CN101559764A - 提高车辆转弯制动侧向稳定性的汽车制动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种提高车辆转弯制动工况下的侧向稳定性的方法，特别是涉及一种一种提高车辆转弯制动侧向稳定性的汽车制动控制方法。本发明通过离线仿真的方法，从整车动力学的角度出发，基于优化技术标定出转弯制动工况下综合考虑纵向制动性能与侧向稳定性能的汽车ABS系统的最优目标滑移率工作区间，并形成“目标滑移率-转向角-制动初速度”曲面，然后提供给在线ABS系统动态调整弯道内外侧车轮的目标滑移率，从而调整其制动轮轮缸压力来合理分配车辆转弯制动时各车轮所受的纵向力和侧向力，从而提高车辆的侧向稳定性能。本发明在现有ABS系统的基础上，在不增加任何成本的情况下使ABS系统具有部分ESP系统的功能。

Description

提高车辆转弯制动侧向稳定性的汽车制动控制方法

技术领域：

本发明涉及一种提高车辆转弯制动工况下的侧向稳定性的方法，特别是涉及一种一种提高车辆转弯制动侧向稳定性的汽车制动控制方法。

背景技术：

安全、环保、节能是当今世界发展的三大主题，也是现代汽车的发展方向。其中在汽车的“安全”方面，汽车制动系统担当至关重要的角色。近年来，随着高速公路的发展，汽车行驶速度的提高、车流密度及驾驶员非职业化趋势的逐渐增大，这种重要性表现得越来越明显。

汽车的制动过程是一种强非线性的复杂过程，而在弯道行驶时施加制动更是一种危险操作，这是因为弯道行驶时施加制动，轮胎与地面接触印记内同时作用有纵向力与侧向力，当纵向力消耗掉大部分摩擦力时，侧向力接近于零，在侧向上车辆容易失去抵抗干扰的能力，从而产生侧滑、甩尾等危险工况而引起交通事故发生。因此，汽车转弯制动过程中，一个很重要的评价指标便是车辆制动时的侧向稳定性。为了满足侧向稳定性，就不得不牺牲一定的制动效果，车辆制动控制系统的设计开发必须综合考虑车辆的制动性能与侧向稳定性能。

ABS系统仅通过控制车辆的纵向滑移率在最佳滑移率处，保证了车辆制动的动力学性能，但侧向稳定性无法保证。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。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ABS系统的工作原理，如图1，如果将ABS系统的目标滑移率向左移适当距离，则有纵向附着系数略为减少，而侧向附着系数有很大提高，反应在车轮受力上，即为在牺牲一点纵向制动力的同时，大幅度提高了侧向力，而侧向力的提高就意味着增加了车辆抵抗侧向干扰得能力，提高了车辆的侧向稳定性能。因此，基于此原理，通过离线仿真和优化技术限制弯道外侧车轮的ABS滑移率工作区间保持在车轮μ-λ曲线的高范围内变化，弯道内侧车轮的ABS滑移率工作区间保持在车轮μ-λ曲线的低范围内变化，从而标定出ABS系统的“目标滑移率-转向角-制动初速度”曲面，在现有ABS系统的基础上，系统基于此“目标滑移率-转向角-制动初速度”曲面实时动态地调整内外侧车轮的目标滑移率，就能够有效提高车辆的侧向稳定性能，在不增加任何成本的情况下使ABS系统具有部分ESP系统的功能。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种提高车辆转弯制动侧向稳定性的汽车制动控制方法，根据以上分析，在转弯制动工况时，基于综合考虑车辆纵向制动性能与侧向稳定性能，确定车辆内外侧车轮的最优滑移率工作区间，来重新分配车轮所受纵向制动力和侧向力，从而提高弯道制动时整车的侧向稳定性能。如何相对应于不同的转弯制动工况下来确定此最优目标滑移率工作区间，是本发明的关键。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

一种提高车辆转弯制动侧向稳定性的汽车制动控制方法：

a)通过仿真环境，设置一定的转弯制动工况，包括：路面附着系数、方向盘转角和制动初速度，即设置车辆在一定附着系数路面上，以一定的制动初速度及转向角进行弯道制动；

b)选取弯道制动过程中综合考虑车辆制动效能和侧向稳定性能的综合评价指标作为目标函数；

c)选取弯道内、外侧车轮的目标滑移率工作区间的上门限值作为自变量；

d)运行仿真得到不同自变量下的不同目标函数值，采用优化技术优化出最优目标函数值，其所对应的自变量即为此工况下弯道内外侧车轮的ABS系统的最优目标滑移率工作区间的上门限值；

e)插值拟合得到不同路面上ABS系统的“目标滑移率-转向角-制动初速度”曲面；

f)将“目标滑移率-转向角-制动初速度”曲面提供给相应实际工况下的在线ABS系统，该系统以“目标滑移率-转向角-制动初速度”曲面所确定的目标滑移率来动态调整弯道内外侧车轮的轮缸压力，从新分配车轮所受的纵向制动力和侧向力，从而使整车产生抑制车辆发生过度转向或不足转向的横摆力矩，保持车辆在弯道上稳定制动，提高弯道制动时车辆稳定性能。

所述的路面附着系数包括冰面μ＝0.1、压雪路面μ＝0.3和混凝土路面μ＝0.85三种常规路面，所述的方向盘转角的选取由零逐渐增大到车辆不制动时保持稳定所允许的最大转向角，所述的制动初速度选取一个初始值，然后逐渐增大到车辆转弯行驶不制动时所允许的最大速度。

所述的目标函数包括：制动效能由制动距离体现，侧向稳定性能由实际横摆角速度与名义横摆角速度的偏差和车辆质心侧偏角来衡量。

ESP系统可以精确地分配车轮的制动力，保证车辆的侧向稳定性能，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，无法有效地提高车辆的主动安全性能。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。CBC系统(弯道制动系统)是在ABS系统的硬件基础上加了许多传感器，并利用ESP的控制思想——利用ABS对每个车轮进行独立控制，来保证车辆在弯道制动时的侧向稳定性能。但同样，由于传感器的添加，增加其成本。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，我们希望在现有ABS系统的基础上，基于离线仿真和优化技术得到的“目标滑移率-转向角-制动初速度”曲面来实时动态地调整弯道内外侧车轮的目标滑移率来提高整车的横向稳定性能。由前文分析，该控制方法的关键在于综合车辆的制动性能与侧向稳定性能如何确定弯道制动时ABS系统的目标滑移率工作区间，并将确定好的目标滑移率工作区间提供给在线ABS系统，让系统能适时地进行动态调整各车轮轮缸的制动压力。本发明提出了一种基于离线仿真和优化技术来标定弯道制动工况下ABS系统目标滑移率工作区间的方法。标定过程的逻辑框图如图2所示。

ABS系统目标滑移率工作区间的标定方法是：先通过仿真环境(模拟实际路面工况)，设置一定的转弯制动工况；根据汽车转向来判断车辆左右侧车轮分别为弯道内侧还是外侧车轮；改变ABS控制算法中弯道内、外侧车轮的滑移率工作区间，使弯道内外侧车轮的ABS滑移率工作区间分别以一定的步长在车轮μ-λ曲线上向左向右移动，同时限制弯道外侧车轮的ABS滑移率工作区间保持在高范围内变化，弯道内侧车轮的ABS滑移率工作区间保持在低范围内变化；选取综合考虑车辆制动效能和侧向稳定性能的目标函数J_e；当每改变一次弯道内、外侧车轮的滑移率工作区间，运行仿真，就得到一个目标函数值J_ei，最后得到一组这样的目标函数值{J_e}；然后利用优化算法，优化出其中最小的目标函数值，其所对应的内外侧车轮的ABS滑移率工作区间即为此工况下的综合考虑车辆纵向制动性能与侧向稳定性能的ABS最优目标滑移率工作区间。然后改变工况，得到不同工况下的最优目标滑移率工作区间，利用曲线拟合的方法标定出“目标滑移率-转向角-制动初速度”曲面。

本发明具有以下有益效果：

1、发明了一种转弯制动工况下动态调整车轮制动轮缸压力的车辆制动控制方法：基于离线和优化算法标定出不同路面上车辆转弯制动时ABS系统的“目标滑移率-转向角-制动初速度”曲面，将该曲面提高给在线ABS系统，该系统根据此曲面重新确定各车轮目标滑移率，从而动态地调整各车轮制动轮缸压力，合理分配各车轮所受的纵向力和侧向力，从而提高车辆的侧向稳定性能。

2、此目标滑移率是从模拟实际工况中提取出来的，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，更为精确的分配了车轮的制动力，提高转弯制动极限工况下的操纵稳定性。

附图说明：

图1为ABS工作原理图。

图2为弯道制动时ABS目标滑移率标定的逻辑框图。

图3为转弯制动车辆受力分析图。

图4(a)和图4(b)分别为目标函数中权值的选取图。

图5为“目标滑移率-转向角-制动初速度”曲面示意图，其中图5(a)是冰面上，图5(b)是混凝土路面。

图6为弯道制动时ABS系统目标滑移率的标定方案示意图。

具体实施方式：

下面结和附图所示实施例进一步说明本发明的具体内容及其实施方式：

1、设置一定的转弯制动工况

车辆转弯制动工况的设定主要从以下几个方面考虑：(1)路面附着系数，(2)方向盘转角，(3)制动初速度。针对路面附着系数，由于常规路面有冰面(μ＝0.1)、压雪路面(μ＝0.3)和混凝土路面(μ＝0.85)三种，因此本发明主要就针对这三种路面进行标定。方向盘转角的选取由零逐渐增大到车辆不制动时保持稳定所允许的最大转向角。制动初速度选取一个初始值，然后逐渐增大到车辆转弯行驶不制动时所允许的最大速度。

2、根据转向角判断弯道内、外侧车轮

采用ISO车辆坐标系，汽车向左转向为正，此时车辆左侧车轮为弯道内侧车轮，右侧车轮为弯道外侧车轮；相反，当汽车向右转向时，转向角为负，此时右侧车轮为弯道内侧车轮，左侧车轮为弯道外侧车轮。

3、重新分配弯道内、外侧车轮目标滑移率

车辆转弯制动时(假定向左转向)，受力分析如图3所示，图中的力分别为各车轮所受的制动力F_xi和侧向力F_yi；其中力F_y2、F_y1、F_x1和F_x3对车辆重心形成的转矩为M_Zf，使车辆产生正向的偏转角速度，即使车辆向弯道内侧偏转；力F_x2、F_x4、F_y4和F_y3对车辆重心形成的转矩为M_Zr，使车辆产生反向的偏转角速度，即使车辆向弯道外侧偏转。如果M_Zf＞M_Zr，则车辆向弯道内侧偏转，车辆出现转向过多；如果M_Zf＜M_Zr，则车辆向弯道外侧偏转，车辆出现转向不足；如果M_Zf＝M_Zr，则车辆保持在弯道的轨迹中，车辆呈现中性转向。

当车辆在弯道中制动时，在一般情况下，车辆会有向弯道内侧偏转的趋势，即转向过多的趋势，造成这种现象的出现，主要是以下原因：

在转向过程中，各个车轮都形成一定的侧偏角，即一定侧向滑移率，这便形成一定的侧向附着系数和侧向力，侧向力可以保证车辆在弯道保持稳定的转向。与此同时，由于车辆受到离心力的作用，使弯道内侧车轮的轮荷变小，外侧车轮的轮荷变大。而当车辆制动之后，车轮产生纵向减速度，这导致前轮的轮荷增加，后轮轮荷减小，在同样的车轮侧偏角的大小下，前轮的侧向力增大，后轮的侧向力减小，即F_y2、F_y1增大，F_y4、F_y3减小，因此M_Zf＞M_Zr，车辆呈现转向过多的趋势。于是可归纳出造成车辆在弯道制动时产生转向过多的原因是由于M_Zf＞M_Zr。

因此，当车辆出现过多转向失稳时，为了保持车辆在弯道中的行驶轨迹，可以通过减小M_Zf来实现。而由弯道制动时车轮的受力分析可知，减小M_Zf可以通过减小F_x1和F_x3(内侧车轮纵向制动力)来实现。

又根据上文分析，如果减小弯道内侧车轮目标滑移率(ABS系统的滑移率门限值)，有F_x1、F_x3减小，F_y1、F_y3增大，而F_y1和F_y3对车辆重心的力矩有相互抵消的作用，即F_y1、F_y3的增大对M_Zf的减小影响不大，因此通过减小内侧车轮的目标滑移率就可以减小M_Zf，从而有效抑制车辆发生过多转向，同时F_y1、F_y3的增大还提高车辆在侧向抵抗干扰的能力，保证车辆的横向稳定性。此时，外侧车轮仍保持在高的滑移率门限范围内，确保整车制动效能。

综上所述，要在保证制动效能的同时，提高转弯制动车辆的侧向稳定性能，可通过重新分配弯道内、外侧车轮的目标滑移率来实现，具体是：让弯道外侧车轮保持在高滑移率范围内，减少弯道内侧车轮的目标滑移率。

因此，整个分配逻辑如表1所示：

表1判断逻辑

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

4、目标函数的选取

汽车转弯制动过程中，很重要的评价指标便是制动效能和制动时车辆的侧向稳定性能，所以选取的评价制动控制系统综合性能的目标函数应包括这两方面。制动效能可由制动距离体现，侧向稳定性能可由实际横摆角速度与名义横摆角速度的偏差和车辆质心侧偏角来衡量。因此，得到如下误差指标：

(1)考虑侧向稳定性，包括横摆角速度偏差和质心侧偏角：

横摆角速度： $J_{\mathrm{\ω}}={\∫}_0^t{\left(\frac{{\mathrm{\ω}}_r-{\mathrm{\ω}}_{n0}}{{\mathrm{\ω}}_{\max }}\right)}^2\mathrm{dt}$

质心侧偏角：

其中，ω_r为车辆实际横摆角速度，ω_n0为车辆名义横摆角速度(见下一节)，ω_max为车辆实际横摆角速度的最大值，β为车辆质心侧偏角，为质心侧偏角最大值。

因此，加权组合得到考虑侧向稳定性的误差指标为：

$J_1=\sqrt{\frac{W_1{J}_{\mathrm{\ω}}^2+W_2{J}_{\mathrm{\β}}^2}{W_1+W_2}},(W_1+W_2=1)$

W₁、W₂为权重，由于横摆角速度和质心侧偏角对汽车侧向稳定性的影响程度相当，因此选取它们各自占的比重为1/2，所以有：

$J_1=\sqrt{\frac{1}{2}{J}_{\mathrm{\ω}}^2+\frac{1}{2}{J}_{\mathrm{\β}}^2}$

(2)考虑制动效能：

制动距离： $J_2={\∫}_0^t{\left(\frac{S}{\hat{S}}\right)}^2\mathrm{dt}$

其中，S为制动距离，

为制动距离最大值。

将以上两误差指标加权组合得到转弯制动时同时考虑制动效能和侧向稳定性能的综合评价指标：

$J_e=\sqrt{\frac{W_1{J}_1^2+W_2{J}_2^2}{W_1+W_2}},(W_1+W_2=1)$

其中，W₁，W₂分别为车辆制动效能与侧向稳定性能在综合评价指标中的权重，与驾驶员驾驶意图、路面摩擦系数等有关，如图4所示。

5、车辆名义横摆角速度的获得

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：

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

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

联立上面两式，可得：

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

其中，ω_r为汽车横摆角速度，δ为前轮转角，u为汽车前进速度，K为稳定性因数，m为汽车质量，a、b分别为质心到前、后轴的距离，L为汽车轴距，K₁、K₂分别为前、后轴等效侧偏刚度。

上式所描述的汽车理想横摆角速度必须受路面附着条件的限制，在轮胎附着极限下侧向力必须满足如下约束：

|a_y|≤μ·g

在汽车质心侧偏角很小时近似有：

a_y≈ω_r·u

所以理想的横摆角速度还应满足如下条件：

$\left|{\mathrm{\ω}}_{n0}\right|\≤\left|\frac{\mathrm{\μ}\·g}{u}\right|$

故驾驶员期望的横摆角速度应当修正为：

${\mathrm{\ω}}_{n0}=\min \left\{\right|\frac{u/L}{1+{\mathrm{Ku}}^2}\·\mathrm{\δ}|,|\frac{\mathrm{\μ}\·g}{u}\left|\right\}\·\mathrm{sgn}\left(\mathrm{\δ}\right)$

6、“目标滑移率-转向角-制动初速度”曲面的标定

设置运行工况为在一定路面附着系数和制动初速度下进行弯道制动；取转向角为一个较小值，根据表1中的判断逻辑改变ABS控制算法中各车轮的滑移率工作区间，使弯道内外侧车轮的ABS滑移率工作区间分别以一定的步长在车轮μ-λ曲线上向左向右移动，同时限制弯道外侧车轮的ABS滑移率工作区间保持在高范围内变化，弯道内侧车轮的ABS滑移率工作区间保持在低范围内变化；选取综合考虑车辆制动效能和侧向稳定性能的目标函数J_e；当每改变一次弯道内、外侧车轮的滑移率工作区间，运行仿真，就得到一个目标函数值J_ei，最后得到一组这样的目标函数值{J_e}；然后利用优化算法，优化出其中最小的目标函数值，其所对应的各车轮的ABS滑移率工作区间即为此路面附着系数、此制动初速度和此转向角下的综合考虑车辆纵向制动性能与侧向稳定性能的ABS最优目标滑移率工作区间。然后改变转向角，同样运行优化程序，得到此路面附着系数、此制动初速度下的不同转向角下的最优目标滑移率工作区间，利用曲线拟合的方法拟合出“目标滑移率-转向角”曲线。之后改变制动初速度，重复以上操作，得到此附着系数路面下的不同制动初速度所对应的不同“目标滑移率-转向角”曲线，再通过拟合就得到此路面附着系数下的“目标滑移率-转向角-制动初速度”曲面。

改变路面附着系数，就得到不同路面附着系数下的“目标滑移率-转向角-制动初速度”曲面，坐标关系如图5所示。

下面以针对于冰面上(μ＝0.1)的目标滑移率标定为例，具体步骤如下：

步骤一：取制动初速度v₀＝50km/h。

步骤二：取转向角δ₁＝1°，固定车轮滑移率工作区间宽度为0.05，取弯道外侧车轮目标滑移率上门限为x₁，则下门限为(x₁-0.05)；取弯道内侧车轮目标滑移率上门限为x₂，则下门限为(x₂-0.05)；x₁在区间[0.1，0.3]内取值，x₂在区间[0，0.1]内取值；每取一个x₁、x₂，运行仿真，就会得到一个目标函数值J_ei，最后得到数列{J_e}；运用优化算法，就自动优化出数列{J_e}中的最小值J_emin，则J_emin对应的x₁、x₂就为最佳门限值，此时的弯道内外侧车轮的滑移率区间即为即为转向角δ₁下的目标滑移率。因此得到一个点(x₁、x₂，δ₁)。

步骤三：依次取转向角δ＝2°、3°、4°...，重复步骤二，得到一系列点(x_1i、x_2i，δ_i)。

步骤四：对步骤三得到的点，利用曲线拟合，就得到在步骤一确定的制动初速度下的δ-λ_d曲线，λ_d代表弯道内、外侧车轮的滑移率上门限值。

步骤五：改变步骤一中的制动初速度，重复步骤二、三、四，得到在附着系数为0.1的路面上不同制动初速度下的δ-λ_d曲线，再通过拟合就得到此路面附着系数下的“目标滑移率-转向角-制动初速度”曲面。

同理，可标定出在压雪路面(μ＝0.3)和混泥土路面(μ＝0.85)上的“目标滑移率-转向角-制动初速度”曲面。

Claims (3)

1、一种提高车辆转弯制动侧向稳定性的汽车制动控制方法，其特征在于：

a)通过仿真环境，设置一定的转弯制动工况，包括：路面附着系数、方向盘转角和制动初速度，即设置车辆在一定附着系数路面上，以一定的制动初速度及转向角进行弯道制动；

b)选取弯道制动过程中综合考虑车辆制动效能和侧向稳定性能的综合评价指标作为目标函数；

c)选取弯道内、外侧车轮的目标滑移率工作区间的上门限值作为自变量；

d)运行仿真得到不同自变量下的不同目标函数值，采用优化技术优化出最优目标函数值，其所对应的自变量即为此工况下弯道内外侧车轮的ABS系统的最优目标滑移率工作区间的上门限值；

e)插值拟合得到不同路面上ABS系统的“目标滑移率-转向角-制动初速度”曲面；

f)将“目标滑移率-转向角-制动初速度”曲面提供给相应实际工况下的在线ABS系统，该系统以“目标滑移率-转向角-制动初速度”曲面所确定的目标滑移率来动态调整弯道内外侧车轮的轮缸压力，从新分配车轮所受的纵向制动力和侧向力，从而使整车产生抑制车辆发生过度转向或不足转向的横摆力矩，保持车辆在弯道上稳定制动，提高弯道制动时车辆稳定性能。

2、根据权利要求1所述的一种提高车辆转弯制动侧向稳定性的汽车制动控制方法，其特征在于，所述的路面附着系数包括冰面μ＝0.1、压雪路面μ＝0.3和混凝土路面μ＝0.85三种常规路面，所述的方向盘转角的选取由零逐渐增大到车辆不制动时保持稳定所允许的最大转向角，所述的制动初速度选取一个初始值，然后逐渐增大到车辆转弯行驶不制动时所允许的最大速度。

3、根据权利要求1所述的一种提高车辆转弯制动侧向稳定性的汽车制动控制方法，其特征在于，所述的目标函数包括：制动效能由制动距离体现，侧向稳定性能由实际横摆角速度与名义横摆角速度的偏差和车辆质心侧偏角来衡量。

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