yc o l l 仃o l ，ad r i v e rm o d e l o fs t e e r i n gd i r e c t i o nc o m r 0 1f o ra u t o m o b i l e si se s t a b l i s h e db a s e do nt l l ep r e v i e w o p t i i l l a l c u n ，a t l j r em o d e l t h e s i m u l a t i l l g r e s u l t ss h o wg o o dd i r e c t i o nc o n t r 0 1 c a p a b i l i 够o ft l l ed r i v e rm o d e l c o m b i n e dm ed r i v e r ，t h ev e l l i c l em o d e lb ya n t i - r o uc o n t r o l ，l ef o l l o w i n g s i m u l a t i o n sw e r ed o n ea c c o r d i n gt om ea c t u a ls i t u a t i o no fr o l l o v e rb ym ed i v e r ： s t e e r i n ga n g l es t e pi n p u ts i m u l a t i o na n de m e r g e n c ya v o i d a n c es i m u l a t i o n t h er e s u l t s i i 浙江大学硕士学位论文a b s f r a c t s h o wt l l a tt h i sm o d e lc a ni m p r o v eb o 缸1t h er o l l o v e rc a p a b i l i t ya n dt h en 萄e c t o r y t r a c k i n gc a p a b i l i t y k e yw o r d s ：d r i v em o d e l ，c l o s e d - l o o pc o n 仃o l ，l a t e r a i - l o a d1 r 乏m s f e rr a t e ，a c t i v e s t e e 血g ，a n t i r o l l o v e r i i i 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 本章详细分析了汽车安全性研究尤其是侧翻控制的目的和意义，分别介绍汽 车侧翻控制和“人一车”闭环控制的研究历史和国内外现状，并概括了本文的主 要内容。 1 1 引言 近几十年以来，我国的汽车工业发展迅速，汽车保有量大幅上升，道路建设 日益完善。世界著名的美国汽车行业杂志w 缸d s a u t o 公布，至2 0 1 1 年8 月，我 国汽车保有量已经迭到7 8 0 0 万辆，仅2 0 1 0 年一年，汽车产销量超过了1 7 0 0 万 辆，而且增长势头有增无减，我国已经成为汽车生产和销售的第一大国。在2 0 1 0 年的成都车展上，美国诺贝尔经济奖得主e d w 砌p r e s c o t t 甚至高调预测，2 0 3 0 年中国汽车的年产销量将达7 5 0 0 万辆( 2 0 1 0 年全球汽车销量不过7 0 0 0 万辆) 。 截止到2 0 1 0 年底，全国公路网总里程达到3 9 8 4 万公里，其中高速公路通车里 程达到7 4 万公里。随着汽车工业的快速发展，带来的负面效应一一频繁发生的 交通事故，已经引起人们的高度重视 1 5 1 。因此，更好地提高汽车行驶的安全性 成为了现代汽车设计和研发的重点课题。 人们根据在交通事故中不同的作用时间，将汽车安全控制技术划分为汽车的 被动安全技术( p a s s i v es a f e 够t e c l l i l 0 1 0 9 y ) 和主动安全技术( a c t i v es a f e 曰 t e c l l l l o l o g y ) 。 被动安全技术是指在汽车发生交通事故之后，通过安装在车内的被动安全系 统( 如吸振装置、联动锁紧装置及其它附属装置) 来有效的保护驾乘人员；且尽 量降低对人员的损伤程度，包括对车内乘员和车外行人的保护。主要采取的措施 有汽车外形的无棱角设计，安全带的安装以及设置在车内和车外的安全气囊等。 所谓主动安全技术，则包括早在汽车设计时，对汽车的内部和外形结构进行 更为合理有效的设计，从而主动提高汽车的安全性能，以及采用先进的控制技术 和安全装备，主动预防、避免汽车事故的发生，减少事故可能造成的损害。这其 中，诸如汽车防抱死制动系统( a b s ：a n t i l o c kb r a k es y s t e m ) 、电子稳定程序 系统( e s p ：e l e c 怕1 1 i cs t a b i l 时p r o g r a m ) 、驱动力控制系统( t c s ：t r a c t i o nc o n 仃o l 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 s y s t e m ) 以及电子制动力分配装置( e b d ：e l c c t r i cb r a k e f o r c ed i s t r i b u t i o n ) 等已经 在现代汽车中成熟的应用甚至作为很多汽车的标准配备。 伴随越来越多的主动以及被动安全技术的广泛应用，汽车的安全性能得到了 极大的飞跃。然而，作为汽车例向稳定性控制中的侧翻控制，一直没有受到很好 的重视，而汽车侧翻事故带来的危害显然是非常致命的【6 堋。据2 0 0 9 年美国公路 交通安全管理局( n h t s a ：n a t i o n a lh i g h w a yt r a m cs 疵够a d m i n i s t r a t i o n ) 的统计 数据，就所知的交通事故的危害程度来说，汽车侧翻危害程度仅次于汽车碰撞 事故，为第二大交通伤害事故。例如，在美国2 0 0 0 年侧翻事故尽管只占总交通 事故的5 5 ，但侧翻事故死亡率却可占2 1 2 7 ，严重损伤率达1 5 蚪1 们。2 0 0 3 年间，美国共约有1 1 0 0 万辆汽车发生交通事故，其中汽车侧翻事故虽仅造成财 产损失的比率为1 3 ，然而严重损伤率高达4 9 ，死亡率达到惊人的2 0 【1 1 。 而在2 0 1 0 之后新的一个十年里，汽车侧翻事故造成的危害程度势必又有所增加。 此外，汽车侧翻造成的环境污染和高速道路中断的情况也不可忽视。 近年来，随着我国道路交通的迅速发展，汽车侧翻引起的伤亡事故也在不断 增加，造成了巨大的经济损失和严重的社会影响。汽车侧翻事故已经发展成为了 全世界瞩目的安全问题。因此，对汽车的侧翻问题进行分析研究，提高汽车的抗 侧翻能力，减少侧翻事故的发生，已成为汽车研究领域一个重要课题【1 2 ，1 3 1 。 随着大家对操纵稳定性控制系统研究的不断深入，人们发现驾驶员的行为特 性已经成为影响车辆操纵稳定性的不可忽略的重要因素【1 4 】。如果只研究汽车控 制系统本身输入和输出问的关系，只能得到该汽车系统对给定的转向盘输入的响 应，而整个人一车一路系统的性能却难以断定，汽车的操纵稳定性和主动安全性 也很难得到正确的评价与合理的设计。 由此，人们采用系统论的方法把车辆整体作为人一车一路闭环系统的其中一 个被控环节，分析整个闭环系统的特性，这种方法被称之为汽车操纵稳定性研究 的闭环方法。该方法已经被国内外的理论和实践证明是行之有效的。其控制系统 筒图如图1 1 所示。 2 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 鼹嚣装凝 交逶清滠 气穰 籍舞羼鼹蠢不平 图1 1 人一一车一一路系统闭环控制简图 在如图1 1 所述的人一一车一一路闭环系统中，首要的工作就应该是建立一 个合适的驾驶员模型。然而，考虑到真实的驾驶员系统是一个有思维、能不断对 外界系统进行反馈的复杂系统，因而很难借用常规的车辆控制系统模型的建立方 法。 随着对模糊控制、p i d 控制、神经网络控制等控制理论的深入发展，这些方 法也越来越多的被用到汽车操纵稳定性的研究中。本文将以这些控制方法为基 础，初步建立能反映侧翻工况的驾驶员模型，为汽车的操纵稳定性进一步研究打 下基础。于此同时，驾驶员控制模型的研究还为智能汽车的研究提供一种行之有 效的途径，具有一定的现实意义。 1 2 汽车侧翻研究现状 1 2 1 汽车的侧翻指标 所谓汽车侧翻指标，是对汽车任意时刻侧翻危险程度进行描述的指标量，也 可以作为判断一辆汽车达到临界侧翻的标准【”】。根据侧翻的定义，在汽车的行 驶过程中车身绕轴线转动9 0 。时为侧翻临界点。在实车行驶或进行仿真实验中， 一般将一侧车轮将要离开地面定义为汽车侧翻的临界点。对于车速比较高的车 辆，因为有较大的运动惯性存在，故当其中一侧车轮离开地面时相当比例的汽车 都会发生侧翻事故。特殊情况只出现在经验丰富的赛车手操纵下的特殊研制的赛 车，在当其中一侧车轮离开地面时，会在车手的操纵下回归稳态。 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 对于车速较高的汽车侧翻控制研究，需要随时测量高速转动下的各个车轮的 垂向载荷，在一侧车轮垂直载荷都为零时可以判断该侧车轮在侧翻临界点。其中 的一个难点是得到高速转动下的各个车轮的垂直载荷量比较困难。故在研究中需 要对侧翻的临界点进行整车力学条件转换。针对不同的研究目标和状况，侧翻指 标的选择也不尽相同，常用的汽车侧翻指标有侧翻时间、车身横向加速度、侧倾 角、横向载荷转移率等。 人们经常将汽车横向加速度和侧倾角作为汽车侧翻控制的重要变量 1 6 】。首 先在汽车静态实验中得到在汽车侧翻临界点时，横向加速度和侧倾角度的对应数 值。行驶工况下，采用直接测量或间接计算的方法得到横向加速度和侧倾角度在 任意时刻的具体数值。与侧翻临界值相比较，越接近临界值的工况汽车的侧翻可 能性越高。这种控制方法的显著缺陷是数据库中要有各种车型临界情况下横向加 速度和侧倾角的数值，这个数据量是比较庞大的。 汽车横向载荷转移率( l t r ：l a t e r a l 1 0 a dt r a n s f e rr a t e ) 是现今常用的一种能 够反映汽车侧翻工况的指标【1 7 】。横向载荷转移率可以定义为汽车左右轮胎上垂 直栽荷之差与总垂直载荷之比，取值范围为 一1 ，1 ，表达式如下所示： 三豫：饕 ( 1 1 ) 足+ f ， 一 式中，f ，和疋分别为作用于左右侧车轮的垂直载荷值，且满足 巴+ 乃= 尬，m 为车辆总质量。 考虑汽车的转向行驶工况，在离心力的影响下汽车开始侧倾，表现在轮胎上 就是内侧车轮的垂直载荷相应减小，而外侧车轮的垂直载荷相应增加，整体的汽 车横向载荷转移率增大。 平滑路面直线行驶工况下，汽车没有侧倾，左右两侧车轮的垂直载荷大致相 等，横向载荷转移率值为0 。工况为转向行驶或者在路面激励下发生汽车侧倾时， 横向载荷转移率值的绝对值增大，其数值越靠近1 汽车的侧翻可能性越高。横向 载荷转移率绝对值达到l 时，汽车会发生侧翻事故。 上述方法实现起来需要随时测量左右两侧车轮的垂直载荷量。由于直接测量 不易实现，横向载荷转移率通常采用间接估算方法来得到。横向载荷转移率与汽 车类型，结构参数都无关，极限值统一为绝对值等于1 ，因此对所有类型汽车具 4 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 有一定的通用性。 1 2 2 国内外研究现状 无论是汽车厂商还是全球各地的实验室都在提高汽车的防侧翻能力进行了 大量的研究，其主要工作可以分为被动安全技术和主动安全控制技术。其中，被 动安全技术主要分析汽车研发过程中因防侧翻性能而涉及的结构参数，此外还包 括侧翻预警技术，横向稳定杆，主动悬架等都在被动安全技术的范畴。而主动安 全控制技术则是立足在能够主动改善汽车防侧翻性能的控制技术。四轮转向、主 动转向、差动制动等技术在主动安全技术的范畴。 m e k s a n d e rh a c 等人分析了了汽车侧倾运动与悬架参数以及轮胎变形的关系 ；j a n g y e o ly o o n 则提出了一种基于滑模控制的底盘系统集成策略，可以提高 车辆的侧向稳定性，减小侧翻发生的机会 1 9 1 ；c h e n b o 及其实验室提出一种基 于侧翻时间的预警算法，基于此来预测汽车侧翻的发生，将侧翻事故尽可能的降 低 2 0 1 。v a s i l i o t s o u r a p a s 等人通过对汽车横向载荷转移率进行实时预测来减小 侧翻的发生【2 1 1 。s o h a zs e l i m 等人设计了一种防侧翻鲁棒控制器，从算法上对 侧翻行为进行控制 2 2 。p j l i u 和s l l d l e a 等人将研究国标专注在重型汽车 上，并提出了一种用于描述重型汽车侧翻安全因子的全新概念，以此设计了一种 开环的防侧翻控制剐2 3 1 。r o b e r te n ，i n 和c 1 1 r i s t o p h e rw i n k l e r 等人将研究目标放 在轻型汽车上，通过一种离心机技术来测量汽车的侧翻阀值【2 4 】。n i l a 拍s d a s 等人通过测量低速时汽车的实验数据来对其动力学侧翻阀值，用实车实验将该方 法进行验证 2 5 1 。 b o s c h 公司率先开发了一种电子稳定程序用来提高汽车的操纵稳定性，即 e s p 技术【2 6 1 ：德尔福公司则是研发出了一种新型防侧翻控制系统一一自动稳定杆 系统( a s b s ) ，用于提高汽车的侧向稳定性能【2 7 1 ；v o l v o 公司首先开发了防翻 滚稳定控制系统( i b l ls t a b i l 酊c o l l 仃0 1 ) 用以减小汽车侧翻的危害。 同样，国内也有多个研究团队对汽车的侧翻及其控制做出了比较深入的研 究。南京理工大学的金智林等学者提出了一种基于模糊差动制动的防侧翻控制方 法，他们同时还提出一种准动态稳定因子的概念，然而他们的汽车模型是线性化 的没有考虑非线性因素的存在【2 8 ，2 引。吉林大学的徐延海提出了利用主动转向与 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 制动系统相结合的技术来提高汽车的防侧翻性能，但该研究并没有给出主动转向 系统与制动系统如何协调的增强汽车的操纵稳定性【3 0 1 。长安大学的马建和余强 研究了主动悬架对车辆侧翻的影响，表明主动悬架可以通过降低侧倾角从而改善 汽车的稳定性【3 l 】。上海交通大学的刘合法和花家寿等人分析研究了对车辆的静 态侧翻试验，并且比较了多种侧翻试验方法的优劣【3 2 】。 总体来说，目前我国对于车辆侧翻的控制研究还处于刚起步的状态，而且还 没有真正开发过汽车防侧翻控制的控制平台。此外，现有的研究更多地是局限在 单个系统的防侧翻控制，对多个系统的耦合防侧翻控制的研究很少，对进行防侧 翻控制时多个系统如何协调合作的研究更是近乎空白。与此同时，对汽车防侧翻 控制进行实验验证的专用场地也非常少【3 3 3 7 1 。因此，进行汽车的防侧翻控制研 究是非常有必要。 1 2 3 汽车侧翻控制关键技术研究 要实现车辆的防侧翻系统的控制，有两个步骤要走。一个是对车辆可能发生 的侧翻进行预测，即侧翻预警。该阶段，控制系统通过传感器采集来的数据来判 断汽车发生侧翻的可能性，用系统给定的算法来判断是否开启防侧翻。另一个是 已经判断汽车的侧翻状态，系统打开防侧翻控制，通过执行机构以改变车辆运行 当中的某些参数，进而起到防侧翻的作用。其中的一个关键技术就应该在车辆系 统在发生侧翻危险之前系统得到预判，并采取一定的控制方法来防止侧翻的发生 或减小其危害。 我们一般用两种方法对汽车的侧翻危险进行预测：基于模型的方法乖基于信 号的方法【3 8 1 。前者在一个反应车辆侧翻运动状况的模型下，根据测得的运动参 数直接计算出车辆下一步的运动参数变化，通过这些参数来对侧翻危险进行预 判。这种方法的优点是模型精度越高，预测的就越准确，缺点就是要很短的时间 内要测量并分析很多数据，从而有很高的硬件要求。而后者的方式则不依赖于整 车侧翻模型的建立而只需要一个车辆的侧翻预测模型，在此模型的基础上需要根 据车辆每一时刻的瞬时状态来预判出车辆发生侧翻的可能性。这种方法对硬件本 身要求不高，但也很难得到很高的精度。 本文为了得出一个更为精准的实验结果，采用基于模型的方法。下文将通过 6 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 分析侧翻时刻车辆的受力和运动状况来建立一个能够反映侧翻运动的较为精确 的模型，通过一定的参数来表征汽车的侧翻运动，进而进行侧翻控制。 作为一个主动安全技术，主动转向技术可以很好的改变汽车侧倾运动和横摆 运动【3 9 1 。主动转向系统是根据车辆行驶过程中直接或间接得到的横摆角速度和 侧倾角等状态的反馈，通过一个附加的转角来主动的改变驾驶员的总输入转角， 从而提高汽车的抗侧翻性能和操纵稳定性。 主动转向技术虽然可以对车辆系统进行高效的控制，但同时它改变了驾驶员 本身的驾驶意图，会导致行驶轨迹跟预期相比发生一定的偏离。特别是在高速行 驶或急转向等工况下进行防侧翻控制，则需要更大的附加转角，这样做的后果是 增加汽车的转向不足，增大汽车转弯的半径，会使行车轨迹严重偏离驾驶员原本 的驾驶意图。因此，主动转向的防侧翻控制与对行车轨迹控制，是一对严重的矛 盾，我们将在下文进行解决 4 们。 1 3 汽车驾驶员模型研究现状 驾驶员模型的提出源于上个世纪中期的时候，人们进行驾驶员模型的研究已 经有超过五十年的历史了。这期间，全球的科研工作者和专家建立了许多驾驶员 模型系统。 驾驶员模型可以比较真实的模拟驾驶员的操纵能力。它是随着对驾驶员监 控、协调、管理、补偿等行为的重要性认识的不断增强加之刈门对现代控制理论 的深入发展而逐渐形成的一种新兴技术【4 。在驾驶员一汽车一道路”闭环系 统中，作为驾驶员其行为由于受到各种外部环境或法规的限制，具有极大的不确 定性；而对工程学最有意义的研究是那种能够真正而又准确反映驾驶员行为特性 的驾驶员系统的研究。目前为止，在全球范围内，人一一车闭环操纵性研究领域 的主要学者有以下几个：美国的m a c a d a i i l 和彭辉、日本的安部正人以及中国的 郭孔辉院士等。 1 3 1 方向控制驾驶员模型 自从上个世纪五十年代起，全球的学者研究员提出了各种基于方向控制的驾 驶员模型。随着现代控制理论的发展而不断深入，方向控制驾驶员模型才逐渐发 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 展起来的。其过程主要分为三个阶段： 第一阶段：补偿跟踪模型 补偿跟踪模型如图1 2 所示【4 2 】，不考虑驾驶员的前视作用( 预瞄环节) ，直 接根据当前车辆状态，利用控制理论和方法进行控制，跟随道路轨迹。其代表是 由i g u 出提出的p d 模型【4 3 1 和由m c r i 鹏提出的c r o s s o v e r 模型m 】。驾驶员补偿 跟踪模型的输入是当前时刻预期轨迹的信息( 一般是其侧向位置) 与汽车行驶的 状态信息( 一般为汽车的侧向位置) 之间的偏差，模型假定驾驶员只是根据偏差 进行补偿校正，输出方向盘转角。 图1 2 驾驶员补偿跟踪模型 第二阶段：预瞄跟踪模型 预瞄跟踪模型如图1 3 所示，考虑了驾驶员驾驶车辆时的前视作用( 预瞄环 节) ，根据未来时刻汽车理想位置与预估位置的偏差进行控制。图中p ( s ) 、f ( s ) 和b ( s ) 分别表示驾驶员的预瞄环节、前向校正环节和反馈预估环节，为预期轨 迹信息，z 为预瞄环节根据当前汽车运动状态而估计的未来时刻汽车位置信息， y 。为由预估环节估计的未来时刻汽车状态信息，s 为两个估计值的偏差，万为对 车辆施加的控制信息，y 为汽车的运动轨迹位置。由于在通常的驾驶过程中驾驶 员总是提前一段距离观测要跟随的道路路径，预瞄跟踪模型更加符合实际驾驶员 的操纵特性。 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 ff。 2 。_ 兰竺- 国6 i 一 拶- 母1 1 誓广遂箩幽 驾驶爨模型昂_ 一一一 _ 图1 3 驾驶员预瞄跟踪模型 最初建立的驾驶员模型是把驾驶员的预瞄环节、前向校正环节和反馈预估环 节用传递函数的形式表示，使之近似等价驾驶员的预瞄、执行和感知功能。这类 模型的代表是由k o n d o 提出的线性预估模型【4 5 1 和由y o s h j i l l o t 0 提出的二阶预估 模型【4 6 】。作为最早的驾驶员预瞄跟踪模型，线性预估模型成功的引入了预瞄时 间的概念，对驾驶员方向控制模型的发展产生了重大影响。 如前所述，驾驶员模型技术是随着控制理论的发展而逐渐发展起来的。驾驶 员最优预瞄控制概念的提出源于实际驾驶员的驾驶特性，它把驾驶员看成一个伺 服性能最优的控制器，在各种输入和干扰作用下，使某种形式的二次型性能指标 达到最小【4 7 1 。 美国学者s h e r i d a n 在1 9 6 6 年发表的论文中认为，对汽车跟随道路的问题可 以建立一个局部最优预瞄模型，因为驾驶员在驾驶汽车的过程中只能看到有限区 域内的预期轨迹，所以可以先针对这一段路经的信息施加控制以保证局部跟随最 优。只要这种预瞄过程不断重复，即可保证全局最优的跟随性能【4 8 1 。 c c m 必d a m 于1 9 8 0 年提出了一个最优预瞄控制模型( o p t i m a lp r e v i e w c o n 仰l ，简称o p c ) ，除了预瞄时间之外，此模型的参数可以直接由汽车动力学 特性确定，而且由于该模型是根据轨道跟随误差平方和最小而推导的，汽车轨道 跟随精度相当高【4 9 1 。 英国学者r e d d y 等在1 9 8 1 年提出了局部优化预瞄模型，该模型假设驾驶员 以控制汽车在未来时刻的行驶轨迹与预期道路的偏差为目标，应用局部寻优的数 值算法优化方向盘转角。 9 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 第三阶段：智能控制模型 当人工神经网络技术在人工智能研究领域倍受青昧时，神经网络驾驶员模型 应运而生。1 9 9 3 年，s t e f 锄n e u s s e r 等人提出了神经网络模型。将5 0 0 0 0 例真实 驾驶员在公路上行车时的转向操纵记录作为神经网络的学习样本，关注车辆被操 纵的方式，而不是车辆的动力学特性，设计了由2 1 个神经元组成的三层前馈神 经网络控制器( 各层神经元数分别为5 1 5 1 ) ，并将其安装在戴姆勒奔驰公司的 o s c a r 车上进行了测试。神经网络的输入向量来自安装在车上的图像处理系统， 它们分别是：车辆的横摆角度、道路曲率、侧向偏移及道路曲率和侧向偏移在时 间上的加权平均，输出向量是方向盘转角【5 0 。 崔胜民等提出了一个四层前馈神经网络驾驶员模型，网络拓扑结构为 1 0 - 4 3 1 ，模型的输入分别是：横摆角速度、侧向速度、侧向加速度、侧向位移、 预瞄侧向偏差以及各个输入量的前十个时刻的记忆值，输出是方向盘转角。隐含 层数及每层内神经元数的确定采用了试验试凑法，驾驶员模型的训练样本采用了 单移线和双移线。 近年来不少研究者用模糊控制理论建立了驾驶员模糊控制模型。这类模型用 模糊数学及其控制理论来描述人的操纵行为，一定程度上能够反映出人的思维能 力【5 1 5 2 1 。此外，还有很多类型的驾驶员模型，例如人的自适应模型、时间序列模 型、离散模型等。近年来，随着控制理论的不断发展和融合，一些学者还提出了 基于模糊神经网络的驾驶员模型 5 3 】。 1 3 2 速度控制驾驶员模型 速度控制模型通常用于巡航控制研究中，下面就介绍几个用于巡航控制的速 度控制驾驶员模型。 1 9 9 4 年日本学者k y b s h i m o t o 提出了一个速度控制的驾驶员模型。该模型以 当前汽车和前方障碍的相对距离和此刻驾驶员所感知的汽车纵向加速度为基础， 经过一个匀减速过程，来预测汽车在停止前和前面障碍之间的距离。驾驶员设定 一个汽车和前方障碍之间的安全距离，然后驾驶员根据此安全距离扣上面得到的 预测距离之间的差值来决定制动踏板的控制命令。具体方法是，设置的安全距离 和预测距离的差值经过由一个增益环节和一个微分环节组成的校正环节后，就得 1 0 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 到驾驶员期望的制动踏板的深度。然后驾驶员根据得到的制动踏板深度来调整汽 车的速度以达到速度控制目的【5 4 1 。 1 9 9 7 年，美国学者r w a d e a l l e n 等提出了一种速度控制模型。该模型利用 两个反馈回路：实际速度反馈和设定速度与实际速度差值反馈来调整汽车速度及 汽车和前方汽车的距离间隔。该模型同时控制汽车的相对速度和相对位移，并且 最终把相对位移转的误差转化为相对速度的误差来进行控制，相对速度的误差经 过由一个延迟环节和一个增益环节组成的速度校正环节后得到期望的节气门开 度。然后驾驶员根据得到的节气门开度来控制汽车的速度以达到速度控制目的。 该模型经过福特公司大量的实车和实际驾驶员在测试车道和高速公路上进行试 验并得到验证【5 5 。 1 9 9 8 年，n i s s a i l 公司的s e t o 和m u r a k a m i 等建立了一种从期望的纵向加速 度到汽车的纵向速度之间的传递关系，并在此传递关系的基础上，利用p d 控制 策略，建立了基于相对距离的速度控制模型。该模型以当前汽车离前车的距离为 基准，通过实际的速度反馈环节，得到当前汽车与前车理想距离和实际距离的误 差。该差值经过一个由p d 控制器构成的加速度决策环节得到由该误差值所决定 的当前汽车的期望加速度值。同时，通过前方汽车加速度前馈环节，驾驶员感知 到前车的加速度值，和前面得到的加速度值作比较后得到最后所期望的加速度 值。该加速度值再通过前面建立的加速度到汽车速度的传递环节就得到汽车的纵 向速度，从而实现汽车的速度控制【5 6 1 。 1 3 3 国内驾驶员模型研究 在国内，郭孔辉院士及其课题组是最早研究驾驶员模型的。早在1 9 8 2 年， 他们提出了一种“预瞄一一跟随”的理论。将“驾驶员一一汽车”闭环系统看成 为通过前方道路信息的分析来进行控制的系统。该系统可以简化为由一个“跟随 器”和一个预测器”串联起来的系统【5 7 ，5 8 1 。 1 9 8 4 年，郭孔辉院士在“预瞄一一跟随”的理论基础上，建立起来了最优 曲率模型【5 9 1 。最优曲率驾驶员模型直接建立了模型参数与汽车操纵特性和驾驶 员特性参数之间的关系，经过了大量的人_ 车路闭环系统仿真与实际驾驶员试验 的对比验证，获得了与真实熟练驾驶员驾驶汽车非常接近的轨迹跟随效果。郭孔 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 辉院士提出的o p a ( 最优加速度最优曲率模型) 是典型的预瞄跟踪模型。 1 9 9 3 年，管欣等人提出了一种预瞄优化方向控制驾驶员模型。 2 0 0 1 年，随着神经网络技术的发展，基于人工神经网络的基本原理和驾驶 员一一汽车闭环系统的功能结构，很多学者继续发展了预瞄优化神经网络驾驶员 模型。在驾驶员一一汽车闭环系统的功能框图基础上，参照人工神经网络的拓扑 结构，根据驾驶员依靠前方道路轨迹信息和车辆的反馈状态信息来驾驶汽车，建 立基本预瞄优化人工神经网络驾驶员模型。驾驶员模型的输入分别是驾驶员预瞄 前方点的轨迹和汽车的状态反馈，包括侧向位移，侧向速度弄口侧向加速度。这些 输入经过人工神经网络间的权值和转移函数的叠加综合，以及神经滞后和惯性滞 后环节，得到驾驶员模型的输出一方向盘转角【6 0 1 。 2 0 0 4 年，王汝辉学者将基于误差分析法的方向应用于车辆的纵向控制研究 中，建立起来了纵向与侧向综合控制的驾驶员神经网络模型【6 1 】。 1 4 本文关注的问题以及论文的结构安排 目前对汽车侧翻稳定性研究仅涉及底盘系统中各系统的单个或联合的控制， 忽略了驾驶员对车辆操纵稳定性的影响，而后者是汽车侧翻动态稳定性研究的重 要组成部分。操纵稳定性的研究对象应该是把驾驶者与汽车作为统一整体的人一 一汽车系统，而不能忽略驾驶员的反馈作用。防侧翻控制也不能简单的作为开环 控制系统，而应该是考虑驾驶员反馈的闭环控制系统。 本论文首先根据汽车的防侧翻控制的要求选择合理的自由度建立汽车系统 动力学模型，其次选择合适的控制方法对；气车的侧翻进行控制，然后建立人一一 汽车驾驶员模型，并在典型工况下进行仿真检验，验证所建模型的合理性。主要 研究内容具体包括以下内容： 1 建立基于横向载荷转移率的轮胎和整车动力学模型。作为汽车的一个重 要侧翻指标，横向载荷转移率与车辆的行驶状态和安全性能有着重要的 关联。通过横向载荷转移率与轮胎受力的关系，建立了基于横向载荷转 移率的非线性轮胎模型，在此基础上进一步建立八自由度整车动力学模 型，通过对整车模型的动力学仿真，表明了通过减小汽车的横向载荷转 移率可以减少其转向不足，从而可以提高汽车的转向能力。 1 2 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 2 选择主动转向技术进行防侧翻控制。通过对主动转向技术的了解，分析 了主动转向系统的动力学模型，在此基础上讨论了主动转向防侧翻控制 研究中的控制策略乖控制方法，制定了控制框图，对主动转向防侧翻控 制进行算例分析。数值仿真结果表明，在一定的车速范围内，主动转向 系统能够很好的减低汽车的横向载荷转移率并提高防侧翻能力。 3 汽车驾驶员模型的建立。在预瞄最优曲率驾驶员模型的基础上，根据p i d 控制、模糊控制的特性，建立加速度反馈模糊一p i d 控制驾驶员模型。 选择蛇形试验进行人一车一路闭环仿真，验证驾驶员模型的方向控制能 力。 4 基于驾驶员系统模型进行汽车稳定性控制仿真。选择具有代表性的转向 角阶跃输入工况和紧急避让工况作为试验工况，验证了驾驶员模型的作 用。 浙江大学硕士学位论文 第二章汽车操纵动力学模型的建立 第二章汽车操纵动力学模型的建立 建立控制对象的模型是研究控制系统的基础，汽车防侧翻控制的对象是汽车 整体，因此，将首先建立满足要求的汽车动力学模型来进行汽车的防侧翻控制。 汽车是一个多构件，强非线性的复杂整体，若考虑汽车运动中的所有部件，由此 得到的模型将会非常复杂，因此，必须将模型进行简化，以得到一个既简单直观 又可以准确反映汽车运动状况的汽车操纵动力学模型。本章在两自由度基本操纵 模型的基础上，建立了能够满足要求的汽车八自由度操纵动力学模型。 2 1 汽车的运动和动力分析 2 1 1 车身标准坐标系 汽车的运动是借固结于运动者的汽车上的动坐标系一一车辆坐标系来描述 的。s a e 标准坐标系作为描述车身运动常用坐标系，如图2 1 所示。坐标系o x y z 其原点与车辆质心重合，x 轴平行与地面指向车辆前进方向；z 轴通过质心指向 上方；根据右手法则，y 轴平行于地面指向驾驶员左侧。 图2 1s a e 标准坐标系 标准坐标系中分别定义了汽车运动时的六个自由度，分别如下：沿x 轴的 1 4 浙江大学硕士学位论文 第二章汽车操纵动力学模型的建立 纵向运动、绕x 轴的侧倾运动、沿y 轴的侧向运动、绕y 轴的俯仰运动、沿z 轴 的垂向运动和绕z 轴的横摆运动。其中，车辆角速度在z 轴上的分量一一横摆 角速度w ，汽车质心速度在y 轴上的分量一一侧向速度v ，汽车质心加速度在y 轴上的分量一一侧向加速度口。与汽车操纵稳定性密切相关。在侧翻研究中，一 般通过横摆角速度和质心侧偏角这两个参数来分析汽车的运动状态。因此，本文 在对汽车进行运动扣动力学分析时，主要考虑这两个参数以及与侧翻相关的纵向 运动，侧向运动，侧倾运动和横摆运动。 2 1 2 汽车动力分析 对汽车进行动力分析，就是确定车辆在行驶方向上的运动状态。为此，需分 析沿着车辆行驶方向上，作用于汽车的外力，包括驱动力与行驶阻力。汽车的行 驶方程式可表示为： f = f( 2 1 ) 式中，f 为驱动力，f 为行驶阻力之和。 驱动力是来自于发动机的转矩经传动系传递后作用于驱动轮上。传至驱动轮 上的转矩z 产生对地面的圆周力c ，地面对驱动轮的反作用力e 即是驱动汽车 的外力，如图2 2 所示。 “、 爹、? 嚣 厂 7 毫j ? 图2 2 汽车驱动力示意图 浙江大学硕士学位论文 第二章汽车操纵动力学模型的建立 其值为： f ：互( 2 2 ) 式中，z 为作用在驱动轮上的转矩；r 为车轮半径。 驱动轮上的转矩z 来自于发动机产生的转矩，后经传动系传至车轮上。令瓦 表示为发动机转矩，t 表示为变速器的传动比，屯表示为主减速器的传动比，珊 表示为传动系统的效率，有以下表达式： 互= 之珊 ( 2 3 ) 带入式( 2 2 ) ，可以得到驱动力： f ：墼 ， ( 2 4 ) 自由半径r 为无载时的车轮半径。静力半径名为车辆静止下，车轮中心到轮 胎和地面接触面间的距离。在垂向载荷的作用下，轮胎压力下形变，故静力半径 略小于自由半径r 。 车轮的滚动半径由车轮转动圈数与实际车轮滚动距离之间的关系来定义，其 关系为 s 2 瓦 ( 2 5 ) 式中，为车轮转动的圈数，s 为在转动圈时车轮滚动的距离。 显然，对于汽车作动力学分析时，应该用静力半径，而作运动学分析时，应 该用滚动半径，但在通常情况下不计较它们的区别，统称为汽车车轮半径r ， 即可认为 r ( 2 6 ) 水平道路上匀速行驶工况下，主要受力为地面的滚动阻力和空气的空气阻 力。滚动阻力可用符号毋表示，空气阻力用符号e 表示。有坡度的工况下，还 受重力沿坡道的分力，该力可称为坡道阻力，用符号f 表示。加速行驶工况下， 1 6 浙江大学硕士学位论文 第二章汽车操纵动力学模型的建立 还要考虑加速阻力，用符号f 表示。故汽车直线行驶的总阻力可表示为： f = 弓+ e + f + 巧 ( 2 7 ) 在汽车直线行驶的总阻力中，滚动阻力毋和空气阻力e 是在任何行驶条件 下均存在的，坡度阻力f 和加速阻力f 仅在特定工况下存在。 驾驶员对车辆运动施加控制的作用机理主要来自于轮胎，即通过轮胎将力施 加于车辆。车辆运动过程中，纵向、侧向以及垂向三个方向的力和力矩共同对轮 胎起作用，驾驶员对轮胎作用力和力矩的控制是通过方向盘实现的。轮胎纵向力 的可以控制车辆的车速和加速度，其中，驱动力的大小是由加速踏板和变速机构 来控制，制动力的大小由制动系统来控制。轮胎侧向力可以使车辆正常转向，驾 驶员通过转动方向盘，使前轮有个转角，以此来控制轮胎上的侧向力。轮胎垂向 力的作用保证车辆具有良好的附着性能。 2 2 整车模型的建立 如前文所述，标准坐标系定义了车身的六个自由度。但根据不同的研究目标， 可以选择不同的自由度来建立汽车操纵动力学模型。如只研究横摆运动和侧向运 动的线性二自由度模型；也有考虑了车辆侧向、侧倾和横摆运动的3 自由度模型； 还有考虑侧向、纵向、横摆，侧倾以及四个车轮转动的八自由度模型；基于多体 动力学分析的多自由度非线性的模型也是研究热点。自由度越多，汽车模型越接 近汽车的真实状态。 本文以2 自由度车辆模型为参考模型，采用8 自由度的整车动力学模型来进 行侧翻控制研究。 2 2 1 二自由度操纵模型的建立 在最简单的车辆模型中将车辆表示为单一质量的刚体，在道路水平面内具有 三个自由度，分别为纵向运动，横摆运动和侧向运动。当假定纵向速度恒定，这 时就只有横摆运动和侧向运动这两个自由度。一般来说，这两个自由度的模型可 以用来说明车辆操纵动力学上的基本特征。二自由度基本操纵模型虽然简单，但 浙江大学硕士学位论文 第二章汽车操纵动力学模型的建立 概括了车辆的主要操纵特性，为建立更复杂的操纵模型提供了必要的基础。 两自由度基本操纵模型是