汽车非线性动力学与稳定性控制

1、汽车非线性动力学与稳定性控制汽车非线性动力学与稳定性控制汽车动力学稳定性控制技术进展汽车动力学稳定性控制技术进展提纲提纲汽车瞬态非线性动力学建模二二失稳过程测量与预判三三动力学稳定性控制算法四四研究背景一一小结五五2国际技术发展趋势3初期：致力于改进轮胎、悬架、转向与传动系来提高汽车固有的操纵稳定性。上世纪80年代起，ABS、ESC、主动悬架、SBC、主动安全带、ACC、安全辅助系统。政府主导安全计划：日本先进安全车（ASV），欧盟e-Safe。一、研究背景我国技术与行业现状我国技术与行业现状交通安全形势严峻，交通事故伤亡 10万人/年；自主开发汽车安全等级较低；主动安全系统严重依赖国外技术与

2、产品；关键零部件技术自主发展缓慢！一、研究背景uESP是汽车动力学与控制领域最核心技术代表，其系统构成最早由Van Zentan等提出。目前被德国Bosch、美国TRW等少数企业垄断。u采用ESP成为解决汽车稳定性控制、提高主动安全的首要技术手段。据统计采用ESP能将交通事故伤亡率降低30%以上。u美国、欧盟自2012年期实施法规，强制安装ESP。4ESP系统构成ESP工作原理ESPESP：汽车动力学稳定性控制系统：汽车动力学稳定性控制系统ABSABS：汽车制动防抱死系统：汽车制动防抱死系统TCSTCS：牵引力控制系统：牵引力控制系统AYCAYC：主动横摆力偶矩控制系统：主动横摆力偶矩控制系统

3、 我国ESP技术缺失，自主品牌出口欧盟因ESP技术缺失无法满足新的安全法规要求。“华晨再遭欧洲碰撞门华晨再遭欧洲碰撞门 ，骏，骏捷缺少捷缺少ESPESP被判零星被判零星” 中国汽车报中国汽车报，2009.4.32009.4.3 课题组ABS关键技术，曾获中国汽车工业科技进步一等奖（2005） 突破ESP关键动力学与控制核心技术成为我们近年来的攻关重点。一、研究背景5l关键科学问题关键科学问题u ESP控制在稳定、欠稳定区域效果明显，但仍无法防止汽车完全失控事故发生。 NHTSA Report，DOT HS 810 794，July，2007.u 本人在2008年，提出了汽车失稳临界区域概念，界

4、定ESP由稳定滑向失稳过程，临界失稳时汽车由准稳态向瞬态非线性快速过度，过度时间100ms量级。稳定、欠稳定区稳定、欠稳定区失稳临界失稳临界l研究目标研究目标u 开展失稳临界区域汽车动力学稳定性控制研究，揭示汽车失开展失稳临界区域汽车动力学稳定性控制研究，揭示汽车失稳稳机理，研究失机理，研究失稳稳防止防止控制算法，研制动力学稳定性控制器。在实现控制算法，研制动力学稳定性控制器。在实现ESPESP基本功能样机基础上，进一步向失基本功能样机基础上，进一步向失稳临界区域拓展，全面防范汽车极限工况失稳。稳临界区域拓展，全面防范汽车极限工况失稳。6一、研究背景研究体系研究体系3三个关键问题三个关键问题：

5、1）非线性瞬态动）非线性瞬态动力学力学定量分析定量分析2）失稳过程测量）失稳过程测量与预判与预判3）稳定性）稳定性控制算控制算法法三个关键问题三个关键问题：1）非线性瞬态动力学）非线性瞬态动力学定量定量分析分析2）失稳过程）失稳过程测量与预测量与预判判3）稳定性）稳定性控制算法控制算法7批准号批准号负责人负责人项目名称项目名称经费经费5057512050575120宋健教授宋健教授基金面上项目：基于驾驶员驾驶意图识基金面上项目：基于驾驶员驾驶意图识别的汽车动力学稳定性控制方法别的汽车动力学稳定性控制方法2525万万5090509250905092李亮李亮青年基金项目：失稳临界区域汽车动力青年基

6、金项目：失稳临界区域汽车动力学状态实时观测与稳定性控制方法研究学状态实时观测与稳定性控制方法研究2020万万5127555751275557李亮李亮基金面上项目：汽车失稳临界区域非线基金面上项目：汽车失稳临界区域非线性瞬态动力学定量描述理论和模型预测性瞬态动力学定量描述理论和模型预测控制方法研究控制方法研究8484万万5142250551422505李亮李亮优秀青年基金：汽车三维空间稳定性机优秀青年基金：汽车三维空间稳定性机理与多安全系统协同理与多安全系统协同100100万万0404专项专项李亮李亮ESPESP全工况性能模拟测试试验台研制全工况性能模拟测试试验台研制620620万万基金支持基金

7、支持4一、研究背景汇报内容汇报内容汽车瞬态非线性动力学定量分析二二失稳过程测量与预判三三动力学稳定性控制方法四四研究背景一一小结五五8二、汽车瞬态非线性动力学定量分析面向面向控制动力学建模控制动力学建模1面 向 结 构 建 模 ：ADAMS模型4轮15DOF模型实时仿真4轮7DOF模型在线控制修正的HSRI轮胎非线性建模整车与整车与轮胎动力学参量轮胎动力学参量耦合：耦合：轮胎轮胎参量：参量：, , , Fz, Vwh整整车参量：车参量：ax, ay, Vx, , stl 实现了实现了HSRI物理特征模型在大联合滑移的非线性区物理特征模型在大联合滑移的非线性区域内根据运动参量在线修正的建模方法，

8、解决了轮域内根据运动参量在线修正的建模方法，解决了轮胎模型精确定量化与运算实时性同时满足的难题。胎模型精确定量化与运算实时性同时满足的难题。l 模型精度：偏差模型精度：偏差10%，16位机单位机单次运行时间次运行时间 3ms9二、汽车瞬态非线性动力学定量分析面向面向控制动力学建模控制动力学建模14 4轮轮7DOF7DOF模型模型：在线控制：在线控制修正的修正的HSRIHSRI轮胎瞬态非线性建模轮胎瞬态非线性建模模型模型耦合耦合u 轮胎：, , , Fz, Vwhu 整车：ax, ay, Vx, , stl 实现了实现了在在大联合滑移的非线性区域内根据运动参量在线修正的建模方法，解决了大联合滑移

9、的非线性区域内根据运动参量在线修正的建模方法，解决了模型精确定量化与运算实时性同时满足的难题。模型精确定量化与运算实时性同时满足的难题。l 模型精度：偏差模型精度：偏差10%10%，1616位机单次周期位机单次周期 低附12二、汽车瞬态非线性动力学定量分析动力学参量动力学参量观测：观测：轮胎轮胎-路面动态附着路面动态附着u 联合工况路面联合工况路面动态附着动态附着特性特性31310203040500100200方向盘转角SWA/deg102030405030405060车速Vx/(km/h)10203040500246侧向加速度t/say/(m/s2)102030405000.20.4横摆角速

10、度t/sWr/(rad/s)102030405000.30.60.91.2t/s附着估算值广义滤波前后的附着 滤波前滤波后二、汽车瞬态非线性动力学定量分析动力学参量动力学参量观测：观测：轮胎轮胎力及其参数力及其参数4-5000-4000-3000-2000-10000100020003000400050000100020003000400050006000垂直载荷5KN纵向力/N侧向力/N =2deg=4deg=6deg=8deg=10degkkCaijijkkFFyijijkkCijijx112112(02)222kkkkkkRAPi i TJeij weije geeijRRTTJkkwF

11、=axijxijRJk nkwRAPaeij wexijijRijR) (驱动轮 (自由轮) 14发表在发表在 SCISCI期刊期刊 Int.JInt.J. Vehicle . Vehicle DesignDesign 论文被引用论文被引用1010余次。余次。韩国韩国HanyangHanyang大学大学 Kunsoo Kunsoo HuhHuh教教授授在在IEEE.TransIEEE.Trans. VT. VT 期刊论文中引用本研究期刊论文中引用本研究成果成果，认为：，认为：“提出的非线性近似观测器实现提出的非线性近似观测器实现了轮胎力和轮胎参量的了轮胎力和轮胎参量的同步同步实时观测实时观测”

12、，并在其论文中进一步引用经本人修正，并在其论文中进一步引用经本人修正的的HSRIHSRI轮轮胎模型胎模型用于汽车横向运动监控。用于汽车横向运动监控。二、汽车瞬态非线性动力学定量分析动力学参量动力学参量观测：观测：车身侧偏角车身侧偏角5车载传感器采集信号E K F 卡 尔曼滤波侧向速度观测基 于 7 自由度车辆模型的侧向加速度预估方向盘转角轮缸压力（估算）轮速纵向加速度车速（估算）横摆角速度侧向加速度预估侧向加速度ya侧向速度方向盘转角轮缸压力（估算）轮速车速（估算）横摆角速度纵向加速度前一时刻侧向速度路面附着系数实时估计名义横摆角速度横摆角速度偏差预估侧向加速度 yV侧向速度yV路面附着系数实

13、车路面附着系数路面附着系数yV侧向速度yayV侧向速度侧向速度观测器双移线实验双移线实验：成果成果发表在发表在Int. Int. J. J. VehVeh Design Design，Int. J. Int. J. Auto TechAuto Tech等等SCISCI期刊上，期刊上，土耳其土耳其ToosiToosi科技科技大学大学KhaknejadKhaknejad 教授教授认为认为“提出了一提出了一种种侧偏侧偏估算估算算法，并在不同路面上验证了其算法，并在不同路面上验证了其鲁棒性鲁棒性”，韩韩国科技大学国科技大学Y.CHOY.CHO教授指出本人论文教授指出本人论文“综合比较分析了所开发不同自

14、由度非线性模型并评综合比较分析了所开发不同自由度非线性模型并评述了模型的非线性特征述了模型的非线性特征” ” 。15汇报内容瞬态非线性动力学定量分析二二失稳过程测量与预判三三汽车动力学稳定性控制四四研究背景一一小结五五16三、失稳过程测量与预判汽车动力学测量与分析汽车动力学测量与分析1高斯投影坐标变换 国内国内首款可实现精确非线性动力学量测实车试验首款可实现精确非线性动力学量测实车试验平台平台: 测量整车动力学参量多大33个。17l 带基站差分GPS：2cm测姿；l 采用6轴IMU+3轴磁力计解耦横向加速度与侧倾加速度；三、失稳过程测量与预判极限极限工况操纵特性分析工况操纵特性分析2p 模型精

15、度：最大位置偏差比传统最优预瞄驾驶员模型下降50%，最大横摆偏差下降28% 闭环测试需驾驶员模型 没有适用于极限工况的驾驶员模型：较好实现路径规划、高精度轨迹跟随，且考虑边界约束。 最优预瞄驾驶员模型原理清晰、结构简单、应用方便、精度较高，应用比较广泛。 代表论文：代表论文：Comprehensive lateral driver model , Int. J. Auto. Tech. 预瞄时间自适应最优预瞄驾驶员模型，机械工程机械工程学报学报18转向可响应分析三、失稳过程测量与预判失失稳预稳预判判3稳定性预测判据剔除异常操纵19汇报内容汽车瞬态非线性动力学定量分析二二失稳过程测量与预判三三动

16、力学稳定性控制四四研究背景一一小结五五2021四、稳定性控制算法汽车稳定性控制基于驾驶意图识别的控制方法轮胎-地面附着控制驱动转矩控制基于模型的预测控制方法制动力矩控制解耦解耦123驾驶意图识别驾驶意图识别转向操纵控制目标预测四、稳定性控制算法基于驾驶员驾驶意图识别的基于驾驶员驾驶意图识别的动力学稳定性控制动力学稳定性控制1主控变量： 横摆角速度辅助控制变量：侧偏角原因：1）横摆角速度偏差直接反映了转向特性和品质2）横摆角速度是直接测量的变量，可靠性高3）侧滑时不足以反映汽车的失稳状态，辅助以质心侧偏角（低附路面）侧向力主导型失稳：稳态横摆角速度偏差控制运动诱导型失稳：瞬态迟滞与超调控制稳定性

17、控制方程稳定性控制方程00.511.522.533.544.55-2000200时 间 t/s方向盘转角sw/0 20 40 60 80 100120140-100 10 20 纵 向 位 移 x/m侧向位移y/mu研究成果被国家自然科学基金委国家自然科学基金委20092009年发表的加强基础，倡导年发表的加强基础，倡导创新，规范管理，引领未来创新，规范管理，引领未来- -NSFC NSFC 机械学科年度结题项目评机械学科年度结题项目评述述 中作为机械系统动力学领域代表性成果加以介绍。22四、稳定性控制算法稳定性预测控制稳定性预测控制2u 提出基于非线性动力学模型的横摆角速度响应预测控制方法转

18、向特性预判上图：偏差在初期较大，滞后判断为不能跟随，容易过度干预中图：对转向状态的判断比较滞后下图：融合上面两种情况的优点0246810-200-1000100200时 间 /s(a)转向盘转角 /()02468100510152025时 间 /s(b)车速 /m/s ESC开ESC关0246810-0.500.511.52时 间 /s(c)横摆角速度 /rad/s ESC开ESC关02468100246810时 间 /s(d)轮缸压力 /MPa 左 前右 前左 后右 后020406080100120140160180-10010203040轨 迹 x坐 标 /m(e)轨迹y坐标 /m ESC

19、开ESC关 代表论文：代表论文：SCISCI 3 3篇篇：Real-time yaw rate prediction based on nonlinear model , J. Automobile Engineering.A torque-based nonlinear predictive control approach. J. Automobile Engineering.Multi-state control strategy of starting for wet friction clutch . Int. J. Auto. Tech.23四、稳定性控制算法扭矩与主动制动解耦控制

20、扭矩与主动制动解耦控制3扭矩滑膜控制扭矩滑膜控制101110111100011011()(2()iiiiiwixiiidisckcuRsatRuTF RJTk cuk uk cRk cR压力滑膜控制压力滑膜控制111111111111111111()(2( )iiiiibiwixiiidisckcuRsatRuTTF RJTkcukukcRkcR 代表代表论文：论文：SCI 1SCI 1篇篇PID plus fuzzy logic method for TCS, Int. J. Auto. Tech.Coordinated Vehicle Traction Control , Vehicle

21、System Dynamics .l ESP/TCS 控制中，动力性和平顺性有一定的矛盾：控制扭矩和压力协调不好会对耗；l 路面突变时，如何快速调整且过渡平顺，是控制的难点Int. J. Automotive Technology Chief editor: Prof. Simsoo Park:“You had done many works on TCS development, Simulation study, HILS test, and vehicle test It will be very helpful to researchers who want to develop si

22、milar control system.”24四、稳定性控制算法动态附着控制：强动态附着控制：强驱动抖振驱动抖振防止防止4振动度（vibration degree）0( )( )( )( )tPIDpiddE tTtK E tKE t dtKdt0( )( )( )( )tPIDpiddE tTtK E tKE t dtKdt02468101201020304050(a)Velocity/Km/h 024681012010203040(b)Torque/Nm 02468101200.10.20.30.4(c)Pressure/MPa 024681012050100(d)Time/sVibration Degree vflvfrvxTaPflPfr TRW ESP02468101201020304050(a)Velocity/Km/h vflvfrvx024681012-1000100200300(b)Torque/Nm TtarTa02468101200.511.522.5(c)Pressure/MPa PaflPafr024681012050100(d) Time/sVibration Degree 消抖控制效果消抖控制效果 先后两篇论文发表在本领域顶级期刊上：先后两篇论文发表在本领域顶级期刊上：Coordinated Vehicle Tractio