4WID车辆主动安全控制策略研究.docx

1、第55卷第2期2022年2月VoL55No.2Feb.2022天津大学学报(自然科学与工程技术版)JournalofTianjinUniversityScienceandTechnologjODOI:10.11784/tdxhz2O2OO8O2O4WID车辆主动安全控制策略研究毕凤荣2,孙浩轩1,张立鹏2,刘乐海I,王杰I(1.X津大学内燃机燃烧学国家重点实验室，天津300072：2.天津内燃机研究所，天津300072)摘要：针对4W1D车辆主动安全控制，设计开发了一种基于主动前轮转向(activefrontsteering,AFS)、直接横摆力矩控制(directyaw-momentcont

2、rol.DYC)与驱动防滑(accelerationslipregulation.ASR)集成的控制系统.控制系统采用分层控制结构，其中决策层基于滑模变结构控制理论与车辆相平面稳定判据，设计了横摆角速度与质心侧偏角协调控制器，计算保持车辆稳定性所需的附加横摆力矩.此外，基于滑移率门限值，设计了模糊P【控制器，分配AFS模块与DYC模块输入的附加横摆力矩，获得最终附加横抠力矩与附加前轮转角.执行层通过对驱动/制动力矩与前轮转角的控制，实现速度保持，滑移率.控制与车辆稳定性控制功能.仿真结果表明，在高速、低附若系数路面的极限工况下，集成控制策略可实现车辆操纵稳定性控制且综合性能优于单独控制.关键词

3、：主动前轮转向；直接横摆力矩控制；胆动防滑；滑模控制：车辆稳定性控制中图分类号：U270.I文献标志码：A文章编号：0493-2137(2022)02-0158-08ResearchontheActiveSafetyControlofthe4WIDVehicleBiFengrong1,2,SunHaoxuan1,ZhangLipeng2,LiuLehai1,WangJie1(1.StateKeyLaboratoryofEngines,TianjinUniversity.Tianjin3(XX)72,China；2.TianjinImenialCombustionEngineResearchIn

4、stitute,Tianjin300072,China)Abstract：Relativetotheactivesafetycontrolof4WIDvehicle,acontrolsystemisdevelopedbasedonlheintegrationofactivefrontsteering,directyaw-momentcontrol,andaccelerationslipregulation.Thecontrolsystemadoptsahierarchicalcontrolstructure.Thedecisionlayerdesignsacooperativecontroll

5、erofyawrateandsideslipanglebasedontheslidingmodecontroltheoryandvehiclephaseplanestabilitycriterion,anditcalculatesthecorrectiveyaw-moment.Besides,afuzzyPIcontrollerisdesignedbasedonslipratiothresholdtoallocate(headditionalyaw-momentoftheactivefrontsteeringanddirectyaw-momentcontrolmodules»fina

6、llyobtainingadditionalyaw-momentandadditionalsteeringangle.Theexecutionlayertakescontrolofthedriving/brakingtorquesandsteeringangletotracklhevelocityandcontrolslipratioandvehiclestability.Simulationresultsshowthatunderthelimitingconditionofhighspeedandlow-adhesion-coefficientroad,anintegratedcontrol

7、strategymaintainsvehiclestabilityandprovidescomprehensiveperformancesuperiortosinglecontrol.Keywords：activefrontsteering：directyaw-momentcontrol：accelerationslipregulation；slidingmodecon-trol；vehiclestabilitycontrol电子稳定性控制系统(electronicstabilityprogram,ESP)是车辆主动安全系统的重要组成部分，对车辆安全性与操控性的提升起到重要的作用叫其主要包括制

8、动防抱死系统(antilockbrakesystem,ABS)、直接横摆力矩控制(directyaw-momentcontrol,DYC)系统、驱动防滑(accelerationslipregulation,ASR)系统等.ESP功能的实现主要基于对车辆驱动/制动系统的控制.随着电子信息技术、线控收稿日期：2020-08-10：修回日期:2020-12-31.作者简介：毕凤荣(1965),男，博士，教授.通信作者：毕凤荣，fr_bi.基金项目：典型运行工况两轮摩托车操纵稳定性试验研究资助项目.SupportedbytheProgramofExperimentalStudyonHandlingS

9、tabilityofTwo-WheeledMotorcycleinTypicalOperationCases.技术的应用和发展,主动前抡转向技术(activefrontsteering,AFS)也逐渐被应用到车辆的操纵稳定性控制中.Guvenc等对差动制动与主动转向进行了协调以控制车辆的横摆稳定性，并通过给定的权重系数将附加横摆力矩分配给两个子系统.黄龙等叫基于模糊PID控制理论，采用前馈-反馈的控制结构并提出了一种DYC/ASR集成的控制策略对制动力矩进行分配，保证节能性的同时保证了车辆在极限工况下的稳定性.Wang等采用分层控制结构设计了二阶LQR控制器.其中，高阶控制器计算横摆角速度，低

10、阶控制器实现对车辆动力学的跟踪以保证轮胎在稳定区间工作.Yang等设计了基于AFS的PID/SMC髻型制辑，控制膂的鲁棒性较单痉制狄得一XE的捷并.术支钎好4WID(4wheelsindependentdrive,4WID)车辆,在Simulink中搭建了整车七自由度动力学模型并引入二自由度参考模型状态反馈，提出一种AFS/DYC/ASR协同的车辆主动安全控制策略.1车辆模型七自由度车辆动力学模型本文研究的主要内容为车辆的横摆稳定性，故主要考虑车辆在水平面的运动，包括纵向、侧向及横摆运动，对车辆的俯仰、侧倾以及垂向运动不予考虑.建立七自由度整车动力学模型如图1所示,度；处为横摆角速度；七为纵向

11、车速；FF,、F、F、F、F分知为左前、右前:光后：右x_rlxjr>_flyjt后车轮的纵向力与左前、右前车轮的侧向力；d、在分别为左、右前轮转角.车辆侧向运动微分方程为，ma=Fsin2>+Fsin5+Fcos$+yx_tIxjrr>_»IFcosc>4-F+F(2)yjrry_rly_n式中：0=(V+VCt)，为侧向加速度；F、F分yyt:yjly_rr别为左后、右后车轮的侧向力.车辆横摆运动微分方程为/(o=-FcosZ>-FcosZ>-F-:2了i项1y.frsin<y+Fsing)皆(F-F)+r>_nI2x-tTL(Fs

12、in<!>+Fcos$+Fsin5+fx_tIy_fl1rFcos)-L(F+F)(3)yjTrry_rly_rr式中：3为前轮距；R为后轮距；。为前轴距；L为后轴距；VkVv分别为纵向车速和侧向车速；L为车辆绕Z轴的转动惯量.轮胎作为路面与车体间传力的唯一媒介，在车辆动力学中有着重要的作用，轮胎模型的选择直接影响着分析结果的准确性.因此，本文采用Pacejka提出的魔术轮胎模型冏，其在常规工况与极限工况下都具有较高拟合精度.魔术公式的一般表达式为(y(x)=Dsin(CarctanRv-E(Bx-arctanBx)脸*+S"IH福心踱舞灌!1向运动图17-D0F车辆动力

13、学模型Fig.i7-DOFvehicledynamicmodel+(v+Lco)sin5定律可得车辆运动学方程.车辆纵向运动微分方程为'气=cosi+Ffrcos_Ffisin-FsinF+Fy_frt_rr式中：W为整车质量；0=5(/tVft?),为纵向加速(4)式中：洗输出变量；炳输入变量；&C、D、E分别为刚度因子、形状因子、峰值因子、曲率因子；Sv、Sh分别为水平方向漂移、垂直方向漂移.车轮运动微分方程为，-心=丁广匚邛诲耻“(5)式中：人为车轮转动惯量；g为车轮角速度；口1,fi-,11,1T；7；为车轮转矩；&为车轮半径；F为各车轮所受垂向载荷；F为各车轮

14、所受纵向力各甲中心遂度为bLv=1v±-cotoxjnx2Iv=-±应口x2式中n=I,r.车轮侧偏角为4max（s式中i=fl,fr,rl,rr.1.2二自由度车辆理想模型线性二自由度车辆模型，其模型结构简单，包含的车辆特征参数较少，但能够很好地反映车轮转向角与质心侧偏角及横摆角速度的关系.因此，本文使用线性二自由度模型作为所设计控制器的参考模型.管铲吼Ik甲=一少+-1可4mvt岫/*zmvKIkl2k-l-kIkLfSL式中：k、k,分别为前轴、后轴的侧偏刚度；坟、Vv分别为纵向车速和侧向车速；S为前轮转角；处为横摆角速度；k、A分别为质心到前、后轴距离.当车辆处于稳

15、定状态时,0与成均为0,则期I，叫IJk-望横摆角速度和期望质心侧偏角的计算结果为Ii+W式中：为轴距；硬）稳定性因数，2分层控制策略2.1分层控制结构分层控制结构因其层次之间目标明确、相对独立，.目.能够很好地协调各子系统间的工作而在汽车底盘集成控制系统中得到广泛应用.本文的AFS、DYC和ASR集成控制采用上、下两层设计，其结构如图2所示.从图2中可知，本速度与质心侧偏角的跟踪误差计算出维持车辆稳定性所需的附加横摆力矩，并联合滑移率门限控制计算出分配给DYC与AFS控制模块的权重.执行层通过对车辆驱动/制动系统以及转向系统的控制以实现车速跟踪，滑移率控制与车辆稳定性控制.'伺城图2

16、分层控制结构Fig.2Structurediagramofhierarchicalcontrol2.2决策层2.2.1附加横摆力矩计算车辆主动安全控制运用的方法分为线性控制与非线性控制.线性控制方法包括极点位置控制、P1D控制、LQR控制等.而非线曜制方法则包括滑模控制、模糊控制、自适应控制、神经网络控制等叫滑模控制（slidingmodelcontrol,SMC）相对于其他控制方法,其非线性表现为控制的不连续性，该特点使得外界扰动对滑模运动的影响较小，鲁棒性较好（山.因此，本文所设计的控制器利用由线性二自由度车辆模型得出的横摆角速度、质心侧偏角的期质心侧偏角跟随所需的附加横摆力矩仇心,进一步

17、依据车辆相平面稳定判据，采用线性权重法，获得最终附加横摆力矩M.SLA+以(式中C,为误差和误差变化率之间的相对权重系数，%。选择等速趋近律作为滑模趋近律的方式，即M=KsgnSg则成=泓风1,%+-7Ur>l2k+l2kIkNM",71'rCt):4f/_效exp(13)推出由横摆M=-an推出由横摆M=-an计髡雪取附力糠摆木磐为ce0+''+”十/jv衣一_ci).n?+Kmsgn七)(14)同理，由质心侧偏角计算所得的附加横摆力矩AM=-/AM=-/Ik-Ik"+K/SgnSp+ce+PP屁T(15)质心侧偏角附加横摆力矩与横摆角速度附

18、加横摆力矩权重的具体分配逻辑为通过少-疗相平面图判断车辆的运动状态：若车辆处于失稳状态，则采用质心侧偏角跟随控制输出最终附加横摆力矩；若车辆未处于失稳状态，则按照线性分配方式，联合耕虹与AM。决策出最终附加横摆力矩.线性分配方法如式(16)所示.IM+0I0=0B、.加/?+0|I必+仞P=BB(，6)II必01>1式中哪制祸隔矗数Tab.lPhase-planestabilitycriterionparameter路面附若系数B20.8WM1.00.3575.5730.6M/<0.80.3574.6540.4W女<0.60.3034.2280.2</<0.40.

19、2973.345#<0.20.2842.577附加横摆力矩模块经加权输出的最终附加横摆力矩AM为M=pAA/"(-)、(17)2.2.2基于模糊PI的力矩分配车辆失稳多是由于侧向力的缺失所导致，故本文联合AFS、DYC与ASR的策略如下：DYC为布用顺蹄懈雌蜥号再YC模块与AFS模块的附加横摆力矩进行分配，控制器的输出为权重比例分配系数q.滑移率可反映轮胎纵向力的富裕程度，在大多数工况下,滑移率在0.150.20的区间到达峰值.为了使控制器适用于所有工况，因此取滑移率在0.15时到达峰值，故AFS在滑移率未达到0.15时介入.此时轮胎纵向力会在留有一定裕度的同时，开始利用侧向力

20、以获取所需横摆力矩.本文设定阈值为0.()5,即滑移率大于0.05时"醐PI控制器启动.其中，模糊PI控制器设计如下：将误差c、误差变化de、版啊系数与以及枳分系数分别定义7个模糊子集一：NB、NM、NS、Z、PS、PM、PB.分别代表了负大、负中、负小、零、正小、正中、正大的模糊概念.误差e的论域为T,P.6,P3,0,03,0.6,1,误差变化率de的论域为E,-4,-2,0,2,4,6J,输出量Mp与的论域均为-6,-4,-2,0,2,4,6.2.3执行层AFS控制模块由车辆几何结构与轮胎侧偏特性可知，当需求附加横摆力矩为AMafs时，AFS子模块输出的附加转角网为2.3.2车

21、速跟随控制模块设计了PI控制器如图3所示，由车辆的期望车速与实际车速，通过PI控制方法得出实现车辆速度跟随所停的总纵向力矩rvx.e=u-u,、ud(19)vxu式中：峋、U分别为理想车速与实际车速；£为踏板开度3沱|0,1M、A为PI控制器参数；A为速度系数，由电机最大房矩决定.1/5(20)(20)图3P【车速跟随控制器Fig.3PIvehiclespeedtrackingcontrollerASR控制模块采用比例P控制滑移率.当滑移率小于最优滑移率0.15时，不开启该滑移率控制模块；汽滑移率超过0.15时，采用比例控制反馈方式，降低输出转矩.3.1.1 DYC控制+最优分配模块

22、本文采用最优分配策略将决策层计算出的附加横摆力矩Mdw分配给各个车轮.设计优化分配的目标函数为T2minJ=minVk尸r具体的约束条件为<T.T.T+T_T2rn2rfr2r112r"""式中7；、7；、孔、7；分别为左前、右前、左后、右后车轮的转矩.由拉格朗日乘子法即可求得分配给各车轮力矩的最优解为T=Z2-S,-“乎+"/项flz.nU2F2T明M尸uz.rr_bZ_rrDYC(21)22尸+服rrzrrfrzfrT=vx_DYC_r厂TBr,T=A-x4-AMDYC_Tfr2Wn式中坊、为、角分别为左前、右前、左后、右后车轮所对应的路面附着

23、系数.3仿真试验本文选取车辆模型的主要参数如表2所示.表2车辆技术参数Tab.2Vehicletechnicalparameter参数量值参数量值zn/kgI900Ap/m0.5"Wkg1540/：/(kgm2)2900Bf/m1.6/»/(kgnr)2.951.6妇(Nrad)-10.354Z-t/m1.3160000£r/m1.41600003.1单移线操作仿真试验首先通过单移线开环工况仿真，来评价集成控制策略的控制效果.针对车辆以高速在雨雪路面行驶的工况，选取车速为90km/h,路面附着系数为0.4,前轮最大输入转角为10。.在该工况下，将AFS/DYC/A

24、SR协同控制的控制效果DYC单独控制的控制效果与无控制的效果进行了包含横向位移、横摆角速度、相平面图、纵向车速、车轮滑移率与电机输出转矩6个维度的对比，车辆状态响应如图4所示.从图4(b)车辆的横向位移可以看出，在不施加控制的情况下，车辆无法完成单移线操作，而DYC单独控制与联合控制均能够通过对横摆力矩的控制角-质心侧偏角速度相平面图.从图4中可以看出，无控制时，横摆角速度因路面能提供的侧向力不足而出现较大振幅的振荡旦质心侧偏角-质心侧偏角速度相平面图无法收敛；而与单独的DYC控制相比，联合控制可以准确地跟踪期望的横摆角速度，其响应速度相对更快，且由于联合控制可以基于滑移率对前轮转角进行主动修

25、正，其控制效果更好.图4(c)为车辆纵向车速,可以观察到DYC单独控制与联合控制均能较为有效地实现车速保持，而联合控制在车速保持方面有着一定的优势.图4表明，联合工况下的滑移率远远低于DYC单独控制下的滑移率，其尖峰值降低了36.8%.(e)纵向车速仃)不同控制下各车轮的滑移率(g)不同控制下各车轮的电机扭矩图4单移线工况下车辆状态响应Fig，4Vehicle-stateresponseundersingle-lanechangecondition由轮胎的摩擦椭圆特性可知，通过联合控制能够获得更大的轮胎纵向力裕度，以提供紧急状况下的驱动/制动力.图4(g)为DYC工况与联合工况下各车轮的电机转

26、矩，结合图4(a)可以看出，在3.4s、5.3s时AFS的介入使得在该控制策略下，车轮输出转矩尖峰值最多降低了13.5%,更加节能.3.2双移线操作仿真试验在路面附着系数为0.4、车辆行驶速度为100km/h的工况下，给方向盘转角以幅值为2、频率为2兀/3的正弦信号输入，用来模拟车辆在附着条件较差的高速公路I.进行道路切换与复位的双移线操作，车辆状态响应如图5所示.£81(b)横向位移瞬耳tl蹴3T畛耗nIlJSfCrr阪”<c)不同控制下各车轮的滑移率仃)不同控制下各车轮的电机扭矩图5双移线工况下车辆状态响应Fig.5Vehicle-stateresponseunderdou

27、ble-lanechangecondition图5(b)为车辆的横向位移，可以看出，在不施加控制的情况下，车辆无法完成双移线操作，而联合控制与单独的DYC控制均能实现双移线操作，使车辆按照预期的轨迹行驶，且联合控制的效果相对更佳.从图5(c)不同控制策略下横摆角速度的响应结果中可以看出，无控制工况下，车辆无法良好地跟随理想横摆角速度，而与单独的DYC控制相比，联合控制可以准确地跟踪期望的横摆角速度，响应速度相对更快，控制效果更好，且在相同控制器参数下,控制器抖振更小，具有更强的鲁棒性.图5(d)为不同控制策略下的质心侧偏角-质心侧偏角速度相平面图，从图5中可以看出，联合控制与DYC单独控制下的

28、车辆均处于稳态区域，而无控制车辆已经失稳，这在横向位移与纵向车速中也有着相应的显示.图5(e)表明，联合工况下的滑移率远远低于DYC单独控制下的滑移率，其尖峰值降低25.6%,能够获得更大的轮胎纵向力裕度，以提供紧急状况下的驱动/制动力，获得更大的安全保障.图5(f)为DYC工况与联合工况下各车轮的电机转矩，结合图5(a)可以看出在2.8s、6.3s时主动前轮转向系统的介入使得联合控制策略下，车轮输出转矩尖峰值最多降低了7.1%,经济性更好.图5(g)为车辆纵向车速，可以观察到联合控制在车速保持方面有着一定的优势，若不施加主动控制难以较好地完成对目标车速的跟随.4结语本文设计了一种基于分层控制

29、结构的AFS/DYC/ASR集阚部系统.其中，决策层计算出横摆力矩并联合ASR分配给子系统.执行层控制驱动/制动力与前轮转角，以实现纵向车速、滑移率与车辆横摆稳定性的控制.仿真结果表明，本文所设计的主动前轮转向、直接横摆力矩与驱动防滑的联合控制策略能够有效控制车辆的纵向速度与滑移率，提高车辆的操纵稳定性.即使车辆以较高速度在低附着系数路面上行驶，仍能保证其具有较好的稳定性能.此外，该控制策略能够有效降低轮毂电机的输出扭矩,在经济性方面有着良好的表现.参考文献：1 郑水波，韩正之，唐厚君.汽车稳定性控制JL自动化博览,2005(4)：27-29.ZhengShuibo,HanZhengzhi,T

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