设计和评价一个统一底盘控制系统在虚拟测试轨道上的车辆防侧翻和稳定性改进--中英文翻译

设计和评价一个统一底盘控制系统在虚拟测试轨道上的车辆防侧翻和稳定性改进摘 要本文介绍的是统一的底盘控制(UCC)系统的发展和在虚拟测试轨道（VTT）上控制系统的评价。统一底盘控制系统的目的是防止车辆侧翻，并通过集成电子稳定性控制（ESC）和主动正转向(AFS)来改善车辆的操纵性和其横向稳定性。防侧翻通过速度控制可以达到，通过偏航速率控制可以改进车辆的稳定性。因为统一底盘控制器总是与驱动程序一同工作，车辆的总体性能不仅依靠控制器工作的好坏而且依靠它和驾驶员的相互作用。通过全面的驾驶模拟器上由组成的实时汽车驾驶模拟器、 视觉动画引擎、 可视显示和合适的人车接口的虚拟测试轨道研究了车辆性能和车辆、控制器和人力驱动程序之间的交互作用。虚拟测试轨道已开发和用于对统一底盘控制系统在实验室中的各种现实情况下的评估。并且使在实验室对底盘控制器的评估中不带危险和伤害的实地试验成为了可能。并且值得关注的是还承诺了可以节约发展成本同时也全部循环利用了整体发展周期。1. 简介车辆侧翻在地面运输的区域里是一个严重的问题，由国家公路交通安全管理局(NHTSA)出版的一份报告发现即使侧翻构成的所有意外只占有一小部分，但是只要它发生了，就会造成不成比例地大部分的严重和致命的伤害。在2002年，有近 1100 万辆乘用车、 SUV、 皮卡和轻型客货车发生了撞车事故 ，然而只有2.6%的事故与侧翻有关。但是，由于车辆侧翻而导致的致命的车祸发生了约 21.1%，其相应的百分比明显高于其他类型的事故(NHTSA，2003年)。为了帮助消费者了解车辆可能发生的侧翻，NHTSA提出了使用静态稳定因子（SSF）侧翻抵抗评级程序，这是利用高度重心 (CG) 的半履带宽度的比率来确定的翻转抵抗评级。SSF 在汽车行业内受到质疑，因为它没有考虑到悬架的偏转、轮胎牵引方面或车辆控制系统的动态的影响。因此，2002年，NHTSA 发表了另一个公告就确定了动态翻转的测试程序 (NHTSA，2001年)。大多数现有的侧翻预防技术可分为两类，即 类型(1) 是通过主动悬架、 主动防倾杆或正向稳定器直接控制车辆翻转动作(陈 & 许，2008年)，这种类型可以通过提高侧翻最低限值来防止车辆的侧翻； 类型(2) 是通过差动制动和主动前轮转向来控制车辆的偏航运动从而间接影响车辆的侧翻动作的类型(韦兰加 & 昌西，2000年)。一些有关侧翻发现和侧翻的预防措施的研究已经开始做了。海克等人提出了一种算法，可以发现悬置侧翻和一种基本预估的侧翻指数(海克、布朗&马丁，2004年)。陈和鹏提出一种基于时间过度 (TTR) 公制的抗侧翻算法(陈 & 彭，2001年)。在这个研究中，差动制动被选定为驱动的方法。安格人和彭为防侧翻评估车辆动力学控制 (VDC) 系统(安格人 & 彭，2004年)。杨和刘韦防侧翻制定了一个结实的主动悬架(杨 & 刘，2003年)。 斯科菲尔德和海格隆德为防侧翻制定了一种方法，即采用最佳的轮胎分布力 (斯科菲尔德 & 海格隆德，2008年)。月恩和易提出了一个翻转指数，指示车辆侧翻的危险，和侧翻缓解控制系统的基本指数一样，通过电子稳定控制 (ESC)来减少侧翻的指数(月恩、基姆 & 易，2007年)。由于横向加速度是车辆侧翻的主导因素，很多研究防侧翻已建议使用偏航运动控制以减少横向加速度。然而，由于这些翻转预防计划只专注于减少横向加速度，车辆的操纵性和横向稳定性就无法保证了(月恩、稠、酷、易，2009年)。因此，当防侧翻控制器工作以减少横向加速度时，它就会倾向于向计划相反的方向运动。这可能会导致车辆偏离道路，从而导致事故。乔等人为房侧翻制定了车辆动力控制系统（VDC）来确保车辆的横向稳定性 (乔、尤、杰昂、李 & 易，2008年）。在这个研究中，VDC被设计出来，以及优先考虑了防侧翻、过度侧滑角度和车辆的不足转向和过多转向。然而，这种方法会导致车辆的可操纵性或防侧翻的减少。出于此原因，统一的底盘控制系统(UCC)被设计出来用于防止车辆的侧翻。同时，通过结合各自的底盘控制模型来保证良好的操纵性和横向稳定性。例如，电子固定控制（ESC）和主动前转向（AFS）。设计了一种车辆速度控制算法以防止车辆侧翻。另外一种用于控制偏航运动的算法旨在提高可操纵性和横向稳定性。拟议的统一底盘控制（UCC）工作以增强可操作性和在没有侧翻危险的正常驾驶的情况下的横向稳定性。当侧翻的风险增加，启动统一底盘控制（UCC）来防止车辆侧翻，同时可以确保车辆通过司机的驾驶可以在小路上不断移动。为了检测即将发生的车辆侧翻，侧翻指数(RI)，已经在事先的研究中被计划使用了(月恩等人，2007年)。因为统一底盘（UCC）控制器总是与司机的操纵一起工作，所以全部车辆的动作将不仅仅依靠控制器工作的好坏，而且也依靠和司机的相互作用。因此，一个封闭的循环评估在（UCC）控制器设计中比开环模拟影响更大。所以人们总是规定了更有效的转向(钟 & 易，2006年)。此外，主动安全系统，例如统一底盘控制（UCC），主动巡航控制、碰撞预警、 碰撞躲避系统等，评价严重依赖实地测试，需要费时和昂贵的试验，并往往产生重大的危险(汉 & 易，2006年)。基于模型的模拟使成为可能执行详尽设计试验和现场试验前的评价。出于此原因，一个有关虚拟测试轨道（VTT）的全面的驾驶模拟器已经被开发了。并使用在统一底盘控制的人权循环评价中。基于急速控制（RCP）的概念，在虚拟轨道（VTT）中已经在2004年被李描述过了。在这篇文章中，统一底盘控制（UCC）算法的控制性能已经被研究了。通过一个真实的循环仿真，并运用在了虚拟测试轨道上（VTT）。在测试中，根据虚测试拟轨道，通过由十三名司机进行控制和细节分析及总结的结果。2. 统一底盘控制器设计在这个研究中，统一底盘控制（UCC）系统旨在防止车辆侧翻并提高操纵性和横向稳定性，通过结合独立底盘控制模型。例如，电子固定控制（ESC）和主动前转向（AFS）。总共有三种控制模式，分别是ROM、 ESC-和ESC-。分别表示防侧翻、可操纵性和横向稳定性。统一底盘控制（UCC）的工作是以增强可操作性和横向稳定性，这是在正常的没有侧翻危险的情况下。可操纵性和横向稳定性的改善是通过在实际偏航比率和期望偏航比率之间减少偏航比率的误差来实现的。该驱动程序是建立在司机转向输入和车辆的侧滑角的基础上的。当有高度侧翻危险时，启动统一底盘控制（UCC）工作，来减少车辆的侧翻，同时，提高车辆的可操纵性和横向稳定性。如在上一节中所述，因为之前的研究考虑到了减少侧翻的控制(ROM)，即基于 RI 的 ROM 控制(月恩等人，2007年)。只着眼于预防车辆的侧翻，因此就不能保证车辆的操纵性和横向稳定性。由于车辆侧翻确实会存在较大的横向加速度，先前的侧翻基本指数RI基于ROM的控制器就起作用了，从而减少了横向加速度。此控制器的策略会倾向于司机控制车辆的相反的方向，可能会引起车辆偏离路面，从而导致交通事故。为此，侧翻指数 / 车辆基本底盘控制器就被设计出来，旨在防止车辆侧翻并同时确保车辆可以在司机的控制下在小路上连续移动。图1显示的是一种侧翻指数RI/车辆横向基本统一底盘控制策略的概念算法。实施的统一底盘控制系统由高低级别的控制器组成。其中高级控制器确定控制模式，如防侧翻、操纵性和横向稳定性 ；它也计算的所需的刹车力和为其目标所需的偏航力矩。每个控制模式都控制一个偏航力矩和纵向轮胎力，在其轨道上带着它一致的目标。在低级别控制器中输入控制模型时，它就计算出纵向及横向轮胎力。如电子固定控制（ESC）和主动前转向（AFS）。112.1 高级控制器：决定所需制动力和所需的偏航力矩高级控制器包括三种控制模式和一个逻辑开关。一种控制偏航力矩和纵向轮胎力由在轨道上的一致控制模型决定。所以，开关控制决定了它的基本起点。在司机的驱动程序的输入和传感器信号的基础上，高级控制器控制的模型就被选择了出来，如图2所示。在此研究中，侧翻指数RI被用于检测即将发生的车辆侧翻上。其中侧翻指数RI是无量纲的数，它可以指明的车辆侧翻风险。它是通过以下式子计算的：（1）精确的横向加速度，预估的翻转角度，估计的翻转比率，和依靠车辆几何学所得出的严谨的结果(月恩等人，2007年)。在公式(1)中，、和都是正常数（01,01）。和是重量参数。与车辆的侧翻情况和横向加速度有关。是设计参数，由翻转角度比率的几何分析决定。公式（1）中的这些参数都是由在不同驾驶环境下的模拟研究所决定的。并调整出了这样一个侧翻指数RI以防止车辆侧翻。一个由侧翻指数所决定的细节描述在以前的研究中被发现了(月恩等人，2007 年)。横向加速度可以轻松从传感器中确定，并且已经存在于车辆配备的电子固定系统（ESC）。但是一些传感器需要确定翻转角和翻转比率，尽管它直接测量这些非常困难且代价也高(舒伯特、 尼科尔斯、沃尔纳、空、斯基夫曼，2004年）。 由于这个原因，翻转角度和翻转比率总是被一个类似翻转状态预测器的基本模型所预测(帕克、月恩、易 & 基姆，2008年)。制定侧翻指数RI的预估应用在车辆试验的数据是从曼多公司（MANDO）获得的。记录的实验数据应用在这个评估中并不是出自统一底盘控制系统（UCC）。换句话说，曼多（MANDO）控制算法是不同于本文所描述的。所以测试得到的结果与预期结果相比较会显示一些不同。图4显示的是车辆测试数据和翻转指数，这是由国家公路交通安全管理局（NHTSA）发明的鱼钩实验。作为一个为动态侧翻倾向预测的动态实验，实验的结果用于整车质量评估上。鱼钩实验的操作步骤在图3中所示。图4(a)中所示的是在两种实验案例下车辆转向角的时间历程。其输入速度分别是43.2和45.6英里/小时，但车辆横向稳定性控制输入仅适用于45.6英里/小时的案例。在这两种情况下，一个或两个轮子被抬升了约 4.2 s，但是侧翻趋势却一致增加了。因此，一旦选择控制输入，翻转角度和横向加速度均会下降，侧翻指数也就一起随着下降了，如图4(b)(d)中所示。与控制情况相比较，侧翻角度、 横向加速度和侧翻指数在非控制情况中一同的增加了。因此得出，车辆 的侧翻持续了大约6s的时间。如果侧翻指数（RI）超过特定的阈值，防止侧翻的模型ROM就被激活了。另外，控制器既是可操纵性得模型也是横向稳定性的模型。在一个很小的侧滑角下，可操纵性模式中的控制器，也就是ESC-就起作用了。如果实际偏航比率和所需的偏航比率之间的差值超过了特定的阈值，处于激活状态下的横向稳定模型就由车辆的侧滑角决定。如果侧滑角超过它的临界值，在横向稳定性模型中的控制器，也就是ESC-，和侧滑角就能被存在于车辆中的传感器在有限的时内成功的检测到（尤、哈恩、李，2009年）。可操纵性和横向稳定性由偏航力矩控制方法所保证。而防止侧翻通过偏航力矩/速度控制来实现。高级控制器计算出所需要的制动力，为防侧翻和所需的偏航的力矩，的可操纵性和横向稳定性。在高级控制器中，所需的控制模式切换的状态转换图见图5。用于状态转换的信号是偏航比率的误差，侧滑角 以及侧翻指数RI。以致于图5中的每一项都代表了一个转换器。并在表 1 中描述了其激活的条件。当车辆的状态是处于ESC- 或ESC-时，正如图5中所示的一样，偏航力矩控制就被应用到了，并生成所需的偏航力矩来跟踪目标偏航率。在ESC-中，目标的偏航比率在司机的转向输入的基础上生成了，目的是为了提高操纵性。在ESC-中，目标偏航比率的产生是为了减少过多的侧滑角。为实现车辆的横向稳定性。当车辆状态是ROM时，偏航力矩和速度控制被应用了，并分别为车辆稳定性生成所需的偏航力矩和防侧翻的制动力。在表1中，侧翻指数的起始值（）被设置为0.7，这是比较重要的数值。因为所有车辆的车轮都是与地面直接相接处的。的起始值（）被选定为0.06rad，这是在假定文章中的=0.3的前提下的。（拉贾玛尼，2006年）。偏航比率误差的起始值（）设定为0.08rad/s，是为了给出最大的偏航比率误差。当车辆从小路上以60km/h的速度行驶到干燥的柏油路上。2.1.1.为可操纵性和横向稳定性预设偏航力矩（ESC-/ESC-模式）如果侧翻指数RI很小，ESC-和ESC-模型就被激活了。目的是为了分别实现所需的可操纵性或横向稳定性。在这种控制模式中，所需的偏航力矩被确定出来其目的是通过使用一个自行车模型计算目标车辆响应来减少偏航率误差。这种线性模型在特定的区域内可以表示线性轮胎特性，并且在许多出版的刊物中已经被证实了(例如，纳盖、斯诺及高，2002年）。另外，因为车辆主动安全控制应该在车辆进入任何危险的情况之前被启动，此时，轮胎处于极限附着状态附近，轮胎的特性已经超出了线性区域之外，此时，控制就开始起作用了。因此，线性自行车模型能足够设计出一个控制器，来确保车辆的稳定性。采用直接横摆力矩控制的方法来确定所需的偏航力矩，图6中显示了2-D自行车模型，包括了直接偏航力矩。2-D自行车模型的动态方程表示如下所示：一般情况下，通过公式(2)，所需的偏航比率，在司机的转向输入的基础上，理论上根据线性轮胎力的2-D自行车模型确定。自行车模型的稳态