（光学工程专业论文）电子稳定程序esp参数的估计及仿真.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 电子稳定程序e s p 是在a b s a s r 的基础上增加测量汽车运行姿态的传感器来直接监 测汽车运行姿态的汽车稳定性控制程序。e s p 中的一些与汽车运行姿态相关的重要参数， 由于直接利用传感器监测成本较高，所以选择状态估计的方法来估计这些状态参数，不仅 可以节约成本，还可以缩短e s p 产品的开发周期。如何恰当、准确、迅速的估计出这些参 数，成为e s p 程序发展的重要的技术。本文主要针对e s p 控制过程中所需要的状态参数变 量进行估计，再结合车辆动力学仿真软件对e s p 控制策略进行仿真和验证。 首先，根据b u r c k h a r d t 双指数组合模型可以模拟出各路面上附着系数与滑移率之间 的关系，建立路面识别系统；通过a b s 的制动仿真检验路面识别系统的有效性，为e s p 和制动系统提供最佳的制动参数。 其次，设计轮胎魔术公式参数回归的实验方案，完成整套轮胎参数测定的试验，通 过试验数据对比不同轮胎的刚度特性，回归轮胎魔术公式的参数，建立能反映轮胎真实特 性的轮胎模型，为联合仿真下的e s p 控制策略提供模型和数据依据。 然后，结合状态估计理论，建立了基于线性二自由度模型和双线性轮胎模型的卡尔 曼滤波器，估计大侧偏状态下汽车姿态变量参数的理想值；建立整车动力学仿真模型，估 计大侧偏状态下汽车姿态变量的实际值。 最后，研究了e s p 的控制策略，以及e s p 的控制方法及算法：利用估计的车辆状态 参数实现e s p 的d y c 控制，通过建立a d a m s c a r 和m a t l a b s i m u l i n k 的联合仿真环境，严 格按照法规f m v s s l 2 6 对e s p 的控制策略进行仿真和验证。 关键词：路面识别，魔术公式，参数回归，状态估计，卡尔曼滤波，控制策略 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t e l e c t r o n i cs t a b i l i t yp r o g r a me s pi sb a s e do nt h ea b s a s ri n c r e a s e do p e r a t i n gp o s t u r e s e n s o r sm e a s u r ev e h i c l et od i r e c t l ym o n i t o rt h ec a rr u n n i n gp o s t u r ev e h i c l es t a b i l i t yc o n t r o l p r o c e d u r e e s pw i t ht h ec a rr u n n i n gi nan u m b e ro fi m p o r t a n tp a r a m e t e r sr e l a t e dt op o s t u r e ， d u et ot h ed i r e c tu s eo fs e n s o r sf o rm o n i t o r i n gc o s t sa r eh i g h e r ，s oic h o s es t a t ee s t i m a t i o n m e t h o d st oe s t i m a t et h es t a t ep a r a m e t e r sc a l ln o to n l ys a v ec o s t s ，b u ta l s oc a ns h o r t e nt h e p r o d u c td e v e l o p m e n tc y c l ee s eh o wt op r o p e r l ya n da c c u r a t e l ye s t i m a t et h e s ep a r a m e t e r s q u i c k l yb e c o m e a ni m p o r t a n tp r o c e d u r a ld e v e l o p m e n t si ne s p t e c h n o l o g y i nt h i sp a p e r , f o rt h e e s pc o n t r o lp r o c e s sv a r i a b l e sn e e d e dt oe s t i m a t et h es t a t ep a r a m e t e r s ，c o m b i n e dw i t hv e h i c l e d y n a m i c ss i m u l a t i o ns o f t w a r et os i m u l a t ea n d v e r r i f i c a t et h ee s pc o n t r o ls t r a t e g y f i r s t ，a c c o r d i n gt ob u r c k h a r d tp a i r so fi n d e xp o r t f o l i om o d e lc a ns i m u l a t et h es u r f a c e f r i c t i o nc o e f f i c i e n ts e p a r a t er o a d sw i t ht h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es l i pr a t e ，r e f l e c t i n gt h es t a t e o fr o a d s ，e s t a b l i s ht h er o a di d e n t i f i c a t i o ns y s t e m s ；t h r o u g ht h ea b sb r a k es i m u l a t i o no ft h e m o d e lt e s t sw h e t h e rt h ee f f e c to fs u r f a c er e c o g n i t i o ns y s t e mi d e n t i f yt h er o a da d h e s i o n c o e f f i c i e n tf o rt h eb r a k i n gs y s t e mt op r o v i d et h eb e s tb r a k i n gp a r a m e t e r s s e c o n d l y , d e s i g ne x p e r i m e n t a lp r o g r a m t or e t u mp a r a m e t e r so fm a g i cf o r m u l a t i r e ，c o m p l e t es e t o ft i r e p a r a m e t e rm e a s u r e m e n te x p e r i m e n t ，t h ee x p e r i m e n t a l d a t ab y c o m p a r i n gt h ed i f f e r e n tt i r es t i f f n e s s ，t i r em a g i cf o r m u l af o rr e g r e s s i o np a r a m e t e r sa n dt o e s t a b l i s ht h a tr e f l e c t st h et r u ee l l a r a c t e r i s t i c so ft i r et i r em o d e lf o rc o s i m u l a t i o nu n d e rt h ee s p c o n t r o ls t r a t e g yf o rt h em o d e la n dd a t ab a s i s t h e n ，c o m b i n a t es t a t ee s t i m a t i o nt h e o r y , e s t a b l i s hk a l m a nf i l t e rb a s e do nt h et w od e g r e e s o ff r e e d o ml i n e a rm o d e la n db i l i n e a rt i r em o d e lt oe s t i m a t ev e h i c l ei d e a ls t a t ep a r a m e t e r si nt h e g r e a tc o r n e r i n ga n g l e ；e s t a b l i s hv e h i c l em o d e la n de s t i m a t ev e h i c l er e a ls t a t ep a r a m e t e r s f i n a l l y , i n t r o d u c et h ee s pc o n t r o ls t r a t e g i e s ，a sw e l la st h ee s pc o n t r o lm e t h o d sa n d a l g o r i t h m s ；u s et h ee s t i m a t e dv e h i c l es t a t ep a r a m e t e r st oa c h i e v ee s po ft h ed y cc o n t r o l ， t h r o u g ht h ec r e a t i o no fa d a m s c a ra n dm a t l a b s i m u l i n kc o - s i m u l a t i o ne n v i r o n m e n t ，i n s t r i c ta c c o r d a n c ew i t hl a w sa n dr e g u l a t i o n sf m v s s12 6t os i m u l a t ea n dv e r i f i c a t et h ee s p s 1 1 1 江苏大学硕士学位论文 k e yw o r d s ：r o a di d e n t i f i c a t i o n ，m a g i cf o r m u l a ，r e t u r np a r a m e t e r s ，s t a t e e s t i m a t i o n ，k a l m a nf i l t e r i n g ，c o n t r o ls t r a t e g y i v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论 文的全部内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密函。 靴敝储雠：超舯刻磁轹 劫，p 年么月，夕日年月e t 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中己注明引用的内容以外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 起 日期：z 。年么月oe t 江苏大学硕士学位论文 1 1 本文研究的目的和意义 第一章绪论 近年来随着经济和汽车产业的快速发展，汽车逐渐走入家庭，成为人们出行的常用工 具。相应地汽车的安全也越来越引起人们的注意，成为现代研究的热点。车的普及和人们 安全意识的提高，促进了汽车电子行业的发展，同时也将汽车行业的发展推到一个新的致 高点m 。 汽车的安全技术主要分为被动安全技术和主动安全技术，被动安全技术是指在交通事 故发生后尽量减小对乘客和行人的损伤的安全技术，而主动安全技术是指通过事先预防避 免事故发生的技术。e s p 是通过主动调整汽车运行姿态来实现汽车的安全运行的一种主动 安全技术。 主动安全技术包括了预防安全技术( 正常行驶) 和预警安全技术( 事故前) 。预防安全技 术由巡航控制系统、驾驶员监测技术、路况监测技术、车况监测技术、恶劣气候指示技术、 紧急故障预警技术、e y e c a r 技术、c a m c a r 技术、自适应可变照明系统、车窗玻璃表面处 理系统、汽车定位导航系统、风窗玻璃映象显示技术( 全息摄影) 、侧手柄控制系统等组成； 预警安全技术又分为统一底盘控制技术和预撞控制技术，统一底盘技术包含自动变速器， 速度控制动力转向系统及电子控制四轮转向系统、全自动空气悬架系统、全电子制动系统 b b w 、胎压智能检测系统、翻滚躲避系统等，防撞技术包含障碍警告系统、自动减速系统、 高适应性快速系统、紧急制动先期警告系统等睁3 1 。汽车主动安全性能主要包括照明灯和 信号灯的性能、汽车前后视野性能、操纵性能、制动性能以及轮胎性能等，其中最重要的 是操纵性能。 奥迪公司1 9 9 6 年的统计数据表明h 1 ，车速在8 0 k m h 到l o o k m h 之间行驶的车辆发 生的交通事故中，有大约4 0 的事故与车辆失去稳定有关；车速越高，由于汽车失稳引发 的交通事故所占的比例越大，当车速超过1 6 0 k m h 时几乎所有的事故都与车辆失稳有关。 研究还表明嘲，在发生严重交通事故失去控制的车辆中8 2 的车辆在失控后还行驶了4 0 米以上。因此，寻找一种能够在汽车复杂行驶工况下，特别是在轮胎附着极限下直接保障 汽车稳定的控制系统对于减少交通事故，特别是减少造成严重伤害的交通事故非常有效。 于是，在a b s ( a n t i - l o c kb r a k i n gs y s t e m ，防抱死系统) 和a s r ( a c c e l e r a t i o ns 1 i p 江苏大学硕士学位论文 r e g u l a t i o n ，驱动防滑系统) 的基础上增加测量汽车运行姿态的传感器来直接监测汽车运 行姿态的汽车稳定性控制在上世纪九十年代初被提出，并成为国际上汽车主动安全领域研 究的热点问题。 本文主要通过估计汽车运动时的姿态变量，为汽车电子稳定程序提供稳定性控制的参 数，实现汽车的主动安全防护，从而降低交通事故的发生率。 1 2 汽车电子稳定程序的简介 电子稳定控制系统e s p ( e l e c t r o n i cs t a b i l i t yp r o g r a m ) 又称为e s c ( e l e c t r o n i c s t a b i l i t yc o n t r 0 1 ) 等，虽然名称不同，但是其功能和系统构成基本上相同，是一种闭 环控制系统，它可以防止车辆的侧向不稳定性。它包含在车辆的制动系和动力传动系中， a b s 可防止车轮制动时抱死，t c s ( t r a c t i o nc o n t r o ls y s t e m ，牵引力控制系统) 可防止 驱动轮滑转，而e s p 系统则防止转向时车辆被“推离 弯道或从弯道甩出口1 。 1 2 1e s p 发展及研究现状 汽车e s p 控制系统是在a b s 和a s r 的基础上发展起来的。最初的汽车稳定性控制概念 是在a b s 和a s r 的基础上加以控制算法上的改进，使之能部分解决汽车的稳定性问题，但 此时的系统还不能称之为汽车稳定性控制系统，只是在a b s 和a s r 基础上的改进。上世纪 9 0 年代初，通过对车辆稳定性的理论分析，提出了直接对汽车横摆运动进行控制的概念 ( 如d y c ：d i r e c ty a wc o n t r 0 1 ) 它通过采集方向盘转角的信息来判断驾驶员的转向意图， 并通过制动力或驱动力在车轮上的分配来调节汽车的横摆运动，保障汽车的稳定性，这标 志汽车稳定性控制概念的出现。但考虑到系统的成本，最早出现的稳定性控制所用的传感 器很少，汽车的横摆角速度大多是通过内外车轮的轮速差间接估计得到的，因此在一些汽 车行驶的复杂工况下很难保证汽车的稳定。1 9 9 5 年之后，随着b o s c h 、b m w 、f o r d 、t o y o t a 等公司相继推出了使用横摆角速度和侧向加速度传感器的新一代汽车稳定性控制系统，汽 车稳定性控制的基本形式得到了确认。在这一阶段，基于这种组成结构的汽车稳定性控制 算法开始大量出现呻1 ，其中b o s c h 的v d c 是其中比较典型的控制方法之一，它采用汽车 实际运行状态与汽车理想运行状态的误差反馈来决策汽车的横摆力矩，并通过差动制动或 对发动机的控制实现对汽车横摆运动的调节n 对，这一控制方法也是现在汽车稳定性控制 中比较常用的控制方法。由于在汽车稳定性控制中所需要的汽车运行状态并不能完全由传 2 江苏大学硕士学位论文 感器直接测量得到，因此如何通过测量的汽车状态推测不易测量的汽车状态或路面的状态 是近几年汽车稳定性控制的研究热点，已经有大量的状态估计方法出现n 纠6 1 ，大大改善了 控制系统的可靠性。近几年来，有一些学者开始尝试用现代控制理论的一些控制方法进行 汽车稳定性控制，并取得了一些控制效果。文献 1 7 采用了l q r 控制方法，文献 1 8 采用 了自适应滑模控制方法，文献 1 9 采用了巩优化控制理论，文献 2 0 采用了最优控制理 论。随着汽车底盘动力学控制的不断发展，集成控制是今后发展的方向，汽车稳定性控制 将综合考虑对制动系统、悬架系统和转向系统的协调控制，并共享传感器信号，进一步提 高汽车的稳定性乜1 删。 国内，也有很多的高校和研究机构从事这方面的研究，并取得了一定的成绩。东南大 学孙涛等在m a t l a b 环境下，利用基于二自由度单轨线性模型，进行汽车操纵稳定性研究 与时域模型的仿真，并介绍了汽车操纵稳定性的仿真过程及分析方法，分析了汽车在不同 车速和行驶条件下的不足转向和过多转向特性嘲1 ；吉林大学的高振海，郑南宁，针对汽车 动力学控制过程中难以在线测得的横摆角速度等状态参数，根据参数软测量理论采用 k a l m a n 滤波并结合汽车二自由度动力学模型简化了汽车横摆角速度的最小均方误差估计 算法汹1 ；北京理工大学的刘彩志等在轮胎的非线性基础上进行了汽车动力性的直接横摆力 矩底盘控制，提高了汽车大侧偏角和高侧向加速度的操纵稳定性和主动安全性，重点讨论 了基于轮胎和汽车动力性试验的控制策略，其控制方法的优点是在轮胎极限载重幅度内， 轮胎纵向力不受来自汽车侧向运动姿态的影响哺1 。除了在控制理论上的研究，硬件系统也 有不小的成就。清华大学的祁雪乐利用a m e s i m 软件建立了e s p 液压控制系统的模型，对 液压系统中各个单元的协同工作过程和其内部主要液压参数对控制效果的影响作了深入 的分析1 ；东南大学的李晔建立了横摆力矩和四轮转向二自由度车辆模型，基于也控制 理论研究了直接横摆力矩控制系统，证明了四轮转向和直接横摆力矩控制对车辆稳定性的 作用明显，搭建了用来装载测试元件的台架，设计了硬件在环仿真系统，试验控制逻辑的 有效性旧】。 1 2 2e s p 工作原理 各种车辆稳定性控制的基本思想是： ( 1 ) 充分利用轮胎与地面间的附着力； 3 江苏大学硕士学位论文 ( 2 ) 根据运动状态，提供合适的制动( 或驱动) 力或附加横摆力矩。使汽车保持稳 定状态。 车辆动力学稳定性控制的控制原理： 汽车在路面上行驶时，由于时常要作曲线运动或受到侧向风的影响而受到侧向力作 用。当侧向力接近附着极限或达到饱和时，车辆将丧失动力学稳定性。因此通过减小侧向 力或增大侧向力潜能就能够实现对车辆动力学稳定性的控制。 减小侧向力可通过方向盘转角控制或通过纵向力匹配来产生减小侧向力的外部横摆 力矩来实现，但是因为车辆丧失动力学稳定性时，多是在侧向力已接近于轮胎与路面的附 着极限条件下，此时方向盘转角控制对车辆动力学稳定性的改善并不显著，而外部横摆力 矩控制通常是在车轮上施加制动力，对于四轮车辆，通过仿真计算可以得到如图1 所示制 动力对外部横摆力矩的影响啪1 。 i? ，7 向一 o | ，7 俞 。r 、7 一麓内轮 一丌 - 翦升轮 、 一后内轮 图1 1 制动力对横摆力矩的影响 f i 9 1 1b r a k i n gf o r c eo f t h ei m p a c to f y a wt o r q u e 增大侧向潜能在不同的行驶状态下有不同的方式，如在驱动行驶状态下，可通过减小 驱动力( 如减小发动机节气门开度、延迟点火或减少燃油供给等) 或在驱动轮上施加制动 力来实现；在制动行驶状态下，可通过减小制动力来实现啪1 。 因为车辆丧失动力学稳定性时，轮胎的侧偏特性已进入非线性区，轮胎与路面之间的 侧向力不再与其侧偏角成线性关系，即实际侧向力与按线性二自由度车辆模型计算出的名 义侧偏力存在一点偏差，从而导致实际横摆角速度和实际质心侧偏角与按线性二自由度车 辆模型计算出的名义横摆角速度和名义质心侧偏角之间又都存在一定的偏差，而横摆角速 度和质心侧偏角是描述车辆动力学稳定性的最佳状态变量，所以通过比较横摆角速度和质 心侧偏角名义值与实际值的差值就可以确定车辆行驶状态的稳定程度，当该差值较小时， 认为车辆的行驶状态时稳定的，当该差值超出一定范围时，认为车辆已进入需要动力学稳 定性的控制的准稳定状态抽儿。 4 江苏大学硕士学位论文 当车辆在非常极端的操控情况如高速转弯、高速避障的情形下，e s p 系统会在极短的 时间内收集包含了a b s 、e d l 及a s r 系统的庞大数据，并加上方向盘转角、车速及侧向加 速度，再与e c u 中的期望值作比较，指示系统各部件工作，目的是要使车辆遵从驾驶员意 愿的方向行驶，这时即使驾驶员不断的改变行驶路径，e c u 也能持续计算，并以对个别车 轮增加或减少制动力的方式，修正转向过度或不足的情况，维持车身平衡。 一旦出现过多转向，驱动力分配系统就会降低驱动力矩，以提高后轴的侧向附着力。 地面作用于后轴的侧向力相应会提高，从而产生一个与过多转向相反的横摆力矩。若仅依 靠动力分配系统还不能制止开始发生的不稳定状态，控制系统将自动对该前轮实施瞬时制 动，使它产生较高的滑动率，导致该车轮受到的侧向力迅速减小而纵向力迅速增大，于是 也产生一个与横摆方向相反的横摆力矩。由于对一个前轮制动，车速也会降低，从而获得 了一个附带产生的有利于稳定性的因素。 一旦e s p 判定汽车具有较大的不足转向倾向，控制系统会自动对位于弯道内侧的后 轮实施瞬时制动，以产生预定的滑动率，导致该车轮受到的侧向力迅速减小而纵向制动力 迅速增大，于是产生了一个与横摆方向相同的横摆力矩。此外还获得了两个附带的减小不 足转向倾向的因素，首先，由于制动而使车速降低；其次，由于差速器的作用，对内侧后 轮制动从而导致外侧后轮被加速，即外侧后轮受到的驱动力增加而侧向力减少，于是产生 了又一个所期望的横摆力矩。 汽车稳定性控制系统硬件包括：传统制动系统( 真空助力器、管路和制动器) 、传感 器( 4 个轮速传感器、方向盘转角传感器、侧向加速度传感器、横摆角速度传感器、制动 主缸压力传感器) 、液压调节器、汽车稳定性控制电子控制单元( e c u ) 和辅助系统( 发 动机管理系统) 。如图1 2 所示。 图1 2e s p 硬件 f i 9 1 it h eh a r d w a r eo f e s p 5 叠蓉 江苏大学硕士学位论文 1 3 本文研究的主要内容和方法 针对车辆稳定性控制的基本思想和工作原理，汽车电子稳定程序要得以实现，必须要 以路面、轮胎以及车辆状态的参数为基础，如何合理准确地得到这些参数就是本文所要研 究的主要内容。首先是路面的识别，针对不同的路面情况，路面所提供的附着系数不一样， 汽车稳定性控制程序需要采用不同的控制策略，本文根据轮速传感器估算出轮胎的实际角 加( 减) 速度，然后与五种典型路面的理论角加( 减) 速度进行对比，从而识别出汽车行 驶于哪种路面；其次是轮胎附着力的估计，汽车的稳定性6 0 是由轮胎所决定的，不同状 态下轮胎力的大小决定了控制效果的好坏。本文在轮胎台架试验的基础上，通过试验数据 回归出不同轮胎的魔术公式参数，建立各种轮胎的魔术公式模型；然后是汽车姿态变量的 估计，相对于可以利用传感器得到的横摆角速度而言，利用传感器得到汽车的质心侧偏角 成本太高，本文通过建立汽车质心侧偏角的观测器模型，在汽车线性二自由度模型的基础 上实现对汽车质心侧偏角的估算。最后，结合汽车多体动力学模型、e s p 控制策略和各重 要参数的估计模型进行联合仿真，验证参数估计模型的有效性和准确性，深入分析e s p 控制策略的控制效果。 6 江苏大学硕士学位论文 第二章路面附着系数的估计 汽车在行驶过程中，路面附着情况多变，如果能够实时的估算出路面的峰值附着系 数，a b s 或e s p 就可以根据当前的路况调节控制策略，提高车辆的安全性。例如，对于a b s 系统，不同路面条件下制动时的最佳滑移率是不同的，如何确定这个最佳滑移率就需要 a b s 系统实时的识别出路面特性，从而确定最佳滑移率，为a b s 系统的制动提供最佳控制 目标。 2 1 路面识别模型的建立 2 1 1 车轮滚动模型 假设车轮行驶在良好的硬应路面上，当车轮制动时，忽略滚动阻力偶矩和减速时的 惯性力、惯性力偶矩，可得车轮的受力情况，如图2 1 所示。 uf z r 图2 1 单轮制动模型 f i 9 2 1 t h em o d e lo fw h e e lf o rb r a k i n g 车轮运动时，对车轮进行制动受力分析： l 西= 睡f ：r 一- i b 其中：路面附着系数 e ：轮胎垂直载荷 7 ( 2 1 ) 江苏大学硕士学位论文 r ：轮胎滚动半径 乙：制动器制动力矩 r _ b ：理论车轮角减速度 i ：车轮转动惯量 2 1 2b u r c k h a r d t 双指数组合模型 本文采用双指数组合模型来研究路面的特征。此模型含有三个拟合参数，其模拟结 果与魔术公式很接近，与实际试验结果也比较接近，在非稳定区域内其线性变化趋势较指 数多项式更明显，因而可以更好的表述轮胎与路面的附着变化特征副。 b u r c k h a r d t 双指数组合模型： ( 五) = q ( 1 一e c 2 五) 一c 3 五 ( 2 2 ) 其中：路面附着系数 名：滑移率 c l 、c 2 、g ：模型系数( 其系数值见表2 1 ) 表2 1 双指数模型参数 t a b2 1t h ep a r a m e t e r so f b u r c k h a r d tm o d e l 路面类型c lc 2c 3 1 干沥青路面 1 0 52 8 3 20 4 0 3 2 干水泥路面 0 9 52 8 3 20 3 7 2 3 湿沥青路面 0 8 5 73 3 8 2o 3 5 4 湿鹅卵石路面 o 43 3 7 l0 1 2 5冰路面0 0 5 3 0 6 3 9 o 0 0 1 6 雪路面 o 1 9 4 6 9 4 1 2 9 0 0 6 4 6 将数据c l c 2 c 3 输入计算机模型中，可以得到五种典型路面下，对于不同滑移率乃的 不同附着系数纷，如图2 2 所示。 江苏大学硕士学位论文 1 籁 髅 捆 莲 陶 篷 2 1 3a b $ 模型 图2 2 不同路面上的* - 2 曲线 f i 萨2t h e ( x h v e o f 一名o f fd i f f o r e n tr o a d s 建立以滑移率为控制目标的a b s 防抱死制动系统模型，通过不断的调整对车轮的制 动压力来实现对己识别路面的最佳滑移率的控制。图2 3 为典型的a b s 控制流程图。 图2 3a b s 制动模型 f i 醇3 t h em o d e lo f a b s 如图2 4 和图2 5 所示，在一个制动循环中，车轮始终不抱死，最佳滑移率始终保持 在设定值的附近，直至制动过程结束。 9 江苏大学硕士学位论文 2 1 4 路面识别模型 、 c e j c 倒 蜊 车速和轮速 图2 4 轮速和车速的变化曲线 f i 9 2 4 t h ec u f v eo fw h e e l - s p e e da n dv e h i c l e - s p e e d 铸 羚 延 蝮 冰 根据车轮模型，可得： 时间( s e c s ) 图2 5 滑移率控制结果 f i 9 2 5t h er e s u l to fc o n t r o l l i n gs l i pt a t e 西：丝墨墨二墨 i ( 2 3 ) 其中：瓦、e 在a b s 模型中可以直接获得，rj 为已知量。 l o 江苏大学硕士学位论文 当汽车行驶在某路面上车轮制动时，在同一滑移率1 下，不同的路面将对应与不同 的路面附着系数肛( f = l 6 ) ，如图2 6 所示。 - 1 籁 帐 蜘 莲 旧 缒 图2 6 不同路面的一t 曲线 f i 9 2 6t h e c u i v co fd i f f e r e n tr o a d s 将不同路面的附着系数以带入式( 2 3 ) ，可以得到不同路面上制动时的理论角加( 减) 速度喀，将理论角加( 减) 速度啦与实际角加( 减) 速度西。进行对比，取绝对值最小 m i n i 匆一西l ( 2 5 ) 时所对应的那组路面作为当前路面。从而得到识别出的路面，以及附着系数的峰值。 在m a t l a b 中构建路面识别模型，如图2 7 所示： 江苏大学硕士学位论文 图2 7 路面识别模型 f i 9 2 7t h em o d e lo fi d e n t i f y i n gr o a d s 将a b s 模型中的五、只、五、，、r 、面等数据带入到路面识别模型中，整合成基 于路面识别的a b s 模型，如图2 8 所示。 图2 8 基于路面识别的a b s 模型 f i 9 2 8t h ea b sm o d e lb a s e d0 1 1i d e n t i f y i n gr o a d s 2 2 路面识别与仿真分析 仿真条件：路面为最大附着系数是0 8 的沥青路面，制动初速度为8 0 k m h 。 1 2 江苏大学硕士学位论文 辟 舡 啦 图2 9 车轮角减速度 f i g2 9t h ea c c e l a t i o no fw h e e l 图2 1 0 最佳滑移率 f i g2 1 0t h eb e s ts l i pr a t e 由图2 9 可以看出，路面识别系统通过制动压力和车辆参数计算出的车轮制动角减速 1 3 ns，pev巡瑙堪援辩朴 江苏大学硕士学位论文 度与实际的车轮制动角减速度吻合的很好，说明此路面估计系统可以较为准确的判断出路 面状况，可以真实的反映制动时车轮实际的状态，从而可以估计出路面的附着系数；图 2 1 0 显示，实际路面的最佳滑移率与路面识别系统给出的最佳滑移率也吻合的很好，也就 是说此系统可以准确的提供路面的信息给a b s 系统，让其控制目标在合理有效的范围内， 从而实现最佳制动。 2 3 本章小结 本章构建了车轮制动模型、b u r c k h a r d t 双指数组合模型、a b s 模型，并结合路面识 别的算法，建立了路面识别系统。为了更方便的得到路面识别系统的参数，将a b s 模型 与路面识别模型进行整合，形成了以路面识别系统为基础的a b s 系统。在仿真过程中， 以典型路面作为估计对象，通过对比车轮角减速度和滑移率，证明了路面识别系统的有效 性和准确性。 1 4 江苏大学硕士学位论文 第三章轮胎魔术模型参数回归 汽车运动依赖与轮胎所受的力，如纵向力、侧向力、回正力矩等，这些力又与滑移率、 侧偏角、侧倾角、垂直载荷、道路附着状况以及速度有关。如果能精确的表达出这种力与 汽车状态之间的函数关系，那么轮胎所受的力也就可以通过汽车的状态参数表达出来，这 种函数关系就是轮胎模型。本节中，介绍了一种半经验的轮胎模型，通过实验数据的回归 分析，可以有效准确的表达出轮胎力与汽车状态之间的关系。 3 1 轮胎魔术公式 魔术公式是有p a c e j k a 等人提出并发展起来的，它是利用三角函数的组合来拟合试验 轮胎数据，用一套形式相同的公式就可以完整的表达纵向力、横向力、回正力矩以及纵向 力、横向力的联合作用等工况，故称为魔术公式嘲。魔术公式的一般表达式为 ly = d s i n ( c a r c t a n ( b q ，) ) + 嘞 【伊= ( 1 一e ) ( x + 墨臂) + ( e b ) a r c t a n ( b ( x + ) ) ( 3 1 ) 其中d ：峰值因子，表示曲线的最大值 曰：刚度因子 e ：曲线曲率因子，表示曲线最大值附近的形状 c ：曲线形状因子，即曲线是像横向力、纵向力还是回正力矩 ：曲线的水平方向漂移 ：曲线的垂直方向漂移 每个参数又都与载荷有关，需要进行参数拟合来获得。 ( 1 ) 轮胎横向力( 侧偏力) 的计算公式 江苏大学硕士学位论文 _ _ _ 一 e 一侧向力 龌= 掣 = p 胛l + 2 x 妲+ 3 7 $ v r = e ( 嘞i + 岛2 妲) + 厂( 3 + 岛。幔) a y = 仪+ s 孵 g = 足y 。 d r = e ( 昂，r l + p o r 2 识) ( 1 一昂n x y 2 ) 目= ( e i + 名，2x d f = ) x ( 1 一( 足y 3 + 只汀4 x 1 7 i ) x s g n ( a x ” 日= m i n ( e z ，1 ) k y = l 只ox s i n ( 2 x a r c t a n ( 墨 c y x d y e = ( 岛x s i n ( c r x 最l r 2 e o ) ) ( 1 一最r ，厂) a r c t a n ( b r 口r 一日( 毋x g r a r c t a n ( b r 口y ) ”) ) + ( 2 ) 轮胎纵向力的计算公式 e 一纵向力 d e = 掣 鼢= l + 2 x d f = e ( 。+ ：妲) q = 。 巩= f z ( l + 2x d f ) x ( 1 一3 厂2 ) k x = k + s h x 乓= ( 珞。+ 名2 征+ 3 妲2 ) ( 1 _ s g n ( k x ) ) b x f x g d x = ( 巩x s i n ( c xx a r c t a n ( b xx k x - e , ( 巩x k x a w t a n ( b j 群) ) ) ) ) + ( 3 ) 轮胎回正力矩的计算公式 1 6 江苏大学硕士学位论文 m ，一回正力矩 幔：生掣 ：0 = 如。+ ：妲+ ( 如，+ 如。犯) 7 s 沪s h y 七鼍 q = 口+ s m a r = a s h r c z = 如。 d z ：f z x ( 如。+ q d 2 2 x 艰) ( 1 + q o z 3 x 7 + q d z 。y ：) ( 孚) ：o 易= ( 如l + 如2 征+ 3 妲2 ) ( 1 + 如4x y + 如5 帅 包= ( 如- + 如z 幔+ 如，妲2 ) ( 1 + ( 如t + 如，x 厂) ( 昙) a r c t a n ( b z c z q ” 包= m i n ( e z ，i ) b r = q b z 9 + q 姒o x s , x c y 珐= ( 如。+ 如，x a f _ + ( 如。+ 如9x a f ：) z ) x r t = d i zx c o s ( c zx a r c ：t a n ( b z q 一也x ( 吃x a , 一a r c t a n ( b zx g , ) ) ) ) x c o s ( g ) m zm t x e + 环x c o s ( a r c t a n ( b r x q ) ) c o s ( o ：) 其中f ：垂直载荷 。：额定载荷 y ：车辆的侧倾角 口：车辆的质心侧偏角 魔术公式用一套公式就可以表达轮胎的力特性，统一性强，需要拟合的参数每个都有 明确的物理意义，容易确定初值。无论是对侧向力、纵向力还是回正力矩，拟合的精度都 比较高。 3 2 轮胎台架试验 3 2 1 试验的条件及设备 、试验的对象和环境 1 、试验对象：三角轮胎，1 7 5 7 0 r 1 3 。 江苏大学硕士学位论丈 2 、试验环境：屋内转鼓代替路而。 二、试验的仪器和设备 轮胎性能测试是在江苏大学汽车与交通学院轮胎动态性能测试实验台( 如图31 所 示) 进行的。该实验台的毛要功能如下： 图31 轮胎动态性能测试实验台 f i g3 1 m e b e n c h f o r t e s t i n g t i r ed y n a m i c d m 功能：轮胎力学模型参数测试、刚度、均匀性、滚动阻力测试。 输入：动态轮荷、侧偏角、外倾角 输出：轮胎六分力 技术参数： 1 轮荷：5 3 0 k n ，轮胎动忐负荷频率2 5 h z ，精度1 2 侧偏角范围：1 8 。，精度01 。 3 外倾角范围：8 。精度0 l 。 4 试验轮胎直径：5 6 0 一8 5 0 r m n 。 5 转鼓直径：1 7 0 1 册。 6 速度o 】2 0 k m h 能实现侧偏特性测试包括倒偏力与删偏角哭系、回l f 力矩与侧偏角关系：外倾力矩 和外倾角的笑系；侧偏刚度、外倾刚度测试：滚动阻力测试：轮胎运行温度测试；轮胎均 匀性测试，轮胎均匀性阶次谱分析：静态川度测试，包括垂直刚度、侧向刚度、纵向刚度、 江苏大学硕士学位论文 回转刚度。 3 2 2 试验的目的及方法 一、试验的目的 1 、测试轮胎的垂直刚度、纵向刚度、侧向刚度以及侧向力特性和回正力矩特性。 2 、利用试验所得数据研究魔术公式参数的拟合方法。 二、试验的方法 1 垂直刚度测量 在外倾角为0 。，侧偏角为0 。的条件下，在不同胎压情况下，分别对轮胎缓慢施加 垂直载荷o - 5 0 0 k g ，记录载荷和位移的关系，并进行回归分析。重复3 次，取均值。得到 每个气压下的轮胎垂向力和轮胎垂向变形的关系曲线。 2 侧向刚度测量 在轮胎气压为2 5 0 k p a 和3 0 0 k p a 的条件下，固定车轮，滑动板上粘贴砂纸，垂直载荷 为1 9 0 k g ，2 7 0 k g ，3 5 0 k g ，4 2 0 k g 的条件下对滑动板横向进行缓慢加载，直至滑动板与轮 胎之间产生明显滑动，记录侧向载荷和滑板位移之自】的关系。每种载荷做3 次。 3 纵向刚度测量 固定车轮，滑动板上粘贴砂纸，垂直载荷为1 9 0 k g ，2 7 0 k g ，3 5 0 k g ，4 2 0 k g 的条件下 对滑动板纵向进行缓慢加载，直至滑动板与轮胎之间产生明显滑动，记录侧向载荷和滑板 位移之间的关系。每种载荷做3 次。 4 侧偏力、回正力矩特性实验 垂直载荷分别为1 9 0 k g ，2 7 0 k g ，3 5 0 k g ，4 2 0 k g ，转鼓转速3 6 k m h ，外倾角分别为 一3 。 ，o 。，3 。，侧偏角一8 。8 。进行实验，记录侧向力和回正力矩与侧偏角、 侧倾角之间的关系。 3 2 3 试验数据的处理和分析 一、垂直刚度 垂直刚度的测量是在一定的轮胎气压下，连续的施加垂向载荷，能够到垂直载荷与轮 胎垂直位移之问的关系曲线，此曲线的斜率就是垂直刚度。通过对轮胎在不同胎压下 ( 2 5 0 k p a ，3 0 0 k p a ) 垂直载荷与垂直位移的测量，可以得到胎压和垂直刚度的曲线，如图 3 2 所示。 江苏大学硕士学位论文 图3 2 垂直刚度 f i g3 2v e r t i c a ls t i f f n e s s 二、纵向刚度 纵向刚度的测量是在一定的垂直载荷下，连续的施加纵向力，当轮胎与地面之间发生 相对滑动时，能够得到纵向力与纵向位移之间的关系曲线，此曲线的斜率就是纵向刚度。 通过对轮胎在不同垂直载荷下( 1 9 0 k g ，2 7 0 k g ，3 5 0 k g ，4 2 0 k g ) 纵向刚度的测量，可以得 到纵向刚度和垂直载荷的曲线，如图3 3 所示。 图3 3 纵向刚度 f i g3 3 l o n g i t u d i n a ls t i f f n e s s 三、侧向刚度 侧向刚度的测量是在一定的垂直载荷下，连续的施加侧向力，当轮胎与地面之问发生 江苏大学硕士学位论文 相对滑动时，能够得到侧向力与侧向位移之间的关系曲线，此曲线的斜率就是侧向刚度。 通过对轮胎在不同垂直载荷下( 1 9 0 k g ，2 7 0 k g ，3 5 0 k g ，4 2 0 k g ) 侧向刚度的测量，可以得 到侧向刚度和垂直载荷的曲线，如图3 4 所示。 图3 4 侧向刚度 f i g3 4l a t e r a ls t i f f n e s s 四、侧偏力与回正力矩特性 侧向力特性与回正力矩特性的测量是在一定的垂直载荷下，利用转鼓转动带动轮胎转 动，记录侧向力、回正力矩和侧偏角、侧倾角之间的关系。通过对三种轮胎在不同垂直载 荷下( 1 9 0 k g ，2 7