侧翻稳定性的脉冲主动后轮转向技术研究

SUVRolloverControlUsingPulsedActiveRearSteeringZHANGYubiaoB.E.(HunanUniversity)AthesissubmittedinpartialsatisfactionoftheRequirementsforthedegreeofMasterofEngineeringAutomotiveEngineeringintheGraduateSchoolHunanProfessorAMIRKhajepourApril,摘要在过去的20年里，汽车侧翻已经成为一个重要的安全问题。自从上世纪90年代以来，随着SUV汽车在全世界范围的流行和普及，汽车侧翻的事故数量也迅速增多。不仅如此，国内的SUV市场也迅速增长，而价格低廉，性能较差的国产SUV占主要部分，导致汽车侧翻问题逐渐严重造成了重大的人员伤亡和巨大经济损失。由于SUV的重心通常高于普通乘用车，悬架跳动行程也大于普通乘用车，而且行驶路况复杂多样，所以更容易发生侧翻。目前侧翻主动控制技术主要有4类：半主动/主动悬架控制，主动转向控制，差动制动控制，联合控制。本文分别阐述了每种技术的原理及优劣，基于现有技术提出了一种新的脉冲主动转向技术来控制汽车高速急转弯工况下侧翻动态稳定性。进行了以下方面的研究：首先本文以SUV整车为研究对象，建立了3自由度动力学模型，包括侧向、横摆与侧倾运动。在此模型的基础上，考虑轮胎特性对汽车稳定的影响，采用了线性的轮胎动力学模型。此外，确定了评估汽车稳定的指标参数，选择汽车侧翻R作为汽车侧翻评估参数，给PARS控制器设计提供控制依据。接着，详细介绍了PARS系统，从PARS概念，转向脉冲信号的设计及参数优化，控制器的选择和设计，为系统的仿真及试验做好预备。为了验证本文PARS系统的可靠性和有效性，利用CarSim动力学软件建立侧翻模型和进行联合仿真，在J-turn、双移线和Slalom工况下对防侧翻控制功能及工作效果行了验证。此外，设计并加工出了该技术的物理原型以及控制模块，安装在某SUV上进行调试。采用GPS和惯导仪系统测量汽车运动及姿态各个参数并和控制器进行反馈。系统性能验证后在典型道路工况进行了试验，包括阶跃转向，双移线，Slalom等工况。最后，仿真结果和道路试验均表明：控制系统很好的实现了SUV侧翻控制功能，PARS防侧翻主动控制系统对正常行驶时的汽车无干扰，而在汽车即将失去稳定性发生侧翻时，对防止汽车的侧翻有非常有效的改善。本文为进一步深入研究提供有价值的参考和指导作用。：运动型多功能汽车，车辆动力学，侧翻稳定性，脉冲主动转向，道路试Forthelasttwodecades,motorvehiclerollovercrasheshavebeenaserioussafetyproblem.WiththeincreaseinpopularityofSportsUtilityVehicles(SUVs)since1990s,in2002,statisticsreleasedbytheNationalHighwayTrafficSafetyAdministration(NHTSA)showedthatnearly11,000werekilledinrolloveraccidentswith25%oftheseridinginaSUV.Thisnumberincreasedto33%in2008.DuetoSUVspossessingahighercenterofgravityandsuspensioncharacteristics,andconsequentlyalowerstaticstabilityfactor,thevehicleismorelikelytorollover.Thisisespeciallytrueformaneuverssuchasdrivingfastduringsharpturns,obstacleavoidance,andrapidmultiplelanechanges,whererolloversoccurasadirectresultofthetiresshiftingtheload.Differentsolutionshavebeenstudiedtohelpaddressthisproblem.Activetechniquesonvehiclerollovercontrolgenerallyfallintofourcategories:a)Activeorsemi-activesuspensioncontrol, b)DifferentialBrakingControl(DBS),c)ActiveSteeringControl(ASC)andd)IntegratedControl.ThisthesisproposedanovelactivesteeringtechniquenamedPulsedActiveRearSteeringSystem(PARS)forenhancingvehicularstabilitytoreducethelikelihoodofrolloverformotorvehicles,particularlyforSportUtilityVehicles(SUVs).Themainresearchworksofthethesisareasfollows:Activesteeringcontrolisanefficientapproachusedtoimprovethevehicle’syawandrolldynamics.ThisstudytakestheSUVastheexample,a3DOFmodelisestablishedbyaddingtherollmotiontothesingletrackmodel.The3DOFvehiclemodeldirectlyandaccuraydescribesbasicvehiclecharacteristicsinyawmotion, lmotionandrollmotion.Arollovercoefficient“R”ischosentoestimatetheofarolloverandusedasthecontroller’svariableforPARSInthePulsedActiveSteering(PAS),thefrontand/orrearwheelsteeringanglesareexcitedbyapulsation,whichisaddedorsubtractedfromthesteeringinput.Undertheconceptofpulsedactivesteering,onecontrolstrategycalledPulsedActiveRearSteering(PARS)wasinvestigatedanddiscussedindetail.Todesignthissystem,thepulsesignalparameters(frequencyandamplitude)wereevaluatedtodeterminetheiroptimumvalues.AfullvehiclemodelwasbuiltinCarSimandco-simulatedwith/asthecontrolmodule.SimulationsofJ-turnmaneuver,doublelanechangemaneuverandslalommaneuverareperformedtoverifythePARSsystem.Moreover,wedesignedandprototypedtheproposedsystemforanSUV,andconductedroadtestswithdifferenttypicalmaneuvers.Atlast,ResultsfromsimulationsandexperimentsconfirmedthattheproposedPARSsystemispromisingforSUVrolloverprevention.Thecontrolmoduleshowsefficientresponseonitsfunction.AndthePARSsystemdoesnothaveanydisturbanceundernormaldrivingconditions,itonlyactivateswhenthevehiclelosesstabilityand:SUV,VehicleDynamics,RolloverStabilityControl,PulsedActiveRearSteering,FieldTest目录性................................................................................................摘 第1章绪论 研究背景及意义 汽车失稳及侧翻的原因 汽车侧翻控制研究现状 半主动/主动悬架控制 直接横摆力矩控制/差动制动控制 主动转向控制 集成转向制动联合控制 脉冲主动转向技术 内容及结构 第2章侧翻动力学建模与验证 引言 三自由度侧翻动力学模型 轮胎模型的考虑 “魔术”轮胎模型 联合工况下轮胎侧向力学特性 汽车侧翻评估指标 汽车侧向加速度和汽车侧倾角 汽车横向载荷转移率 本章小结 第3章脉冲转向系统设计 引言 PARS系统概念 转向脉冲信号 转向脉冲频率设计及优化 转向脉冲的幅值设计及优化 控制器的选择和设计 PID控制 开关控制 本章小结 第4章PARS系统仿真分析 引言 CarSim介绍及应用 动力学模型的建立及参数说明 联合仿真控制结构 J-turn工况仿真 双移线工况仿真 Slalom工况仿真 本章小结 第5章PARS试验与分析 引言 试验车的选型 PARS设计及试验车改造 基于GPS和惯导仪的测量系统 GPS系统 惯性导航系统 试验设备及系统 道路试验 阶跃转向下转向频率的对比分析 阶跃转向工况试验 双移线工况试验 前轮阶跃输入下的等速圆周运动 等速圆周运动下正反转向对比 Slalom工况试 本章小结 总结与展望 参考文献 致 附录A攻 期间所的学术 1章绪论研究背景及意义自上世纪90年代以来，随着经济的发展和生活水平的提高，多功能运动型汽车（SportUtilityVehicle,SUV）越来越受到人们的青睐。SUV一般以轿车平台为基础，在一定程度上既具有轿车的舒适性，又具有一定越野性的车型。越野车的最大特点是通过能力较强，同时也具有一定的载货能力，但运动性、舒适性并不SUV把很好地平衡了越野车这些不足之处，它的特点是强动力、越野性、宽敞舒适及良好的载物和载客功能。由此，对悬架系统和底盘控制提出了更高的要求。影响汽车乘坐舒适性的首要因素是车辆的振动，降低悬架系统的刚度和阻尼可以减少车辆的振动，但是车身侧倾角会变大。而SUV较一般轿车质量大、质心高，悬架独特，且行驶路况较差，因此SUV在转向时更容易产生车身侧倾甚至侧翻，侧倾对驾驶员的视觉点和姿态变化有很大影响，侧倾过大容易使驾驶员产生疲劳与不安全感。随着SUV的普及，侧翻事故导致的数量也急剧增加，在1999年，高速公路交通安全管理局(NationalHighwayTrafficSafetyAdministration,NHTSA)公布的数据显示，在100起汽车侧翻事故中就有19起发生SUV上。2002年，近1100人在侧翻事故中丧生，其中有25%是发生在SUV上[1]，这个数据在2003年增长了6.8%[2]。汽车侧翻事故带来的危害是非常致命的[1~5]。国家交通部门测试数据还表明，在每10000辆的汽车中，侧翻事故中SUV的致死率是普通乘用车近3倍之高[2~5]。此外，比起其他类型的汽车，SUV侧翻事故的性也显著偏高[6~10]。如图1.1所示，统计了SUV和非SUV在交通事故中率。不难看出，在SUV翻车事故造成的最严重，在财产损失和人员伤亡比例都比非SUV要高得多。由于这种高比率的致命伤亡，SUV侧翻的安全性大大阻碍了SUV发展，同时也到消费者的生命安全。图1.1SUV和非SUV在交通事故中率与此同时，SUV汽车的需求量却日渐增长，已经成为一个家庭常用的汽车。就国内而言，近6年来，我国的SUV市场开始迅速增长，如图1.2所示，根据中汽车工业数据统计，2007年的销售量为35.7万辆，到2013年SUV销量猛303.9万辆。另一方面，价格低廉，性能较差的国产SUV占主要部分，造成汽车侧翻引起的重大交通事故也在不断增加，造成了严重的人员伤亡和巨大经济损失。然而，关于SUV出现的严重安全隐患却被制造商隐藏了，没能让消费者清楚了解，如此严重的安全隐患已不能被忽视。因此，对于汽车的侧翻问题进行分析研究，提高汽车的抗侧翻能力，减少侧翻事故的发生，已成为近年来世界汽车研究的焦点。基于上述问题，本文针对SUV侧翻安全问题，提出一个可行的解决方案具有重要的研究价值和意义。1.22007年-2013SUV销量趋势及占比汽车失稳及侧翻的原因汽车为什么会失去稳定甚至发生侧翻，这是进行汽车稳定性分析和控制时首先要解决的问题。由于汽车运动的变化从根本上说是通过改变轮胎各个方向的力来实现的，汽车稳定性与轮胎在相应工况下的力学特性有密切关系，以下是对汽车失稳及发生侧翻原因的分析[11]。汽车转向运动的实质是汽车的横摆运动，这种转向运动所需的向心力来自轮胎的侧向力，而侧向力是来自驾驶员施加在方向盘上一个转角使得前轮产生侧偏角，横摆运动继而使后轮也产生侧偏角。当汽车在大半径的道路下低速行驶时，轮胎的侧向力和侧偏角可看作是线性关系。在这种情况下，汽车的侧偏角是非常小的，所以前轴和后轴的等效侧偏角决定了这种情形的转向特性，一般来说，汽车前轴产生的侧偏角略大于后轴，恰好说明了汽车一般都具有适当的转向不足特性。这对高速行驶时汽车的稳定性有很大积极影响，比较容易在转向的线性区进行操控。其实汽车的失稳多数是在轮胎非线性区发生的，此时侧偏角的增大已经使侧向力达到饱和。比如，当汽车前轴的轮胎达到饱和时就容易发生侧滑，汽车向外偏离预期的轨迹，当汽车后轴的轮胎达到饱和时就容易造成甩尾情形，汽车可能发生侧翻。有很多原因可以引起汽车失稳，以下是汽车失稳的主要原因：首先，汽车在一些特殊行驶工况下，比如紧急转向过度，造成横向载荷转移过大，在一些严重情况下汽车的不足转向会转化成过度转向，从而导致汽车失稳甚至发生侧翻。其次，驾驶员对方向盘施加一个转向角后，汽车产生的横摆角速度有滞后效果，在紧急换道情形下这样的滞后会导致一个很大的汽车横摆力矩，这样的力矩作用在车身上导致很大的质心侧偏角，此时汽车很容易发生失稳甚至侧翻。还有，假设摩擦系数在两侧分布不一样，比如雨雪天气，汽车轮胎处于这样不同的路面上很容易发生驱动/制动或转向失灵，速度高时汽车姿态会严重改变。以上介绍了汽车出现失稳的主要原因。侧翻也是汽车失稳的一种表现形式。汽车侧翻定义为汽车在行驶过程中绕纵轴线出现了转动90度或以上，以至于脱离地面接触的一种侧向运动[12]。汽车侧翻按类型可以分为两类[12]。一类是由于曲线运动引起的侧翻（untrippedrollover），另一类是由于绊倒（trippedrollover）引起的侧翻。前者指的是汽车行驶在道路（包含侧向坡道情况）时，由于汽车侧向加速度或侧倾角超过一定极限值，使得汽车内侧车轮脱离地面或者接近脱离地面而引起的侧翻。结合汽车失稳分析，对于SUV发生侧翻主要有三个原因：SUV离地间隙较大，必然要求SUV的重心离地面高度增加，汽车侧翻静态稳定值会大大减小，产生侧翻的可能性增大。所以，汽车结构设计参数，如重心高度，轮距，悬架和轮胎的特性等都会影响汽车侧翻安全性。SUV作为一种多功能用车，有许多随机因素出现在行驶过程中，SUV要保证汽车在的高速时有很好舒适性，在急速转弯时容易导致较大侧向加速度，由于重心又偏高所以造成较大的侧倾力矩是汽车发生侧翻。SUV的外部行驶环境比较复杂，地形变化多样，比如坑洼的路面以及紧急转弯路况都使得SUV更容易发生严重的侧翻事故。驾驶员的经验水平也是SUV发生侧翻的原因，越来越多女性或年轻人追求时尚SUV，驾驶经验的不足且喜欢高速驾驶汽车，发生紧急侧翻情况不能很好采取应对措施。汽车侧翻控制研究现状在近20多年，国内外学者和汽车生产商对如何提高汽车侧翻稳定性进行了广泛研究。汽车安全问题包含两方面的研究内容：主动安全性(ActiveSafety)和安全性(PassiveSafety)。主动安全性是指如何通过改变和控制汽车侧向运动状态，从而尽量减少或避免交通事故的发生； 安全性是研发过程中考虑抗侧翻性能而确定结构参数及侧翻技术，使汽车在发生事故时尽量减小对乘员的。汽车防侧翻系统的实施可以分为两个阶段[13~14]，一个是对汽车侧翻可能性的预测阶段，该阶段主要是通过汽车的行驶参数来预测汽车发生侧翻的可能性，用来决定是否启动防侧翻主动控制系统；二是当预测汽车侧翻可能超出了值，启动防侧翻系统，通过控制系统来改变汽车行驶状态达到防止汽车侧翻的目的。汽车防侧翻控制系统的关键技术在于通过某种的控制方法在没有发生侧翻时降低这种性。该主动控制技术，目前主要有：半主动/主动悬架控制，主动转向控制，差动制动控制，联合控制等。半主动/主动悬架控制半主动和主动悬架控制措施可以改善汽车的侧翻稳定性，以减少事故的发生。半主动悬架实际上广泛应用于汽车的平顺性研究，通过调节悬架阻尼特性来改善车架或座椅垂直方向的加速度，减小座椅的振幅，降低固有频率，以避免的发生。这样一来，阻尼调整同时调整了悬架侧倾等效阻尼系数，可以一定程度上防止汽车侧翻，提高了汽车的行驶稳定性[16~19]。但是，悬架侧倾等效阻尼系数对汽车侧翻影响其实很小，所以通过调节悬架的阻尼来提高汽车抗侧翻能力是很有限的。另一方面，汽车抗侧翻能力受悬架侧倾等效刚度有很大的影响[14]。在悬架中增加横向稳定杆也是改善汽车稳定性有效方法，稳定杆是调节汽车悬架抗侧倾刚度的结构元件，且对悬架垂直方向的刚度影响不大。D.Cebon教授和D.J.M.Sampson教授在大学汽车动力学团队（CambridgeVehicleDynamicsConsortium,CVDC）设计了主动横向稳定器并安装在重型汽车上，对其防侧翻控制进行研究[19,23]。如图1.3所示是一种主动悬架系统[20]悬架两侧各有一个动作器来调节左右悬架两边的垂直作用力，形成附加的侧倾力矩，补偿汽车失稳发生的侧倾，以此保证汽车的侧倾或侧翻状态。DunwoodyA在悬架中设计了主动系统对侧倾运动进行调节，利用控制执行器力F来调整汽车的侧倾运动，使汽车的侧倾稳定性得到有效改善[21]。LinRC.针对侧翻问题，在调节主动悬架的控制力上采用极点配置方法，大大降低了车辆稳态和瞬态情况下的横向载荷转移率，很好改善了其侧倾稳定[22]。邓兆祥、李显生等国内学者[24~28]对主动横向稳定器及其主动悬架抗侧倾或侧翻也进行了研究，并取得不同程度的效果。总而言之，主动悬架结构复杂，成本高，对舒适性有一定的影响，限制了其在SUV上的应用，但是适合重型卡车防侧翻控制。图1.3式主动悬架控制系统直接横摆力矩控制/差动制动控制早在20世纪90年代初，学者Shibahata等人就提出了直接横摆力矩控制(DirectYaw-momentControl，简称DYC)的概念[28]。它控制的是驱动力和制动力，利用左右车轮制动力差动分配来产生一个主动的横摆力矩用来改善或纠正车辆运动特性，由此提高车辆的稳定性。简单来说，DYC系统是利用了汽车不对称制动会使车身发生偏转的原理，因此也称差动制动控制。差动制动控制[29~30]是利用分配不一样的制动力给到各个车轮上，由此形成附加横摆力矩，来控制汽车侧翻的方法。其优点是制动力矩独立作用在左侧或右侧车轮上，既能够刹车降低车速，还可以在转向过度即将侧翻情形下，产生一个抗横摆力矩从而减小汽车横摆角速度，保证汽车的稳定性。如图所示，分别是转向不足和转向过度情况下，差动制动系统的工作方式[31]。当汽车并没有按照驾驶员的转向意图进行转向，比如路面湿滑等原因，而是向外驶出了驾驶员所预期的轨迹，也称为转向不足，此时差动制动系统对汽车的内侧车轮制动大过于对汽车外侧车轮制动，其合成力如图中的“转向内力”生向内转动的横摆力矩，汽车在该力矩的作用下向内侧偏转，汽车因此回到驾驶员期望的路径上；同样地，假如车身在转向时发生转向过度现象，比如出现甩尾，控制系统便会对外侧车轮制动，形成如图中的“转向外力”，该制动力作用于外侧车身，因此便抵消汽车甩尾的趋势，迫使其回到正常的道路轨迹[32~33]。1.4转向不足和转向过度情况下的差动制动差动制动防侧翻控制在实际应用中不难实现，可利用已经成或已配置的ABS、ESP等技术对每个独立的车轮制动力分配的控制，不需要增加额外的硬件成本。因此，差动制动抗侧翻控制措施受到汽车研究人员及相关制造厂商的极大关注福特公司和德国博世公司进行了差动制动防侧翻控制系统产品的研发B.C.Chen博士利用ABS实现了差动制动系统防侧翻控制[30]。然而，差动制动系统有一定局限性，比如在轮胎两侧路面的附着条件不一样的情况下，如左侧摩擦系数𝜇为0.8，右侧为0.3，此时差动制动控制的效果大大受限。再者，在遇到侧翻时，驾驶员会本能的刹车制动。因为制动可以低速车速，给驾驶员安全感。但是，汽车侧翻总是在短时间内发生，仅通过制动降低车速很难达到防止侧翻的目的。主动转向控制主动转向控制技术是一种可以有效影响汽车横摆和侧向运动的主动控制方法，包括主动前轮转向控制[34~35]和四轮转向控制[34,36~38]。如图1.5所示，为主动前轮转向系统示意图。在主动前轮转向控制方法中，控制器根据汽车侧翻指标反馈信息计算得到输入转向角的大小，前轮转角为驾驶员输入转向角及控制器输入转向角的代数和，根据实际情形需要，可能是两者之和，也可能是两者之差。由此来改善汽车横摆和侧向运动，提高汽车抗侧翻能力。除了主动前轮/后轮转向之外，还有四轮主动转向控制。在四轮转向控制方法，驾驶员的转向操作完成前轮转角的输入，后轮的转角是根据汽车侧倾角或横摆角速度等实时指标反馈来决定的，当车速较低时，后轮转角相反于前轮转角方向，转弯半径减小，提高了汽车低速机动性；在高速行驶中转向时，四轮转向系统的后轮与前轮的同相转向，转弯半径增大，横摆速度减小，有效降低/消除车辆侧滑事故的发生几率，明显改善车辆高速行驶的稳定性及安全性，提高汽车抗侧翻能力。基于主动转向的控制简单高效，能够改变汽车受到的侧向力的大小。但是由于转向轮转向角的变化同时也改变了驾驶员的驾驶意图，从而改变了汽车的理想轨迹。但在整个控制策略的优先次序中,特别是关键情况下,如高速行驶时的紧急避让工况,防侧翻控制应优于对车道保持的控制[35]。所以，主动转向控制对于汽车侧翻稳定性控制是非常值得研究和应用的技术。汽汽车传感器执行器控制器1.5主动前轮转向系统示意图集成转向制动联合控制为了使防侧翻控制系统能够满足各种行驶工况的控制要求，可联合多种措施进行防侧翻控[13,39~42]。这样可以充分利用各种措施的优点，弥补了每种控制的不足之处。主动转向控制主要改变汽车的横摆运动，但是轨迹能力差的不足之处可以由差动制动系统来解决，及差动制动时制动力的与附加力矩的通过改变转向角来进行协调，各个控制系统是相互独立的。JHe[39]等集成了驱动力控制与差动制动并加入了主动前轮转向控制的措施来防侧翻，设计了可控差速器实现驱动力分配控制，当侧向加速度过大时，驱动制动力分配系统产生一个抗侧翻力矩控制汽车稳定；当侧向加速度较小时，利用主动前轮转向控制来提高汽车的性。杜尚谦[42]从车辆动力学以及轮胎在纵向、横向的耦合关系，利用非线性滑模控制理论和PID控制等方法，研究了4WS和DYC两个子系统的集成控制并分析了两者之间的协调和集成控制策略脉冲主动转向技术半主动/主动悬架成本昂贵，结构复杂且作用效果有限；差动制动系统在轮胎两侧路面的附着条件不一样的情况下工作能力大大受限；而主动转向控制只能在轮胎线性区域发挥较好作用。基于以上原因，本文提出了一种新的主动转向技术来控制汽车侧翻，叫做脉冲主动后轮转向技术[43](PulsedActiveRearSteering,PARS)。在脉冲主动转向(PulsedActiveSteering,PAS)的概念中，前轮或后轮的转向信号是脉冲式的，由控制器决定是增加转向还是减少转向。它取代了传统转向中转向角为常数的形式。来自 大学的Kuo[44]和Abdel-Rahman[45]已经对脉冲主动转向应用轮情况下进行了全面深入研究，并且在汽车稳定性控得不错效果，但也使得汽车产生了振动从而对驾驶员产生干扰，影响了其判断及舒适性。本文将对脉冲主动转向应用于汽车后轮，如图1.6所示，过度转向情况下的PARS控制示意图，用于防止SUV侧翻。同时PARS也将消除转向时带给驾驶员的消极干扰。由于本技术是提供更加经济合理的侧翻控制系统，且只有在系统探测SUV有侧翻时发挥作用。所以在侧翻控制系统启动时，只有一个后轮转向来控制汽车稳定性，本文选取外侧后轮脉冲主动转向来实现控制。1.6过度转向情况下的PARS控制内容及结构本以运动多功能汽车（SUV）为研究对象，对由曲线运动引起的汽车侧翻（untrippedrollover）类型进行讨论。目前，国内外学者在对汽车动力学建模和侧翻稳定性机理的分析基本成熟，为不同的主动安全控制技术提供了重要的理论依据。在比较和借鉴国内外研究成果的基础上，提出了基于脉冲主动后轮转向技术，用于控制汽车侧翻稳定性，提高汽车主动安全性。围绕着汽车动力学分析、建立整车模型进行仿真、建立侧翻控制实验平台及整车道路试验为主线进行系统的分析，主要有以下两大部分：理论和仿真部分建立动力学模型。以SUV为研究对象，建立和介绍三自由度汽车动力学侧翻模型，包括横摆模型和侧倾模型。同时考虑到了轮胎模型在侧翻工况下的影响。基于稳定性理论分析了汽车侧翻时动态指标，提出汽车侧翻动态稳定因子用于评估汽车侧翻状况。设计PARS系统。具体介绍了PARS系统概念和工作原理，以及进一步阐明转向脉冲信号并进行设计，考虑到脉冲的幅值和频率对汽车动力学和PARS系统影响，确定了最佳值。对比了两种PARS控制策略，PID控制器和开关控制器。为仿真和试验提供了依据。仿真分析。为了验证本文PARS系统的可靠性和有效性，利用CarSim动力学软件建立模型和联合仿真，在J-turn、双移线和Slalom工况下对PARS系统进行了验证。物理实现和试验部分设计制造PARS系统。根据已经得到仿真结果，对试验SUV进行选型，设计出一个可产生脉冲信号并有初始位置定位的偏心轮连杆转向机构，并加工出了该技术的物理样机，安装在某SUV上进行了功能性调试。道路试验结合提出来的开关控制策略利用专门的传感器与PC机的数据传输系统，本文进行了阶跃转向，等速圆周运动，双移线工况和Slalom工况试验。从而在试验的角度验证PARS系统的有效性和可操作性。最后对全文的主要工作、创新与贡献进行总结及提出未来值得研究的工作。2章侧翻动力学建模与验证引言目前针对横向和横摆方向的稳定性已经成为汽车系统动力学两项研究重点，例如汽车出现的侧滑，甩尾问题等。而对于侧翻稳定性，直到上世纪90年代才被商家和学者们关注。建立汽车行驶状态下的动力学是研究汽车侧翻的基础。汽车侧翻稳定性研究分为两方面：侧翻静态稳定性研究和侧翻动态稳定性研究。静态侧翻模型用来描述汽车静态侧翻性能，由此可推导出的静态稳定因子用来衡量汽车抗侧翻性能，但单单静态因子不能准确反映汽车在动态过程中的侧翻规律和特性，所以必须建立汽车动态侧翻模型。的第一章介绍了汽车侧翻稳定性控制的主要方法以及基本工作原理。本章将在上一章基础上，建立和介绍汽车动力学侧翻模型，包括横摆模型和侧倾模型，并分析侧倾角，横摆加速度与侧翻因子对汽车侧倾稳定性的影响。此外，根据在侧翻状况下轮胎的力学特性，采用了“魔术”模式和“摩擦椭圆”理论，为汽车侧翻控制提供理论基础。三自由度侧翻动力学模型中建立的汽车动力学模型中，均采用SAE坐标系，如图2.1所示。坐标系的参考原点为整车质心位置；X轴水平向前为正，指向汽车向前行驶方；驾驶员左侧为Y轴正方向；Z轴垂直向上为正，坐标系各轴正方向符合右手法则[46]2.1汽车运动的SAE坐标系三自由度的侧翻模型实际上是由线性二自由度模型加上一个自由度的侧倾模型。二自由度汽车模型一般用来研究汽车匀速运动的横摆运动和侧向运动。两自由度指的是横摆运动和侧向运动。二自由度模型简化了实际情况，因此在建立数学模型时，需要做如下假设：忽略转向系统两个前轮转向角度不同的影响，近似于一个前轮输入。忽略悬架的作用，并假设汽车x轴速度不变，前只有沿y轴侧向运动与绕z轴横摆运动。汽车侧向加速度限定0.4g以下，轮胎特性处于线性范围。不考虑地面切向力对轮胎侧偏特性的影响。忽略左、右轮胎由于载荷变化而引起轮胎特性的变化以及轮胎回正力矩的作用。忽略空气动力的影响。SUV发生高速急转弯时容易发生侧翻，影响侧翻因素有很多，如重心高度、重心侧向位置、车速、前轮转向角、悬架侧倾特性等。如图2.2所示，根据车辆坐标对SUV建立了一个三自由度侧翻动力学模型[46]。该模型由横摆模型和侧倾模型组成，其中横摆模型就是广泛使用的两自由度单车模型，具有较高的精确度,描述了汽车横向运动、横摆运动，以及汽车前轮与后轮转向输入；侧倾模型描述了侧倾运动。(a)横摆模 (b)侧倾模型图 SUV三自由度侧翻动力学模型通过上述运动及受力分析，依据牛顿第二运动定律，建立如下运动微分方程：侧向运动方程:𝑚𝑎𝑦,𝑢=𝐹𝑦𝑓+ 横摆运动方程𝐼𝑧𝑧𝛾̇=𝑎𝐹𝑦𝑓− 侧倾运动方程

(𝐼𝑥𝑥+𝑚𝑠ℎ2)𝜑̈−𝑚𝑠ℎ𝑠𝑉𝑥(𝛽̇+𝑟)= 其中,m表示整车质量；𝑚𝑠为簧上质量；𝑚𝑢为非簧上质量；侧向加速度𝑎𝑦,𝑢𝑉𝑥(𝛽̇𝛾),𝑉𝑥为x方向速度，即纵向速度。𝛽和𝛾分别为汽车质心处的侧偏角和横摆角速度；𝜑为侧倾角。𝐹𝑦𝑓和𝐹𝑦𝑟分别是前、后轮胎的侧向力。h𝑠是侧倾轴线到簧上质量质心的高度。𝐼𝑧𝑧和𝐼𝑥𝑥分别是绕z轴轴线和x轴轴线的惯性矩。a和b分别是质心处到前轮轴和后轮轴的水平距离。假设这里的侧偏角和侧倾角都非常小，而轮胎侧向力与侧偏角可近似成线性关系，如图2.3某轿车轮胎的侧偏特性。图 轿车轮胎的侧偏特性𝐹𝑦𝑓=

122𝐶𝑟𝛼𝑟112

𝑀𝑥=(−𝐾𝜑+𝑚𝑠𝑔ℎ𝑠)𝜑−

=

−𝛽−−𝛽+

{

=−𝛽+其中，𝛼𝑓为前轴等效侧偏角，𝛼𝑟1为转向后轮的侧偏角，𝛼𝑟2为未发生转向的后轮侧偏角。𝐶𝑓和𝐶𝑟分别为前、后轮胎的侧偏刚度；𝐾𝜑和𝐶𝜑分别为等效侧倾刚度和等效侧倾阻尼系数，𝛿𝑓为驾驶员的前轮转向输入，𝛿𝑟为PARS系统的后轮转向输入。轮胎模型的考虑汽车运动状态的改变是外力作用结果，包括驱动/制动和转向这三种力。从根本上讲，所有的力最终都是通过轮胎来实现的。所以轮胎的力学特性对汽车运动影响非常大。在侧向加速度和转向角度较小情况下，轮胎的侧向力与其相对应的轮胎侧偏角成线性关系，由图2.3可见。但在侧向角度和转向角都较大情况下，轮胎进入明显的非线性区，此时不再是简单的线性关系，所以应该采用合适的轮胎模型来描述汽车的动力学特性。轮胎模型可以分为经验模型和物理模型。前者根据大量的轮胎试验数据，通过一些工程方法，比如插值或拟合，采用一些经验或曲线来预测轮胎特性；后者则是建立在轮胎与地面相互作用机理分析和力学关系确定等理论上，从而得到力或力矩的理论模型[44]。“魔术”轮胎模型“魔术”轮胎模型(MagicFormulaTireModel)是由Pacejka教授提出来的，它用三角函数组合的形式来拟合轮胎实验数据，得到了一个有相同表达形式并可同时表达纵向力、侧向力和回正力矩，以及纵向力和侧向力的联合工况。故称“魔术”，具有统一性强，拟合精度高等特点。其形式如下：𝑦=𝐷𝑠𝑖𝑛{𝐶𝑡𝑎𝑛−1[𝐵𝑥−𝐸(𝐵𝑥−𝑡𝑎𝑛−1 其中，y可以是纵向力、侧向力或回正力矩，而自变量x可以在不同情况下分别表示轮胎侧偏角和轮胎纵向滑移率。系数D为轮胎特性曲线峰值，系数C为特性曲线的形状系数，它控制了“魔术”中正弦函数的范围，系数B为刚度系数，系数E则是用来控制特性曲线峰值处的曲率。如图2.4是“魔术”轮胎模型下一个侧向力和侧偏角关系的例子。魔术基于试验数据，不仅在试验范围内有很高精度，在试验不能完成的一些极限情况仍可使用。所以在侧翻情况下，轮胎的变形比较复杂，其动力学特性可能处于情况。因为魔术的轮胎模型有很好的健壮性，可以采用同类轮胎数据代替仍然有很好的拟合效果。图2.4“魔术”轮胎模型侧向力和侧偏角关系联合工况下轮胎侧向力学特性在实际路况中，轮胎的垂直载荷、侧向力与纵向力之间相互影响。在不平路面或曲线路面中汽车进行转弯加速或转弯制动下，轮胎特性必须同时考虑。汽车在侧倾状态下，垂直载荷发生转移，在左右两侧轮胎上重新进行分配，如图2.5示，垂直载荷对轮胎的侧偏特性有明显的影响[13]。当轮胎垂直载荷增大后，轮胎的侧向力会随着垂直载荷增加而增大，如图2.5(a)所示，在不同垂直载荷下轮胎侧向力与侧偏角关系，可见在同一侧偏角情况下，垂直载荷越大侧向力也越大。但是这样的关系并不是没有限制的，在垂直载荷超过某个值时，轮胎与地面的接触面受力会变得非常不均匀，反而使得轮胎的侧偏刚度减小，如图2.5(b)所示。 2.5不同垂直载荷下轮胎侧向力与侧偏角角关系和横向载荷转移时对侧偏刚度影响汽车在转弯加速或转弯制动的工况下，轮胎会同时产生纵向力和侧向力，但是可以确定的是，轮胎印迹内所产生的合力是一定的[13,46]。轮胎可获得的合力通常用曲线族图2.6所示，因为其形状为椭圆形，通常也称摩擦椭圆”(FrictionCircle)。图中表示了在给定一系列侧偏角或滑移率情况下，轮胎纵向力与侧向力之间的相互关系。可见，由于最大摩擦力的限制，轮胎不能同时获得最大的侧向力和最大的纵向力[13,44]。它们之间的关系表达式为：)( 2)

+( 22

= 其中𝐹𝑥−𝑚𝑎𝑥和𝐹𝑦−𝑚𝑎𝑥分别为轮胎的最大纵向力和最大侧向力。轮胎最大纵向力由轮胎附着力决定，其表达式为：𝐹𝑥−𝑚𝑎𝑥= 其中，𝜇为轮胎与地面的附着系数。在很大侧向加速和侧偏角的情况下，轮胎的最大侧向力可以认为是轮胎在某一侧偏角下没有纵向力的侧偏力，在这种情况下，可认为轮胎侧向力已经达到附着极限。由此一来，联合(2.9)和(2.10)，可以得到侧向力的计算为： =

1−

2.6联合工况下摩擦椭圆理论汽车侧翻评估指标在实际应用中，对于曲线运动引起的侧翻，定义为一侧车轮离开地面为侧翻临界点。但是因为高速行驶的汽车存在较大的运动惯性。经验表明，当汽车一侧车轮离开地面后大部分情况都会发生绕轴线翻转90°时的侧翻[14]。如何来评估汽车的侧翻状况，本文引入了汽车侧翻指标的概念。汽车侧翻指标是衡量汽车在任意一个时刻侧翻程度一个指标量。根据汽车侧翻定义，当汽车侧倾程度达到绕轴线90°时为侧翻临界点，所以汽车侧翻指标同时也用来判断汽车是否达到临界侧翻点的标准。研究汽车高速紧急侧翻时，需要实时地测量高速运转的各个车轮的载荷，当一侧车轮载荷为零时，判断该侧的车轮正好要开始脱离地面发生侧翻，然而高速运转的车轮载荷测量是极其的。因此，在实际研究中需要对汽车车轮载荷的受力情况进行力学条件转换，转化之后这些常见指标有：汽车侧倾角、汽车侧向加速度、汽车横向载荷转移率、汽车侧翻时间等来描述侧翻情况，定义为汽车侧翻指标。针对不同的研究问题，侧翻指标的选择也不相同，归纳起来主要有以下两种：汽车侧向加速度和汽车侧倾角汽车侧向加速度𝑎𝑦和汽车侧倾角𝜑可以作为衡量汽车侧翻状况的变量。简单来说，如何得到衡量标准，通过静态实验的方法，让一侧车轮离开地面或接近离开地面，此时对应的值就是最大侧向加速度和最大侧倾角度。当汽车在动态行驶中，通过传感器测量或间接计算便可以得到这些指标值在任意时刻的大小，然后与最大比较，越接近最大值表明汽车侧翻程度越高。在现有研究中，把汽车半轮距宽度与重心高度之比定义为汽车侧翻静态稳定因子(StaticStabilityFactor,SSF)。𝑆𝐹𝐹=(𝑎𝑦)𝑚𝑎𝑥=

静态稳定因子通常用来评价汽车抗侧翻能力，并以此来衡量汽车在发生侧翻时的安全等级。由式(2.11)可知，静态稳定因子越大，侧翻的安全等级就越高，发生侧翻可能性就越小。但是SUV不同于一般乘用车，它兼顾乘用车的舒适性以及越野车的动力性，在复杂路况下仍具有良好的通过性，所以其重心离地面高度必然高于一般乘用车。所以不难理解在轮距宽度相同的汽车中，为什么SUV所得到的静态稳定因子值较小。汽车运动过程时，静态稳定因子只描述汽车转弯的横向加速度，但是在汽车转弯侧倾是会有惯性作用对侧翻特性的影响，同时行驶车速、转向角大小、急缓程度等因素都会影响汽车侧翻，它也没有阐明汽车侧倾运动与横向运动存在相互影响的耦合关系。所以静态稳定因子SSF在评估汽车侧翻状况上有很大的局限性。而且，进行主动控制设计之前时，需要预先对不同车型静态汽车侧翻最大侧向加速度和汽车侧倾角最大值进行大量的实验测量，所以静态稳定因子不具备很好的通用性。汽车横向载荷转移率为了能解决静态稳定因子评估汽车运动过程防侧翻存在的局限性，需要一个相对应的汽车侧翻动态稳定因子来更准确地描述汽车侧翻的动态稳定性能。汽车横向载荷转移率(LalLoadtransferRate，LTR)，是多数学者采用的一种有效描述汽车发生侧翻时程度的指标[29,33,47]，且具有很好的通用性，在本文中简称为侧翻因子R(RolloverCoefficient)。汽车曲线运动行驶过程时，为了提供向内的离心力，使得汽车向外侧倾，导致汽车的内侧车轮垂直载荷因为有脱离地面趋势而减小，而外侧的车轮垂直载荷会就会相应的增大，但左右两侧载荷之和一直与整车重量相等。那么横向的载荷转移率就定义为外侧车轮与内侧车轮垂直载荷的差比上整车的重量，取值范围为[0,1]。当向左右不同方向转弯时，内外侧车轮是相对的，统一左右车轮后，汽车横向载荷转移率被更广泛定义为左右两侧车轮的垂直载荷之差比上整车重量，取值范围就变成了[-1,1]。2.2汽车动力学模型里，可以看到汽车轮胎垂直力，𝐹z𝑟和𝐹𝑧𝑙分别代表右侧轮胎垂直力和左侧轮胎垂直力。根据垂直力与重力平衡及侧翻力矩平衡，可以得到:𝐹𝑧𝑟+𝐹𝑧𝑙= 𝐹𝑇−𝐹𝑇−𝑚

(ℎ+

𝑐𝑜𝑠𝜑)−𝑚

𝑠𝑖𝑛𝜑= 𝑧𝑟 𝑧𝑙

𝑠

结合(7),(8)可以得到侧翻因子为：𝑅=𝐹𝑧,𝑅−𝐹𝑧,𝐿=2𝑚𝑠

+ℎ𝑐𝑜𝑠𝜑)𝑎𝑦,𝑠+

𝑠𝑖𝑛

2.7双移线工况下侧翻因子评估区间图在正常情况下，例如汽车在笔直公行驶，轮胎两侧的载荷是相同的，所以侧翻因子自然为0。但是考虑到当汽车在安全范围内变化车道，侧翻因子会在-11之前波动。如图2.7所示为双移线工况下侧翻因子评估区间图，如果侧翻因R等于-11，或者超出-11之外，那就意味着汽车左侧或者右侧轮胎即将或者已经脱离地面接触，汽车发生侧翻。本文把-0.8到0.8范围定义为汽车侧倾时的安全区。由于侧倾运动惯性作用，侧翻因子很有可能在超过-0.80.8范围后到达-11之间。而且在本的控制器设计中，考虑其延时特性，所以本文把汽车侧翻安全阀值设在-0.8到0.8，当超出此范围时，即为区域，此时意味着PARS系统被激活。𝑚𝑢≪𝑚,即𝑚𝑠≅𝑚𝜑很小，(ℎ𝑅𝑠)是整车重心高度(h)。因此，侧翻因子近似等于：𝑅≅ℎ𝑎𝑦,𝑠+ℎ 𝑇 从上述式子可以看到，与侧翻因子有关的参数包括了汽车的结构参数和行驶参数，只要根据要求合理控制这些参数就能够有效控制汽车侧倾状态，其中整车重心高度(h)与轴距(T)之比对侧翻因子R的影响很大。但是这些结构参数从汽车的开发中就已经决定，是固定的参数，一旦确定，就不会改变。显然，侧翻最直接原因是由于侧向加速度过大造成，使得汽车内侧车轮垂直载荷减少至0而造成，而侧向加速度/侧倾角由侧向力产生，对侧向力必须采取主动控制。综上所述，本文选择汽车横向载荷转移率即侧翻因子R来探测汽车侧倾程度及状况，侧翻因子可以用汽车左右两侧轮胎垂直力的差比上垂直力的和来表示。在此基础上PARS脉冲主动转向系统可以有效控制汽车横向载荷转移，从而保证汽车侧倾稳定性。本章小结在本章研究中，以某SUV为研究对象建立汽车侧翻模型，从理论上得到了汽车侧翻的若干动力学规律。由于SUV重心偏高，在高速急转弯时容易引起侧翻，因此在车辆坐标系下针对SUV建立了一个三自由度侧翻模型，包括横向、横摆以及侧倾方向的响应及其耦合影响。此外，介绍基于“魔术”的轮胎模型，考虑了汽车侧翻过程中垂直载荷变化对轮胎的影响，建立了线性的轮胎动力学模型。提出并确定了汽车侧翻指标，把汽车横向载荷转移率作为防汽车侧翻的评估指标。3章脉冲转向系统设计引言主动转向技术是随着线控技术的发展而兴起的一些转向控制技术，它能实现独立于驾驶员的转向干预，在一些特殊情况能够主动改变驾驶员给定的转向角，使得汽车的稳定性尽可能地表现最佳，大大提到了汽车操作性。从实现的形式区分，目前主动转向系统有机械式主动转向和线控式主动转向。本章详细介绍了PARS系统概念和工作原理，以及进一步阐明转向脉冲信号，并进行设计，对脉冲的幅值和频率进行了评估优化，为仿真和实验提供依据。此外，本章详细介绍了两种PARS控制器，PID控制器和开关控制器。比较了两种控制的原理和效果，并最终选择了开关控制器作为本系统控制策略。PARS系统概念PARS系统是通过后轮辅助主动转向来达到汽车稳定性控制目的。系统控制一个开关控制器来激活，其转向信号是脉冲式的，类似于ABS系统中制动力。表3.1所示，传统的主动后轮转向和本转向系统的最主要区别。其转向的概念就像现代车标配的ABS系统。PARS系统由控制器提供额外的转向来配合当前驾驶员对前轮的转向，直到当侧翻因子落入到安全范围之内。该系统可以是一个简单、廉价和轻量级的组件，安装在现有汽车上，利用已经配置的ABS系统。ABS传感器可以同时用于获得各种测量参数供PARS系统使用。此外,该系统也可联合与差动制动系统，直接横摆力矩控制系统等共同控制。由后文的试验部分可以看出该系统的经济性和可实现性。3.1两种转向策略对比控制策 驾驶员转向输入 控制器转向输入传统主动转向传统主动转向脉冲主动转向PARS系统主要由两个部分组成：一个脉冲转向装置和一个开关控制器。由转向装置产生的转向信号来辅助配合汽车稳定控制。开关控制器里面包含了一个稳定性评估器，来计算汽车横摆和侧倾稳定状况。仅仅当汽车失稳时，装置将会被激活。转向脉冲信号在电子技术中，脉冲信号是按一定电压幅度，一定时间间隔连续发出的脉冲信号。脉冲信号的幅度称为幅值；脉冲信号之间的时间间隔称为周期，在单位时间（1秒）内所产生的脉冲个数称为频率。频率是描述周期性循环信号（包括脉冲信号）在单位时间内所出现的脉冲数量多少的计量名称；频率的标准计量单位Hz（赫兹）。数字电路中的信号大多数是矩形脉冲信号，将在较短时间间隔内作用于电路的电压或电流信号，称为脉冲信号。这个时间间隔可以和电路过渡过程持续时间（3τ～5τ）相比拟。常见的脉冲信号波形如图3.1所示。正、负尖脉

矩形脉 方波脉 梯形脉 锯齿波脉 三角波脉 钟形脉 阶梯形脉3.1常见脉冲信号波形脉冲信号的形式是多样的，但是在设计本研究的转向脉冲信号时必须考虑两个因素：首先是的转向信号函数必须是连续可导的光滑曲线，所以在输入后轮转向时轮胎不会发生突然性颤动，保证整车可靠性和舒适性；另外设计的脉冲信号可以通过某种机构运动实现，所以必须符合可实现性。综合考虑，为了设计一定脉冲形式的转向信号，本文考虑用来表达脉冲信号的方程在仿真和实验应用上都是合理的和可调的。可以调节的参数有脉冲信号的幅值和频率。在本中，本文选用了标准正弦脉冲信号，其方程表达如下：𝛿𝑟(𝑡)

𝐴(1−𝑐𝑜𝑠 (3.1)2式中：A—信号的幅值𝑓—信号的频率3.2所示，一个由偏心轮连杆机构产生的脉冲转向信号，其中幅值为度，频率为3赫兹。当脉冲形式决定后，那么幅值和频率就是两个主要的设计参数。以下内容是对脉冲信号设计参数的进一步探讨优化。3.2一个由偏心轮连杆机构产生的脉冲转向信号转向脉冲频率设计及优化由第二章动力学模型(2.1)~(2.6),PARS系中的汽车动力学状态-空间模型可描述为：

[𝛾̇]= 𝑎22][𝛾]+

] 其中，

=−(𝐶𝑓+𝐶𝑟),

=−1−

𝑎21=

(𝑎𝐶𝑓−𝑏𝐶𝑟), =

=𝐶𝑓,

=𝐶𝑟,

=𝑎𝐶𝑓,

=−

利用 斯变换，侧倾角与后轮转向角的传递函数可以写成：𝑯(𝜔)=𝜑(𝑠)=

𝐺(𝑠)=

(0)

,2 2

1 𝐺(𝑠)=−𝐺(0)

,

(0) 2 2

1

𝐺(0)

,

,

=

,

=

𝐿2𝐶

𝑓1

,

=−

忽略汽车的横向速度𝑉𝑦，那么这里纵向速度𝑉𝑥可以近似等于汽车总速度V，轴距，L=a+b，𝑘𝑢𝑠为转向不足因数。3.3所示，利用频率响应分析，得到最优的转向脉冲频率应为H最大值所对应的角频率𝑤𝑛值。3.3脉冲转向信号的频谱特性图转向脉冲的幅值设计及优化在考虑如何使得后轮脉冲转向时，本文采用电动机来驱动脉冲转向。考虑到当转向脉冲幅值增大时，意味需要更大侧向力来驱使转向，那么就需要更大功率的电机来产生次转向力。所需的转向机械功率有： 式中：𝑀𝑧—转向轮胎绕z方向的力矩𝛿𝑟(𝑡)—设计的转向脉冲信号通过在CarSim里的一系列仿真，转向脉冲设定为频率为3，而幅值分别1度，2度，34度。如图3.4(a)3.4(b)所示为在不同幅值下对应的转向力矩和转向功率对比。可以得到，当转向脉冲幅值增加时，所需要的转向功率也会大大增加。所需转向扭矩所需转向功率3.4在不同幅值下所需转向力矩和功率考虑到在实际试验和实际应用中电动机在悬架位置的安装空间和尺寸限制，以及转向功率的因素。图3.4(b)显明了转向角度与转向所需功率的关系，从可实现性角度考虑，太大的功率电动机意味着需要的尺寸更大，本文选定3度左右作为PARS系统的转向脉冲信号幅值。控制器的选择和设计在汽车侧翻主动控制中，有很多不同控制方法来控制主动转向。这些控制器主要就是解决两个问题，在什么时候开始控制和控制量输出为多少。本文主要介绍和对比传统的最常见的PID控制和NO/OFF开关控制。最终，本文采用开关控制。PID控制PID控制器也称之为，比例-积分-微分控制器，是由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成。PID控制器在工业控制领域应用得非常普遍，是一个极其常见的反馈控制部件[46,47]。通过传感器测量到的数据指标到控制器里面与一个理想参考值进行对比，然后计算得到一个误差值(error)作为系统新的输入值。这样一来，新的输入会调整系统进行一个新的状态，让实际测量数据符合参考值。对于整体是线性的且动态特性不随时间变化的系统，PID控制器表现了其良好的适用性。PID控制器的比例单元P、积分单元I和微分单元D分别对应系统的目前误差、过去累计误差及未来误差。所以，为了使系统更加稳定而精确准，PID控制器能够依据过去误差和累计误差来调整新的输入值，若是不知道受控系统的特性，一般认为PID控制器是最适用的控制器。借由调整PID控制器的三个参数，可以调整控制系统，设法满足设计需求。控制器的响应可以用控制器对误差的反应快慢、控制器过量的程度及系统震荡的程度来表示。不过使用PID控制器不一定保证可达到系统的最佳控制，也不保证系统稳定性。3.5PID控制方块图3.5所示，表示了一种控制对象的PID控制方块图。PID控制器的时域表达式为：𝑢(𝑡)=𝐾𝑒(𝑡)+ 𝑡𝑒(𝑡)𝑑𝑡+

𝑖

𝑑式中，𝑢(𝑡)PID控制器输出信号，是输入信号，也就是系统误差。分别是比例增益，积分增益和微分增益，均为调适参数。通过第二章汽车三自由度侧翻模型，得到𝑅≅2ℎ𝑎𝑦,𝑠+ℎ𝜑，在PID控制器中，𝑇 使得：𝑒(𝑡)= 𝑢(𝑡)= 其控制策略如图3.6所示。驾驶员是控制汽车的速度和前轮转向角度，输入到上文中建立的汽车横摆和侧倾动力学模型中。根据动力学方程，模型会计算出相关参数。然后根据(2.15)计算出此时此刻的侧翻因子值。如果侧翻因子有所偏离，那么PID控制就会启动PARS系统，并且输出一定大小的后轮转向角度；如果侧翻因子在[-0.8,0.8]范围内，那PARS系统就关闭。驾驶员输入驾驶员输入横摆和侧倾模型控制器侧翻因子评估3.6PARSPID控制系统对于传统的控制器如PID控制，有一个很重要的问题就是控制器一直是处于激活状态，即使是在一些不是很的工况下。这反而会给汽车造成额外的不稳定性和对有所干扰。经本文分析，控制器应该只能在侧翻可能发生的情况下起作用才是合理的。因此在本文中，提出并采用ON/OFF开关控制器来控制后轮脉冲式转向，而用侧翻因子作为系统的输入评价。开关控制在控制理论，开关控制器也被称为滞环控制器，是反馈控制器在两个状态之间切换[48,49]。这些控制器可以实现在提供任何元素的滞后。它们经常被用来控制一个二进制输入，例如一个熔炉要么是完全开启或完全关闭的。最常见的住宅恒温器都是边界开关控制器。该单位阶跃函数在其离散形式是的一个开关控制信号例子。由于这样非连续的控制信号，包括开关控制器系统就成了可变的结构体系。在最优控制的问题，有时控制变量被严格限制在一个上限和下限之间。3.7所示，驾驶员是控制汽车的速度和转向角度，因此两个参数输入到横摆和侧倾动力学模型中。根据动力学方程，模型会计算出前进速度(𝑉𝑥)，汽车侧偏角(𝛽)，侧向加速度(𝑎𝑦)，横摆角速度(𝛾),，侧倾角(𝜑)和侧倾角速度(𝜑̇)。然后与算侧翻因子相关的这些参数会提取到侧翻评估器中，计算出此时此刻的侧翻因子值。控制策略如方程(3.8)所示，如果侧翻因子大于设定的阀值，那么控制就会启动PARS系统，如果侧翻因子在[-0.8,0.8]范围内，那PARS系统就关闭。驾驶员输入驾驶员输入横摆和侧倾模型开 控制器侧翻因子评估3.7PARS开关控制系统U=

PARS控制器开启(if|𝑅|>0.8)PARS控制器关闭(if|𝑅|≤0.8)

R是在安全范围之内，那算法就会输出为“0”的额外转向信号，也就意味PARS处于关闭状态。但是如果R超出设定阀值，那么算法就会启动PARS系PARS启动，那么至少会有一个完整的转向脉冲周期，或者是若干个转向脉冲周期，直到侧翻R再一次落入到安全范围之类。这样就保证了在正常范围之后，后轮一定是处在正常初始位置的，即转向角为0的位置。本章小结本章在第2章的基础上对PARS进行了全面介绍和设计，重点确定了脉冲转向信号的形式及最佳转向幅值和频率。通过选取侧翻因子的偏离程度作为控制变PID控制策略和开关控制策略，最后确定开关控制为本文SUV侧翻稳定性控制模块。至此，SUV侧翻稳定性控制系统已经建立。从下一章开始，将控制模块和CarSim中的动力学模型进行连接，构成了整个的仿真控制系统，将对本章建立的稳定性控制系统进行仿真分析及验证。4章PARS系统仿真分析引言的第二章介绍了建立了三自由度侧翻模型，并引出了侧翻因子作为侧翻评估预测指标；第三章设计并确定了PARS脉冲转向信号，选择开关控制器对汽车后轮施加脉冲转向控制，为了验证侧翻稳定性控制逻辑的控制效果，本章将采用车辆动力学专业软件MSCCarSim建立更真的车辆动力学模型它能把更接近实际的运动特性，并用它来验证侧翻动力学模型的有效性。而且通过CarSim和/联合仿真进行虚拟实验，以验证所设计控制器的有效性。在轮胎建模方面，为了尽可能地接近实际，提真的精度，本章在CarSim实车建模中将采用精度较高的Pacejka魔术轮胎模型。最后对典型的稳定性试验工况：J-turn工况、紧急双移线工况、Slalom工况试验进行仿真分析，并对控制效果进行评价。CarSim介绍及应用MSCCarSim软件是于1996年由机械仿真公司(MechanicalSimulationCorporation,MSC)开发。该软件的动态仿真基础集合了密歇根大学交通运输（UniversityofMichiganTransportationResearchInstitute,UMTRI）近30年来在整车动力学、轮胎力学和悬架等理论和实践经验的积累，具有很高的仿真精度且运算速度快、易于上手等特点。它主要针对轿车、SUV、货车等车辆进行动力学仿真分析，模拟不同路面情况下汽车的加速、制动和方向盘调整，通过曲线和动画直观地分析汽车的各种响应，CarSim还可以跟/、LabVIEW、dSPACE等软硬件兼容，对运行工况（EventsandProcedure，如双移线测试，K&C实验等）和环境条件进行设置（Environment，如冰路面、对开路面等），具有很好的扩展性。CarSim是采用参数化建模，他清晰明了的界面向用户展示了汽车的模型、仿真及结果。本文控制系统可利用该软件进行仿真验证，对进一步的试验和研究提供参考。CarSim的工作界面如图4.1所示，由以下三部分组成：车辆系统设置（Vehicle&Procedure）。该部分是很形象化和图形化的数据库，包括了整车模型数据库，路况的选择数据库和路面信息外部环境数据库。这些数据库构成了了人—车—路三部分的模型。数学模型求解器(MathModel)。这一部分主要是对仿真进行控制，包括仿真步长、仿真时间和求解器等信息，它是求解模型的部分。此模块也可以与其他软件进行仿真。结果后处理部分（PostProcessing）。CarSim很强大的后处理能力，仿真结束后，后处理可以直接得到仿真结果的相关曲线和动画演示。用户可以根据需要定义输出任何特性参数曲线，在本文中就选择了其中的参数来验证PARS的效果，另外直观形象的仿真动画可以清晰对比出施加控制系统和未施加控制系统的效果。4.1CarSim操作界面在国外，CarSim软件已被通用、福特、丰田等大企业认可，并应用于新产品特别是电控单元的开发和虚拟试验。目前已经被众多汽车制造商以及汽车零配件供应商采用，例如在GM和Toyota内部，已经把CarSim作为标准的工程研发软件来使用；另外如德国大陆（Continental）和BOSCH等供应商，也开始CarSim来进行相关产品的开发。如前所述，CarSim不仅能提供较高精度的仿真，还有很好的扩展性，可以使CarSim中的数据和外部环境进行数据交换，形成一个闭环例如通过CarSim和/的联合仿真把汽车ABS控制模块用的模型来替换，形成闭环回路仿真，这样帮助和验证了控制策略部分的研究开发，与本文类似的联合仿真系统有不少例子。DELPHI的O’Dea[49利用CarSim以及联合仿真来设计ABS系统；Altair公司的Kamal[48]通过CarSim研究了主动悬架的控制策略，改善了汽车抗侧翻性能力。近年来，国内也开始利用CarSim来进行研究车辆系统动力学的控制。郭建华等人[49]和肖闯[11]，联合了CarSim和进行仿真，分析验证了主动前轮转向与ABS的集成控制系统，由此来改善汽车稳定性。李志魁[52]则利用CarSim对试验车进行了稳定性能实验及其分析评价；吉林大学汽车动力学课题组用CarSim来研究轮胎动力学，并开发汽车稳定系统的控制器[53]。交通大学汽车工程的喻凡课题组采用CarSim的轮胎虚拟试验，对轮胎模型的建模进行了探讨，并利用其对车辆底盘集成控制策略进行仿真分析与研究[54,55]。综上所述本文所研究的车辆动力学控制主要基于CarSim和/的联合仿真平台，对汽车脉冲主动转向控制方法进行了研究。动力学模型的建立及参数说明CarSim的整车非线性动力学模型考虑到实际行驶的情况，如轮胎的特性、制动的非线性影响、道路附着条件等，出于对整车仿真精度以及保证侧翻控制效果的考虑，本次模拟仿真需建立接近实际情况的整车动力学模型。在轮胎建模方面，为了尽可能地接近实际，提真的精度，本章在8自由度车辆动力学模型和CarSim实车建模中都将采用精度较高的Pacejka魔术轮胎模型。以参数化建模的方法将SUV车辆适宜简化，定义和设置了车体、轮胎、转向系、悬架、制动系、传动系和空气动力学等七大子系统的特性及各部分具体参数，忽略空气动力学的影响，建立了具有较真精度的CarSim非线性整车动力学模型，作为研究操稳性侧翻动力学问题的实车仿真模型，如图4.2所示为SUV模型。图4.2CarSim中的SUV模型CarSimSUV汽车动力学模型的基本参数见表4.1。表中包含参数符号以及相应的参数描述，可在上文动力学模型中的参数符号相互对应，用来仿真时计算求解。表 某SUV的主要动力学参数符号描述大小总质量/簧上质量重心到地面高度重心到侧倾轴高度前轴到重心水平距离后轴到重心水平距离CG[汽车绕x轴的转动惯量汽车绕y轴的转动惯量汽车绕z轴的转动惯量汽车等效侧倾刚度汽车等效侧倾阻尼系数汽车轮距联合仿真控制结构CarSim不仅可以通过参数化形式建立车辆的仿真模型，还可以在仿真过程中作为最重要的组件之一，它可以用于动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。并且广泛控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有许多第软件，比如CarSim，和硬件可应用于或被要求应用于。CarSim在联合仿真功能中提供了与/产品的接口以便于进行完整车辆模拟分析。CarSim通过内建的接口，可与完全整合，本通过在CarSim的车辆模型中增加控制器进行SUV的侧翻控制。如图4.3为联合CarSim和控制系统框图，主要包括CarSim的汽车动力学模型、侧翻因子R的计算模块、主动后轮脉冲转向控制的逻辑模块。通过在CarSim中定义S函数的界面选择输入、输出参数，将动力学模型与环境中构建的理想二自由度模型和侧翻稳定性控制系统连接到一起，就构成了整个PARS侧翻控制系统。4.3联合仿真控制系统框图如图4.4所示是开关控制器在/里实现，利用到if-else语句就可控制汽车左右后轮的转向输入。4.4开关控制器逻辑图Rc表示本文推导的侧翻因子。根据侧翻因子𝑅=

可知，当汽车向右急转时，有𝐹𝑧,𝑅<𝐹𝑧,𝐿，R为负值。当R继续降低直到𝑅<−0.8时，此时应该左侧后轮向外转向(即与前轮同向转向)，如图4.4rearleftinput所示。同理，当汽车向左急转时，有𝐹𝑧,𝑅>𝐹𝑧,𝐿，R为正值。当R继续增大直到𝑅>0.8时，此时应该右侧后轮向外转向(同样地，与前轮同向转向)，如图4.4rearrightinput所示。由此便实现了PARS系统的开关控制。在汽车操稳性评价中，一般选取汽车的典型行驶工况，包括双移线试验、蛇行试验、障试验及避让试验等进行评价。这