（车辆工程专业论文）汽车esp控制关键技术研究.pdf

摘要 汽车安全问题现在已经成为一个世界性的课题，车辆主动安全性能更是受到高度关注。本文 对车辆动力学及其控制问题进行了较为深入的探讨，对汽车e s p 控制技术进行了较为深入的研 究。对汽车a b s 、t c s 和e s p 技术的发展历史和应用现状进行了综述，对其存在的技术问题和 未来发展趋势进行了探讨。 应用多剐体动力学理论，完善了以车辆纵向动力学和操纵动力学为主的包括车辆底盘的纵向 运动、侧向运动和横摆运动、车身的侧倾运动和俯仰运动以及四个车轮绕各自转动轴的旋转运动 9 个自由度的汽车动力学系统方程；根据汽车动力学系统模型。应用完善了模糊控制与自适应控 制相结合的方法研究汽车e s p 的控制策略； 为检验设计e s p 控制器的性能，用d s p a c e 作为实车试验控制系统。设计了实车试验系统的 信号采集和驱动电路，完成了实车试验系统的硬件系统设计。 将e s p 控制程序下载到d s p a c e 控制系统中完成控制系统的软件系统设计。 进行了多种工况下的实车试验，试验结果表明，e s p 控制系统控制效果良好，明显提高了车 辆在危险工况下的操控稳定性，对提高车辆的主动安全性能具有重要的意义。 关键词：e s p ，模糊控制，自适应控制，实车试验 a b s t r a c t t h ev e h i c l es a f e t yi saw o r l d w i d er e s e a r c hi n t e r e s t , a n dt h ea c t i v es a f e t yi se s p e c i a l l y s u b j e c tt oa “g hd e g r e eo fc o n c e r n s t h i sd i s s e r t a t i o nc o n c e n t r a t e so na u t o m o t i v e d y n a m i c sa n dc o n t r o lt e c h n o l o g y , a n di n v e s t i g a t e sv e h i c l ee s pc o n t r o lt e c h n o l o g y b e s i d e s ， t h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o f v e h i c l ea b s ，t c s ，e s pi ss u m m a r i z e d ，a n dt h ec u r r e n t t e c h n i c a lp r o b l e m sa n dt h ed e v e l o p m e n tt r e n d sa r ed i s c u s s e d t h em u l t i - r i g i d - b o d yd y n a m i c st h e o r yi su s e dt oi m p r o v et h ee q u a t i o n so fm o t i o n w h i c hi su s e dt od e s c r i b et h ed y n a m i c so ft h ev e h i c l em o d e l t h em o d e lh a sn i n ed e g r e e s o ff r e e d o m , g i v i n gp r i o r i t yt ov e h i c l el o n g i t u d i n a ld y n a m i ca n dv e h i c l ch a n d l i n gd y n a m i c ， i n c l u d i n gl o n g i t u d i n a lm o t i o n , l a t e r a lm o t i o na n dy a wm o t i o no fv e h i c l ec h a s s i s , r o u m o t i o na n dp i t c hm o t i o no f b o d y , a n dr o t a t i o no f f o u rw h e e l s a n da c c o r d i n gt ot h ev e h i c l e d y n a m i c sm o d e l t h ee s pc o n t r o ls t r a t e g yi si m p r o v e db yt h em e a n so fc o m b i n i n gf u z z y c o n t r o l ，a n da d a p t i v ec o n t r 0 1 i no r d e rt op r o v et h ep e r f o r m a n c eo fd e s i g n e de s pc o n t r o l l e r s ，t h i sd i s s e r t a t i o n d e v e l o p e da ni n - v e h i c l et e s ts y s t e m ，w h e r ed s p a c ei su s e dt oc o n t r o lt e s t i n gp r o c e d u r e s a n dn e c e s s a r yc i r c u i t sf o rs i g n a la c q u i s i t i o na n da c t u a t o rd r i v ea r ed e s i g n e d t h es o f t w a r ed e s i g no ft h ec o n t r o ls y s t e mi sc o m p l e t e db yd o w n l o a d i n gt h ee s p c o n t r o l p r o g r a mi n t od s p a c e c o n t r o ls y s t e m i n - v e h i c l et e s t sa r ec o n d u c t e d i ti ss h o w nt h a tt h ec o n t r o ls y s t e mw o r k sw e l l ， o b v i o u s l yi m p r o v e sv e h i c l eb r a k i n gs t a b i l i t yu n d e rc r i t i c a ls i t u a t i o n s a n di t i sv e r y s i g n i f i c a t i v et oi m p r o v et h ev e h i c l ea c t i v es a f e t y k e y w o r d s ：e s p , f u z z yc o n t r o l , a d a p t i v ee o n t r o l ，i n - v e h i c l et e s t i h 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生签名：叶 1 a 时间：) 卯7 年多月谚日 时间：炒年多月日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名叶1 ) 8 导师签名： 中国农业大学硕十学位论文 第奇绪论 第一章绪论 1 1汽车主动安全性能研究的意义 近几年来，我国汽车工业取得了极其迅猛的发展，2 0 0 6 年我国汽车产销量继续快速增长，全 年生产汽车7 2 7 9 7 万辆，销售汽车7 2 1 6 0 万辆，同比增长刀3 2 和2 5 1 3 。在汽车产量方面， 我国已经超过德国成为仅次于美国和日本的世界第三大汽车生产国；在汽车销量方面，我国取代 日本。一跃成为世界第二大汽车市场。在国民经济继续保持快速增长的态势下。2 0 0 7 年中国汽车 工业仍将稳步上升。在汽车产量大幅增加的同时，我国汽车结构也不断优化。据国家统计局统计， 我国轿车在汽车中的比重正在不断提高，2 0 0 5 年为4 8 4 9 ，2 0 0 6 年则达到了5 3 1 5 ，在总量中的 比重已经过半。 随着社会生产和经济水平的不断发展，我国的汽车需求量也在不断增长，2 0 0 7 年我国汽车需 求量将超8 0 0 万辆，2 0 t 0 年将达至1 0 0 0 万辆的规模，2 0 0 6 年到2 0 1 0 年平均增长率达1 2 。同时， 我国的汽车千人保有量也迅速增加，从1 9 9 1 年的5 2 辆发展到2 0 0 5 年的2 4 辆，这一增长速度在世界 其他国家是绝无仅有的 随全国千人汽车保有量的大幅上升，高速公路、高等级公路的不断建设，汽车正逐渐进入家 庭，成为人们日常生活中不可缺少的一部分。但是驾驶员非职业化、车流密集化和车辆高速化， 使交通安全问题也随之日益突出。现在，交通安全问题已成为世界性的社会问题，并引起了各国 的高度重视。全世界道路交通事故死亡人数每年大约为6 0 万人，仅次于地震、台风、瘟疫，列第 四位。我国道路交通安全问题更为突出，道路交通事故死亡人数连续1 5 年居世界首位，近几年每 年交通事故死亡人数已经接近1 0 万人。同年美国、俄罗斯的死亡人数分别只有4 万人和2 6 万人， 而我国的汽车保有量只有美国的1 1 0 ，可见我国的道路交通安全问题的严重程度。有关数据表 明2 ：0 0 1 6 年我国交通事故死亡人数已达l o 万人，占意外事故死亡人数的8 0 。我国的汽车保有量仅占 世界汽车保有量的2 1 ，而交通事故死亡率却占世界交通事故死亡率的1 4 。成为世界上交通事 故最严重的国家l l j 。 来自德国联合保险协会和b o s c h 公司的研究数据表明：2 5 造成严重伤害的交通事故和6 0 引起死亡的交通事故都是由于车辆侧滑所致。所以对汽车操控稳定性和制动稳定性进行全面的 理论和试验研究，提高汽车的主动安全性，具有积极的社会效益和明显的经济效益，利用电子控 制技术来提高汽车操控稳定性和制动稳定性并扩展其功能已受到广泛重视。防抱死制动系统 a b s ( a n t i - l o c k i n gb r a k i n gs y s t e m ) 在轿车上已成为一种标准装备，一些新的电子控制系统也在不 断推出，如弯道制动控制c b c ( c o r n e r i n gb r a k i n gc o n t r 0 1 ) 电子制动力分配e b d ( e l e c t r o n i c b r a k i n gf o r c ed i s t h b u t i o n ) 、制动辅助系统b a s ( b r a k i n ga s s i s t a n ts y s t e m ) 、电控制动系统e b s ( e l e c t r o n i cb r a k i n gs y s t e m ) 、驱动防滑控制系统a s r ( a n t i s l i pr e g u l a t i o ns y s t e m ) 、牵引力控制 系统t c s ( t r a c t i o nc o n t r o ls y s t e m ) 以及电子稳定程序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 ) 等，这些 新的电子控制装备的使用，大大提高了汽车的主动安全性。 在过去的几年中，许多著名的汽车制造商和研究机构都对e s p 的有效性进行了科学研究， 中国农业大学硕卜学位论文 第一章绪论 t o y o t a 、d a i m l e rc h r y s l e r 和美国政府机构n h t s a ( 国家高速公路交通安全局) 所进行的研究都得 出了同样的结论：e s p 能挽救生命，它能有效的减少车辆制动时与行驶时产生的侧滑所导致的交 通事故。e s p 的广泛应用可以减少8 0 由侧滑所引起的交通事故在德国。已有超过7 0 的新注 册车辆都配备了e s p 。来自b o s c h 的研究表明，就整个欧洲而言，2 0 0 5 年大约4 ( p o 的新注册车辆 配备了e s p 。在高档车上，e s p 已经成为标准配置，在中档车上盼装配率也迅速提高，在紧凑型 车上装配率稍低。在美国和日本，e s p 的装配率也迅速提高。然而在我国。e s p 的装配率还比较 低，目前，仅在高档豪华车上才比较常见。 因为车辆动力学系统是非常复杂的非线性系统，车辆控制过程中存在着许多不确定因素，回 时对各种信号采集过程中也存在着较大测量误差，这给车辆控制带来很大困难。对于这种干扰和 误差很大，非线性程度很强的动力学系统，经典控制理论中还没有很好的可以普遍适用的方法， 多是根据具体问题的特点进行合理的简化。选择相对合适的方法。e s p 技术是通过长期试验、调 试才得以不断成熟的。而且，其实际控制算法作为商业机密是不公开的 本课题将对e s p 控制器的设计、信号的采集与处理电路和驱动电路等e s p 控制关键技术进 行深入研究，以期得到某些进展 1 2 汽车安全性能研究的历史和现状介绍 1 2 1 a b s 技术的历史和现状1 2 i 1 3 1 防抱死制动系统的英文名称：是a , n f i - l o c kb r a k i n gs y s t e m ( 防锁死制动系统) - 或c , a n t i - s k i db r a k i n g s y s t e m ( 防滑移制动系统) ，缩写为a b s 。 汽车防抱死系统( a b s ) 的开发可以追溯到上世纪初期，早在1 9 2 8 年防抱死制动理论就被提 出，在3 0 年代机械式防抱死制动系统开始在飞机上获得应用。由于飞机降落时对制动的方向稳定 性要求高，而a b s 的价格占飞机总价格比例较小，机场的场面条件简单，尾部导轮可以精确测量 机速，从而可获得正确的滑移率，实现精确控制等一系列有利条件，使a b s 在飞机上的应用取得 成功，普及率很快上升。 从5 0 年代中后期到1 9 6 0 年，g o o dy e a r 公司和h y d r oa i r e 公司分别开发出各自特点的a b s 装 置。这种装置不是象开关一样，把液压控制在0 或最大，而是根据车轮的减速情况，阶段性地控 制液压。并采用了初期的电子计算机，使a b s 的性能得到了很大的改善。目前，北美规定所有的 民航飞机都必须安装a b s t 4 1 9 5 4 年美国f 0 r d 汽车公司首次把法国生产的民航机用a b s 应用在林肯牌轿车上。这次试装虽 然以失败而告终，但揭开了车用a b s 的序幕h 】。同一时期，k e l s e y h a y e s 公司与h y d r o a i r e 公司联 合生产货车用a b s 。1 9 5 7 年，f o r d i 气车公司与k l s c yh a y e s 公司联合开发a b s ，1 9 6 8 年达到了预期 的目标。 1 9 5 8 年d u n l o p 公司开发出了用于载货汽车的m a x a r e ta b s 。它是由飞机用a b s 派生出来的， 2 中同农业大学硕 学位论文第一章绪论 也就是现在所说的二通道低选、四轮控制通断式a b s 。前轮采用机械式速度传感器、后轮采用电 磁式速度传感器 1 9 6 0 年上半年，h a n yf e r g u s o nr e s e a r c h 公司把m a x a r e ta b s 组合成四轮控制式，安装在试验 车上。并于1 9 6 5 年向英国杰森汽车公司( j e n s e n ) 提供了f e 瑁制造的四轮控制a b s 样机。1 9 6 5 年，h a n yf c r g u s o n 公司把四轮控制a b s 装在1 9 6 5 年研制的野马v 一8 型车上，并在底特律举行了 试车仪式，试坐的技术人员无不为之性能而惊叹。同一时期，美国政府倡导在国产轿车、载货车 上安装a b s ，鼓励开发a b s 。之后，k e l s e yh a y e s 公司、b e n d i x 公司开始开发研制，t r w 公司也 对开发a b s 表现出浓厚的兴趣 7 1 。 1 9 7 1 年，瑞典国家交通安全组织敦促所有的机动车辆的制动系统都应设计成能充分利用车轮 和路面间的附着能力，而不应该有车轮抱死现象发生。瑞典政府的这一要求，使得欧洲汽车界大 为振奋，纷纷投入人力、物力、财力进行制动防抱装置的研究，由此引来了制动防抱死技术的第 一次大发展。与此同时其他国家政府交通管理部门制定的关于制动系统的法规，都在一定程度上 推动t a b s 技术与应用的发展p 】。 随着汽车和电子科技的发展，欧洲随后研制成由数字计算机与电磁阀调制器组成的较为现代 型的a b s 。数字计算机不易受干扰，速度快，可以把降低增加制动液压循环的次数增加到每秒十 余次。用以调节制动液压电磁阀的开启。关闭时间只需要千分之十余秒。其速度完全可以与数字 计算机处理数据的速度相匹配。这种较为现代1 0 a b s 的体积小、质量轻、动作更快、更准确 b o s c h 公司在1 9 7 8 年率先推出了采用数字式电子控制装置的a b s - - b o s c h - a b s 2 ，并且 装备在奔驰车上，由此揭开了现代a b s 发展的序幕。瓦布科( w a b c o ) 公司和奔驰公司合作于1 9 8 1 年推出了用于大客车和载货汽车用的气压式现代a b s 。b o s c h 公司在1 9 8 3 年推出了在 b o s c h - a b s 2 基础上改进的b o s c h - a b s 2 s 型a b s 。b o s c h - a b s 2 s 更适合于批量生产，而且质 量也比b o s c h - a b s 2 d 、 坦威斯( t e v e s ) 公司于1 9 8 4 年首次推出了整体式a b s 一坦威斯m k i i ，该系统将防抱死 制动压力调节装置与制动主缸和液压制动助力器组合为一个整体，而在该系统出现以前，所有的 a b s 都是将制动压力调节装置作为一个单独的整体，附加在常规的制动系统中，即采用的都是分 离式结构。坦威斯在1 9 8 5 年首先被装备在福特公司生产的林肯马克型轿车上 白8 0 年代中期以来，a b s 向着提高效能降低成本比的方向发展。b o s c h 公司在1 9 8 5 年对其 a b s 2 s 进行了结构简化和系统优化，推出了经济型的a b s _ b o s c h a b s 2 e 。德尔科( d e l c o ) 公司也于1 9 9 1 年推出了更为经济的四轮防抱死制动系统德尔科a b s v i 。该系统主要用于美国 通用公司( g m ) 1 9 9 1 年后制造的汽车。 据报道，1 9 8 5 年联邦德国已有7 0 的大客车和4 0 重型货车安装a b s ( 当年新产品) 。大众 公司从1 9 8 6 年1 0 月起，在全部轻型货车的后轴上安装了单通道a b s 。 进入9 0 年代，a b s 发展愈来愈快，欧洲、美国和日本等地区均在高速开发a b s 技术。到1 9 9 5 年。轿车中装备a b s 的比例，美国、德国、日本分别达5 5 、5 0 与3 5 ；货车中装备a b s 的比 例分别为5 0 0 、5 0 与4 5 。目前各国已有3 0 0 多种汽车装备有a b s ，如德国的奔驰，宝马，雅迪， 保时捷，欧宝等车系；英国的劳斯莱斯，路华，宾利等车系；意大利的法拉利，的爱快，领先。 快意等车系；瑞典的沃尔沃，绅宝等车系：法国的波尔舍车系；美国的福特t x 3 ，3 0 x ，红彗星 克莱斯勒的帝王，纽约的豪客，男爵，道奇，顺风等车系；日本的思域，凌志，本田，奔月，俊 3 中国农业大学硕十学位论文 第一章绪论 朗，淑女3 0 0 z 等车系均采用a b s 。 如今，a b s 在发达国家的应用相当普遍，已经成为许多轿车、卡车和运输危险品的货车、半 挂拖车的标准配置。 尽管a b s 技术已比较成熟，如在直道的各种高、低附着路面上，对开路面上、对接路面上， 在制动的方向稳定性、有限度的缩短制动距离和优化踏板感觉方面均表现出优良的性能，但是在 弯道上紧急制动时的控制效果还不是很理想，还需要进一步提高 目前我国a b s 产品技术的研发，着重以电子控制装置软件系统关键技术的研发为主要研究目 标，尤其是致力于a b s 控制器的开发，使得a b s 的控制性能和国# b a b s 产品性能相当。 根据a b s 的控制原理，a b s 的控制日标是将车轮纵向滑移率控制在对应峰值纵向附着系数的 最佳滑移率附近。实际的a b s 系统，a b s 控制中较为关键的车轮滑移率参量不能直接获得，需要 根据所采集的轮速信号通过一定的算法近似得到；其次，由于实际的轮胎附着系数曲线受道路状 况等因素的影响很大，最佳滑移率随着道路状况的不l 可而有很大差别，由于不阿车辆轮胎一路面 系统动力学特性的不同，a b s 系统控制策略也不尽相厨，故路面识别是a b s 控制中的另一项关键 技术；此外，在制动过程中，当车轮滑移率进入不稳定区域，车轮便会迅速抱死，这就要求控制 a b s 的e c u 能及时判断车轮的运动状态，并实时加以控制；再加上汽车制动系统是安全部件，a b s 控制系统必须具有很高的可靠性；可见，性能好、响应快，可靠性高的控制方法及其控制软件的 开发也是_ a b s 控制系统的关键技术。汽车制动防抱系统e c u 软件系统存在的主要关键技术有以下 几方面 9 1 ： ( 1 ) 基于轮速信号的车身速度估计算法： ( 2 ) 路面状况的准确实时识别； ( 3 ) a b s 的控制方法； ( 4 ) a b s 控制软件的开发。 关于参考车速的确定方法，国外各个a b s 厂家有各自的方法，现在a b s 产品所应用的基本上 都是依靠大量的试验来分析车身在不同制动工况下的减速度，从而在汽车制动防抱调节过程中， 通过所估计的车身参考减速度和采集的车轮转速信号来估计车身速度，显然这种方法具有很大的 局限性。缺乏坚实的理论基础，使得a b s 控制效果很难得到较大幅度的提高，也很难从理论上来 分析a b s 的控制性能。为此，国内外学者对于基于轮速信号的车身速度估计算法进行了深入研究 在文献 1 0 】中，b o w m a a 和l a w 系统的讨论了参考车速确定方法这一关键问题，并提出了两种 解决车速测量问题的方案，其一是直接测量和计算，需要在四个轮毂处加装加速度传感器。或者 在车辆质心位置处加装两个加速度传感器，加装一个横摆陀螺仪和一个转向轮转角传感器；其二 是采用非线性状态估计的办法来估计车身速度；无论是哪一种方案都不具有较强的实用性。 文献 h i 提出一种基于模糊逻辑和卡尔曼滤波估计的方法。需要用到的信息包括车轮转速信 号，以及车身加速度信号，并假设车身加速度的导数为白噪声试验证明这一方法无论在制动工 况还是在驱动工况下，都可以获得车身速度的准确估计，但其需要加装车身加速度传感器，增加 了成本，并且需要进一步的试验验证 文献 1 2 q a ，提出一种基于扩展卡尔曼滤波估计车身速度和车轮纵向力的方法。估计器是基 于五自由度的车辆模型设计的，并在m a t l a b s i m u l i n k 环境下采用九自由度的非线性车辆轮胎模 型对其进行了仿真，仿真结果显示采用实时滤波方法可以为a b s 反馈控制系统提供较为准确的状 4 中国农业大学硕十学位论文 第一章绪论 态估计。但是由于此方法只是建立在仿真的基础上，算法的准确性很大程度上取决于车辆模型同 实际汽车的接近程度，因此将其应用到实际的a b s 控制系统中还需要做大量的工作。 关于比较实用的a b s 系统路面识别技术尚未见文献报道。对于路面状况识别技术，近年来。 国i 勾# l - 学者对其作了大量的研究工作总的来说主要是通过加装特殊传感器以及基于轮胎与路面 之间的摩擦力估计1 1 3 q $ 来进行路面状况的识别。此外，通过加装一些特殊的传感器，比如噪声传 感器、轮胎应力应变传感器、光学传感器等，可以实现路面状况的准确识别，但是这些传感器价 格昂贵，应用到实际的a b s 中不太现实 汽车制动防抱系统的控制方法是非常关键的一个环节，由于车辆系统本身的复杂性、实际制 动工况的不确定性、控制系统的实时性要求等因素的影响，目前国际上普遍采用的仍是逻辑门限 值控制方法【“”。逻辑门限值控制方法由于不涉及系统具体的数学模型，对于非线性系统的控制 应用较为简单，但控制系统的各种门限值及其它参数都是经反复试验得出的经验数值，而无充分 的理论根据，对系统的稳定性等品质无法评价。 ； 随着现代控常理论和人工智能等学科的快速发展。近年来许多学者试图将模糊控制理论、神 经网络、自适应控制理论等先进控制技术应用到汽车制动防抱系统中i 2 0 - 3 e ，这些理论研究具有很 高的实际参考价值。 1 2 2 t c s 技术的历史和现状 a b s 解决了紧急制动时的附着系数利用问题，并可获得较好的制动方向稳定性及较短的制动 距离，然而它不能保证其他工况下车辆的操控稳定性。比如车辆在起步或急加速时，驱动轮也有 可能打滑，在冰雪等光滑路面上还会使方向失控而出危险，t c s 就是针对此问题而设计的 t c s 的发展是伴随着a b s 的产品化发展起来的，上世纪年代，借助于电子控制技术的进 步，a b s 的反应更为灵敏、成本更低、安装更方便、维修更容易、价格也更易被中小型家用轿车 所接受，市场占有率迅速上升。随着a b s 产品的成功应用大大消除了人们对于车辆电子控制系 统的不信任感，这在客观上为t c s 的发展仓造了条件。 1 9 8 5 年，瑞典的v o l o v 汽车公司首先研制出具备发动机输出转矩控制功能的t c s 。1 9 8 6 年。德国b o s c h 公司第一次将制动防抱死系统a b s 技术与牵引力控制系统t c s 技术相结合， 推出了a b s f r c s2 u 装置，并应用在奔驰s 级轿车上。并取得了良好的控制效果。1 9 8 7 年，b o s c h 公司在原有a b s t c s 的基础上开始大批量生产两种不同行驶的汽车牵引力系统，一种是完全通 过发动机输出扭矩控制的a b s t c s ，可保持车辆的方向稳定性；另一种是驱动轮制动力调节与发 动机扭矩输出调节综合控制的a b s t c s ，即可保证方向稳定性，又可改善牵引力控制性能。此后， 各大汽车公司纷纷仿效。同年九月，日本t o y o t a 公司在其生产的c r o w n 轿车上安装了t c s 系统。 后来又在i , e x u sl s 4 0 0 轿车上进一步发展了这一技术，通过对节气门控制方式和制动控制方式进 行改进，使得轿车在低附着的路面上获得更好的加速性能，特别是当轿车行驶在附着性能不同的 路面上时，该系统能够独立调节左右车轮的制动压力。保证了车辆的方向稳定性和牵引性。1 9 8 7 年，宝马公司把a b s t c s 系统安装在b m w 7 系列豪华车上，该系列车型在美国市场上以其优越 的牵引力控制性能使得a b s t c s 系统开始被人们接受。由于效果突出，宝马公司在1 9 9 0 年开始 5 中国农业大学硕卜学位论文第一章绪论 将a b s f r c s 系统作为标准装备安装在所有销往美国市场的轿车上。1 9 8 9 年，德国a u d i 公司首次 将a b s t c s 系统装备在前轮驱动的a u d i - a 6 轿车上。在接下来的七到八年的时间中，a b s t c s 系统被越来越多的人们接受，到1 9 9 7 年时，已经有2 3 家汽车厂商的近5 0 种车型使用了a b s t c s 系统，并且许多厂家开始削减四轮驱动车型号，而改为发展a b s r c s 系统口1 一州。 9 0 年代中期，机械制造技术和电子技术的不断发展。a b s r c s 开始走向广大的中、低挡 轿车市场，赋予了其新的活力。1 9 9 3 年，b o s c h 公司开发出了新一代a b s t c s 5 系统，它的电 控单元采用了多层微混电路，体积大大减小，可以安装在发动机舱内而不受其振动和剧烈温度变 化的影响，有利于降低成本和提高可靠性，电磁阀采用了新型的两位两通高速开关阕，其结构更 加紧凑，使得体积和重量大大减轻，质量从a b s t c s2 u 的6 2 k g 减轻到a b s t c s5 0 的3 8 k g 。 进入2 1 世纪，先进的微型混合工艺的运用使得b o s c h5 3 5 7 这两代系统在性能丝毫不受影响 的同时体积更小，重量更轻，性价比更高，质量只有2 5 k g ：2 0 0 4 年美国c o n t i n e n t a lt e v e s 公司 新推出的经济型轿车用m k 7 0 系列产品仅有1 - 6 k g 。由于现代a b s 系统均采用了模块化的设计， t c s 功能可作为一个选装模块，根据需要增减t c s 功能，产品很好的适应了市场的需求，得到 了广泛的应用1 3 s 3 ”。 9 0 年代初期，汽车研究人员和汽车工程师们就开始对a b s t c s 系统的功能进行完善和强化 出现了许多具有发展前途的新的牵引力控制系统。如防滑差速器a s d ( a r i a - - s l i pd i f f e r e n t i a l ) ， 限滑差速装置l s d ( l i m i t e d - s l i pd i f f e r e n t i a l s ) 等等。这些差速器锁止系统在对开路面上对车辆 牵引力进行控制，取得了较好的效果。丰田公司开发出一种新型牵引力控制系统，它仅通过对发 动机输出转矩进行控制，而不涉及制动干预，控制效果几乎与后者相同，而成本却大大降低| 3 9 - 4 1 】。 与此同时，由于传统的逻辑门限值等控制方法无法满足现代汽车电子控制系统快速性、准确性和 稳定性的要求，汽车研究人员和汽车工程师们开始研究新的应用于a b s 和t c s 控制系统的控制 方法，逐步将许多现代控制理论应用于汽车防滑控制中。为增强汽车在各种不同路面上行驶的稳 定性，滑模变结构控制以及模糊控制开始得到应用。滑模变结构控制以其良好的鲁棒性和很强的 非线性特性使得该方法开始取代逻辑门限值控制方法而成为目前应用最广泛的一种控制方法，该 方法与系统的参数和扰动无关，大大降低了对系统精确模型的依赖程度，具有很强的鲁棒性，从 根本上克服了传统逻辑门限值控制方法的对系统稳定品质无法评估的缺点，显示出了极强的发展 势头旧一州。模糊神经网络控制方法可提高a b s 和t c s 系统的自适应能力，使得车轮的最佳滑转 率能随着不同路面和不同车速和车辆参数变化1 4 5 4 l 】。 基于成熟的a b s r c s 集成系统，发展出许多升级产品和新的电子控制技术。1 9 9 4 年b o s c h 公司开发出新的主动安全系统e s p ，在原有a b s t c s 功能的基础上，增加了转向行驶的控制功 能，能对车辆进行校正操作以保证车辆在横向动力学临界状态下的行驶稳定性。大大提高了汽车 的主动安全性。 1 2 3 e s p 技术的历史和现状3 i 2 0 世纪9 0 年代国外开始应用e s p 技术对车辆进行控制，早期德国称之为v d c ( v e h i c l e d y l k l m i g sc o n t r 0 1 ) ，日本称之为v s c1 4 9 1 。 6 中国农业大学硕十学位论文第一章绪论 1 9 9 2 年通用公司的m c l e l l a n 等人指出了a b s 、t c s 的不足和局限性，即不能实现车身运动状 态的主动控制，提出基于a b s 和t c s 系统实现车辆运动控制的思想，利用车辆运动状态参数和驾 驶员的控制目标的差别作为反馈，对车轮进行滑转控制，从而实现车辆的动态控制跏，这就是早 期的e s p 的控制思想。 1 9 9 4 年，b o s c h 公司首先开发了e s p 系统，从而实现了汽车运动状态的动态控制。此后美国 的d e l p h i 公司、德国的c o n t i n e n t a l t e v e s 公司等先后开发了此类系统，但是由于产品造价的问题， 这一系统只是装备在高级轿车上。 1 9 9 5 年，b o s c h 公司的等人完善了上述思想，提出了实用的被称为b 模型的控制方法 j ，并与奔驰公司合作开发出基于a b s t c s 系统的电子稳定程序( e s p ) 系统，并投入批量生产。 将其安装于奔驰s 6 0 0 等a 级轿车上，使车辆的主动安全性能得到很大程度的提升。1 9 9 5 年至2 0 0 2 年底，b o s c h 公司生产的e s p 已达到8 0 0 万只 1 9 9 6 年k o i b u c h i 和y a m a o t o 等提出v s c 控制【5 2 1 ，并通过仿真和试验证实了其控制效果。在极 限工况下通过对每个车轮进行纵向制动力的主动控制，利用左右车轮制动力之差形成的横摆力矩 来纠正车辆的行驶方向，从而使车辆行驶方向更接近于驾驶者的意图；利用总制动力来控制车辆 的减速度，从而获得良好的制动效果 1 9 9 7 年b o s c h 公司h e r b e r ts c h r a m m 等人进一步对商用车的e s p 进行了深入研究并取得了一 定的成果。 t e v e s 公司的e s pi i 首次结合了主动转向控制。不仅提高了操纵安全性而且增加了驾驶舒适 性和乐趣。该系统使得车辆在极限条件下更容易控制【5 3 】文献【5 4 】给出了e s p 与发动机、自动变 速器等其它电控单元的综合控制。文献 5 5 1 给出了e s p 与主动转向和主动悬架的综合控制。 目前。欧美国家几乎所有的高档轿车和中档轿都已安装或正在安装e s p 系统，美国国家公路 交通安全局发布规定，所有汽车必须在2 0 1 1 年9 月以前配备电子稳定控制装置。2 0 0 0 年底。北美 汽车市场的普通型汽车已开始逐步安装e s p ，预计到2 0 0 8 年，9 0 的轻型车和6 5 的轿车将配置 e s p 州。在欧盟，2 9 新注册的车辆都装备有e s p 。到目前为止，b o s c h 已经生产了超过1 0 0 0 万 个这样的制动控制系统。 2 0 0 3 年国产第4 代高尔夫首先推出a b s 制动系统以及电子制动力分配系统( e b v ) 、电子稳 定程序( e s p ) 2 0 0 4 年德国生产的新轿车中有5 0 以上装备了e s p ，法国生产的新轿车有2 0 装备了e s p 。 在美国和日本，装备e s p 的比例为1 0 。b o s c h 公司的e s p 防止翻车事故的功能推动美国装备e s p 的快速增长，美国对s u v 翻车事故的关注在不断增强。 2 0 0 4 年，b o s c h 公司在中国苏州的独资厂开始生产为神龙富康j 二海大众gol 配套的a b s5 3 系统。2 0 0 5 年开始生产新一代的a b s8 和e s p8 制动系统，年生产能力为5 0 万份，用在国产标致3 0 7 轿车上p 1 。2 0 0 4 款宝来1 8 t 全系列装6 e s p 电子稳定程序，包含了a b s 、a s p 、e b d 等功能，豪 华型还增加g r a 定速巡航系统 上述可知，不同于a b s 、e b d ，e s p ( v d c ) 、v s c 等是主动的车身控制技术，属于主动安 全装置。它们名称不同，但控制思想基本接近。区别在于其作用范围和控制方法，就紧急制动而 言，控制目标均为制动效能和制动稳定性，它们并无差别。 e s p 还包括了驱动控制，b o s c h 公司的e s p8 系统的微处理器能够每秒2 5 次监测来自传感器 7 中国农业大学硕十学位论文第一章绪论 的信号，并且比较驾驶者的意图是否与车辆行进方向一致，从而通过调节发动机功率、左右车轮 制动力之差和总制动力，来控制车身运动，使汽车行驶状态尽可能地接近驾驶者的行车意图“l 。 a b s e b d e s p 的集成化是汽车电子控制系统的发展方向它有助于降低成本，增强各系统间的内 在联系，充分利用各种车辆信息，提高系统的稳定性和可靠性，从而提高车辆的操控性能和安全 性能。 1 3 本文研究的主要内容 根据上述国、内外汽车制动性能和控制技术研究的现状，结合现有条件，在一些可以获得的 研究成果的基础上，本文将主要围绕e s p 的控制策略和技术展开理论研究工作，并通过实车试验 对得出的理论进行验证。 围绕上述研究工作进行的主要具体工作如下： 1 ) 应用多刚体动力学理论，完善以车辆纵向动力学和操纵动力学为主的包括车辆底盘的纵 向运动、侧向运动和横摆运动、车身的侧倾运动和俯仰运动以及四个车轮绕各自转动轴的旋转运 动9 个自由度的汽车动力学系统方程； 2 ) 根据以上的汽车动力学系统模型，应用完善模糊控制与自适应控制相结合的方法研究e s p 的控制策略； 3 ) 设计开发基于d s p a c e 的e s p 控制系统的实车性能试验硬件系统，主要包括信号采集与处 理电路和驱动电路，以上电路不仅适用于d s p a c e 系统，同时也适用于以单片机作为控制器的系 统； 4 ) 对基于d s p a c e 的e s p 控制系统进行实车试验，从而完成对控制策略和硬件系统性能的验 证。 1 4 本章小结 论述了汽车制动性能研究的意义，综述了a b s 技术发展历史和应用现状，对a b s 存在的技 术问题进行了探讨，评述了a b s 的在控制方法上未来的发展趋势，认为a b s 与其它汽车电子控制 系统的集成是a b s 发展的一个重要方向。 论述了t c s 技术发展历史和应用现状，t c s 的发展是伴随着a b s 的产品化发展起来的，它在 很大程度上弥补了a b s 的不足。改善了牵引力控制性能，保证了车辆的方向稳定性，并发展出许多 升级产品和新的电子控制技术，e s p 便是其中之一。 综述了e s p 技术发展历史和应用现状，评述了前人有关e s p 技术的研究成果，不同于a b s 、 e b d ，e s p 是主动的车身控制技术研究认为在制动控制方面，e s p 的控制目标为制动效能和制 动稳定性。e s p 制动控制不同于驱动控制和巡航控制，制动控制过程往往是在极限附着条件下进 行的，因此，其控制域有限，作用时间短，要求其控制算法具有响应快、准确性高和适应性强等 控制性能。 最后，对本文的主要研究内容、研究方法和步骤进行了介绍。 s 中国农业大学硕十学位论文第二章汽车制动动力学系统模型的建屯 第二章车辆动力学系统模型的建立 2 1 车辆动力学系统 车辆动力学是研究所有与车辆系统运动有关的科学，车辆动力学系统是一个非常复杂的非线 性动力学系统，一般可分为行驶动力学、操纵动力学和纵向动力学三个方面。其中，行驶动力学 主要用于与平顺性有关的、车辆垂向运动动力学问题的研究；操纵动力学主要用于车辆的操纵特 性，与车辆侧向运动有关的动力学问题的研究；纵向动力学主要用于车辆纵向运动及其控制问题 的研究。纵向动力学又可分为驱动动力学和制动动力学。制动动力学用于车辆的制动性能、运动 分析、车轮制动力控制和制动稳定性等问题的研究。在车辆动力学问题的研究中，以上几个方面 又是相互联系，密不可分的。 2 2 车辆整车动力学方程嘲 2 2 1 车辆坐标系和参数描述 根据控制问题研究的需要，建立了如图2 - 2 1 唧所示的车辆系统动力学模型。o , - x , y | z i 为地 面坐标系，设为参考基g ；o x o y a z a 为车辆底盘坐标系，设为参考基a ；o x e y 蜢b 为车身坐标系， 设为参考基丑。车辆车身坐标系与车辆底盘坐标系的坐标原点为。点，即为过车辆质心的车辆横 截面内的车身横摆中心。过o 点的水平面与车辆纵向对称面交线为如轴( 忽略质心的横向偏移) ， 前进方向为正；同一水平面与车辆横截面交线为轴，以车辆左侧方向为正；过。点垂直向上 为毛轴。车身坐标系坐标轴方向在车辆静止时与车辆底盘坐标轴一致。簧载质量的质心为c 点， 地面坐标系以车辆静止时簧载质量质心c 在地面上的投影点为原点q ，坐标轴方向与车辆底盘 坐标轴相同p ”“。 图2 2 1 车辆系统动力学模型 9 中国农业大学硕卜学位论文第二章汽车制动动力学系统模型的建屯 根据建立车辆动力学模型的需要，对车辆系统作如下简化： 1 ) 假设整车由车身和前、后桥非簧载质量三个刚体组成，这三个刚体之间通过悬架连接， 前、后桥非簧载质量构成车辆底盘； 2 ) 将悬架简化为仅有竖直方向作用的等效弹簧和减震器，认为底盘和车身之间只有侧倾和 俯仰两个方向的相对转动； 3 ) 设路面为平坦的二维路面，对车轮无垂直方向的冲击载荷，并忽略车轮在车身动载下的 垂直运动： 4 ) 忽略转向系的影响； 5 ) 忽略车辆轮胎的