CN101323300A - 提高车辆转弯制动侧向稳定性的增强型汽车abs系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种提高车辆转弯制动侧向稳定性的增强型汽车ABS系统，属于提高车辆转弯制动侧向稳定性的刹车防抱死系统。其目的在于从整车动力学的角度出发，兼顾驾驶员的行驶意图，提高车辆制动转弯工况下的侧向稳定性能。该系统通过车辆线性二自由度模型估计驾驶员的行驶意图，结合转弯制动工况下实际车辆运动状态与驾驶员期望运动状态的偏差，判断车辆过度转向或不足转向的趋势，在保持车辆制动效能的前提下，动态改变外侧车轮与内侧车轮的ABS滑移率工作区间，这样产生的制动力的差异将使车辆迅速回到稳定状态，避免了甩尾侧滑等危险工况，大大提高了车辆的转弯制动工况下的侧向稳定性能。

Description

提高车辆转弯制动侧向稳定性的增强型汽车ABS系统

技术领域：

本发明涉及一种提高车辆转弯制动侧向稳定性的刹车防抱死系统。

背景技术：

随着道路交通条件的改善以及汽车技术的进步，车辆的速度不断提高，车流的密集化日益严重，人们对车辆主动安全性能的要求日益提高。很多交通事故报告中常这样说明事故的原因-车辆侧滑失控，研究分析，车速在80km/h-100km/h时，40％的行车事故与车辆侧滑失控有关，而当车速在160km/h以上时，100％的行车事故与车辆的侧滑失控有关。可见，如何提高车辆在极限工况下的侧向稳定性能，对车辆主动安全性能的提高有重要的意义。

ABS系统仅通过控制车辆的纵向滑移率，保证车辆制动的动力学性能，而侧向稳定性无法保证，当侧向力不足以维持车辆转弯时，车辆就会失去操纵稳定性，发生激转、甩尾等危险工况。ESP系统在这种主动安全性提高的要求下应运而生，实际上单从ESP系统控制的机理就是利用ABS对单个车轮的制动力的控制来保证侧向稳定性能。该系统是当汽车在物理极限范围内且驾驶员即将丧失对汽车的操控性时，有效地利用车辆与路面的附着系数潜力，通过在单一车轮上施加制动力来产生横摆力矩，使汽车产生附加的转向来修正即将产生的不足或过度转向。但就国内目前发展现状而言，ESP系统的装车率尚非常低，而ABS系统已经是所有车的标准配置，如果ABS能进行改进以提高车辆的侧向稳定性，那么就可以在大大降低车辆成本的同时，有效改善交通安全。

众所周知，ABS系统仅在驾驶员制动时起作用，如果想改进ABS系统以部分替代ESP系统的作用，就需要分析在ESP起作用的行驶工况中，驾驶员是否进行制动的比例，如果在这些工况中制动的比例较低，ABS无法起作用，仅是ESP系统起作用，那么改进ABS提高车辆的稳定性对改善交通安全所起的作用将会非常有限。通过对ESP起作用的工况中驾驶员的反应进行统计分析，发现在直线行驶中，68％的驾驶员在转向之前制动，弯道行驶工况中，有57％的驾驶员在转向之前或转向过程中制动。可见通过改进ABS系统提高车辆的稳定性，将在ESP系统起作用的大部分工况中有效改善交通安全。

根据现有ABS系统的硬件资源，如何提高汽车侧向稳定性能，进一步研究和探索ABS系统的控制逻辑，是本发明的关键。

发明内容：

ESP系统可以精确的分配车轮的制动力，保证车辆的侧向稳定性能，即使驾驶员未对车辆进行制动，系统仍能通过对液压系统的控制得到稳定车辆所需的制动力，防止车辆极限工况下的激转、甩尾。但其成本太高，装车率非常低，无法有效的提高车辆的主动安全性能，而ABS系统已经是所有车的标准配置，但ABS系统仅考虑了车辆的纵向性能，无法从整车动力学的角度提高制动时车辆的侧向稳定性能，虽然后来出现的EHB系统对现有的ABS进行了改进，但其仍然只是从制动效能最大出发，分配前后轮制动压力，使车辆的制动力分配曲线尽可能接近理想的制动力分配曲线，最大限度的利用路面所能提供的最大附着力，车辆的侧向性能没有显著的提高，车辆的运动更无法体现出驾驶员的驾驶意愿。

为此，本发明的目的是对现有的ABS系统进行了改进，尝试提出了一种准确性ABS的系统，即提高车辆转弯制动侧向稳定性的增强型汽车ABS系统，该系统兼顾转弯制动过程中驾驶员的行驶意图的判别，从整车纵向制动性能和侧向稳定性能的协调控制出发，来动态调节汽车内外侧车轮的制动力，纠正车辆的过度与不足转向趋势，从而一定程度上提高了转弯制动过程中的侧向稳定性能。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

提高车辆转弯制动侧向稳定性的增强型ABS系统，其特征在于用线性二自由度车辆模型描述驾驶员的行驶意图，根据行驶意图与实际车辆运动状态的偏差判断车辆的不足转向与过度转向趋势，由控制机构动态调整车轮ABS滑移率工作区间，如果为过度转向，根据横摆角速度偏差的大小动态增大车辆外侧车轮的ABS滑移率工作区间并相应减小内侧车轮的ABS滑移率工作区间，如果为不足转向工况，则动态增大内侧车轮的ABS滑移率工作区间并相应减小外侧车轮的ABS滑移率工作区间。

常规的ABS系统通过对观测到的轮胎滑移率与系统滑移率上下限值进行比较，调整制动液压系统的状态，从而使车辆的制动效能最大。而有些紧急制动的工况下(如转弯制动、紧急避障等)，由于车辆前轴或后轴侧向性能的降低，会出现过度转向或不足转向的危险工况，使车辆的操纵稳定性大为降低，所以驾驶员希望在制动性能尽量保持不变的情况下，车辆有更好的侧向性能，以使车辆有足够的转向能力跟随驾驶员的意愿回到期望的行驶路径上来。

描述车辆侧向运动的一个基本量是车辆横摆角速度，对驾驶员意愿的表征可以通过二自由度模型来实现，通过实际的横摆角速度与理想的横摆角速度进行比较，判断车辆是过度转向趋势还是不足转向趋势。

如果是过度转向趋势，控制系统将根据实际横摆角速度与理想横摆角速度偏差的大小，增大车辆外侧车轮ABS工作的上下限值，并相应的减小内侧车轮ABS工作的上下限值，以使车辆外侧车轮的制动力增大而内侧车轮制动力减小，以产生一个补偿的横摆力矩减轻车辆的过度转向趋势；类似的，不足转向工况时，车辆的内侧车轮滑移率上下限值增大，而外侧车轮滑移率上下限值减小，以减轻车辆不足转向趋势。

本发明与现有的ABS系统相比具有以下优点：

1、本发明的一种提高车辆转弯制动时侧向稳定性系统，可以有效的减轻制动转弯工况下的侧滑甩尾等危险工况，提高了车辆的主动安全性能。

2、从整车动力学的角度出发，保证车辆制动效能的前提下，兼顾驾驶员的行驶意图，更为精确的分配车轮的制动力，提高转弯制动极限工况下的操纵稳定性。

3、充分利用了现有的ABS系统的硬件资源，系统简单有效，为ABS系统的研究提供了一种新的思路。

附图说明：

图1轮胎滑移率与附着系数示意图；

图2常规型ABS系统滑移率工作区间；

图3改进型ABS滑移率控制区间；

图4制动转弯工况下轮胎受力示意图；

图5车辆过度转向工况示意图；

图6过度转向工况车辆外侧车轮1、3ABS滑移率工作区间变动方向示意图；

图7过度转向工况车辆内侧车轮2、4ABS滑移率工作区间变动方向示意图；

图8车辆不足转向工况示意图；

图9不足转向工况车辆外侧车轮1、3ABS滑移率工作区间变动方向示意图；

图10不足转向工况车辆内侧车轮2、4ABS滑移率工作区间变动方向示意图；

图11本系统的工作过程图。

具体实施方式：

下面结合附图所示实施例详细介绍本发明的具体内容。

1、驾驶员期望行驶路径的计算

汽车本身是一个复杂的非线性系统，车辆二自由度模型由于忽略了悬架、转向等系统的影响，直接以前轮转角作为输入，车辆二自由度模型的稳态响应可以较好的反应驾驶员期望的车辆行驶路径，故有：

$(k_1+k_2)\frac{v}{u}+\frac{1}{u}(a{k}_1-b{k}_2){\mathrm{\ω}}_r-k_1\mathrm{\δ}=\mathrm{mu}{\mathrm{\ω}}_r$

$(a{k}_1-b{k}_2)\frac{v}{u}+\frac{1}{u}(a^2{k}_1+b^2{k}_2){\mathrm{\ω}}_r-a{k}_1\mathrm{\δ}=0$

联立上面两式，可得：

$\frac{{\mathrm{\ω}}_r}{\mathrm{\δ}}=\frac{u/L}{1+\frac{m}{L^2}(\frac{a}{k_2}-\frac{b}{k_1})u^2}=\frac{u/L}{1+K{u}^2}$

a为车辆质心至前轴的距离，b为车辆质心至后轴的距离，k₁为前轴侧偏刚度，k₂为后轴侧偏刚度，δ为前轮转角，ω_r为车辆横摆角速度，L为轴距，v为车辆侧向速度，u为车辆纵向速度，K称为稳定性因数。

2、判断驾驶员的行驶意图

如果紧急制动时，车辆的横摆角速度大于理想的横摆角速度，车辆出现过度转向趋势，控制系统将增大车辆外侧车轮的滑移率上下限值，并相应减小内侧车轮滑移率上下限值；车轮的横摆角速度大于理想的横摆角速度，车辆出现不足转向趋势，系统将增大车辆内侧车轮的滑移率的上下限值，并相应减小外侧车轮滑移率的上下限值。

表1判断逻辑

其中，ω_no为车辆名义横摆角速度

注：1-车辆左前轮、2-车辆右前轮、3-车辆左后轮、4-车辆右后轮

3、改变车轮滑移率上下限值

图1为轮胎的附着系数曲线，随着滑移率的减小，轮胎的侧向附着系数增大，车辆的侧向性能增强。

参考图4，如果此时车辆出现过度转向趋势，控制系统将增大外侧车轮(车轮1、车轮3)的滑移率上下限值，并减小内侧车轮(车轮2、车轮4)的滑移率上下限值。

车轮1的滑移率增加了Δλ₁，其所产生的补偿稳定横摆力矩为：

$\mathrm{\Δ}{M}_{\mathrm{Yw}1}=-\frac{\∂F_S}{\∂\mathrm{\λ}}\·\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_1\·(a\·\cos {\mathrm{\δ}}_w-b\·\sin {\mathrm{\δ}}_w)+\frac{\∂F_B}{\∂\mathrm{\λ}}\·\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_1\·(a\·\sin {\mathrm{\δ}}_w+b\·\cos {\mathrm{\δ}}_w)$

车轮3的滑移率增加了Δλ₃，其所产生的补偿稳定横摆力矩为：

$\mathrm{\Δ}{M}_{\mathrm{Yw}3}=\frac{\∂F_B}{\∂\mathrm{\λ}}\·\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_3\·b$

车轮2的滑移率减小了Δλ₂，其所产生的补偿稳定横摆力矩为：

$\mathrm{\Δ}{M}_{\mathrm{Yw}2}=\frac{\∂F_S}{\∂\mathrm{\λ}}\·\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_2\·(a\·\cos {\mathrm{\δ}}_w+b\·\sin {\mathrm{\δ}}_w)-\frac{\∂F_B}{\∂\mathrm{\λ}}\·\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_2\·(b\·\cos {\mathrm{\δ}}_w-a\·\sin {\mathrm{\δ}}_w)$

车轮4的滑移率减小了Δλ₄，其所产生的补偿稳定横摆力矩为：

$\mathrm{\Δ}{M}_{\mathrm{Yw}4}=-\frac{\∂F_B}{\∂\mathrm{\λ}}\·\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_4\·b$

故，车辆改变内外侧车轮的滑移率上下限值产生的补偿横摆力矩为：

ΔM_Yw＝ΔM_Yw1+ΔM_Yw2+ΔM_Yw3+ΔM_Yw4

3.1车辆过度转向工况控制对比

普通ABS系统在出现如图5所示的过度转向工况时，由于轴荷的转移外侧车轮的制动力大于内侧车轮，这种制动力的差异将产生一个纠正过度转向的稳定力矩，但该力矩太小，即使驾驶员全力制动也不足以纠正车辆的过度转向，车辆无法回到驾驶员期望的行驶路径上来，车辆制动时的方向稳定性无法得到保证，车辆极易出现侧滑甩尾等危险工况。

而在过度转向工况下，改进型ABS将增大外侧车轮1、3滑移率工作区间的上下限值，以使外侧车轮的制动力保持在一个较高的范围，并减小内侧车轮2、4滑移率工作区间的上下限值，适当减小内侧车轮的制动力，参考图6图7。这种制动力的分配差异将产生一个纠正车辆过度转向趋势的稳定横摆力矩，使车辆回到驾驶员期望的行驶路径上来。

3.2车辆不足转向控制对比

普通ABS系统在车辆出现如图8不足转向工况时，轴荷的转移将加剧车辆的不足转向趋势，易使车辆滑出路面，这将需要驾驶员不断调整方向盘的输入，以使车辆回到期望的路径上来，这大大增加了驾驶员的疲劳，降低了车辆的安全性。

而在这种工况下，改进型ABS将增大外侧车轮2、4滑移率工作区间的上下限值，以使内侧车轮的制动力保持在一个较高的范围，并减小外侧车轮1、3滑移率工作区间的上下限值，适当减小内侧车轮的制动力，参考图。这种制动力的分配差异将产生一个纠正不足转向趋势的稳定横摆力矩，使车辆回到驾驶员期望的行驶路径上来。

该系统的具体工作过程是：

步骤一：计算驾驶员期望的行驶路径

在转弯制动工况时，根据车辆驾驶员的方向盘输入及车辆的运动状态，依据车辆二自由度线性模型，计算车辆理想的行驶路径(理想车辆横摆角速度)。

步骤二：判断车辆过度转向不足转向趋势

理想的车辆横摆角速度与车辆实际的运动状态相比较，判断车辆是过度转向还是不足转向趋势。

步骤三：动态调整车轮ABS滑移率工作区间

如果是过度转向，控制系统将根据理想横摆角速度与实际横摆角速度偏差的大小动态增大车轮外侧车轮的ABS滑移率工作区间，减小内侧车轮的ABS滑移率工作区间，以产生一个纠正过度转向的稳定横摆力矩；如果是不足转向，控制系统将动态增大内侧车轮的ABS滑移率工作区间，减小外侧车轮的ABS滑移率工作区间，以产生一个纠正不足转向的稳定横摆力矩。

Claims (3)

1、一种提高车辆转弯制动侧向稳定性的增强型汽车ABS系统，其特征在于用线性二自由度车辆模型描述驾驶员的行驶意图，根据行驶意图与实际车辆运动状态的偏差判断车辆的不足转向与过度转向趋势，由控制机构动态调整车轮ABS滑移率工作区间，如果为过度转向，根据横摆角速度偏差的大小动态增大车辆外侧车轮的ABS滑移率工作区间并相应减小内侧车轮的ABS滑移率工作区间，如果为不足转向工况，则动态增大内侧车轮的ABS滑移率工作区间并相应减小外侧车轮的ABS滑移率工作区间。

2、根据权利要求1所述的提高车辆转弯制动侧向稳定性的增强型ABS系统，其特征在于所说的驾驶员的行驶意图是根据车辆驾驶员的方向盘输入及车辆的运动状态，利用线性二自由度车辆模型确定驾驶员期望的行驶路径即理想车辆横摆角速度：

$(k_1+k_2)\frac{v}{u}+\frac{1}{u}(a{k}_1-b{k}_2){\mathrm{\ω}}_r-k_1\mathrm{\δ}=\mathrm{mu}{\mathrm{\ω}}_r$

$(a{k}_1-b{k}_2)\frac{v}{u}+\frac{1}{u}(a^2{k}_1+b^2{k}_2){\mathrm{\ω}}_r-a{k}_1\mathrm{\δ}=0$

联立上面两式，可得：

$\frac{{\mathrm{\ω}}_r}{\mathrm{\δ}}=\frac{u/L}{1+\frac{m}{L^2}(\frac{a}{k_2}-\frac{b}{k_1})u^2}=\frac{u/L}{1+K{u}^2}$

α为车辆质心至前轴的距离，b为车辆质心至后轴的距离，k₁为前轴侧偏刚度，k₂为后轴侧偏刚度，δ为前轮转角，ω_r为车辆横摆角速度，L为轴距，v为车辆侧向速度，u为车辆纵向速度，K称为稳定性因数。

3、根据权利要求1所述的提高车辆转弯制动侧向稳定性的增强型ABS系统，其特征在于所说的动态调整车轮ABS滑移率工作区间是：如果是过度转向，控制系统将根据理想横摆角速度与实际横摆角速度偏差的大小动态增大车轮外侧车轮的ABS滑移率工作区间，减小内侧车轮的ABS滑移率工作区间，以产生一个纠正过度转向的稳定横摆力矩；如果是不足转向，控制系统将动态增大内侧车轮的ABS滑移率工作区间，减小外侧车轮的ABS滑移率工作区间，以产生一个纠正不足转向的稳定横摆力矩。

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