（车辆工程专业论文）基于驾驶员模型的汽车侧向稳定性控制研究.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 本文围绕基于驾驶员模型的汽车侧向稳定性控制研究这一主题，对整车动力 学模型的建立、汽车侧向稳定性控制系统的设计、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。 首先建立了整车动力学模型。选择适合操纵稳定性仿真的“魔术公式”轮胎模 型，针对车辆操纵稳定性研究的需要对车辆系统进行适当假设与简化，运用仿真 软件m a t a l b i s i m u l i n k 建立了四轮车辆动力学模型，并迸行初步仿真验证。 选择对车辆侧向稳定性有重要影响的车辆横摆角速度、质心侧偏角为控制变 量，对车辆侧向稳定性控制进行研究。运用模糊智能控制方法，分别建立了车辆 侧囱稳定性横摆角速度模糊控制系统和质心侧偏角模糊控制系统。比较两种控制 系统在不同的质心侧偏角下的优缺点，进一步建立了以归一化后的质心侧偏角为 加权系数的横摆角速度、质心侧偏角联合控制的稳定性控制系统，取得了较好的 控制效果。 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p i d 控制驾驶员模型。该模型根据车辆侧向加速度误差的大 小，采用基于解析描述的控制规则的模糊控制器，实时调整p i d 控制器的控制参数， 使车辆按照所要求的道路轨迹行驶。 最后基于驾驶员模型进行了人一车一路闭环仿真研究。选择蛇形试验进行人一 车路闭环系统仿真，一方面验证了所建立的驾驶员模型方向控制的能力，另一 方面对车辆操纵稳定性控制效果进行了评价，评价结果表明稳定性控制系统较大 地改善了车辆的操纵稳定性。 关键词：汽车，驾驶员模型，稳定性，横摆角速度，质心侧偏角 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t t h ea i mo ft h ed i s s e r t a t i o ni st os t u d yt h ev e h i c t e sl a t e r a ls t a b i l i t yc o n t r o lb a s e d o nt h ed r i v e rm o d e l ，t h ef o l l o w i n 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 o l e v e h i c l em o d e l ，t h ed e s i g n i n go fv e h i c l el a t e r a ls t a b i l i t yc o n t r o ls y s t e m , t h ee s t a b l i s h i n g o fd r i v e rm o d e la n dt h es i m u l a t i 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 l o o ps y s t e mb a s e d o nt h ed r i v e rm o d e la n d8 0o n f i r s t l y aw h o l ev e h i c l ed y n a m i c sm o d e li se s t a b l i s h e d 1 r i l ev e h i c l em o d e lw i m f o u rn o n - l i n e m a g i c f o r m u l at i r em o d e li se s t a b l i s h e da n dt e s t i f i e dt h r o u g h m a t l a b s i m u l i n kb a s e do ns o m ea s s u m p t i o n sa n ds i m p l i f i c a t i o n so ft h ev e h i c l e s y s t e mf o rt h en e e do f v e h i c l eh a n d i n gs t a b i l i t ys t u d y av e h i c l el a t e r a ls t a b i l i t yc o n t r o l l i n gs y s t e mi se s t a b l i s h e dw i t ht h ey a wr a t ea n d s i d es l i pa n g l ea st h ec o n t r o l l i n gv a r i a b l e s n l ev e h i c l el a t e r a ls t a b i l i t yy a wr a t e c o n t r o l l i n gs y s t e ma n dv e h i c l el a t e r a ls t a b i l i t y s i d es l i p c o n t r o l l i n gs y s t e ma r e e s t a b l i s h e db a s e do nt h ef u z z yl o g i ct h e o r y t h r o u g ha n a l y s i so ft h es i m u l a t e dr e s u l t s f o re a c hc o n t r o ls y s t e m , ac o m b i n e dv e h i c l es t a b i l i t yc o n t r o ls y s t e mt h r o u g ht h ey a w r a t ea n ds i d es l i pi si nt u r ne s t a b l i s h e dw i t ht h es i d es l i pa n g l ea st h ew e i g h t i n g c o e f f i c i e n lt h es i m u l a t i o nr e s u l l ss h o wg o o dp e r f o r m a n c eo f t h ec o n t r o l l i n gs y s t e m a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so f p i dc o n t r o la n d 如五可c o n t r o l ，ad r i v e rm o d e lo f s t e e r i n gd i r e c t i o nc o n t r o lf 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 h ep r e v i e wo p t i m a l c u r v a t u r em o d e l w i t ht h el a t e r a la c c e l e r a t i o n f e e d i n gb a c k , t h ep i dc o n t r o l l e r p a r a m e t e r so ft h ed r i v e rm o d e la t ea d j u s t e db yt h ef u z z yc o n t r o l l e ra c c o r d i n gt ot h e e n o ro f t h el a t e r a la c c e l e r a t i o ni no r d e rt ok e e pt h ev e h i c l er u n n i n go nt h ee x p e c t e dr o a d t r a c l f i n a l l y , t h ed r i v e r - v e h i c l e - r o a dc l o s e l o o ps y s t e mi ss i m u l a t e d 、蛹t l lt h ep y l o n c o u r s es l a l o mt e s t o no n eh a n d , t h ed r i v e rm o d e l sd i r e c t i o nc o n t r o lc a p a b i l i v yi s t e s t i f i e d , 0 nt h eo t h e rh a n d ，t h ee f f e c t i v e n e s so ft h ev e h i c l es t a b i l i t yc o n t r o ls y s t e mi s e v a l u a t e d ，t h es i m u l a t i n gr e s u l t ss h o wg o o ds t a b i l i t yc o n t r o lp e r f o r m a n c eo f t h es y s t e m k e yw o r d s ：v e h i c l e ，d r i v e rm o d e l ，s t a b i l i t y , y a wr a t e ，s i d es l i pa n g l e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，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，也不包含为获得重废太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我同工作的同志对本 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谢意。 学雠文作者虢氟签字吼小“年凋j 目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重鏖盍堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重废太堂可以将学位论文的全部或部 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、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( v ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名纽 新繇7 5 兰婶 签字日期：“以年堋j 日签字日期：加年协月尹日 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 本章详细介绍了车辆稳定性控制研究的目的、意义，以及车辆稳定性控制和 人一车路闭环系统中驾驶员模型的研究历史与发展现状，并指出了本文研究的 主要内容。 1 1 研究的目的及意义 近几十年，全球汽车工业得到了大规模的发展，汽车保有量也大幅上升，道 路交通压力日益加大，交通事故频繁发生，引起了人们对汽车安全性能的高度重 视。汽车安全性能根据在交通事故发生前后作用时间的不同又被分为被动安全性 和主动安全性。其中，被动安全性是指在交通事故过程中减轻乘员伤害的性能， 主要包括安全车身、安全座椅、安全带、安全气囊等装置的安全性能；主动安全 性是指汽车预防交通事故或回避障碍物的性能，它以预防为核心，有效地保护驾 驶员和道路环境中行人的安全，主要包括制动性能、操纵稳定性能等，这己成为 本世纪汽车安全性研究的重点【“。其中，操纵稳定性是汽车主动安全性的重要方面， 它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，所以人们称之为“高速车辆的生命线”。 目前这类操纵稳定性主动安全系统主要有四轮转向( 4 w s ) 、汽车防抱死制动系 统( a b s ) 、防滑控制系统( a s r ) 和车辆稳定性控制系统如车辆电子稳定性程序( e s p ) 等。 电控四轮转向( 4 w s ) 技术可以使汽车在中高速时进行同相位操作，避免产生过 度转向；在低速行驶时进行逆相位操作，减小汽车的转弯半径；另外，以相同的 方向转动后轮后有效地减少车辆到达稳态转向所需的时间。4 w s 改善了汽车转向 线性范围内( 侧偏角、驱动力和制动力较小时) 的稳定性，但当汽车的运动处于较大 的非线性状态时( 高速大转弯、猛烈制动或加速等) ，尤其是车轮与路面的作用力达 到附着极限时，4 w s 则不能有效改善汽车稳定性【2 叫。 汽车防抱死制动系统( a s s ) 根据不同的车轮滑移率下所对应的轮胎一地面附 着特性来调节紧急制动时制动器制动力，以防止车轮抱死，从而获得最佳的制动 效果。它保证了车辆在制动时既有较大的制动力，又有较大的侧向附着力，保持 车辆具有一定的转向操纵能力，在一定程度上保障了行车安全性【5 】。防滑控制系统 ( a s r ) ，又称牵引力控制系统( t c s ) ，它通过控制驱动车轮的滑转率，使其保持在 最大路面附着系数所对应的最佳滑转率附近的这一稳定区域，从而使车辆在加速、 转向、爬坡时可以防止驱动车轮的过度滑转，以获得最佳的驱动性和操纵稳定性 0 3 。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 这些主动安全系统对提高汽车安全性的确起到一定的积极作用，但是它们的 使用范围有限。以四轮转向系统为代表的转向角控制只是在侧向加速度较小时轮 胎侧偏角与侧偏力成线性比例范围内才起作用，当侧向加速度较大时，侧偏力不 再与方向盘转角成比，导致过多转向或不足转向。制动防抱死控制系统( a b s ) 和防 滑控制系统( a s r ) 都是通过控制车轮纵向滑动率而使汽车获得最佳的纵向动力学 性能，a b s 只是适用于汽车制动的情况，a s r 只是适用于汽车起步和左右轮驱动力 不等的情况。在高速大转弯等极限工况下，由于侧向外力已经超出轮胎与地面的 侧向附着极限而造成汽车的过度转向或不足转向，此时无论是在轮胎线性条件下 起作用的4 w s ，还是a b s 和a s r ，它们对车辆的稳定性控制均已无能为力，从而 提出了对该工况下车辆稳定性控制的研究【7 。 汽车稳定性控制是通过车载控制系统实时调整车辆的运行状态，使车辆能够 按照驾驶员的意图行驶，并防止车辆失稳的汽车主动安全装置，对提高汽车的操 纵稳定性具有重要作用，是当前国际上汽车主动安全领域的研究热点。不同的研 发机构对汽车稳定性控制系统的命名不同，b o s c h 公司称之为汽车电子稳定程序 f e s p ) ，或汽车动力学控制( v d c ) ；丰田公司称之为汽车稳定性控制系统f v s c ) 、汽 车稳定性辅助系统( v s a ) 、汽车电子稳定性控制系统( e s c ) ；宝马公司称之汽车动 力学稳定性控s t l ( d s c ) ；部分文献也称之为直接横摆力矩控制( d y c ) 等。这些系统 控制作用大致相同，仅在控制策略等方便略有差异。 车辆稳定性控制系统是在汽车防抱死制动系统( a b s ) 和防滑控制系统( a s r ) 的 基础上产生的，它由传感器、制动器、发动机控制模块和一个用来随时监测车辆 对驾驶员转向输入的响应的微处理器所组成，该微处理器比较驾驶员的输入指令 和车辆的实际运行状况，当发现车辆偏离目标轨迹时，车辆稳定性控制系统就调 整各车轮的制动压力，从而产生一横摆力矩对车辆稳定性进行控制；有时还需对 发动机进行控制，减小节气门开度，从而减小汽车驱动力。 车辆稳定性控制主要针对高速低附着系数路面上弯道行驶时车辆稳定性的控 制，它兼容了a b s 和a s r 的优点，克服了4 w s 在轮胎非线性时的控制局限，通 过各传感器对车辆的行驶状况进行检测，并对制动系统，发动机及传动系进行综 合控制，提高车辆行驶的操纵稳定性 9 - 1 0 。4 w s 的有效工作区在转向线性范围， a s r 的有效工作区是大驱动力附近的极限区域，a b s 是在大制动力附近的极限区 域，车辆稳定性控制是在大侧偏力的极限区域。其各自的控制范围如图1 1 所示。 由图可见，车辆稳定性系统是对4 w s 、a b s 、a s r 等主动安全系统的必要补 充，与a b s 、a s r 相比，车辆稳定性系统具有以下特点和作用： 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 ) 车辆稳定性系统虽然也是调节 纵向力，但a b s 、a s r 只把车轮作为 控制系统，而它是把整个车辆作为一个 控制系统来调节各个车轮的纵向力大 小及匹配； 2 1 在汽车处于侧向临界状态时， 能够主动辅助驾驶员操纵车辆； 3 ) 汽车在紧急制动、部分制动、 滑行、加速和轴荷转移等行驶状态下均 可使其稳定性和按预定轨迹行驶的能 图1 1 各种控制系统的作用范围 力得以提高； f i g1 1 e f f e c t i v er a n g eo f e a c hc o n t r o ls y s t e m 4 1 当驾驶员由于惊慌等原因而突然大角度转向时，该系统能有效地阻止汽车 急转； 5 ) 该系统使汽车轮胎与路面附着系数得到更有效地利用； 6 1 加上侧向稳定性控制系统后，汽车在极限行驶状态时也容易操作，这使得 驾驶员可将注意力集中到处理可能出现的交通事故上； n 车辆稳定性控制系统一般在较高速度下才启动。 以上是车辆稳定性控制系统的主要特点，尽管如此，车辆稳定性系统与a b s 和a s r 也有许多共同点，它们之间是相互联系的，车辆稳定性系统是在a b s a s r 的基础上开发的。 车辆稳定性系统在高速低附着路面转弯行驶时对保持车辆的稳定性具有很好 的控制作用，对提高行车安全性具有重要意义。初期的汽车稳定性控制系统大多 用在高档轿车或商用车上。1 9 9 7 年1 0 月奔驰公司做“麇鹿试验”的翻车事件推动了 车辆稳定性控制系统更广泛的应用。今天车辆稳定性控制系统已在宝马、奔驰和 凯迪拉克等很多车上得到了广泛的应用，极大地改善了汽车主动安全性，其作用 效果也越来越引起人们的重视，有的学者通过实验的方法对此进行研究【l l 】，但大 多数学者是通过研究车辆装有稳定控制系统后交通事故的减少率来评价其作用。 下面是一些车辆稳定性控制系统对提高车辆行驶安全性的实际作用效果的统计资 料。 日本m a s a m ia b e 等人通过对交通事故的统计研究表明，装有稳定性系统后， 单车事故率约减少了3 5 ，与其它车辆触头碰撞事故率约减少了3 0 ，严重事故 率减少了4 0 5 0 。调查显示对减少其余的事故率也有重要贡献，尤其在高速范 重庆大学硕士学位论文1 绪论 围内的作用尤为明型“。美国d a n g 、f a r m e r c 等人对美国7 个州在2 0 0 1 - - 2 0 0 2 年的交通事故进行了研究【i j “j ，得出与日本m a s a m i a b e 等人研究相似的结论：装 有稳定性系统后，单车事故率大约减少了4 l ，单车严重事故率减少了4 1 ，在 总的交通事故中减少了7 左右。 其他很多学者也曾对车辆稳定性控制系统的实际作用效果展开过研究 1 5 - 1 9 】， 并得出相似的结论：车辆稳定性控制系统对减少交通事故有重要作用，对减少单 车事故率和减少严重事故率( 严重致伤或致死) 的作用较大，尤其在高速时低附着系 数的湿滑路面上对减少车辆因失控导致的严重交通事故的作用更为明显。 目前，这些稳定性系统价格较高，主要应用在国外一些高端车上。我国汽车 工业还不够发达，特别是在强调提高自主研发能力的今天，如何尽早开发出可靠 和实用的车辆稳定性控制系统，提高我国在国际汽车市场上的竞争力已成为个汽 车厂家和科研机构关注的热点，在当前形势下本课题的研究具有重要的现实意义。 同时，随着对汽车操纵稳定性研究的不断深入，人们发现除了汽车本身的操 纵稳定性之外，驾驶员的行为特性也是影响汽车主动安全性的主要因素之一。单 纯研究汽车本身输入与输出之间的关系，只能知道汽车对一定的转向盎输入的响 应如何，却难以断定整个驾驶员一汽车道路系统的性能，很难对汽车的操纵稳 定性和安全性进行全面的评价与合理的设计，而采用系统论方法把汽车作为人一 车一路闭环系统的被控环节，分析整个系统的特性，已经被理论和实践证明是可 行和有效的，这就是汽车操纵稳定性研究的闭环方法。其控制系统如图1 2 所示。 图1 2 人一车路闭环系统 f i g1 2 d r i v e r - v e h i c l e - r o a dc l o s e l o o ps y s t e m 在上述的人一车一路闭环系统中，建立合适的汽车方向控制驾驶员模型是该系 统最重要的环节之一。然而，驾驶员是一个有思维、能不断改善自身特性的复杂 系统，因而很难用研究一般机械运动的方法来建立模型。随着p i d 控制、模糊控制 等控制理论的不断发展，这些方法也逐渐被用到驾驶员模型的研究中。本文将采 用这些控制方法建立较为完善的驾驶员模型，为车辆稳定性的进一步研究打下基 础，同时还为智能车辆的研究提供一种有效的途径，具有重要的现实意义。 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 2 国内外研究现状综述 1 2 i 车辆稳定性控制研究 从九十年代开始，国外很多学者对车辆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车辆稳定性控剑 领域研究的核心问题。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、主动转向的集成等是目前研究的前沿1 1 9 1 。 在控制变量的选择上，汽车在附着系数较小的路面上行驶时，容易发生侧滑 等危险工况，此时汽车的横摆角速度和质心侧偏角对车辆的稳定性有重要影响， 因此可以选择横摆角速度和质心侧偏角为控制系统状态变量。此外应当考虑的控 制问题有：纵向力控制问题、驾驶员输入、实际的汽车的状态的估算；同时汽车 的侧倾角反映了汽车抗侧翻的性能，一般将其转化为翻转系数进行控制。 车辆稳定性控制系统的控制变量主要有以下五种：横摆角速度控制，主要有 b o s c h 的e s p t 2 0 l ；横摆控s d + 质心侧偏控制+ 侧翻控制，这在一些商用车中有应用【2 1 】； 质心侧偏角控制，主要有丰田、本田的v s c 、v s a 掣捌；横摆控制+ 质心侧偏控 制，目前在丰田新的产品中有考虑 2 3 1 ；横摆控制+ 质心侧偏控制+ 主动转向等 2 4 1 。 在控制器的实现策略上，车辆稳定性控制系统一般都是利用理想的线性模型 来预测汽车的运动状态，而实际的汽车横摆角速度由传感器来测量，实际的汽车 侧偏角度通过几个容易测量的传感器信号采用估算的方法来得到。将预测模型和 实际测出的结果进行对比，基于差值进行控制，因此主要的控制是基于反馈理论 的控制。目前采用的控制策略介绍如下。 反馈控制：且前市场上的车辆稳定性控制系统主要是采用横摆角速度反馈控 制，将通过传感器测量得到的控制变量的数值和经过参考模型计算得到的数值进 行对比，根据偏差进行控制。这是相对成熟、实现成本较低的一种控制方式1 2 0 。 p i d 控制：b o c h i u a nc h e n 等人提出了采用p i d 控制车辆稳定性控制系统的 控制算法【2 1 0 2 2 ，包括横摆角速度跟踪的算法；侧翻防止算法等。采用侧向加速度 作为侧翻控制的反馈信号，系统的直接横摆力偶矩包括控制横摆、侧偏、侧翻这 三部分构成。 相平面控制法：s h o j ii n a g a k i 等描述了采用相平面的方法描述汽车操稳性【2 5 1 ， 相平面法可以分析汽车的关键的转向动力学稳定性，该方法可以得到汽车的非线 性的操纵稳定性，以及汽车过大的转向输入下的稳定性欠缺的问题。 滑模控制：稳定性控制被视作与驾驶员驾驶意图的匹配，所以横摆角速度首 要成为控制目标。但在低附路面上，实际的横摆角速度和预期的横摆角速度不能 有效的阻止侧偏角的增加和汽车的激转；过大的侧偏角降低了驾驶员的稳定性操 5 重庆大学硕士学位论文1 绪论 作的质量。采用滑模控制方法能够实现较好的控制鲁棒性能，即在附着系数、侧 向坡度、速度、动态载荷等条件变化时都能得到较好的控制效果( 2 6 - 2 9 1 。 模糊控制：由于汽车系统存在非线性、延迟性和参数的不确定性，因此可以 采用模糊逻辑控制1 3 0 j 。 在控制算法的研究上，由于汽车稳定性控制中所需的汽车运行状态不能完全 由传感器直接测量得到，因此由容易测量的运动状态来推出所需的控制状态变量 ( 如质心侧偏角) 或路面的状态( 如路面附着系数) 是近几年汽车稳定性控制研究的热 点。 文献 2 6 1 、f 3 1 1 按照简单的二自由度模型算出质心侧偏角速度后直接积分得质 心侧偏角；通过文献 2 8 1 的研究发现，直接对质心侧偏角速度的积分有时是不可行 的，如汽车在倾斜路面上行驶时，从而提出了建立质心侧偏角观察器，经过更深 入的研究发现，这个观察器有时又容易导致系统的不稳，进而又提出了参数自整 定的质心侧偏角观察器，通过仿真取得了很好的控制效果；轮胎一路面附着系数 的估算是一个重要的估算逻辑，文献 2 9 】提出了路面摩擦系数估算器，其余文献如 3 2 】、 3 3 等对此也有类似的研究。 国内车辆稳定性控制的研究还处在起步阶段，只有少数学者在吉林大学1 7 1 、清 华大学、同济大学刚等高校和重汽集团【1 2 l 等企业进行尝试性的研究，主要集中 在轮胎模型的建立和控制方法的选取等方面。在轮胎模型的选取上，主要有g g i m 理论模型、郭孔辉幂指数半经验模型和“魔术公式 ( m a g i cf o r m u l a ) 瞄】。文献【7 】 采用g g i m 模型，文献 3 7 1 、 3 8 采用幂指数半经验模型，文献 8 1 、【3 9 】中采用“魔 术公式”。在所采用的控制方法中，主要有逻辑门限控制【3 9 删、模糊控制隋, 3 9 1 、p i d 控制和模糊p i d 控制【7 - 8 】、滑模控带l j t 4 1 1 等。 1 2 2 汽车驾驶员模型研究 在驾驶员模型的研究中，方向控制是驾驶员模型研究的核心。自上世纪中期 以来，人们基于各种控制理论先后提出了几种控制模型：补偿控制模型、最优控 制模型、模糊控制模型、神经网络控制模型及模糊神经网络控制模型等。 r a h e s s 等人提出了基于传统控制理论的驾驶员补偿控制模型【4 2 】，这个模型 充分考虑了驾驶员对不同转向频率的反应，对其动态特性进行补偿，建立一个由 高频和低频两部分组成的人一车一路闭环稳定的鲁棒控制系统。 文献 4 3 1 提出了人机系统最优预见补偿跟踪控制模型，认为人具有先看的能 力，把人脑产生的最优控制量经肌肉环节操纵延迟作为控制器的输入。其评价指 标既包含驾驶员的体力特征的控制输入加权也包含精力消耗的控制输入速率信号 加权，并构造观测器对系统进行全状态估计从而实现最优反馈。郭孔辉院士于1 9 8 2 年提出了预瞄一跟随系统理论1 4 4 1 ，认为驾驶员的决策分为预瞄阶段和补偿跟随阶 6 重庆大学硕士学位论文1 绪论 段，若f 为输入，y 为输出，p ( s ) 是预瞄环节，f ( s ) 是跟踪环节，则理想的跟随控制 系统是从f 到y 的传递函数之积为l ，即p ( s ) f ( s ) = 1 。 在此基础上建立了驾驶员预瞄最优曲率模型和预瞄最优加速度模型【4 5 】，该模 型假设驾驶员方向控制的策略可分为这样两个阶段：首先根据前方所看到的道路 信息和当前汽车的行驶状况，按照汽车的行驶轨迹与预瞄轨迹误差最小的原则， 决定最优的行驶轨迹曲率或横向加速度：然后考虑驾驶员及汽车的特性，作出一 个最优的方向盘转角输入，使行驶轨迹曲率或横向加速度尽量与预期目标一致。 后来，郭院士课题组又在此基础上引入驾驶员动态决策汽车预期行驶轨迹建立相 应的驾驶员模型l 舶】。 上述这些驾驶员模型都是建立在传统控制理论基础上的，其结构简单，能基 本上反映驾驶员特性。但实际的驾驶员是个复杂的非线性时变动态系统，很难对 其建立精确的数学模型，运用传统控制方法来建立的驾驶员模型存在很大的局限 性，无法达到满意的动态效果。随着模糊控制、神经网络等智能控制理论研究的 不断深入和应用的不断推广，这些控制理论也逐渐被用于建立驾驶员模型。文献【4 7 】 采用郭孔辉院士提出的驾驶员预瞄最优曲率模型进行高速汽车弯道前方碰撞预警 算法的研究，文献【4 8 中采用模糊控制建立驾驶员模型并进行人一车路操纵稳定 性的研究，文献 4 9 5 0 仲建立了神经网络驾驶员模型进行人一车一路闭环系统的 仿真，文献 5 l 】将模糊控制与神经网络相结合，建立了五层全网络化模糊神经网 络驾驶员模型。 在上述这些研究中，对复杂的驾驶员建立合适的模型是一大难点。运用模糊 控制等先进控制方法建立较为完善的驾驶员模型，进行人一车一路闭环系统的车 辆稳定性研究还有很大的研究空间。 1 3 本文研究的主要内容 本文在m a t l a b s i m u l i n k 计算机仿真平台下，围绕基于驾驶员模型的车辆侧 向稳定性控制研究这一主题，就整车动力学模型建立、车辆稳定性控制算法设计、 驾驶员模型的建立、人一车路闭环系统车辆稳定性研究等方面进行了研究。主 要包括如下内容： ( 1 ) 汽车动力学模型的建立：整车动力学模型包括轮胎模型和车身模型两大部 分，选择适合操纵稳定性仿真的“魔术公式”轮胎模型，并针对车辆操纵稳定性研究 的需要对车辆系统进行适当假设与简化，如忽略悬架和转向系统的影响等，建立 了四轮非线性车辆系统动力学模型，然后运用仿真软件m a t a l b s i m u l i n k 建立整 车动力学框图模型。 ( 汽车侧向稳定性控制研究：选择对车辆侧向稳定性有重要影响的车辆横摆 重庆大学硕士学位论文1 绪论 角速度、质心侧偏角为控制变量。根据模糊智能控制系统的特性，采用基于解析 描述的模糊控制规则，建立车辆侧向稳定性横摆角速度模糊控制系统和质心侧偏 角模糊控制系统，并分别在两种不同控制系统下对车辆进行稳定性仿真。比较在 不同车辆行驶条件下两种控制系统的优缺点，进一步建立了以质心侧偏角为加权 系数的横摆角速度、质心侧偏角联合控制的稳定性控制系统。 ( 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p d 控制驾驶员模型。该模型根据 车辆侧向加速度误差的大小，采用基于解析描述的控制规则的模糊控制器，实时 调整p i d 控制器的控制参数，保持车辆按所要求的道路轨迹行驶。 人一车一路闭环研究。选择蛇形试验进行人一车一路闭环系统仿真，一方 面对所建立的驾驶员模型进行验证，另一方面通过对仿真结果的分析，对车辆操 纵稳定性控制效果进行评价。 8 重庆大学硕士学位论文2 汽车动力学模型的建立 2 汽车动力学模型的建立 本章建立包括“魔术公式”轮胎模型在内的汽车动力学模型。首先建立适合操纵 稳定性研究的“魔术公式”轮胎模型，然后针对车辆操纵稳定性研究的需要对汽车悬 架、转向系统等进行假设与简化，建立四轮车辆动力学系统数学模型，并采用图 形建模的方法，运用仿真软件m a t a l b s i m u l i n k 建立整车动力学框图模型。 2 1 汽车动力学模型建立的三种方法 在汽车动力学的仿真研究中，一般包括两个方面的内容：一是建立描述汽车 动力学性能的微分方程组，即建模；二是采用数值方法解微分方程，即计算。汽 车动力学建模的方法主要有三种：人工建模、计算机自动建模和图形建模【8 5 2 1 。 人工建模的方法通过人工对整个系统进行建模和计算，这是最传统的方法。 它又包括三种方法：分析法、试验法以及这两者相结合的方法。人们通常通过对 汽车的力学分析建立汽车运动的微分方程组，采用差分法和相应的数值积分法将 连续方程变为时间离散的差分方程，并通过计算机语言( 主要有f o r t r a n 、 q b a s i c 、v b 等) 编写为相应的程序。过去人们一般是按照牛顿力学的方法来分析 和建立汽车系统的微分方程组，即建立非惯性系下的牛顿方程，然后用隔离法对 汽车各部件进行受力分析并建立非惯性系下的运动方程组。由于汽车系统各部件 的连结比较复杂，具体分析它们之间的相互作用比较困难和繁琐，这是传统的牛 顿法遇到的问题，根据力学理论中的b o l n d a l 、】n ， l 址偃l 方法，推导出汽车准坐 标下的整车运动方程。这种分析在建立汽车运动方程时，不需要分析各部件之间 非保守力和非做功力的作用，只考虑汽车各刚体部件所受的外力和系统能量的变 化，因而使分析大大简化。 计算机自动建模是一种比较先进的建模方法，建模和计算完全由计算机来完 成。如著名的a d a m s 软件近年来被证明是一种十分适用于汽车动力学模拟的工 具。它采用多刚体力学的方法，将系统分成多个刚体，对刚体的质量和各个方向 的转动惯量及连接方式进行定义和赋值。它从物理系统的刚体结构出发，定义每 一个构建的形状、质量、受力、约束和连接情况，可以在三维状态下建立模型， 能比较真实的反映汽车动力学特性。所以a d a m s 软件己经成为许多汽车公司的主 要分析软件。但是a d a m s 控制系统工具箱不够丰富，很多控制系统不容易在上面 实现【5 3 侧。 图形建模是用力学原理推导出汽车运动方程，计算采用专用的软件包，如 m a t “蠕和m a t r i x 仿真语言等。m a t l a b 语言是由美国m a t h w o r k 公司于1 9 6 7 年 9 重庆大学硕士学位论文 2 汽车动力学模型的建立 推出的“m a t r i xl a b o r a t o r y 软件包，并不断的更新和扩充，目前最新的m a t l a b 7 0 版本是一种功能强、效率高、便于科学和工程运算的交互式软件。它带有十几个 工具箱，可以用于不同的专业领域，其中s m u l i n k 工具箱可完成系统图形建模。 该方法将各种功能模块化，可以直接用鼠标拖放模块建立信号连结进行建模。它 是一个开放的系统，各种成熟的工具箱能够不断扩充加入到系统中去，每一个子 模块的参数可以自由的修改，不影响别的模块运行，给系统扩展带来方便。其控 制系统与汽车动力学系统可融化为一体。例如：m a t l a b 可以用s 函数来计算轮胎 力，制成可执行文件加入到模型中进行仿真【5 5 j 。 综上所述，三种建模方法都有自己的优缺点，对于不同应用领域的汽车动力 学模型，其精度的要求也不同，在汽车动力学稳定性控制系统的研究中，一方面 要求对汽车的动力学性能进行模拟，另一方面要求有控制系统。这时人工建模的 方法比较复杂，a d a m s 软件虽然附加了一个线性系统软件包用于控制，但功能较 少且系统的交互工作不灵活。而m a t l a b s i m u l i n k 中各种线性和非线性模块既可 用于动力学系统，又可用于控制系统，其中还有控制软件包，较适合于汽车动力 学稳定性控制系统的研究。因此本文将主要采用图形建模方法，运用 m a t l a b s i m u l i n k 软件来建立整车及控制系统模型。 2 2 轮胎模型的建立 汽车运动依赖于轮胎所受的力，例如，纵向制动和驱动力、侧偏力和侧倾力、 回正力矩及翻转力矩等，所有这些都是滑转率、侧偏角、侧倾角、垂直载荷、道 路摩擦系数和汽车运动速度的函数。如何精确而有效地表达这种函数关系，一直 是轮胎模型所探讨的核心问题【”】。 轮胎模型的构造一般分为两种，一种是物理模型( 理论模型) ，即通过对轮胎结 构和形变机制的数学描述，建立剪切力和回正力矩与相应参数的函数关系。1 9 5 4 年，f i a l a 就通过简化的轮胎理论模型推导出无量纲的轮胎力特性公式。后来，通过 对计入胎体弹性的轮胎力学模型进行深入研究，f i a l a 与s a k a i 提出了梁模型， h b p a c e j k a 提出了弦模型。后来，g g i m 在b e r g m a n ( 1 9 6 1 年) 的三维弹簧模型的 基础上，推导出完整的轮胎力特性公式。另一种是经验公式或半经验公式，它是 通过对大量的轮胎力特性的实验数据进行回归分析，将轮胎力特性通过含有拟合 参数的公式有效地表达出来。1 9 7 0 年，d o g u f f 等人根据试验数据，建立了表示驱 动( 制动) 力、侧偏力、滑移率、侧偏角和轮胎其它设计参数间关系的表达式，曾得 到广泛的应用。近来，b a k k e r 和p a c c j k a 的“魔术公式”以及郭孔辉院士的“幂指数 公式”使轮胎的力特性表达得更为精确和简洁。目前，以h - b p a c e j k a 的“魔术公式” 为代表的经验公式、以郭孔辉的“幂指数公式”为代表的半经验公式和gc f i m 轮胎 l o 重庆大学硕士学位论文 2 汽车动力学模型的建立 模为代表的理论模型得到了广发的应用。 j 晓术公式嘈仑胎模型用三角函数的组合公式拟合实验轮胎数据，用一套形式相 同的公式就能完整的表达纵向力、侧向力、回正力矩以及纵向力、侧向力联合作 用的工况。该模型统一性强，能描述轮胎所有稳态力学特性，编程方便；可从实 际轮胎实验获德，且需拟合的参数少，有实际的物理意义；简单实用，模拟精度 高。本文采用“魔术公式”轮胎模型【5 。 “魔术公式”的一般表达式为： y = y + s 。( 2 1 ) y = d s i n ( c a t a n ( b x - e ( b x - a t a n ( b x ) ) ) ) ( 2 2 ) x = x + s h ( 2 3 ) 其中，y 表示侧向力、纵向力或回正力矩，x 表示侧偏角a 或滑移率s 。现以 侧向力为例说明公式中各系数的意义，如图2 1 所示。 下： 图2 1 “魔术公式”轮胎模型中各系数的影响 f i g2 1 i n f l u e n c eo f t h ec o e f f i c i e n t sf o rt h em a g i cf o r m u l at i r em o d e l 图2 1 中，横坐标表示车轮侧偏角，纵坐标表示侧向力。其各参数实际意义如 卜峰值因予，表示曲线的最大值； b c d 初始侧偏刚度因子( 侧偏角为0 时) ； & 一刚度因子，b = b c d ( c d ) ； e 曲线形态因子，决定曲线最大值附近的形状； 重庆大学硕士学位论文 2 汽车动力学模型的建立 c _ 一决定曲线的形状特性，即曲线是表示侧向力、纵向力还是回正力矩； 嘞水平方向漂移： o v 垂直方向漂移。 除曲线的形状因子c 外，其余每一个参数都是垂直载荷e 和侧倾角7 的函数， 用参数拟合的方法褥到，一般选代数多项式进行拟合。曲线零点的水平漂移和垂 直漂移用来描述由于轮胎制造误差造成的轮胎圆锥效应和帘布成转向效应，一般 它与轮胎侧倾角有关。本为在对汽车的操纵稳定性研究中，假设轮胎的侧倾角为 零，则水平漂移和垂直漂移也为零；假设汽车前进速度“为定值，轮胎回正力矩相 对又较小，故忽略纵向力和回正力矩。侧向力的表达式为： f v ) = d s i n ( c a t a n ( b a - e ( b a a t a n ( b 口) ) ) )( 2 4 ) 其中，c = 1 3 0 d = 8 点2 + a 2 e b = a 3s i n ( a 4 a t a n ( a 5 f z ) ) ( c d ) e = a 6 e 2 + a 7 f z + a s a 车轮侧偏角。 轮胎模型中各拟合参数的值如表2 1 所示。 表2 1 “魔术公式”轮胎模型中的各拟合参数 ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) c ， a la 2 a 3 a 4 a 5 a 6 a a s 1 3 0 - 2 3 49 8 1 1 0 7 8 1 6 7 0 2 0 20 ，0 0 0 o 3 8 7 0 ，7 0 7 图2 2 是“魔术公式”轮 胎模型的侧偏特性图，三条 曲线分别表示不同垂直载荷 下轮胎的侧向力与侧偏角的 关系。由图可知，当侧偏角 较小时，轮胎的侧向力和侧 偏角之间呈线性关系；当侧 偏角较大时，曲线的曲率逐 渐减小，这时轮胎在接地面 处已发生部分侧滑，最后， 侧向力达到附着极限时，整 倒慵角枷m 图2 2 轮胎侧偏特性图 f 培2 2s i d ef o r c ec h a r a c t e r i s t i cf o rt h em a g i cf o r m u l at i r e 1 2 重庆大学硕士学位论文2 汽车动力学模型的建立 个轮胎侧滑。轮胎的最大侧向力随着垂直载荷的增加而增大。 2 3 整车模型的建立 汽车是一个复杂的多自由度系统，要建立一个能完全表达汽车运动的模型难 度很大。】9 9 5 年，美国学者j h e d r i c k 和m 。t o m i z u k a 提出了一种精确描述汽车底 盘、悬架、轮胎、发动机和传动系的力学特性的1 8 个状态变量的模型5 7 】。国内郭 孔辉院士建立了一个比较完善的1 2 自由度汽车动力学模型，用于进行转向驱动和 制动输入下汽车的动态响应仿真研究【3 6 】。这1 2 个自由度包括汽车纵向、横向运动， 四轮转动，车身俯仰、侧倾和横摆运动，汽车的垂直运动和前轮的左右转动。该 模型的特点是对汽车运动学关系和力学特性进行了全面的考虑，包括考虑了前轮 定位参数、悬架以及转向系的运动学关系和力学特性等，这样提高了仿真精度， 但模型也就比较复杂。有相当多的车辆和轮胎模型参数难以获得，这样就给仿真 带来了一定的难度。 本文主要研究车辆操纵稳定性及其控制，将整车模型简化为四轮汽车非线性 动力学模型【5 鄹，并作了如下假设： ( 1 ) 忽略转向系的影响，直接以前轮转角为输入，并认为左右两轮的转动角度 相同； ( 2 ) 忽略悬架的作用，认为汽车车厢只作平行于地面的平面运动，即汽车沿z 轴的位移，绕y 轴的俯仰角与绕x 轴的侧倾角均为零； ( 3 ) 汽车沿x 轴的前进速度u 视为不变，汽车只有沿y 轴的侧向运动与绕z 轴 的横摆运动这样两个自由度。 图2 3 四轮汽车模型 f i g2 3 f o r c es t a t ef o r t h ef o u rt i r ev