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1、吉林大学硕士学位论文驱动工况汽车稳定性控制算法研究姓名：刘巍申请学位级别：硕士专业：车辆工程指导教师：李幼德20040501原创性声明本人声明：所呈交的硕士学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：h 甄日期：衅年r 月p 日提要提要Y9 G G 7 1 5汽车稳定性控制系统作为汽车主动安全性的代表技术已引起了世界上各大车厂和研究部门的广泛关注。在我国，对汽车稳定
2、性控制系统的研究工作处于起步阶段，开展这方面的研究对于掌握自主知识产权、打破国外技术垄断具有重要的意义。本文在借鉴国内外研究成果的基础上，研究确定了汽车稳定性控制系统的主要控制算法，建立了基于动力学仿真软件的离线仿真平台和硬件在环试验平台，采用离线仿真技术和硬件在环试验技术对控制算法进行了验证、调试。第一章绪论第一章绪论操纵稳定性是汽车的重要性能，以提高极限转向工况汽车主动安全性为目的稳定性控制系统成为研究热点。研究表明：V S C ( V e h i c l es t a b i l i l yc o n t r o ls y s t e m ，稳定性控制系统) 能显著改善汽车在极限转向工况
3、下的方向稳定性和操纵性能【1 卅。1 1 稳定性控制系统的作用、意义汽车的主动安全性日益受到人们的重视。已实现装车的A B S ( A n t i 1 0 c kb r a k es y s t e m ，制动防抱死控秘系统) 和T C S ( T r a c t i o nc o n t r o ls y s t e m ，牵弓1 力控制系统) 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。图L l 阴影部分为A B $ 和T C S滑动率的控制范围( 大约为5 * - - 1 5 ) 。通过控制车轮滑动率，A B S 和T C S 使汽车获得了最佳的纵向动力学性能和较好的操纵稳定
4、性，但A B S和1 S 对汽车操纵稳定性的改善仅局限于非极限工况。在图L 1 制动驱动时轮胎纵向力和侧向力极限转向工况下，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和过多的不足转向，从而造成汽车丧失操纵稳定性。A B S 和T C S对极限转向工况下汽车操纵稳定性的控制已无能为力。而稳定性控制系统则通过实对监测汽车的转向特性改善箕极限转岛性能。下面将通过几组基于统计数据的分析结果，来进一步阐述汽车稳定性控制系统的重要性和必要性：统计数字【4 】表明：1 9 9 1 年1 9 9 8 年期间，德国汽车事故死亡人数从1 9 9 1年的7 0 0 0 人左右降至1 9 9 8
5、 年的4 7 0 0 人左右，这主要是由于汽车大1 吉林大学硕士学位论文量装备A B S 和T C S 等电子装置提高了汽车的安全性所致，但事故总数始终维持在3 0 万 3 5 万的水平上；F a A A ( F a i l u r eA n a l y s i sA s s o c i a t e sI N C ) 和美国N H T S A ( N a t i o n a lH i g h w a ya n dT r a f f i cS a f e t yA d m i n i s t r a t i o n ) 的报告f 5 】指出当安装了A B S 后，在美国多辆汽车的交通事故的数量减
6、少了，而单辆汽车的事故却增加了。这一方面是由于驾驶员过分相信A B S 和T C S 而不考虑超过路面所提供的物理极限；另一方面，A B S 和T c S 系统在汽车转向操作时并不对汽车侧向滑移起作用。而当汽车在低附着路面、换道和突然躲避前方障碍物时要突然的转动方向盘，这就可能使汽车失去控制。A u d i 公司的调查表明【6 】随着汽车车速的增加，汽车发生激转事故的数量也急剧的增加。车速在8 0 k m h 和1 0 0 k m h 之间，造成人员伤害的事故有4 0 与汽车的激转有关。而当车速达到1 6 0 k m h 时，几乎所有的事故都是由于汽车的激转造成的。T o y o t a r
7、7 j 从司也指出由于不能控制汽车而导致的事故大部分是因为不能够对汽车的侧偏运动进行控制而造成的。图1 2 是奔驰汽车安装E S P ( E l e c t r o n i cS t a b i l i t yP r o g r a m ，电子稳定程序) 装置后事故数量的变化。从图1 2 可以看到E S P 的使用使得奔驰汽车的事故数量有很明显的下降。图1 2 装备E S P 的奔驰车事故变化2 一第一章绪论综上所述，汽车稳定性控制系统可以防止汽车激转的发生，提高极限工况下汽车操纵稳定性，对减少交通事故，降低事故伤亡人数有重要的意义。因此，国外各大汽车整车及零部件厂以及各大院校及研究部门都开展
8、了这方面的研究工作，并已经推出了各自的产品( 例如：B o s c h 公司的E S P 、B M W 公司的D S C 和T O Y O T A 公司的V S C 等等) ，而国内目前仍然处于起步阶段。因此开展汽车稳定性控制系统的研究对于掌握汽车核心技术、打破国外的技术垄断和开发具有自主知识产权的汽车是有重要意义的。1 2 稳定性控制系统研究简介1 2 1 稳定性控制系统发展及研究现状上世纪七八十年代开始，作为汽车稳定性控制系统前身的A B S 和T C S 在世界范围内得到了广泛的推广，目前已经作为大部分轿车的标准装备上世纪9 0 年代初，各个生产厂商开始了关于汽车稳定性控制系统相关的研究
9、。B M W公司与B O S C H 公司合作于1 9 9 2 年在A B S A S R 的基础上开发出车辆的动力学稳定控制系统( D S C ) 8 1 ，它是通过横摆角速度反馈控制来调节发动机的输出扭矩，从而实现了对车辆行驶方向性和稳定性的控制。谚系统安装在B M W 8 5 0 C i 轿车上，这种系统只是在原有的A B S A S R 的基础上增加了方向盘转角传感器，通过两内外非驱动轮的轮速差来间接估算的，在极限工况下这种估算是不准确的。1 9 9 4 年和1 9 9 6 年B M W 公司与B O S C H 公司在D S C 的基础上分别开发出了第二代 9 1 和第三代系统。1
10、9 9 5 年，B O S C H 公司提出的V D C t I O 以及T O Y O T A 公司提出的V S C 的概念【l l l ，都是通过直接测量汽车的行驶中的横摆角速度、侧向加速度的信号，因此扩大了汽车稳定性系统的应用范围。初期的汽车稳定性控制系统大多应用在高档的轿车或商用车上。2 0 0 1 年，A d v a n c T r a c 汽车稳定性控制系统成为第一个应用于经济型汽车上的系统。随着汽车底盘控制技术以及车用传感器技术的发展，汽车稳定性控制系统将会与其他控制系统进一步的融合各个系统可以共用相同的传感器、共享各种参数信息汽车稳定性控制系统与主动转向系统联合控制【1 9 1
11、 ，不仅可以控制汽车在极限工况下的操纵特性，而且可以通过转向轮转角的变化控制汽车在- 3 吉林大学硕士学位论文正常情况下的操纵特性；而汽车稳定性控制系统与主动悬架系统联合控制，可以通过对轮胎载荷的分配进一步改善汽车的操纵特性。汽车各系统的集成化是汽车技术发展的方向，这不仅能够降低汽车的成本，而且能够提高汽车的性能。由于汽车稳定性控制系统涉及的参数多，而且一些参数只能通过估算的方法【1 2 1 5 1 得到，因此各种估算方法的研究也是目前研究的热点。而一些学者试图将现代控制理论的相关内容应用到汽车稳定性控制系统中，如滑膜控制【1 “ 7 J 、鲁棒控制【1 8 】等。1 2 2 稳定性控制系统的
12、控制基理及控制方式汽车的转向特性分为：过多转向、不足转向和中性转向。中性转向是最理想的转向特性，而过多转向和不足转向是不稳定的转向特性。当汽车在低附着转向时，如果地面的附着系数不能提供足够的侧向力，汽车将发生过多转向或过量的不足转向。当驾驶员发现汽车处于过量的不足转向或过多转向时，通常通过对方向盘施加操作来对汽车进行控制，但此时由于汽车质心侧偏角通常比较大，驾驶员通过方向盘对车辆进行控制并不明显，这时普通的驾驶员将非常恐慌，不能采取正确的操作方法，汽车因此发生急转或漂移而造成事故汽车稳定性控制系统就是通过对汽车转向特性的识别，从而对不足转向和过多转向进行控制，在判断汽车是不足转向还是过多转向之
13、后，就应采取相应的控制得到补偿横摆力矩从而控制不足转向和过多转向改善汽车稳定性的控制方式有很多，主要分为以下几类：【1 ”1 11 通过主动转向( A c t i v eF r o n tS t e e r ：A F S ) 或电控制四轮转向( F o u r - W h e e lS t e e r i n gS y s t e m ：4 W S ) 技术可以改善汽车转向线性范围内( 侧偏角和驱动制动力较小) 的稳定性；而当汽车的运动处于很大的非线性状态时( 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，主动转向技术不能有效改善汽车稳定性。2 控制作用在车轮上的垂
14、直载荷分布，通过控制车轮上的垂直载荷可以改变车轮的侧偏刚度，达到控制汽车稳定性的目的。对车轮垂直载荷分布的控制只能应用于装备了主动悬架系统的车辆上，4 第一章绪论而且通常只在侧向加速度比较大时，有明显的控制效果。3 通过控制车轮的制动力和驱动力，来对汽车稳定性进行控制。这种方法中通常有下面三种方法通过对L S D ( L i m i t e dS l i pD i f f e r e n c e ，限滑差速器) 控制来得到所需的补偿横摆力矩；通过驱动轮的驱动力的控制来获得补偿横摆力矩；通过对车轮主动制动( 差速制动) 来得到补偿横摆力矩。由于前两种方法需要对汽车进行较大改动，因此这两种方法只适
15、用于个别的车辆，而第三种方法可以使用汽车A B S 和T C S 系统的硬件，在改动较小的情况下就可以得到比较好的控制效果，因此目前大多数汽车上的稳定性控制系统都是采用第三种方法。1 2 3 稳定性控制系统的组成图1 3 汽车稳定性控制系统硬件组成图1 3 是汽车稳定性控制系统硬件组成示意图稳定性控制系统硬件包括传感器、执行器和电子控制单元1 2 3 1 传感器圆扎轮速传感器轮速传感器用于检测轮速信号。目前采用的轮速传感器有电磁感应式和霍尔式两种。电磁感应式轮速传感器的低速响应比较差，而霍尔式传感器有较好的低速响应特性5 -吉林大学顼士学位论文b 方向盘转角传感器方向盘转角传感器用以测量方向盘
16、的转角。方向盘转角传感器通常分为光学编码器和电位计式两种。光学编码器式传感器的测量精度高，使用寿命长，但是它通常测量的是相对位置，因此需要对零点进行识别，而电位计可以直接测量绝对位置，但是它的使用寿命低。c 横摆角速度传感器横摆角速度传感器主要测量车辆绕质心垂直轴的角速度。汽车横摆角速度传感器是一种振动陀螺仪，应用C o d o l i 效果，其采用硅素超徼精密环型传感元件设计而产生一个耐震动的高精度类比输出电压。d 加速度传感器加速度传感器用以测量汽车纵向和侧向加速度。加速度传感器有很多种，有利用压电石英谐振器的力一频特性进行加速度的测量，还有就是使用衰减弹簧质量系统进行加速度测量。e 压力传感器压力传感器用于测量制动压力，其中应力测量和硅半导体测量是常用的两种。1 2 3 2 液压调节器图1 4B o s c hH U 5 0 结构图6 一第一章绪论液压调节器是汽车稳定性控制系统的主要执行机构，其基本结构与A B s ，A S R 液压
