CN102407846A

CN102407846A - 基于轮胎垂向载荷分配的车辆稳定性控制方法

Info

Publication number: CN102407846A
Application number: CN2011101587989A
Authority: CN
Inventors: 孙涛; 徐桂红; 柴陵江
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2011-06-14
Filing date: 2011-06-14
Publication date: 2012-04-11

Abstract

本发明揭示了一种基于轮胎垂向载荷分配的车辆稳定性控制方法，所述控制方法包括如下步骤：步骤S10、驾驶员给出转向输入，整车模型和整车参考模型估计出车辆运动状态信息和理想状态信息；通过车辆信息的比较来辨别车辆是否处于稳定状态；步骤S20、车辆的跟踪误差输入到PID控制器，通过相应的PID控制算法得到悬架的主动力反馈；步骤S30、车辆接受反馈控制后，车辆轮胎的垂向载荷进行重新分配，产生一个校正横摆力矩来抑制车辆的侧滑，车辆的稳定性得到提高。本发明利用悬架主动力来分配轮胎的垂向载荷，因轮胎垂向载荷与侧偏力的非线性耦合关系而产生一个校正横摆力矩，进而控制车辆的横摆运动以抑制车辆侧滑，车辆的侧向稳定性得到提高。

Description

基于轮胎垂向载荷分配的车辆稳定性控制方法

技术领域

本发明属于车辆安全性控制技术领域，涉及一种车辆稳定性控制方法，尤其涉及一种基于轮胎垂向载荷分配的车辆稳定性控制方法。

背景技术

车辆稳定性控制一直是车辆主动安全性研究的热点，一般而言，可以通过制动系统或转向系统对车辆横摆运动和侧倾运动的主动干预来控制车辆运动稳定性，达到提高主动安全性的目的。

总体上说，目前汽车底盘电控系统中存在两类的车辆稳定性控制算法，一类是通过转向系统调节轮胎侧偏力控制车辆横摆运动来抑制轮胎侧滑达到提高车辆稳定性目的，即通过调整轮胎侧偏力来实现质心侧偏角最小化及良好的横摆角速度的瞬态响应特性，从而校正车辆行驶的过度转向趋势或过多的不足转向特性，保证车辆行驶的姿态和运动稳定性。如四轮转向系统4WS和主动前轮转向系统AFS，另一类是通过轮胎纵向力(制动力矩或驱动力矩)的分配控制来产生稳定车辆运动的校正横摆力矩，实现对车辆稳定性控制的，如基于制动力分配的电子稳定性控制系统ESP和车辆稳定性控制系统VSC等。

然而，前述的控制策略均是通过轮胎的水平力(即轮胎的侧偏力和纵向力)控制车辆的横摆运动来抑制车辆侧滑引起的失稳，并没有考虑轮胎垂向力的作用及其对侧向力的非线性耦合关系。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于轮胎垂向载荷分配的车辆稳定性控制方法，可提高车辆的侧向稳定性。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种基于轮胎垂向载荷分配的车辆稳定性控制方法，所述控制方法包括如下步骤：

步骤S10、驾驶员给出转向输入，整车模型和整车参考模型估计出车辆运动状态信息和理想状态信息；通过车辆信息的比较来辨别车辆是否处于稳定状态；

步骤S20、车辆的跟踪误差输入到PID控制器，通过相应的PID控制算法得到悬架的主动力反馈；

步骤S30、车辆接受反馈控制后，车辆轮胎的垂向载荷进行重新分配，产生一个校正横摆力矩来抑制车辆的侧滑，车辆的稳定性得到提高。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤S10中，通过车载传感器对车辆状态信息的监测以估计车辆运动状态参数信息；

而理想状态信息通过参考模型来估计，通过实际运动状态信息与理想状态信息的比较识别出车辆是否处于不稳定状态，若检测出车辆处于不稳定区域，则启动控制策略来实现负反馈控制。

作为本发明的一种优选方案，理想状态信息的参考车辆模型的构建方法为：

采用两自由度的单轨车辆模型估计理想车辆侧向速度和横摆角速度，通过这两个参考状态变量与相应车辆状态比较，以估计车辆的不稳定状态误差；理想状态信息的参考车辆模型的状态方程为：

其中，X和U分别是状态变量和控制输入，A和B分别是状态矩阵和控制输入矩阵，定义如下：

X = [\begin{matrix} β \\ \overset{\cdot}{ψ} \end{matrix}],

U＝[δ_F]，

A = [\begin{matrix} - \frac{C_{F} + C_{R}}{M \cdot V_{X}} & \frac{L_{R} \cdot C_{R} - L_{F} \cdot C_{F}}{M \cdot V_{X}} - 1 \\ \frac{L_{R} \cdot C_{R} - L_{F} \cdot C_{F}}{I} & - \frac{{L_{R}}^{2} \cdot C_{R} + {L_{F}}^{2} \cdot C_{F}}{I \cdot V_{X}} \end{matrix}],

B = [\begin{matrix} \frac{C_{F}}{M \cdot V_{X}} \\ \frac{L_{F} \cdot C_{F}}{I} \end{matrix}];

其中，β、

δ_F和V_X分别是车身侧偏角、横摆角速度、前轮转向输入和纵向速度，M和I分别是整车质量和横摆转动惯量，L_F和L_R分别是质心到前后车轴的距离，C_F和C_R分别是前后轮胎的侧偏刚度。

作为本发明的一种优选方案，在PID控制器设计中，横摆角速度

和车身侧偏角β是两个重要的状态输出变量，同时被用作参考跟踪变量，其跟踪误差为PID控制器的输入，调节PID控制器的控制参数获得反馈悬架主动力控制输入；

上述两个变量的跟踪误差所起的作用随着行驶工况而有所变化，对这两个变量的跟踪误差设计加权因子K₁和K₂以修正PID控制器，使跟踪误差的加权因子从一种工况下的最优值切换到另一工况下的最优值，从而使车辆的侧滑始终限制在可以接受的范围内。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤S30中，包括校正横摆力矩的确定及分配步骤：为减小理想状态跟踪误差，将校正横摆力矩分配给四个悬架主动力，通过主动悬架力控制轮胎的垂向载荷分配，从而根据车辆的实际运动状态产生校正横摆力矩控制车辆运动的稳定性。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤S30中，通过主动悬架主动力的调控，可调控轮胎的垂向载荷的分配，而轮胎垂向载荷的分配需要满足垂向力平衡和力矩平衡，即主动力的控制不会破坏车辆的垂向力的平衡、侧倾和俯仰平衡；

忽略车辆的俯仰运动，车辆在转向过程中，由于车身的侧向加速度和车身质心的侧倾作用，车辆的垂向载荷会发生横向转移，载荷转移方向是由内轮向外轮；车辆垂向载荷的相互关系如下：

[\begin{matrix} 1 & 1 & 1 & 1 \\ 1 & 1 & 0 & 0 \\ 1 & 0 & 1 & 0 \\ 1 & 0 & 0 & 0 \end{matrix}] \cdot [\begin{matrix} Fz 1 \\ Fz 2 \\ Fz 3 \\ Fz 4 \end{matrix}] = [\begin{matrix} M \cdot g \\ \frac{M \cdot g \cdot L_{R}}{L} \\ - \frac{M \cdot a_{Y} \cdot H_{S} + M \cdot g \cdot H_{S} \cdot φ}{B} + \frac{M \cdot g}{2} \\ (\frac{M \cdot a_{Y} \cdot H_{S} + M \cdot g \cdot H_{S} \cdot φ}{B} + \frac{M \cdot g}{2}) \cdot \frac{L_{R}}{L} + dN \end{matrix}];

其中，F_Zi是四个轮胎的垂向载荷，a_Y、φ和H_S分别是车辆的侧向加速度、车身侧倾角和车身质心到侧倾中心的垂直距离，dN是左前主动悬架的主动力，4个悬架的主动力幅值相等，只是作用力的方向有所不同，车辆对角线上的主动悬架控制力方向相同；控制悬架的主动力dN，也就意味调控4个轮胎的垂向载荷分配。

本发明的有益效果在于：本发明提出的基于轮胎垂向载荷分配的车辆稳定性控制方法，根据垂向载荷与轮胎侧偏力复杂的非线性关系，通过主动悬架主动力调控车辆的垂向载荷分配，进而控制轮胎的侧向力非线性分配，以提供一个补偿的横摆力矩来控制车辆的横摆运动，最终达到抑制车辆侧滑提高车辆稳定性的目的。这种通过悬架主动力控制轮胎垂向载荷来调控车辆横摆运动的控制策略，为车辆的稳定性控制提供了一种新的解决方案，这是提出该控制策略的诱因。

利用悬架主动力来分配轮胎的垂向载荷，因轮胎垂向载荷与侧偏力的非线性耦合关系而产生一个校正横摆力矩，进而控制车辆的横摆运动以抑制车辆侧滑，车辆的侧向稳定性得到提高。

附图说明

图1为纯侧偏工况轮胎垂向载荷与侧偏力的耦合关系示意图。

图2为主动力调控的校正横摆力矩示意图。

图3为控制策略的实现示意图。

图4为转向阶跃左前悬架主动力控制输出示意图。

图5阶跃试验主动力控制的校正横摆力矩示意图。

图6阶跃试验横摆角速度时域响应示意图。

图7阶跃试验车身侧偏角时域响应示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

实施例一

请参阅图1，本发明揭示了一种基于轮胎垂向载荷分配的车辆稳定性控制方法，所述控制方法包括如下步骤：

X = [\begin{matrix} β \\ \overset{\cdot}{ψ} \end{matrix}],

U＝[δ_F]，

A = [\begin{matrix} - \frac{C_{F} + C_{R}}{M \cdot V_{X}} & \frac{L_{R} \cdot C_{R} - L_{F} \cdot C_{F}}{M \cdot V_{X}} - 1 \\ \frac{L_{R} \cdot C_{R} - L_{F} \cdot C_{F}}{I} & - \frac{{L_{R}}^{2} \cdot C_{R} + {L_{F}}^{2} \cdot C_{F}}{I \cdot V_{X}} \end{matrix}],

B = [\begin{matrix} \frac{C_{F}}{M \cdot V_{X}} \\ \frac{L_{F} \cdot C_{F}}{I} \end{matrix}];

其中，β、

[\begin{matrix} 1 & 1 & 1 & 1 \\ 1 & 1 & 0 & 0 \\ 1 & 0 & 1 & 0 \\ 1 & 0 & 0 & 0 \end{matrix}] \cdot [\begin{matrix} Fz 1 \\ Fz 2 \\ Fz 3 \\ Fz 4 \end{matrix}] = [\begin{matrix} M \cdot g \\ \frac{M \cdot g \cdot L_{R}}{L} \\ - \frac{M \cdot a_{Y} \cdot H_{S} + M \cdot g \cdot H_{S} \cdot φ}{B} + \frac{M \cdot g}{2} \\ (\frac{M \cdot a_{Y} \cdot H_{S} + M \cdot g \cdot H_{S} \cdot φ}{B} + \frac{M \cdot g}{2}) \cdot \frac{L_{R}}{L} + dN \end{matrix}];

实施例二

本发明的工作机理是轮胎垂向和侧向力的非线性耦合关系。为清晰地描述这一控制策略，本发明采用纯侧偏工况下的魔术轮胎模型，其垂向载荷与侧偏力的耦合关系如图1。该图表明：随着垂向轮胎载荷F_Z的增加，轮胎提供侧偏力FY的斜率逐渐变小。利用这一轮胎垂向与侧向的耦合机理，可以通过主动悬架控制力优化轮胎的垂向载荷分配，于是前后垂向载荷转移会使前后轮胎均产生一个侧偏力差，继而形成一个车辆稳定行驶所需的横摆力矩。如图2所示(V_g是车辆的速度，β是车身质心侧偏角，X_A和Y_A分别是底盘坐标系的纵向和侧向坐标轴，A是车辆质心)，如果轮胎1和4的载荷增量符号为正(图2中，红色的加号表示轮胎垂向载荷增量符号为正，而绿色的减号表示轮胎垂向载荷增量符号为负)，则产生一个逆时针方向的横摆力矩ΔM_Z，增加车辆的过度转向趋势；反之，如果轮胎1和4的载荷增量符号为负，则产生一个顺时针方向的横摆力矩，增加车辆的不足转向趋势。

该控制策略的实现有一些限制条件，合理的避开这些限制工作区域可以有效提高其工作潜能，如图1显示：随着轮胎侧偏角α_F的增加，轮胎垂向和侧向力的非线性耦合关系逐渐趋于线性化，意味着：在大轮胎侧偏角时，轮胎的侧偏刚度趋于常值，悬架主动力可能不能产生足够的横摆力矩以使车辆稳定行驶，只能通过主动悬架控制来辅助提高车辆的侧向稳定性。在垂向载荷F_Z在0-2[KN]和6-7[KN]的区域，轮胎垂向和侧向力的非线性耦合关系也逐渐趋于线性化，因此，悬架主动力控制输出应在轮胎的非线性比较明显的2-6[KN]区域工作，以取得较好的控制效果，同时减小轮胎的不均匀磨损。

即使因为这些限制条件，垂向载荷调控提供的校正横摆力矩只能在一定程度抑制侧滑，但是将其纳入到整车集成控制体系，与其它车辆稳定性控制系统协调工作，挖掘车辆电子控制子系统的工作潜能，对车辆的行驶稳定性的贡献是值得关注的。

图3是本发明设计的控制思想的块图实现结构：首先，驾驶员给出转向输入，整车模型和整车参考模型估计出车辆的状态信息和理想状态信息，然后通过车辆信息的比较来辨别车辆是否处于稳定状态，车辆的跟踪误差输入到控制器，通过相应的PID控制算法得到悬架的主动力反馈，车辆接受反馈控制后，车辆轮胎的垂向载荷进行重新分配，产生一个校正横摆力矩来抑制车辆的侧滑，车辆的稳定性得到提高。

本发明实现车辆稳定性控制的两个关键部分：一是车辆行驶状态识别模块，通过车载传感器对车辆状态信息的监测以估计车辆运动状态参数信息；而理想的状态信息通过参考模型来估计，通过实际运动状态信息与理想状态信息的比较识别出车辆是否处于不稳定状态，若检测出车辆处于不稳定区域，则启动控制策略来实现负反馈控制。二是校正横摆力矩的确定及分配机制，为减小理想状态跟踪误差，将校正横摆力矩分配给四个悬架主动力，通过主动悬架力控制轮胎的垂向载荷分配，从而根据车辆的实际运动状态产生校正横摆力矩控制车辆运动的稳定性。

整车参考模型的建立

在小于0.4g的侧向加速度范围内，二自由度的单轨线性车辆模型有较好的操稳性，而且驾驶员习惯于这种线性操纵特性，而且车辆在极限状态也有较好的估计精度，于是本发明采用两自由度的单轨车辆模型估计理想车辆侧向速度和横摆角速度，通过这两个参考状态变量与相应车辆状态比较，以估计车辆的不稳定状态误差。参考车辆模型的状态方程为：

\overset{\cdot}{X} = AX + BU - - - (1)

式中，X和U分别是状态变量和控制输入，A和B分别是状态矩阵和控制输入矩阵，定义如下：

X = [\begin{matrix} β \\ \overset{\cdot}{ψ} \end{matrix}],

U＝[δ_F]

A = [\begin{matrix} - \frac{C_{F} + C_{R}}{M \cdot V_{X}} & \frac{L_{R} \cdot C_{R} - L_{F} \cdot C_{F}}{M \cdot V_{X}} - 1 \\ \frac{L_{R} \cdot C_{R} - L_{F} \cdot C_{F}}{I} & - \frac{{L_{R}}^{2} \cdot C_{R} + {L_{F}}^{2} \cdot C_{F}}{I \cdot V_{X}} \end{matrix}],

B = [\begin{matrix} \frac{C_{F}}{M \cdot V_{X}} \\ \frac{L_{F} \cdot C_{F}}{I} \end{matrix}]

式中，β、

垂向载荷的分配机制

主动悬架控制力是由电动机驱动的，提供的能量来自于发动机的输出，即主动力输出是有限制的，一般假设悬架主动力消耗发动机功率的1-5％。同时，主动悬架的主动力不能使轮胎的垂向载荷为负，即需要保持轮胎与地面相接触，为了保证车辆的稳定性不因轮胎垂向载荷过小而使车辆失稳，限制轮胎的垂向载荷不能使轮胎与地面失去接触。

通过主动悬架主动力的调控，可以调控轮胎的垂向载荷的分配，而轮胎垂向载荷的分配需要满足垂向力平衡和力矩平衡，即主动力的控制不会破坏车辆的垂向力的平衡、侧倾和俯仰平衡。

忽略车辆的俯仰运动，车辆在转向过程中，由于车身的侧向加速度和车身质心的侧倾作用，车辆的垂向载荷会发生横向转移，载荷转移方向是由内轮向外轮。车辆垂向载荷的相互关系如下：

[\begin{matrix} 1 & 1 & 1 & 1 \\ 1 & 1 & 0 & 0 \\ 1 & 0 & 1 & 0 \\ 1 & 0 & 0 & 0 \end{matrix}] \cdot [\begin{matrix} Fz 1 \\ Fz 2 \\ Fz 3 \\ Fz 4 \end{matrix}] = [\begin{matrix} M \cdot g \\ \frac{M \cdot g \cdot L_{R}}{L} \\ - \frac{M \cdot a_{Y} \cdot H_{S} + M \cdot g \cdot H_{S} \cdot φ}{B} + \frac{M \cdot g}{2} \\ (\frac{M \cdot a_{Y} \cdot H_{S} + M \cdot g \cdot H_{S} \cdot φ}{B} + \frac{M \cdot g}{2}) \cdot \frac{L_{R}}{L} + dN \end{matrix}] - - - (2)

式中，F_Zi是四个轮胎的垂向载荷，a_Y、φ和H_S分别是车辆的侧向加速度、车身侧倾角和车身质心到侧倾中心的垂直距离，dN是左前主动悬架的主动力，4个悬架的主动力幅值相等，只是作用力的方向有所不同，车辆对角线上的主动悬架控制力方向相同。控制悬架的主动力dN，也就意味调控4个轮胎的垂向载荷分配。

控制器的设计

图3描述了本发明的控制策略：在PID控制器设计中，横摆角速度

和车身侧偏角β是两个重要的状态输出变量，同时被用作参考跟踪变量，其跟踪误差为PID的输入，调节PID的控制参数获得反馈悬架主动力控制输入。这两个变量的跟踪误差所起的作用随着行驶工况而有所变化，于是，对这两个变量的跟踪误差设计加权因子K₁和K₂以修正控制器，使跟踪误差的加权因子从一种工况下的最优值切换到另一工况下的最优值，从而使车辆的侧滑始终限制在可以接受的范围内。

为了实现和验证上述控制策略设计，对某轿车进行控制仿真分析，首先在Matlab/Smulink建立9自由度被动整车模型(纵向车速、侧向车速、横摆加速度、侧倾运动、4个车轮转动和前轮转动)，然后在ADAMS/Car模块进行模型验证，在被动整车模型的基础上添加控制器，然后采用转向阶跃仿真试验，方向盘转角为60o，周期为2[s]，转向系统传动比为30，车速是80[km/h]。

图4至7是转向阶跃试验的车辆控制力和状态变量的时域响应。图4是左前悬架主动控制力输出，通过垂向载荷的分配机制(公式2)可以知道车辆的轮胎载荷分配。由于左前轮和右后轮的垂向载荷变化量方向为负，而右前轮和左后轮的垂向载荷变化量方向为正，使车辆产生一个顺时针方向的校正横摆力矩(图 5)，从而增加了车辆的不足转向趋势，于是横摆角速度减小而偏离理想的横摆角速度运动，如图6，而更重要的是在一定程度上抑制车辆转向过程的侧滑，如图7。

综上所述，本发明提出的基于轮胎垂向载荷分配的车辆稳定性控制方法，根据垂向载荷与轮胎侧偏力复杂的非线性关系，通过主动悬架主动力调控车辆的垂向载荷分配，进而控制轮胎的侧向力非线性分配，以提供一个补偿的横摆力矩来控制车辆的横摆运动，最终达到抑制车辆侧滑提高车辆稳定性的目的。这种通过悬架主动力控制轮胎垂向载荷来调控车辆横摆运动的控制策略，为车辆的稳定性控制提供了一种新的解决方案，这是提出该控制策略的诱因。

这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。