（载运工具运用工程专业论文）汽车esp控制系统仿真与研究.pdf

学位论文版权使用授权书 i i t il li iilll u li ti tiii 18 9 4 3 3 3 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电 子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或 其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致，允许论文被 查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国学位论文全文数 据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社将本论文编入中 国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。论文的公布( 包括刊登) 授 权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密口。 学位论文作者签名：凇 训年0 6 月f r 】日 燧名卅仳磅 2 0 l i 年口月f 己日 1 汽车e s p 控制系统仿真与研究 s i m u l a t i o na n dr e s e a r c ho ne s po f a u t o m o t i v e 2 0 1 1 年6 月 江苏大学硕士学位论文 摘要 汽车电子稳定程序( e s p ) 是近年来汽车主动安全领域研究的重点。它 是在a b s 和t c s ( a s 鼬的基础上发展起来的。主要是通过四轮制动力的 分配及必要时对发动机进行降扭，使车辆产生有效的横摆力矩来抑制过 度转向或不足转向，防止车辆失稳，使车辆能够按照驾驶员的意图行驶， 从而改善车辆操纵性能和稳定性能。正如a b s 在近几十年逐步转变为汽 车的标准配置一样，e s p 也正将逐步成为汽车的标准配置。 本文首先从理论上研究了汽车稳定性控制的基本原理，包括e s p 系 统的发展概况、结构组成以及工作过程等。再以汽车侧向动力学为基础， 详细探讨了横摆角速度和质心侧偏角对汽车稳定性的影响。通过参数建 模的方式在车辆系统动力学软件c a r s i m 中建立了高精度的某国产轿车模 型。接着在m a t l a b s i m u l i n k 中建立电子稳定程序e s p 模型，研究了基于 主动制动横摆力矩控制的汽车稳定性控制逻辑，提出了横摆角速度及侧 偏角联合控制算法。将整车模型以s 函数形式导入s i m u l i n k 仿真环境进 行联合仿真，设置不同路面附着系数和操作工况的仿真环境。仿真结果 表明该模型能够及时有效介入控制，保持汽车操纵稳定性，为国产汽车 稳定性控制系统的研发提供了理论基础。 关键词：车辆电子稳定程序；直接横摆力矩控制；操作稳定性；c a r s i m 汽车e s p 控制系统仿真与研究 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 m ( ：e s p ) h a sb e c o m et h ef o c u so ft h es t u d yi n t h ef i e l do fa u t o m o t i v ea c t i v es a f e t yi nr e c e n ty e a r s w a sd e v e l o p e df r o ma b s a n dt c s ( a s r ) e s pm a i n l yw o r kt h r o u g ha d j u s t i n gt h es i z ea n dd i s t r i b u t i o n o ft h el o n g i t u d i n a lt i r ef o r c e ，i nc a s eo ft h et i r es l i p s ，a tt h es a m et i m e ，e s pc a n m a k ev e h i c l ep r o d u c e se f f e c t i v ey a wm o m e n tt or e s t a i no v e r s t e e r i n go r u n d e r s t e e r i n g ，p r e v e n tv e h i c l et ob e c o m eu n s t a b l e ，m a k ev e h i c l ef o l l o wt h e i n s t r u c t i o no fd r i v e r ，s ot h a tt oi m p r o v et h em a n e u v e r a b i l i t ya n ds t a b i l i t yo f v e h i c l e l i k et h ea b sw h i c hh a sg r a d u a l l yt r a n s f o r m e da st h ec a r ss t a n d a r d e q u i p m e n t i nr e c e n td e c a d e s ，t h ee s pa l s oi sg r a d u a l l yb e c o m i n gt h es t a n d a r d e q u i p m e n t o ft h ea u t o m o t i v e f i r s t l y ，t h i sp a p e rt h e o r e t i c a l l y r e s e a r c ht h e p r i n c i p l e o ft h ee s p ， i n c l u d i n ge s ps y s t e m sd e v e l o p m e n ts u r v e y ，s t r u c t u r ec o m p o s i t i o n ，w o r k p r o c e s sa n ds oo n t h e nb a s e do nt h ev e h i c l el a t e r a ld y n a m i c st h e o r y ，t h e a f f e c to fy a wr a t ea n ds i d e s l i pa n g l et ov e h i c l es t a b i l i t yw a sd i s c u s s e d ah i g h p r e c i s ed o m e s t i ca u t o m o b i l em o d e lw a se s t a b l i s h e di nc a r s i ms o f t w a r e a e l e c t r o n i cs t a b i l i t yp r o g r a m ( e s p ) m o d e lw a se s t a b l i s h e di nm a t l a b s i m u l i n k ， a n dt h es t a b i l i t yc o n t r o ll o g i co ft h ey a wm o m e n tf r o mt h ea c t i v eb r a k et o e s pw a sa n a l y z e d t h ec o o r d i n a t ec o n t r o la l g o r i t h mo fy a wr a t ea n ds i d e s l i p a n g l ew a ss t u d i e d i m p o r t i n gt h ev e h i c l em o d e l i n t ot h es i m u l i n ke n v i r o n m e n t b ys - f u n c t i o na n dt h e nm a d ec o o r d i n a t es i m u l a t i o n t h es i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a tt h ee s pm o d e lc a ni n t e r v e n et i m e l ya n de f f e c t i v e ，t ok e e pt h e h a n d l i n ga n ds t a b i l i t yo fv e h i c l e t h es t u d yp r o v i d eb a s i sf o rt h ed o m e s t i c r & do fe s p s y s t e m k e y w o r d s ：e l e c t r o n i cs t a b i l i t yp r o g r a m ；d i r e c ty a w m o m e n tc o n t r o l ； h a n d l i n ga n ds t a b i l i t y ；c a r s i m 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 1 2 1 3 1 - 4 1 5 第二章 2 1 2 2 2 3 第三章 3 1 3 2 3 3 3 4 3 5 目录 l e s p 研究的目的和意义1 e s p 的发展历史和研究现状4 1 2 1e s p 的发展演变4 1 2 2 汽车稳定性控制的研究现状7 e s p 的系统结构原理及技术标准8 1 3 1e s p 的系统结构8 1 3 2e s p 的基本工作原理1 0 1 3 3e s p 的技术要求。1 2 e s p 的关键技术1 3 本文研究的主要内容。1 4 汽车稳定性控制原理分析1 5 汽车失稳原因的初步探讨。1 5 2 1 1 汽车横摆角速度对汽车稳定性的影响1 6 2 1 2 汽车质心侧偏角对汽车稳定性的影响1 8 2 1 3 结论：z 3 改善汽车稳定性的主要途径2 4 2 2 1 主动转向控制2 4 2 2 2 垂直载荷控制。2 5 2 2 3 制动力驱动力控制2 6 2 2 4 联合控制2 6 e s p 控制系统技术方案2 7 整车c a r s i m 动力学模型的建立3 0 c a r s i m 软件简介。3 0 车体s p r u n gm a s s 3 2 聋专向系。3 2 悬架k & c 特性3 4 3 4 1 悬架k 特性3 5 3 4 2 悬架c 特性3 9 轮胎z 1 1 l l i 汽车e s p 控制系统仿真与研究 3 6 制动系4 2 3 7 动力总成4 2 3 8 空气动力学4 4 3 9 模型验证。4 5 第四章汽车电子稳定性控制e s p 模型建立 4 7 4 1 参考模型4 7 4 1 1 名义横摆角速度计算模块。4 7 4 1 2 质心侧偏角稳定边界。4 9 4 2 横摆力矩计算模块5 3 4 2 1 基于横摆角速度的横摆力矩决策5 4 4 2 2 基于质心侧偏角的横摆力矩决策5 5 4 2 3目标横摆力矩非线性叠加算法。5 5 4 3 制动压力计算与分配模块5 6 4 3 1 制动压力分配模块5 6 4 3 2 各车轮制动压力计算模块6 0 4 4 联合仿真环境建立6 2 第五章汽车稳定性控制仿真及结果分析 5 1 开环分析6 3 5 2 5 3 第六章 5 1 1 低附着路面连续正弦输入仿真6 3 5 1 2 高附着路面连续正弦输入仿真6 4 闭环分析6 5 5 2 1 紧急双移线测试仿真6 5 5 2 2 蛇行穿杆测试仿真6 7 本章小结6 8 全文总结及展望6 9 6 1 全文总结6 9 6 2 研究展望6 9 参考文献 致谢 攻读硕士学位期间发表的学术论文 i v 7 l 7 5 7 6 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1e s p 研究的目的和意义 中国的汽车工业是中国工业经济领域中增长最快的产业之一，2 0 0 9 年1 0 月 2 0 日中国第1 0 0 0 万辆汽车顺利诞生。如今在全球汽车消费量中，中国所占的份 额从2 0 0 1 年的不足5 增长到2 0 0 8 年的1 3 6 ，中国汽车工业已成为世界汽车 工业的重要组成部分。但在国内汽车工业高速发展的背后，汽车数量的增多、驾 驶者驾驶水平参差不齐、行车高速化、车流密集化、驾驶员违章行驶以及交通环 境的复杂性等原因所导致的各种交通事故使得每年我国由于交通事故造成的人 员伤亡和经济财产损失呈逐年上升的趋势。公路交通安全成为一个广泛关注的社 会性问题。 如何提高汽车的安全性，减轻驾驶员的工作负担就成为摆在汽车设计者、汽 车生产商、交通管理者以及汽车使用者面前的首要问题。这一安全问题包含两方 面的内容：主动安全性( a c t i v es a f e t y ) 和被动安全性( p a s s i v es a f e t y ) 。主动安全性 是指如何通过车辆的设计尽量减少或避免交通事故的发生；被动安全性是指通过 车辆的设计使车辆在发生事故时尽量减小对乘员的伤害。 主动安全性又称为事故预防性能，是指汽车能够帮助驾驶员在所有交通状况 下尽可能地避免交通事故的一种性能，包括可靠性、环境视见性、操纵稳定性和 加速制动性等。其中最重要的是操纵稳定性，因为汽车的操纵稳定性不仅影响到 汽车驾驶的操纵轻便程度，而且也是保证高速行驶车辆安全的一个主要性能。几 十年来，如何设计汽车以获得良好的安全性，尤其是操纵稳定性，一直是各国专 家和设计者的主要研究的方向之一。德国奥迪公司统计数据表明【4 】，车速在 8 0 k m h 到1 0 0 k m h 之间行驶的车辆发生的交通事故中，大约4 0 是与汽车侧向 失稳有关。车速越高，由于汽车失稳引发的的交通事故的比例越大，当车速超过 1 6 0 k m h 时，几乎每一起车祸都是由于侧向失稳而造成的。同时，t o y a t a 公司 对由车辆失控引发的交通事故进行的原因调查表n ) j t 4 j ，多数失控是由于车辆的 侧滑引起，进而导致严重的事故，并得出结论：这一情况无法通过a b s 、t c s ( 牵 引力控制，也称为a s r ) 以及其它常规技术解决。因此，人们提出了一个全新的 汽车e s p 控制系统仿真与研究 车辆动力控制系统，这个系统就是我们所说的电子稳定性程序( e s p ) ，该系统在 一定情况下能够自动对汽车进行干预的控制系统，以防止汽车侧滑( 打转) 的出 现，及时帮助驾驶员控制车辆，避免车祸的发生。 汽车稳定性控制系统由于开发公司命名不同，在发展过程中出现了很多名 称，主要包括：汽车稳定性控制s c ) 、汽车动力学控制d c ) 、动力学稳定性 控制( d s c ) 、电子稳定性程序( e s p ) 等等，但其组成与功能大体一致，为了方便， 本文统一称为汽车稳定性程序，即e s p 。 e s p ( e i e c t r o n i cs t a b i l i t yp r o g r a m ) 是在a b s t c s 的基础上发展起来的汽车横 向稳定性控制系统，当汽车在行驶过程中出现急转或需要避开突然出现的障碍物 时，e s p 通过在左右车轮上施加不同的制动力对汽车的动力学状态进行主动干 预，必要情况下还对动力系统进行降扭，以防止汽车发生失控旋转等失去稳定的 情况，保证汽车的安全。它具备以下三大特点： ( 1 ) 实时监控：e s p 能够实时监控驾驶者的操控动作、路面反应、汽车运动 状态，并不断向发动机和制动系统发出指令。 ( 2 ) 主动干预：a b s 等安全技术主要是对驾驶者的动作起干预作用，但不能 调控发动机。e s p 则可以通过主动调控发动机的转速，并调整每个轮子的驱动力 和制动力，来修正汽车的过度转向和转向不足。 ( 3 ) 事先提醒：当驾驶者操作不当或路面异常时，e s p 会用警告灯警示。 2 j “孵事饿：氟m e s ! 詹舟转车嘲r 曩：遭事哦罩r ? 稍蠢嘲r r ，争) f a h r u n f a l l e ：n a c hd e me s p * - s e r i e n e i n s a t z d e u t l i c h e rr f i c k g a n gd e ru n f a l l z a h l e nb e im e r c e d e s - b e n z 1 7 9 92 0 0 0 z t 图1 1 装备e s p 的奔驰车事故变化 f i 9 1 1m e r c e d e s - b e n ze a r se q u i p p e dw i t he s pc h a n g e si na c c i d e n t 江苏大学硕士学位论文 图1 1 是德国奔驰汽车安装e s p 装置后事故数量的变化，从图中可以看出在 e s p 成为奔驰汽车的标配后，使得该车型的事故数量有很明显的下降，而在同一 时间内没有安装e s p 系统车辆的事故则相对没有明显变化。 美国国家公路交通安全管理局( 玎s a ) 的一项报告称，在配备了e s p 的车 辆中，客车单车碰撞事故减少3 0 ，而轿车致命的单车碰撞事故也减少3 0 。 就运动型多用途车而言，该事故下降率甚至更高，单车碰撞事故减少6 7 ，而致 命事故则减少6 3 。 诸多国际研究对e s p 的有效性调查的结果都得到肯定，因为这些优势使得 e s p 的装备量在进入二十一世纪后急剧增加，2 0 0 0 年起，德国大众公司开始在 其几乎所有轿车车型上配备了e s p 系统作为选装件。通用、福特和戴姆勒克莱 斯勒公司也开始在其新车型中选装汽车稳定性控制系统。2 0 0 5 年底之前，德国 b o s c h 公司已累计生产了2 0 0 0 万台e s p 。截止2 0 0 7 年，欧洲生产的汽车有近 5 0 都装有e s p 系统；而随着e s p 成本的不断降低，在未来有可能逐步取代a b s 成为汽车的标准配置。一些国家也因此出台法规，早在2 0 0 7 年，美国就规定， 从2 0 1 2 年起所有新车型都要逐步强制装配e s p 。欧盟也规定从2 0 1 1 年1 1 月起， 所有新车型都必须装配该安全系统，从2 0 1 4 年1 1 月起所有新注册车辆都必须强 制装配e s p 。2 0 0 9 年6 月，澳大利亚政府决定，从2 0 1 1 年1 1 月起所有新车型， 以及从2 0 1 3 年1 1 月起所有新注册车辆，都必须安装电子稳定程序。2 0 0 9 年2 月，使用模拟事故场景来测试车辆安全性能的欧洲新车评估体系e n c a p ，将电 子稳定程序e s p 纳入其新的评估流程。根据其最新指导原则，自2 0 1 0 年起，只 有标配e s p 的车型，才有可能获得最高五星的安全评定。目前全球共有德国博 世、德国大陆、日本爱信精工、美国天合、日本电装、美国德尔福和韩国万都等 几家公司生产汽车电子稳定性控制系统。如图1 2 所示为欧盟部分国家0 3 至0 8 年博世e s p l 新车注册装配情况。 1 博世公司对其生产的e s p 已注册商标，故市场上只有博世公司的电子稳定性控制产品才能叫做e s p ， 本文为研究方便，对相同控制逻辑的电子稳定性控制统称e s p 。 3 汽车e s p 控制系统仿真与研究 忡 嬲黼黼麟嬲嬲 搦聋翳 图1 2 欧盟部分国家0 3 至0 8 年e s p 新车注册装配情况 f i g1 2e s pa s s e m b l y o fn e wc a r su pt h es i t u a t i o ni ns o m ec o u n t r i e so f e u r o p e a nu n i o nf r o m2 0 0 3 2 0 0 8 国内对汽车底盘控制系统的需求很大且在高速发展。就汽车制动控制系统而 言，目前国内的主要需求依然是a b s 和t c s 系统。2 0 0 8 年，中国新注册车辆中 的e s p 装配率跃至1 1 ，这一数字仍远远落后于欧洲和美国，但随着人们对汽 车安全性的重视程度越来越高，e s p 系统的需求将会迅速增长。不过由于这类产 品的技术难度大，工艺复杂，国内企业和高校还处在理论攻坚阶段，而e s p 的 控制策略一直是这些研究的重点。 综上所述，e s p 不仅可以减少交通事故和交通事故死亡率，带来社会效益， 而且还可以带来巨大的经济效益。本文围绕着自主开发汽车稳定性控制系统这一 主题，在借鉴国外研究成果的基础上，就汽车稳定性控制系统建模、汽车稳定性 控制的力学原理分析、控制算法设计以及控制效果评价等方面进行了详细论述。 旨在为今后指导生产提供理论基础，为提高我国在e s p 稳定性程序方面自主研 发的技术水平贡献微薄之力。 1 2e s p 的发展历史和研究现状 1 2 1e s p 的发展演变 利用控制技术提高汽车的行驶安全性一直是汽车领域的研究热点。早在 1 9 3 6 年德国博世( ( b o s c h ) 公司就第一个获得了用电磁式车轮转速传感器获取车 轮转速的a b s 专利【5 1 。直到上世纪6 0 年代末和7 0 年代初，美国二大汽车公司 才分别推出了装有a b s 的高级轿车【q ，但由于受当时技术条件的限制，a b s 采 4 江苏大学硕士学位论文 用了模拟计算机与真空作用的压力调节器，在控制精度和可靠性上出现了很多问 题，美国汽车制造厂家不得不在7 0 年代终止了a b s 轿车的生产门。随着数字 计算机和调节器技术的发展，a b s 的性能和抗干扰能力不断增强，a b s 在欧洲 又重新兴起。在上世纪8 0 年代中后期和9 0 年代，a b s 在世界范围内得到了广 泛地推广和应用，成为在汽车上应用最成功的电子控制产品之一，大大改善了汽 车在制动时的稳定性。在9 0 年代中期以后，主要汽车生产厂家生产的轿车几乎 全部配备a b s ，使得a b s 成为了现代汽车的标准装备。 a b s 是通过对车轮制动滑移率的控制提高侧向附着力来保证汽车制动稳定 性的。同样的原理，通过对车轮驱动滑移率的限制提高侧向附着力，也可以改善 汽车驱动时的稳定性，于是各种汽车牵引力控制系统( a s r 或称t c s ) 的专利在 7 0 年代开始出现。但直到1 9 8 5 年才由瑞典v o l v o 汽车公司把这项技术转化为 产品。其开发了一种被称为e t c 的电子牵引力控制系统并安装在v o l v o7 6 0t u r b o 汽车上，该系统仅通过调节燃油供给量调节发动机的输出力矩来控制驱动轮滑 转，但未采用差速制动控制罔。a b s 和t c s 都只是通过对纵向滑移率的控制来 间接保证汽车在制动和驱动时的稳定性，但对汽车在极限转向、制动转向、驱动 转向以及车辆受到外界干扰等引起失稳时的纠正效果并不是十分明显。 汽车稳定性的概念在上世纪9 0 年代初开始提出，由于当时的汽车稳定性控 制还处于概念阶段，各个生产厂家根据自己系统的特点提出了各自的方法与名 称。1 9 9 2 年b m w 公司和b o s c h 以及大陆( c o n t h l e n t a l ) 公司合作，在a b s a s r 的基础上开发了汽车稳定性控制系统并称之为d s c l ( d y n a m i cs t a b i l i t yc o n t r o l 1 ) ，它是通过横摆角速度反馈控制来调节发动机的输出扭矩，从而实现了对车辆 行驶方向性和稳定性的控制，应用于b m w 8 5 0 c i 轿车上1 9 。这种系统只是在原有 的a b s a s r 的基础上增加了方向盘转角传感器，这是e s p 的最早原型。之后在 1 9 9 4 年，b m w 公司和b o s c h 公司再次合作开发了d s c 2 ，引入c a n 总线与发 动机管理系统通讯。但无论是d s c l 还是d s c 2 都相对比较简单，并未增加测量 汽车运行姿态的侧向加速度传感器和横摆角速度传感器，汽车的横摆角速度是通 过内外车轮的转速差间接估计得到的，这在很多情况下，尤其是在轮胎附着极限 情况下是不准确的。 真正意义上的汽车稳定性控制一般认为出现在1 9 9 5 年。在1 9 9 5 年，b o s c h 汽车e s p 控制系统仿真与研究 公司提出了v d c ( v e h i c l ed y n a m i cc o n t r 0 1 ) 的概念【1 0 1 ，b e n z 公司提出了 e s p ( e 1 e c t r o n i cs t a b i l i t yp r o g r 锄) 的概念【1 1 】，丰田与爱信( a i s i 啪电装( d e n s o ) 公司提出了v s c ( v e h i c l es t a b i l i t yc o n t r 0 1 ) 僦f 1 1 】，它们均采用了能直接测量汽 车运行姿态的侧向加速度传感器和横摆角速度传感器，使得稳定性控制系统的应 用范围大大扩展。1 9 9 6 年b m w 公司和b o s c h 公司再次合作推出的d s c 3 就是此 类稳定性控制系统【1 2 1 。1 9 9 7 年v a r i t yk e l s e y h a y e s 和l u c a sp l c 合并，联手开发 v s d l 3 1 ，德国的c o n t i n e n t a l 公司也以m k 6 0 液压调节器为基础进行e s p 的研制 与开发，g m 将德尔福( d e l p h i ) 生产的汽车稳定性控制系统装备于卡迪拉克轿车上。 这一时期的e s p 系统，除了发动机力矩控制作为控制方式之外，主动制动控制是 各e s p 系统共同采用的控制方式。除此之外，高速大容量电控单元、新一代c a n 通信技术以及新一代的液压控制单元o - i c t d 被普遍应用于e s p 系统中。汽车稳定 性控制系统在发展过程中出现了很多名称，主要包括：汽车稳定性控制s c ) 、汽 车动力学控制w o c ) ，动力学稳定性控制p s c ) 、电子稳定性程序( e s p ) 等等，但其 组成与功能大体一致，为了方便，本文统一称为汽车稳定性控制e s p 。从1 9 9 5 年 至今，由于性能的不断改进以及成本的不断降低，汽车稳定性控制获得了很快发 展，并开始作为选装件装备于一些中、高档轿车上。 表1 1e s p 与a b s 、t c s 的区别 t a b1 1t h ed i f f e r e n c e sb e t w e e ne s pa n da b s ，t c s 系统需要的传感器执行机构辅助机构主要功能 a b s轮速传感器( 4 个)a b s 液压无防止车轮抱死提高制动 调节器稳定性 a s r轮速传感器( 4 个)a b s a s r发动机管理防止车轮过度滑转，提高 o c s ) 液压调二 了 系统 驱动能力，提供电子差速 。一一器( e m s ) 锁功能，提高驱动稳定性 e s p 轮速传感器( 4 个) 、方向盘改进的发动机管理除了具备a b s a s r 的功 ( v s c ) 转角传感器、横摆角速度传a b s a s r系统能外，还实时监测汽车的 ( d s c ) 感器、侧向加速度传感器以液压调节( e m s )运行姿态，保证汽车在极 ( v d c ) 及制动主缸压力传感器器 限转向、制动、驱动以及 复杂工况下的稳定性 表1 1 体现了汽车稳定性控制与a b s 和t c s 的区别。从表中可以看出，汽 车稳定性控制系统无论是在需要的传感器和执行机构方面，还是在功能方面都有 了更高的要求。 e s p 作为车辆系统动力学控制的组成部分目前已和a b s 、t c s 等融合为 v d c ( v e h i c l ed y n a m i cc o n t r o l ，汽车动力学控制) ，同时通过总线网络实现了与诸 江苏大学硕士学位论文 如a f s ( a c t i v ef r o n ts t e e r i n g ，主动前轮转向) 、电控悬架等的资源共享，朝着 g c c ( g l o b a lc h a s s i sc o n t r o l ，底盘综合控制1 的方向发展。g c c 是用高速局域网 络c a n 将两个或多个底盘电子控制系统结合起来，对底盘实现多层面控制。这 种控制方式增强了汽车底盘各控制系统之间的相互联系、相互影响，节约资源、 提升汽车行驶性能。 1 2 2 汽车稳定性控制的研究现状 从九十年代开始，国外很多学者对汽车稳定性作了广泛而深入的研究。目前， 对控制变量的优化、控制器的开发研究、传感器的开发和应用、传感器的在线自 检、执行机构的开发、系统失效的自检以及保护算法的开发等是汽车稳定性控制 领域研究的核心问题。 由于在汽车稳定性控制中所需要的车辆运行状态并不能完全由传感器直接 测量得到，因此如何通过测量的车辆状态推测不易测量的车辆状态或路面的状态 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，极大改 善了控制系统的可靠性【1 舢堋。 在控制方法方面，早期的稳定性控制采用较多的是以横摆角速度为控制目标 的策略，用车辆模型和实际经验确定逻辑门限值，当车辆横摆角速度超出范围时 通过制动力和驱动力的调节，在车上施加直接横摆力矩，将横摆角速度稳定在合 适的范围内，从而达到驾驶员的意图，并使得车辆侧偏角在安全的范围内。目前 商品化的e s p 产品采用此策略的居多。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。例如 l q r 控制【1 9 1 、自适应滑模控制方法 2 0 l 、h o o 优化控制理论【2 1 】等。 除此之外，系统对不同类型的汽车的适应性匹配问题，以及和相应的主动操 控系统如主动悬架、主动转向【2 2 j 的集成等是目前国际上研究的前沿。 在国内，由于缺少汽车动力学系统的元件轮胎、悬架、转向系以及后期实车 试验场地等完备实验条件，大多数学者只是基于理论研究。掌握和应用e s p 技 术是我国目前汽车技术创新最关键、最紧迫的课题之一瞄】。随着对汽车电子的 强烈国产化需求，国人对e s p 系统的研究近几年得到了快速发展。清华大学、 上海交通大学在液压控制单元电磁阀特性和e s p 试验台设计开发1 2 4 - 2 6 1 进行相关 研究，吉林大学在e s p 控制算法及控制策略、e s p 液压控制试验研究、压力估 7 汽车e s p 控制系统仿真与研究 算以及e s p 试验 2 7 - 3 2 方面取得了一定的研究成果。合肥工业大学陈无畏【3 3 l 在 e s p 与主动悬架a s s 四轮转向4 w s 联合控制算法方面进行了一定的摸索。此外， 南京理工大学【3 5 1 、湖南大学【3 6 1 、哈工大【明等高校以及中国重汽、上海汇众、 奇瑞等企业也正在积极开展这方面的研究工作。 1 3e s p 的系统结构原理及技术标准 1 3 1e s p 的系统结构 图1 3 是现在比较经典的汽车稳定性控制系统的结构，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、转向盘转角传感器、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) 。 单元 图1 3 装有e s p 的汽车配置示意图 f i g1 3s c h e m a t i ca r a i n go fae a tf i t t e dw i t he s p 1 ) e s p 传感器 图1 4 从左至右分别为目前广泛采用的轮速传感器、方向盘转角传感器、横 摆角速度传感器和加速度传感器、主缸压力传感器。 8 一专妒e 图1 4 e s p 传感器 f 谵1 4e s p 8 e i l 8 0 1 8 江苏大学硕士学位论文 a 轮速传感器 轮速传感器用于检测轮速信号。目前采用的轮速传感器有电磁感应式和霍尔 式两种。电磁感应式轮速传感器的低速响应比较差，而霍尔传感器有较好的低速 响应特性，并且信号幅值与转速大小无关。 b 转向盘转角传感器 转向盘转角传感器用以测量转向盘的转角。转向盘转角传感器通常分为编码 器和电位计式两种。光学编码器传感器的测量精度高，使用寿命长，但是它通常 测量的是相对位置，因此需要对零点进行识别，而电位计可以直接测量绝对位置， 但是使用寿命低。 c 横摆加速度传感器和加速度传感器 横摆角速度传感器用于测量汽车绕过质心的垂直轴转动的角速度。它是根据 陀螺原理进行测量的，一般采用机械系统结构，在传感器内部采用压电元件产生 振动，通过测量振动系统的科式力来求解汽车的横摆角速度。加速度传感器用于 测量汽车纵向和侧向加速度。加速度传感器有很多种，有利用压电石英谐振器的 力频特性进行加速度的测量，还有就是使用衰减弹簧质量系统进行加速度测量。 随着以硅原料为基础的微机械测量系统的发展，近期出现了同时测量侧向加速度 和横摆角速度的高精度传感器。 d 制动主缸压力传感器 制动主缸压力传感器检测主缸压力信息并被用于估算轮缸制动压力。e s p 电 子控制单元根据压力传感器测得的制动主缸压力值以及轮缸制动控制状态估算 轮缸压力，进而实现对车轮上的纵向力和侧向力的协调控制。 2 ) 液压控制单元 液压控制单元是e s p 的重要执行机构。目前汽车上采用的液压控制单元集 成有轮缸电磁阀、隔离电磁阀、液压泵及电机、制动主缸压力传感器以及电磁阀 驱动板卡等，图1 5 为h u 结构示意图。 9 汽车e s p 控制系统仿真与研究 铜z 刃j 管i 盯l 翩动轮缸f r 嗣哦i 旺r l 吊柳粘瓤l 【k 图1 5 h u 结构示意图 f i g1 5s c h e m a t i cd r a w i n go fh u 3 ) 发动机管理系统 e s p 发动机管理系统包括电子油门或基于c a n 总线通讯的发动机力矩调节 装置。除调节发动机力矩外，还可调控变速器挡位。 钔e s p 电子控制单元 电子控制单元( e c 是汽车稳定性控制系统的核心，用于处理来自各传感器 的信息，驱动各执行器，同时它还是控制逻辑的载体，是整个系统的大脑。电子 控制单元一般包括两个微处理器，一个与液压控制单元连接，另一个和液压控制 单元分离。两个处理器通过内部总线相互交换信息。除了微处理器外，e c u 包 括电源管理模块、传感器信号输入模块、液压调节器驱动模块、各指示灯接口以 及c a n 总线通讯接口。 1 3 2e s p 的基本工作原理 汽车稳定性控制系统能够负责实时监测汽车的行驶状态。其工作原理为：在 汽车行驶过程中，转向角传感器感知驾驶员转向角度和力矩，轮速传感器感知车 速及滑移率变化情况，制动压力传感器感知主缸制动压力，而偏航率传感器则感 知汽车横摆角速度及侧向加速度。e c u 了解这些信息之后，判断驾驶员对车辆 的驾驶意图，决策出理想的车辆运行状态( 如理想的横摆角速度等) ，通过一定的 控制逻辑决定应该对车辆实施多大的汽车横摆力矩可以使车辆恢复稳定，然后通 过液压调节器对制动系统各制动轮缸进行调节来产生所需要的汽车横摆力矩，在 必要的时候与发动机管理系统( e m s ) 通讯，由发动机管理系统改变驱动轮的驱动 力，修正汽车的过度转向或转向不足，改变后的车辆运行状态由传感器测量到 1 0 江苏大学硕士学位论文 e c u ，然后再进行下一循环的控制，从而使汽车保持行驶安全，在紧急闪避障碍 物或在转弯时出现转向不足、转向过度时，汽车稳定性控制系统都能帮助汽车克 服偏离理想轨迹的倾向。e s p 传感器工作原理如图1 6 所示： a 图1 6e s p 传感器工作原理 f i g1 6p r i n c i p l eo fe s ps e n 8 0 1 8 下面以转向不足为例介绍e s p 工作过程。 图1 7 转向不足示意图 f i g1 7s c h e m a t i cd i a g r a mo ft m d e r s t e e r i n g b c l 1 、| 2 图1 8 转向不足控制示意图 f i g1 8s c h e m a t i cd i a g r a mo fu n d e r s t e e r i n gc o n t r o l 汽车e s p 控制系统仿真与研究 图1 9 转向不足控制液路图 f i g1 9u n d e r s t e e r i n gc o n t r o ls o l u t i o nr o a dm a p 1 液压调节器总成；2 隔离阀；3 启动阀；4 - 右前和右后进口阀；4 a 一左前和左后进口阀； 5 。液压泵；6 左前和左后出口阀；b 停止的制动液压力流( 电磁阀闭合) ； c 液压调节器泵产生的制动液压力流；m 一泵电机 转向不足示意图见图1 7 ，方向盘转角传感器向电子控制单元发送一个驾驶 员想要朝方向a ，转向的信号，横摆角速度传感器检测到车辆开始打转“b ”，同 时车辆前端开始向方向“c ”滑移，说明车辆出现转向不足，电子稳定程序将实行 主动制动干预。如图1 8 所示，电子稳定程序利用a b s 、t c s 系统中已有的主动 制动控制功能向车辆的一个或两个内侧车轮“1 ”施加计算得到的制动力，这将促 使车辆绕其纵轴岔旋转，以稳定车辆并朝驾驶员想要的方向转向。转向不足的 控制液压路径见图1 9 ，当电子控制单元检测到车辆转向不足时，电子控制单元 将向液压调节器发送信号，关闭f j 和后隔离阀，以使后轮制动回路与总泵隔离开 来，防止制动液返回总泵；打开前和后启动阀，使制动液从制动总泵进入液压泵 中；关闭右前和右后进口阀，以隔离右轮液压回路，从而使液压调节器只向左轮 提供制动液压力；运行液压调节器泵，将合适的制动液压力施加到左轮制动钳上， 以使车辆朝驾驶员想要的方向转向。如果在e s p 模式下进行人工制动，则退出 e s p 制动干预模式并允许常规制动。 1 3 3e s p 的技术要求 美国汽车工程师学会于2 0 0 4 年对e s p 系统进行了标准化的定义，它确定了 e s p 系统必须具备以下六方面特征： 1 2 江苏大学硕士学位论文 1 ) j 臣过独立施加或调整汽车的制动力产生横摆力矩提高汽车的方向稳定性。 萄通过计算机控制的闭环算法抑制汽车的过多转向或不足转向。 3 1 具有确定横摆角速度和质心侧偏角的方法。 具有监控驾驶员转向输入的方法。 5 ) 具有确定发动机力矩的算法和调整发动机力矩的方法。 国系统可以工作在除倒车和车速低于1 5 k m h 外的任何速度范围内。 目前国内外主要有以下几个关于电子稳定性系统和制动性系统的法规标准： 在我国，g b t 1 3 5 9 4 2 0 0 3 机动车和挂车防抱制动性能和试验方法国家标准 由全国汽车标准化技术委员会规定执行；在美国，执行由n h t s a 于2 0 0 7 年发 布的f m v s s l 2 6 电子稳定性控制系统安全标准；在欧洲，执行r e g u l a t i o nn o 1 3 h 关于乘用车制动安全性的统一标准。 1 4e s p 的关键技术 作为要主动介入的安全控制系统，车辆稳定性控制的关键问题包括驾驶员意 图判断、实时理想横摆角速度和质心侧偏角估计、路况状态识别( 如坡度) 以及发 展先进的控制算法和控制策略等。 所以，e s p 系统的开发有赖于以下几个关键技术的突破： ( 1