（机械工程专业论文）基于稳定性控制的车辆主动避撞初期研究与仿真.pdf

硕i j 学位论史 摘要 车辆的主动避撞和某些安全辅助驾驶系统中，往往只单独考虑了主动避撞的策 略或避让轨迹的优化。为了能够对车辆进行更加有效地安全控制，本文将在主动 避撞过程中综合考虑车辆的稳定性，将车辆的主动避撞控制和稳定性控制作为一 个整体系统，在仿真软件中建立两个控制子系统分别用于避撞控制和稳定性控制。 从而初步保证车辆在避撞失稳时能够得到有效地稳定性控制干预，防止了车辆因 为紧急避撞而引起的车辆失稳的危险情况出现。通过对特定工况的仿真分析，得 到车辆主动避撞与稳定性联合控制的结果。结果表明在车辆直行避撞工况下，联 合控制一方面能够使车辆避开撞击另一方面还能够保证车辆在制动以及转向过程 中的稳定性而且还间接地提高了避撞控制的效果。 文章首先对汽车主动安全技术和稳定性技术的现状与发展做了简单论述，然后 分别确定了主动避撞控制子系统和稳定性控制子系统的功能以及总体结构和方 案。并且在接下来的章节中以合理的假设条件为前提，基于牛顿力学建立了车辆 轮胎以及车辆车体的动力学数学模型。为验证此动力学模型的正确性，还对车辆 进行了必要的仿真分析。此模型为接下来的控制器设计提供了参考依据和校验平 厶 口。 在研究了避撞控制方法以及适当简化避撞环境之后，本文基于有限状态机理论 设计了主动避撞控制器。控制器以避撞控制时间计算以及控制信号触发为前提， 在s t a t e n o w 工具箱中通过分层设定优先级控制来实现避撞执行动作的逻辑选择。 在判断车辆稳定性之后，采用主动转向和差动制动附加横摆力矩联合控制方式 实现对车辆的稳定性控制。联合仿真，仿真结果验证了本文所提出的联合控制方 式的可行性与有效性。 最后对研究结果进行归纳总结，并对后续工作提出了展望和建议。 关键词：主动避撞；稳定性控制；联合仿真；模糊控制；附加横摆力矩 l i 基于稳定件控制的车辆主动避樟初期研究与仿真 a bs t r a c t o n l y c o l l i s i o na v o i d a n c es t r a t e g ya n da v o i d a n c ep a t h o p t i m i z a t i o nw a sb e c o n s i d e r e di nt h ei n t e l l i g e n tv e h i c l e sc o l l i s i o na v o i d a n c es y s t 锄a n ds o m ea u x i l i a r y s a f ed r i v i n gs y s t e m b u ti t sn o te n o u g h i no r d e rt og i v et h ev e h i c l em o r ee f f i e c t i v e s e c u r i t yc o n t r 0 1 ，t h i sa r t i c l ei sg o i n gt oa d dt h es t a b i l i t yc o n t r o li nt h ec o l l i s i o n a v o i d a n c ep r o c e s sa n de s t 砖b l i s ht w os u b s y s t e m sf 1 0 rs t a b i l i t yc 6 n t r o la n dc o l l i s i o na v o i d - t h ec o m b i n e dc o n t r o ls y s t e mc 趾p r o v i d ee f f e c t i v es t a b i l i t yc o n t r o li ft h ev e h i c l e1 0 s e i t ss t a b i l i t ) ，d u r i n gc o l l i s i o na v o i d a n c ep r o c e s s i ta l s oc a np r e v e n tt h ev e h i c l ef r o ma m o r ed a n g e r o u ss i t u a t i o n e s t a b l i s ham o d e li na d a m sa n d d os o m es i m u l a t i o n s c o m b i n e dw i t hm a t l a bi nt h el a t t e rp a r to ft h ea r t i c l e t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a t c o m b i n e dc o n t r o ls y s t e mc a na v o i dt h ec o l l i s i o no nt h eo n eh a n da n di ta l s oc a np r o v i d e e f 掩c t i v es t a b i l i t yc o n t r o ld u r i n gt h es t e e r i n ga n db r a k i n gp r o c e s s m o r ei m p o r t a n t l yi t i n c r e a s e st h ee f f e c to fc o l l i s i o na v o i d a n c ei n d i r e c t ly f i r s t ，g i v eas i m p l ee x p o s i t i o no fc u r r e n ts t a t u sa n dd e v e l o p m e n tf 0 rv e h i c l e s a c t i v es a f c t yt e c h n o l o g ya n ds t a b i l i t yc o n t i o lt e c h n o l o g y ：n e x td e s i g nt h es t r u c t u r ea n d p r o g r a m so f c o l l i s i o na v o i d a n c es u b s y s t e ma n ds t a b i l i t yc o n t r o ls u b s y s t e m e s t a b l i s ha m o r er e l i a b l et i r ea n dv e h i c l eb o d yd y n a m i c sm o d e lb a s e do nn e w t o n i a nm e c h a n i c s a n dh a v es o m en e c e s s a r ys i m u l a t i o ni no r d e rt ov e r i f yt h ea c c u r a c yo ft h em o d e l t h i s m o d e lp r o v i d e sr e l i a b l er e f e r e n c ea n dv e r i f i c a t i o np l a t f o mf o rt h ec o n t r o u e r sd e s i g n a r e rt h es t u d yo ft h ec o u i s i o na v o i d a n c ec o n t r o lm e t h o da n dt h es i m p l i f i c a t i o no f t h ee n v i r o n m e n t ，t h ep a p e rd e s i g n st h ec o n t r o u e ro fc o l l i s i o na v o i d a n c eb a s e do nf i n i t e s t a t em a c h i n et h e o r y c a l c u l a t et h et i m eo fc o l l i s i o na v o i d a n c ea n dd e s i g nt h e c o n d i t i o n so fc o n t r o ls i g n a lt r i g g e r i nt h es t a t e f l o wt o o l b o xs e td i f f c r e n tp r i o r i t i e st o a c h i e v ec o n i s i o na v o i d a n c el o g i cf o ra c t i o ns e l e c t i o n s t a b i l i t yc o n t r o lw i l lb ed i v i d e di n t ot w op a n s t h ef i r s ts t e pi s t oj u d g et h e s t a b i l i t yo fv e h i c l e a n dt h e nu s ea c t i v es t e e r i n gt e c h n o l o g ya n dd i f f e r e n t i a ib r a k i n g a d d i t i o n a ly a wm o m e n tt e c h n 0 1 0 9 yt oi m p r o v ev e h i c l es t a b 订i t yd u r i n gb r a k i n ga n d s t e e r i n g s i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h ef e a s i b 订i t ya n de f f e c t i v e n e s so ft h ec o n t r o u e r i nt h ef i n a l i t y ；t h er e s u l t sa r es u m m a r i z e da n ds o m ep r e c i o u sp r o p o s a l sa r ep u t f o r w a r dt of o l l o w u ps t u d y k e y 、r d s ：c o l l i s i o na v o i d a n c e ；s t a b i l i t yc o n t r o l ；c o - s i m u l a t i o n ；f u z z yc o n t r o l ； a d d i t i o n a ly a wm o m e n t i i i 基于稳定十牛拧制的车辆主动避掩初期研究与仿真 插图索引 图1 1 典型特性场分析方式5 图1 2 整体系统结构6 图1 3 控制逻辑框架6 图1 4 主动转向系统结构图8 图1 5e s p 控制系统结构图：8 图2 1 整车动力学特性图1 l 图2 2 汽车行驶直角坐标系1 2 图2 3 轮胎坐标系1 4 图2 4 轮胎纵向力s i m u l i n k 仿真1 5 图2 5 纵向力子模块内部结构1 5 图2 6 轮胎侧偏力s i m u l i n k 仿真1 5 图2 7 轮胎回正力矩s i m u l i n k 仿真1 6 图2 8 轮胎纵向力1 6 图2 9 轮胎侧向力1 6 图2 1 0 轮胎回正力矩1 6 图2 1 l 实际质心侧偏角估算1 7 图2 1 2 整车仿真s i m u l i n k 模型1 8 图2 1 3 轮胎s i m u l i n k 模型1 8 图2 1 4 车辆s i m u l i n k 模型1 8 图2 1 5 前轮转向角1 9 图2 1 6 不同速度下横摆角速度响应1 9 图2 1 7 参考车辆s i m u l i n k 模型2 0 图2 1 8 前悬架多体模型2 1 图2 1 9 后悬架多体模型2 1 图2 2 0 四轮盘式制动系统一2 l 图2 2 l 转向系统2 1 图2 2 2 轮胎模型2 2 图2 2 3 横向稳定杆2 2 图2 2 4 整车装配w i r e f r a m e 图2 2 图2 2 5 效验性息2 2 图2 2 6 整车单移线仿真轨迹2 3 v i i 硕十学位论文 图2 2 7 单移线前轮转角变化2 3 图2 2 8 单移线横摆角速度变化2 3 图2 2 9 制动仿真轨迹2 3 图2 3 0 制动横摆角加速度变化2 3 图2 3 1 速度变化2 3 图2 3 2 前轮转角正弦输入2 4 图2 3 3 不同速度下的横摆角速度响应2 4 图3 1 直线减速示意2 6 图3 2 前端碰撞示意2 7 图3 3 侧端碰撞示意2 7 图3 4 障碍物位置示意一2 7 图3 5 纵向制动示意2 9 图3 6 横向运动障碍物制动避让示例3 1 图3 7 横向运动障碍物避撞距离计算3 1 图3 8 制动力变化3 2 图3 9 避撞侧向距离示意3 3 图3 1 0 三次多项式拟合避撞路径曲线3 3 图3 1 1s t a t e n o w 与s i m u l i n k 工作示意图3 5 图3 1 2 决策基本原理举例3 6 图3 1 3 决策控制s t a t e n o w 内部结构3 8 图3 1 4 模糊避撞隶属函数图3 9 图3 1 5 避撞轨迹图1 4 0 图3 1 6 车速随时间历程1 4 0 图3 1 7 控制动作信号历程1 4 0 图3 1 8 控制输出信号历程1 4 0 图3 1 9 避撞轨迹图2 4 0 图3 2 0 控制动作信号历程2 4 0 图3 2 1 前轮转角随时间历程4 l 图3 2 2 控制输出信号历程2 4 l 图3 2 3 避撞轨迹3 4 l 图3 2 4 控制动作信号触发历程3 一4 l 图3 2 5 车速随时间历程2 4 2 图3 2 6 控制输出信号随时间历程3 4 2 图4 1 模糊控制原理图4 4 图4 2 行驶轨迹示意图一4 6 v l l i 基于稳定性控制的车辆主动避掩初期研究j 仿真 图4 3 基于主动转向的稳定性控制流程4 6 图4 4 隶属函数图1 4 7 图4 5e s p 模糊控制结构图4 7 图4 6 隶属函数图2 4 8 图4 7 基于横摆角速度的e s p 模糊控制s i m u l i n k 建模4 8 图4 8 不同控制方式车辆横摆角加速度响应4 9 图4 9 单移线车辆前轮转角历程5 0 图4 1 0 不同控制方式下的横摆角速度响应曲线5 0 图5 1 传统设计过程：5 l 图5 2 基于a d a m s c o n t r o l 的设计过程5 l 图5 3m a t l a b 中信息语句5 3 图5 4a d a m ss u b 子模块5 3 图5 5a d a m ss u b 内部结构5 3 图5 6m a t l a b a d a m s 联合仿真图5 4 图5 7 联合控制下的行驶轨迹l ( ：o 8 ) 5 5 图5 8 避撞控制器控制信号随时间历程1 5 5 图5 9 横摆角速度比较1 5 5 图5 1 0 质心侧偏角比较1 5 5 图5 1 l 联合控制下的车辆行驶轨迹2 ( ：o 8 ) 5 6 图5 1 2 避撞控制信号随时间历程2 一5 6 图5 1 3 横摆角速度比较2 5 6 图5 1 4 前轮转角随时间历程5 6 图5 1 5 避撞控制信号随时间历程3 5 7 图5 1 6 车速随时间历程一5 7 图5 1 7 联合控制下的车辆行驶轨迹5 7 i x 硕十学位论文 附表索引 x 7 9 7 8 9 1 3 4 4 4 一 表 =j= m 赆m 烬 _1_j 规规 数表制制 参则控控 型规糊糊 一 模制模模略学控性性策力糊定定取动模稳稳选车撞动向动汽避制转制 l 1 1 2 3 2 3 4 4 4 表表表表表 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 汽车主动安全研究背景与意义 伴随着汽车的诞生至今，汽车安全研究始终是汽车研究的热点之一。随着社 会的进步和经济的快速发展，人们对于交通的高效要求日益提高，世界范围内的 汽车保有量不断增加，汽车事故也在不断上升。这也使得汽车交通安全成为了全 球性的研究课题。统计资料表明，全球道路交通事故的总数约占安全事故的9 0 左右，造成的伤亡人数占所有安全事故伤亡人数的8 0 以上。全世界范围内平均 每分钟至少有一人死于交通事故i l 】，每年约有1 2 0 万人死于道路交通安全事故，经 济损失超过5 0 0 0 亿美元。在非正常死亡之中，道路交通事故已成为名副其实的“第 一杀手”1 2 j 。尤其是道路交通事故发生率居高不下，死亡人数逐年增长，由此造 成的经济损失不可估量。因此，无论是发展中国家还是发达国家，在对待道路交 通安全问题上都己相当的重视，提高汽车安全性能、减少道路交通事故一直是非 常值得关注的社会问题和科学技术进步所面临的重要课题【3 】。 目前我们面临的是有史以来最为严峻的道路交通安全状况，因此我们必须更 加重视交通安全。与此同时，汽车消费者和政府管理者对汽车安全性能的期望越 来越高，新发展起来的以预防和主动干预为核心技术的先进汽车主动安全技术已 渐渐占据越来越重要的地位，传统的事故后处理保护技术( 被动安全) 以不能很 好满足现代交通安全的需求。随着近些年电子、通讯、传感等技术的发展，汽车 的安全性设计、道路环境感知、智能交通系统的建立已有了良好的基础【4 。5 】。这些 都将为今后完善整个汽车主动安全系统提供强用力的支持。 上世纪八十年代开展起来的关于智能交通系统( i n t e l l i g e n tt r a n s p o n a t i o n s y s t e m ，l t s ) 的研究，被认为能够对道路交通安全起到十分积极的推动作用【6 引。智 能交通系统是一个涉及到多种先进技术的整体运输管理体系。它将先进的信息采 集与处理技术、通信数据传输与抗干扰技术、电子控制技术以及计算机处理技术 有机结合，正确有效的应用于整个运输管理体系之中。毫无疑问，它能够全方位 的发挥作用，使人、车、路协调统一【9 j 。另外，在政府支持下，各大汽车公司和高 校都在开展和参与与之相关的研究开发工作。例如：美国交通部主导的自动公路 系统a h s ( a u t o m a t e dh i 曲w a ys y s t e m ) 以及后来的主动防撞系统c a s ( c o l l i s i o n a v o i d a n c es y s t e m ) 等；日本政府主导的先进安全汽车a s v ( a d v a n c e ds a f e t yv 曲i c l e ) 项目等。这些都为将来的汽车主动安全研究提供了有利的经验与技术基础并取得 了阶段性的成果。 基于稳定性控制的车辆主动避掩初期研究与仿真 1 2 主动避撞控制系统的研究意义与现状 1 2 1 主动避撞控制研究意义 近年来随着电子技术的飞跃发展，相关技术日新月异，尤其是信息产业的迅速 发展，使得研制高度信息化的车辆有了基础。许多先进技术将被引入汽车的安全 设计。各大汽车厂家也在提高燃油经济性、降低汽车排放的同时，越来越多地注 重提高汽车的安全性能。汽车安全设计已渐渐改变了视角，过去设计的初衷是使 人员在事故发生时尽量减少受伤的机率或降低事故伤害程度，而现在的理想的汽 车安全系统希望能够帮助驾驶人员在事故发生之前做出预判，帮助驾驶人员正确 有效的避免事故的发生，做到“防患于未燃 i l 们。 所以近年来人们越来越关注与汽车的主动安全性能。协调利用各种先进技术， 帮助汽车驾驶员对路面、人、车辆进行实时监控和报警，在危急情况下由系统主 动干预驾驶操纵、辅助驾驶者进行应急处理、防止汽车碰撞事故的发生。由此可 见，汽车主动避撞系统将在未来的汽车安全领域占据相当重要的地位，有效且高 效的主动避撞系统的建立将会使得行车安全大大提高，因此在汽车主动避撞方面 的研究将会具有重要的意义。 不同于其他主动安全系统的是主动避撞系统以提高车辆行驶安全为主。特别是 在驾驶员无法做出反应且即将发生危险的紧急时刻，主动避撞系统能够主动地干 预车辆动作，最大程度上避免碰撞发生。如果系统中的传感装置监测到有碰撞发 生的可能，它也能够辅助驾驶员做出适当的控制动作，避免碰撞发生。因此，促 进汽车主动避撞系统的实用化也会是一项具有十分重要意义的工作。 1 2 2 主动避撞控制研究现状 目前国际上开发主动避撞系统较为成功的国家主要有德国、美国和日本。著 名的“p r o m e t h e u s 计划i 。2 l 由欧洲1 7 家著名汽车制造商和5 0 多个研究所共同参 与，它将传感器i 通信、人工智能、计算机信息处理等多种技术集于一体，目的 就是改进汽车安全性、有效性。并且该计划取得了相当令人瞩目的成果。在第7 6 界日内瓦车展上，日本丰田公司发表了雷克萨斯l s 4 6 0 旗舰版，其配备的全新安 全系统集合了先进障碍物检测系统、方向盘辅助系统、车位碰撞安全预警系统和 驾驶员驾驶系统。也代表了现代汽车主动安全发展的新高度。 国内对汽车主动安全的研究起步较晚，在国家有关部门和企业的支持下，清 华大学汽车研究所开发了t h m r v 型智能车，这也是我国较早的智能交通安全方 面的车型，2 0 0 3 年该款智能车能够在结构化道路上跟踪车道行驶，行驶速度可达 到1 0 0 k m h 。吉林大学先后研制的四款智能试验车主要采用机器视觉导航方式，能 够识别前方障碍物和路面白线【1 3 14 1 。最新的第四代j u t i v - 4 开始将多传感器信息 2 硕十学位论文 融合技术应用其中。 主动避撞系统硬件方面，我国同国外发达国家相比存在较大差距【1 5 朋】。车辆 距离报警装置普遍难以满足车辆行驶安全要求。控制策略上我国学者也做出了相 当多的研究和贡献。例如：曾宪文等在文献中的系统决策与控制采用了先进的模 糊神经网络模型。邝小磊等在文献中提出了模糊控制的方式，同时还建立了车距 车速比为一定值的控制规律。还有许多文献提出了用于车辆纵向或侧向避撞控制 的驾驶员模型和车辆模型。这些研究成果使我们在理论研究方面有了更多的支持， 为我们今后进一步的研究提供了宝贵的帮助。 1 3 电子稳定程序研究意义与现状 1 3 1 电子稳定程序研究意义 汽车稳定性控制的主要作用在于，当车辆失稳或临界失稳驾驶员已无法有效控 制车辆时，由稳定性控制系统做出及时有效的干预动作，使车辆快速恢复到稳定 状态同时保证驾驶员能够重新掌控汽车。如果车辆操控失稳，将会导致非常严重 的的交通事故。失控后车辆将不会按照驾驶员的原始意图行驶，车辆的行驶状态 将变得无法预测，此时驾驶员想避免事故已无能为力。 较成熟的a b s 或t c s l l 8 。1 9 】等普通安全系统在汽车的纵向控制上能够行之有 效，但是在汽车的侧向运动上无法进行有效地控制，因为a b s 和t c s 都只能通过 纵向力或力矩的控制，间接的提高车辆制动时的方向稳定性，对于侧向影响的控 制及其有限。所以在类似的制动转向工况下，为保证车辆不发生操纵失稳，十分 有必要在车辆中加入相应的主动干预措施，能够对车辆的侧向影响因素做出行之 有效的控制，使驾驶员能够可靠而有效地操控汽车，避免交通事故的发生。 因此，专家们在前两种主动安全控制系统的基础之上提出了汽车动力学稳定 性控制，旨在能够通过对车辆的实时监控，判断车辆失稳与否，及时调节车辆的 纵向制动力并改善车辆的操纵稳定性。 1 3 2 电子稳定程序研究现状 汽车稳定性的概念在上世纪9 0 年代初提出，德国著名的汽车制造商b m w 与 汽车零部件商b o s c h 公司在九十年代早期联合推出了两代d s c 【2 0 】( 动力学稳定 性控制) 系统，这两代d s c 都相对较为简单，在a b s t c s 基础上增加了方向盘 转角传感器，但是对于车辆的运行姿态并没有监控，车辆的横摆角速度并不是直 接从车辆运行状态中测量而是通过间接估算得到的，所以系统的可靠性并不是很 高。从1 9 9 5 年开始，有多家公司开始陆续提出自己的汽车稳定性控制的概念： b o s c h 提出v d c 【2 1 】( 车辆动力学控制) 的概念，丰田提出v s c f 2 2 l ( 车辆稳定性 控制) 概念，b e n z 提出了e s p l 2 3 j ( 电子稳定程序) 概念，到后来b m w 与b o s c h 基于稳定性控制的车辆主动避撞初期研究与仿真 两家公司再次联合推出了第三代d s c 【2 4 】。上述的控制系统都加入了横摆角速度传 感器和侧向加速度传感器用以准确监控车辆的行使姿态。 汽车电子稳定控制有：v s c ( 车辆稳定性控制) 、v d c ( 车辆动力学控制) 、 d s c ( 动力学稳定性控制) 、e s p ( 电子稳定程序) 、e s c ( 电子稳定控制) 等。这 些系统虽然名称和表述方式有所不同但是系统组成和功能基本上是一致的。所以 本文在后述中为简化描述统一称为e s p ( 电子稳定程序) 。多家大型汽车公司都在 其新车型中选装e s p ，有的甚至已将稳定性控制程序作为标准配置加入高档车型 中。可以预见的是，在未来车辆稳定性控制系统的运用将会越来越普及，而稳定 性控制系统的功能也将会越来越完善。 在稳定性控制的理论研究方面由相关文献看来【2 5 。2 7 】，国外学者做出了许多贡 献。其中大多数文献都是通过调整驱动力或力矩、施加制动力来改善车辆的稳定 性。控制方式主要有：方向盘转角控制、车轮差动制动控制【2 8 1 、发动机扭矩控制 1 2 9 1 、主动制动控制或者是联合控制。其中运用较为广泛的是采用汽车实际运行状 态与汽车理想运行状态的误差反馈对车轮进行差动制动或对发动机进行控制，从 而实现车辆横摆运动的调节并间接控制车辆的行驶轨迹和质心侧偏角。另外有学 者开始尝试运用现代控制理论进行e s p 的研究，并且取得了一些成果例如：l q r 控制【3 0 】、h 优化控制【3 l 】和最优控制等等。 国内方面，在此领域的研究还处于起步阶段，大多数还限于理论研究和仿真 阶段，一般进行的都是控制方法的仿真研究，目前吉林大学、上海交通大学等高 校的学者和中国重汽集团、上海汇众汽车制造公司等企业的研发人员都在进行这 方面的研究工作，有了一些研究成果【3 2 。5 1 。但是，相较于国外水平，国内自主的 e s p 系统还存在很大差距，形式十分严峻。 1 4 车辆主动避撞思想与系统组成概述 1 4 1 主动避撞控制思想简介 目前对于车辆道路行驶避撞的研究相对较少，且研究还基本上处于仿真阶段。 下面就几种常见的避撞控制思想作简单介绍。 1 基于几何规划的行驶路径控制方式 这种控制方式实际上是将道路边界条件结合全局数字地图来实现的。在地图上 需要事先标明行驶道路的分布状态、静态障碍物位置、道路边界等相关信息，然 后通过数学优化的方法从预计行驶轨迹中找到最理想的行驶路径，从而实现无碰 撞的驾驶过程。 b e c k e r 在其论文中提出了这种最优化算法1 3 6 】，他所建立的系统包含两大模块， 分别是理想路径生成器和车辆导航模块。首先系统由传感装置获取需要的车辆动 4 硕士学位论文 力学信息和车辆、路面几何信息等，然后再计算机上反复生成二维曲线作为“可 行路径”，这些二维曲线由一段或几段多义曲线组成，都是高阶的多项式曲线。接 下来利用车辆导航模块对每一可行路径进行检测，如果遇到曲线路径不正确( 发 生碰撞、接触) 则将这一段曲线重新计算或选取其他的可行路径补入，直到获得 完全无碰撞的路径为止。此方法路径选择可靠性高，但是限于算法和路径的筛选 复杂度，计算过程较长，实时性差，用于实际行驶车辆时对车辆行驶速度有很大 的限制。 2 碰撞可能特性场 图1 1 表示了一种典型的碰撞可能性特性场。x 、y 轴表示车辆的相对位置，z 轴表示碰撞可能发生的程度，障碍物和车辆在特性场中均被视作一个质点。可以 看到在坐标边界处，碰撞发生的可能性很高，这是因为车辆离道路边界很近，所 以碰撞危险程度较高。在坐标系中心处有一个隆起，结合障碍物的位置可以看出， 隆起的最高处就是障碍物的所在位置。这就表明离障碍物越近碰撞发生的可能性 就越高。 图1 1 典型特性场分析方式 特性场的建立很好地表述了障碍物和道路边界对车辆发生碰撞事故的影响程 度，符合一般情况下碰撞可能程度的实际。仿此还可以建立速度特性场、车辆性 能特性场等，例如行驶速度越高、车辆性能越差、驾驶环境越恶劣，碰撞发生可 能性也越高。但是相关特性场的建立依赖于大量的经验数据支持，并且特性场的 建立并不能够完全描述碰撞的可能程度。因为一次碰撞事故的出现可能是由非常 多的影响因素所造成的，而且特性场仅仅考虑了路、车两个重点，未将驾驶员的 作用纳入其中。所以应用范围较为有限，还有待于进一步的研究。 3 控制理论方法 控制理论方法是依据一定的控制原则和理论知识，借由人工或计算机分析后 基于稳定性控制的车辆主动避掩初期研究与仿真 得到所需要的操纵行为的过程。类似于：障碍物在车辆左侧，分析得到需要右转 避撞；障碍物在正前方，分析得到右转或左转均可等等。当然，实际的分析过程 和所需要考虑的条件远复杂于此。 在文献1 3 7 。3 8 1 中分别介绍了两种控制理论，一种是基于蟑螂逃跑行为的主动防 撞系统。它依据环境感知和人工神经网络来实现蟑螂逃跑路径的实时选择。另一 种是模糊控制理论，通过驾驶员动作、测量环境数据、和执行机构建立模糊特性 场，依据经验或实验数据调整控制参数和控制动作，合理地避免碰撞。另外在控 制理论方面还有虚拟减震器控制理论、自整定p i d 控制等方式，在此不一一赘述。 总而言之，随着相关理论知识和硬件技术的发展，主动避撞方面的控制方式 也日益丰富。更加完善全面的控制方式还在进一步的深入研究。 1 4 2 主动避撞控制系统结构 结合本文前面的稳定性控制，可以建立如图1 2 所示的整体系统。其中信息 处理、路面环境、车辆模型和主动避撞处理器联合构成了本节的主动避撞控制系 统。可看出，其中包含三大部分分别为：信息获取与处理、主动避撞处理决策、 控制动作执行。由此可得到如图1 3 所示的主动避撞的控制框架图。下面就主动避 撞控制系统中的三大部分作简要介绍。 一 盔 如 t t 掰i 倒f - 臣基困i 鬣n 向 审审审 广i 函广，吖d b 卜_ r 1 两 i d l 埘黻 l 由由由 图1 3 控制逻辑框架 车辆主动避撞系统需要采集的各种路面信息、驾驶员信息和车辆行驶状态信 息是由车载的多个高分辨率传感器来获取的。实现主动避撞功能需要实时的采集 路面和障碍物信息( 包括道路边界、障碍物距离、方位、相对速度等) ，这些信息 量可以通过车载雷达系统获得1 3 9 4 引。驾驶员动作直接反映在车辆动作上，所以在 信息采集时可以将驾驶员和车辆看作一体，车辆速度可由非驱动轮上的速度传感 器得到，方向盘转角、横摆角速度等信息量可加装传感器获得。另外车辆上的a b s 等系统也可以提供车辆速度、滑移率等一些信号。在本文中暂不考虑信息的获得 方法，认为所需要的信息量都已经过信息采集系统得到。 6 硕士学位论文 2 执行部件 对于具体的避让工况来说，主要有制动、转向两个执行动作，两个执行部分 必须是完全独立可控的。在后面的控制系统的设计时，需要得到控制的提前时间 量和具体控制动作的施加量，那么就必须对执行机构的特性进行一番了解。下面 分别就制动和转向机构的实现方式和相应特性进行阐述。 ( 1 ) 制动实现方式和响应特性 本文的制动是直接通过定值的制动力矩施加在车辆模型上的。整车虚拟样机 中，采用四轮盘式制动器结构。根据文献【4 1 】中对于汽车a b s 系统的动相应所做的 测试和分析可以粗略认为在采用机械式制动方式时，系统的响应滞后主要是由于 机械结构当中的运动附间隙和制动间隙所造成的；采用液压制动方式时，系统响 应滞后时间主要用于消除制动间隙和提升制动油压。参考文献【4 2 。4 3 1 可知传统液压 制动系统的响应滞后时间为0 1 0 2 秒。 ( 2 ) 转向实现方式和响应特性 在危险工况下，控制系统能够通过转向系统对前轮施加主动转向动作。参考 文献【4 4 1 ，主动转向可分为机械式和电子式，其中机械式前轮主动转向是通过行星 齿轮系结构增加一个自由度来实现附加转向的，宝马汽车公司的主动转向就是运 用的此种方式。另外线控转向技术属于电子式控制方式，通过检测车辆状态和驾 驶员转向输入角度来决定转向电机的电流大小从而控制前轮转角变化。转向响应 时间会因为控制方式和机械机构的不同而产生差异，但是基本上能够控制在o 1 之内。 3 避撞判断与控制决策 避撞判断一般是依据碰撞危险度来决定的，当控制器认为碰撞不会发生那么 不触发避撞控制，车辆行驶状态完全由驾驶员控制。当控制器判断车辆己进入碰 撞危险区域时将触发避撞控制。然后控制决策器依据具体的车辆状态、路面状态 和危险程度做出适当的避撞动作的选择并决定控制量的大小，最终通过执行机构 作用于车辆。为简化研究，本文在避撞判断和控制决策器建立时只考虑相对较为 简单的车辆直行避撞。具体的避撞判断方法和控制决策方式将在第三章中介绍。 1 5 车辆稳定性控制思想与系统组成概述 1 5 1 稳定性控制思想简介 电子稳定程序的控制思想就是通过车载的各种传感装置得到车辆行使过程中 的各个状态量，并将状态量与期望值相比较判定车辆的稳定性。在车辆进入非稳 定状态的第一时间对车辆施加主动干预措施( 具体措施见下文) ，避免车辆的失稳， 改善车辆的动力学稳定性。 基于稳定r 丰控制的车辆主动避撞初期研究与仿真 理想情况是：在任何情况下车辆的响应都能够符合预期响应。例如车辆的横 摆角速度和质心侧偏角能够与方向盘转角满足线性关系，这样驾驶员才能够准确 的控制车辆。所以，为了保证车辆的稳定行使并满足驾驶员的驾驶期望，在车辆 临界失稳时要主动干预，这就是稳定性控制产生的作用。 1 5 2 车辆稳定性控制系统结构 根据上述稳定性的控制思想，将实际车辆响应状态值与理想车辆模型响应的 参考状态值进行比较，它们之间的偏差来确定车辆稳定性的临界值。制动稳定性 的控制目标为：减小实际横摆角速度与目标值的差值；减少车辆偏离预期行驶车 道的距离并使之最终消除。建立的基于主动转向的稳定性控制结构如图1 4 所示， 其中s 。为车辆偏离预期行驶车道的距离，缉为实际横摆角速度。 耄耋角一 车辆模型 主动转 向系统 图1 4 主动转向系统结构图 另外，稳定性控制的效果直接受附加横摆力矩所影响。根据这一思想还可以 采用差动制动来控制车辆极限状态下的稳定性。经分析后得到如图所示的e s p 稳 定性控制系统结构图。先由传感装置得到车辆行驶状态量的实际值( 包括：横摆 角速度、质心侧偏角等) ，然后计算出理想车辆模型的响应值作为期望值，实际值 与期望值进行比较后，在图1 5 所示的e s p 控制器中先进行控制触发条件的判断， 再经由控制算法计算出所需要的附加横摆力矩。再将附加横摆力矩推算至单轮制 动的制动力矩，最终通过单轮制动来实现控制目的。 刀同鬣再ii 张愿i 角传感嚣ii 传砖羁l 昭t 恒匦匦蛩一 i 1 i 巴蹭h 捌动秉缓l _ ” 匕适浏：| 图1 5e s p 控制系统结构图 8 硕十学位论文 1 6 本章小结 论述了主动安全以及稳定性控制的研究意义与研究现状，介绍了主动避撞的控 制思想，并对主动避撞系统的基本结构和避撞执行机构的响应特性作了简单论述。 然后分别建立了主动转向系统结构和e s p 稳定性控制系统结构。控制系统结构的 建立为下面的控制器设计提供了依据。 9 摹于稳定性控制的车辆主动避掩初期研究与仿真 第2 章整车建模 建立一个正确可靠的整车数学模型是进行控制器设计以及验证控制器正确性 的必要前提。建立与实际车辆更为接近的整车虚拟样机模型则能够更好的反映控 制效果和车辆响应特性。所以本章首先将在合理的假设条件之下，基于牛顿力学 在m a t l a b s i m u l i n k 环境下建立起整车动力学数学模型。同时基于多体动力学理 论在a d a m s c a r 环境下建立了整车的虚拟样机模型。后种模型普遍被认为是目 前分析和研究复杂机械系统的最佳模型。对两种模型在指定工况条件下进行仿真 分析，借此加以相互验证两模型的正确性。 2 1 动力学建模方法简介 汽车动力学建模方式( 4 5 】主要有以下三种：人工建模、图形建模和计算机自动 建模。 人工建模是指用传统方式，例如试验、分析以及两者相结合的方法，通过人工 对整个系统进行动力学性能的数学描述( 列微分方程) ，然后采用相关的数学计算 方法将得到的微分方程离散为差分方程。然后再用高级语言或汇编语言转化为计 算机程序。随着汽车系统的日益复杂，研究分析过程中的各部件间相互作用也更 为复杂，具体分析和人工计算也变得越来越困难。所以人工建模在模型要求不高 时应用较为广泛。 图形建模是依赖于各种计算机专用的软件包，通过牛顿力学原理推导而出的。 相关的图形建模应用软件中使用最为广泛的是m a t l a b 。其中的多个工具箱分别 适用于不同的专业领域。本章前一部分的整车动力学建模采用m a t l a b s i m u l i n k 工具箱，它可用于完成整车动力学方面的图形建模，建模方式简单明了。另外， 其控制系统建模能力也很突出，并能够与汽车动力学系统很好的对接，实现