CN105270397A - 车辆电子稳定性控制系统稳定性控制判据的制定方法 - Google Patents

车辆电子稳定性控制系统稳定性控制判据的制定方法 Download PDF

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Abstract

一种车辆电子稳定性控制系统稳定性控制判据的制定方法，属于车辆系统动力学与控制领域。步骤包括：建立稳定性控制判据所需的理论模型，配置纵向加速度传感器，通过ESC系统传感器进行参数采集，在ESC系统每一个采样周期，如果计算得到的系统关键平衡点具有稳定焦点或者结点特性，则认定车辆在该采样周期动力学系统方程稳定，ESC系统将跟踪现有判据的判定结论；如果计算得到车辆动力学模型(1)的关键平衡点为鞍点特性，则认定该采样周期车辆动力学系统方程不稳定，车辆处于即将发生后轴滑移的危险工况，触发ESC系统对车辆实施稳定性控制。优点在于，克服ESC系统现有判据判定上述特定工况存在的局限性，为稳定性控制争取时间，进一步改善车辆的主动安全性。

Description

车辆电子稳定性控制系统稳定性控制判据的制定方法
技术领域
本发明属于车辆系统动力学与控制领域，特别涉及一种车辆电子稳定性控制系统稳定性控制判据的制定方法，适用于作为车辆电子稳定性控制系统(ElectronicStabilityControlSystem：ESC)的稳定性控制判据，帮助ESC系统预测车辆行驶过程中可能出现的后轴滑移等危险工况，从而提早进行控制干预，进一步提高稳定性控制效果，改善车辆的主动安全性。
背景技术
车辆电子稳定性控制系统集成了制动防抱死系统(Anti-lockBrakeSystem：ABS)以及牵引力控制系统(TractionControlSystem：TCS)，可以有效帮助驾驶员降低由于车轮滑移而导致车辆失控的风险。近二十年来，主要采用差动制动方式进行直接横摆力矩控制的ESC产品在汽车制造业中得到了越来越广泛的应用：如德国BOSCH的ESP(ElectronicStabilityProgram)系统、德国ContinentalTEVES和BMW公司的DSC(DynamicStabilityControl)系统以及日本Toyota的VSC(VehicleStabilityControl)系统等。以上现有ESC产品主要由：参数采集、控制判据、控制策略、控制方法决策、稳定性控制执行机构等几大功能模块构成，以BOSCH的ESP系统为例，其系统架构参见附图1(附图来源参见会议论文Evolutionofelectroniccontrolsystemsforimprovingthevehicledynamicbehavior.Proceedingsofthe6thInternationalSymposiumonAdvancedVehicleControl.Hiroshima，2002：1-9)，图1中框内区域表明该系统所采用的控制判据基于线性参考模型方法。
稳定性控制判据是ESC系统用于评价车辆运动状态以及决策是否实施稳定性控制的前提和基础，直接关系到ESC系统的整体控制效果。目前，产品化ESC系统所采用的控制判据分为两种方法：线性参考模型方法(参见专著汽车动力学.第4版.北京：清华大学出版社，2009以及专著VehicleDynamicsandControl.SecondEdition.NewYork：Springer，2012以及国际会议Evolutionofelectroniccontrolsystemsforimprovingthevehicledynamicbehavior.Proceedingsofthe6thInternationalSymposiumonAdvancedVehicleControl.Hiroshima，2002：1-9)和相平面稳定区域方法(参见会议论文Analysisonvehiclestabilityincriticalcorneringusingphase-planemethod.ProceedingsoftheInternationalSymposiumonAdvancedVehicleControl.Tokyo，1994：287-292)。
相平面稳定区域方法来源于非线性动力学几何分析方法对以横摆角速度和质心侧偏角β为状态变量的二自由度车辆侧向动力学非线性微分方程组解的稳定性研究，控制判据可以定性判定纵向加速度条件下，车辆在确定状态点是否处于侧向动力学参数依赖系统(ParameterDependentSystem参见期刊论文Onthetheoryofnonlineardynamicsanditsapplicationsinvehiclesystemsdynamics.VehicleSystemDynamics，1999，31(5-6)：393-421)在相应工况下常微分方程组中心平衡点的渐进稳定吸引域之内，国内外研究热点主要集中于对或者相图中稳定区域进行近似，以得到更为高效和精确的控制效果。但是，该判据在制定过程中采用的纯侧偏特性轮胎模型忽略了车辆驱动方式的影响，无法考虑用于克服横摆运动所产生曲线行驶阻力的驱动车轴切向力，以及该切向力对驱动车轴侧偏特性的影响；并且对于条件下车辆行驶状态的稳定性判定也缺乏理论依据。因此，如何使该类型控制判据有效覆盖车辆平面运动的更多工况仍需进一步研究。
线性参考模型方法依托于拉格朗日稳定性观点，通过设定横摆角速度的两个约束边界即线性参考模型理论值门限以及路面附着条件决定的最大值门限来评价车辆转向运动的稳定性，并不定性判定实际车辆动力学系统的稳定性。目前，研究集中于对计算所用线性车辆模型和特征车速平方值(稳定因数)进行修正，以增加ESC系统应对车辆参数变化时的鲁棒性以及进一步提高ESC系统对车辆行驶状态的辨识能力；与有关研究则主要集中于通过统计学方法评估ESC系统在各种极端行驶条件下对提高车辆主动安全性的帮助，并且指出后轴滑移是引起装备ESC系统车辆失控的主要原因(参见期刊论文Theeffectsofstuddedtiresonfatalcrasheswithpassengercarsandthebenefitsofelectronicstabilitycontrol(ESC)inSwedishwinterdriving.AccidentAnalysis&Prevention，2012，45(3)：50-60)。
发明内容
本发明的目的在于提供一种车辆电子稳定性控制系统稳定性控制判据的制定方法，用于定性判定车辆行驶过程中可能出现的后轴滑移等危险工况，克服ESC系统现有判据在判定上述特定工况时所体现的局限性，为稳定性控制的实施争取时间，进一步改善车辆的主动安全性。
本发明依据车辆动力学系统方程理论稳定性与实际车辆物理观点稳定性之间存在时域差异关系的研究结论，提出一种新的ESC系统补充判据与现有ESC系统稳定性控制判据共同使用，以专门应对车辆在和两大类工况条件下所出现的后轴滑移等危险工况，使ESC系统可以更早对车辆实际稳定性变化趋势做出定性预测，从而提早进行控制干预，增加稳定性控制的有效作用范围。
本发明所述的理论依据为支配车辆平面运动的动力学系统方程理论稳定性变化超前于车辆实际稳定性变化并存在可以量化的时域差异关系。该方法的实际应用由以下设计步骤构成：
步骤1：建立稳定性控制判据所需的理论模型，模型包括三个主要组成部分：(1)在纵向加速度以及两类工况条件下均适用的，以纵向车速、质心侧偏角、横摆角速度为状态变量；或者以纵向车速、侧向车速、横摆角速度为状态变量；或者以质心车速、质心侧偏角、横摆角速度为状态变量支配车辆平面运动的三自由度单轨车辆动力学模型，或者三自由度四轮车辆动力学模型；(2)车轴载荷计算模型或者车轮载荷计算模型；(3)非线性轮胎力学模型。
步骤2：配置纵向加速度传感器；根据试验标定获得与纵向加速度具体数值相关的前后车轴切向力，或者车轮切向力，建立查表数据供稳定性控制系统调用。
步骤3：通过ESC系统传感器进行参数采集，该理论模型跟踪参数有前轮转向输入δV、纵向车速vx、路面附着系数μ；同时，通过纵向加速度传感器采集纵向加速度参数；同时，根据纵向加速度数值，通过查表数据库调用与之对应的前后车轴切向力，或者车轮切向力。
步骤4：在ESC系统每一个采样周期，将步骤3采集得到的参数数值代入步骤1模型(1)至(3)中，计算车辆动力学模型(1)的系统关键平衡点特性。
步骤5：如果计算得到的系统关键平衡点具有稳定焦点或者结点特性，则认定车辆在该采样周期动力学系统方程稳定，ESC系统将跟踪现有判据的判定结论；如果计算得到车辆动力学模型(1)的关键平衡点为鞍点特性，则认定该采样周期车辆动力学系统方程不稳定，车辆处于即将发生后轴滑移的危险工况，触发ESC系统对车辆实施稳定性控制。
上述车辆电子稳定性控制系统稳定性控制判据的制定方法中，步骤1理论模型所包含的车辆动力学模型可以选择以纵向车速、质心侧偏角、横摆角速度为状态变量的；或者以纵向车速、侧向车速、横摆角速度为状态变量的；或者以质心车速、质心侧偏角、横摆角速度为状态变量的支配车辆平面运动的三自由度单轨车辆动力学模型，或者三自由度四轮车辆动力学模型。本发明特别优选车辆动力学模型如下，其特征在于针对工况的实际特点，根据确定时间技术稳定性观点(TechnicalStabilitywithinDefiniteTime，参见专著NonlinearDynamicsofaWheeledVehicle.NewYork：Springer，2005)，在施加一定约束条件的基础上，对以纵向车速、质心侧偏角、横摆角速度为状态变量的三自由度单轨车辆动力学模型进行简化，以实现以及两类工况条件下，稳定性控制判据形式上的统一，提高ESC系统的在线处理效率：
式中：vx为车辆纵向车速；m为整车质量；β为质心侧偏角；为横摆角速度；FxV为前轴切向力；FxH为后轴切向力；FyV为前轴侧向力；FyH为后轴侧向力；δV为前轮转向角；Jz为横摆转动惯量；lV以及lH分别为车辆质心到前轴和到后轴的距离；const为常数。
上述车辆电子稳定性控制系统稳定性控制判据的制定方法中，根据上述优选的车辆动力学模型，稳定性控制判据所跟踪的关键平衡点为：该优选模型在前轮转向角为零时，处于相图中心位置的系统平衡点，简称为中心平衡点。
上述车辆电子稳定性控制系统稳定性控制判据的制定方法中，根据上述优选的车辆动力学模型，步骤1理论模型所包含的车轴载荷计算模型或者车轮载荷计算模型可以选择车轴载荷计算模型，同时必须考虑纵向加速度引起的车轴间载荷变换，否则稳定性判定结论不能逼近实际车辆：
式中：FzV为前轴载荷；FzH为后轴载荷；h为质心高度；l为车辆轴距；g为重力加速度。
上述车辆电子稳定性控制系统稳定性控制判据的制定方法中，步骤1理论模型所包含的非线性轮胎力学模型既可以选择基于物理建模的轮胎模型，也可以选择基于实测数据的经验模型，但需要评价所选用轮胎力学模型在大侧偏角情况下，对轮胎力的拟合精度。本发明特别优选魔术公式(MagicFormula)简化轮胎模型，其特征在于保证轮胎力拟合精度的基础上，进一步对公式结构做出精简，保证了ESC系统处理器的在线数值计算效率：
式中：i为车轴下标，可以为车辆前轴V或者后轴H；αi为相应车轴等效侧偏角；μ为路面附着系数；Ci以及Bi分别为对应车轴所用形状因子及刚度因子。
上述车辆电子稳定性控制系统稳定性控制判据的制定方法中，所有变量及参数的符号标识符合汽车动力学(第4版.北京：清华大学出版社，2009)标识习惯，也可以采用本领域技术人员公知的其它符号标识方法。
上述车辆电子稳定性控制系统稳定性控制判据的制定方法中，ESC系统响应本发明控制判据的判定结论，对车辆实施稳定性控制，所述稳定性控制方法包括：差动制动方式的稳定横摆力矩控制、主动转向控制。
上述车辆电子稳定性控制系统稳定性控制判据的制定方法中，在ESC系统的每一个采样周期，重复步骤3至步骤5。
上述车辆电子稳定性控制系统稳定性控制判据的制定方法中，对于步骤1理论模型中所有可用的三自由度单轨车辆动力学模型，均可通过采用对非线性轮胎力学模型参数进行修正的方法，综合考虑侧倾引起的内外侧轮荷差对车轴侧偏特性的影响。
上述车辆电子稳定性控制系统稳定性控制判据的制定方法中，所述的本发明内容及方法，可以应用于车辆的模型预测控制(ModelPredictiveControl：MPC)。
与现有技术相比具有的优点和积极效果将在实施例中阐述。
附图说明
图1是BoschESP系统结构示意图。
图2是实施例1的vx＝100km/h,δV＝10°时，相图。
图3为实施例1的vx＝100km/h,δV＝10°时，横摆角速度时域曲线图。
图4是实施例2的匀速圆周行驶阶段的相图。
图5是实施例2的工况切换引起相图全局特性变化图。
图6是实施例2的载荷变换反应对车轴侧偏特性影响图。
图7是实施例2的控制判据判定时机评价图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明，但实施例不限制本发明，且发明中未述及之处适用于现有技术。
实施例1
车辆匀速行驶的转角阶跃输入试验，工况参数选择行驶车速100km/h、前轮转向角10°，是典型通过过度的转向输入，人为激发车辆后轴滑移的危险工况。车辆参数为：整车质量1022kg、车辆轴距2.4m、质心到前轴距离1.197m、质心高度0.4m、横摆转动惯量1471.4kg·m2、轮胎规格165/60/R1475H。通过本发明的稳定性控制判据可以判定在转向阶跃输入所引起的工况切换瞬态，车辆动力学系统方程的中心平衡点变为鞍点，即判定车辆动力学参数依赖系统在该工况下的常微分方程组不稳定，车辆处于即将发生后轴滑移的危险工况，进而触发ESC系统实施稳定性控制。中心平衡点的鞍点特性通过图2加以验证，即图2中所有特解轨线均被鞍点排斥，轨线表征的车辆运动均不稳定。图3表明，使用本发明的方法在工况切换瞬态(t＝0)即可判定车辆动力学特性变化，与车辆实际稳定性边界(即轮胎力非线性范围内的瞬态稳定性边界。参见期刊论文：车辆临界稳定情况下相关状态变量变化规律对稳定性判定准则的影响.汽车工程，2014，Vol.36(12)：1520-1527)之间存在明确的时域差异，是ESC系统所能辨识车辆行驶稳定性变化的最早时机。
实施例2
实施例考虑车辆在弯道行驶过程中加速踏板松开所引起的载荷变换反应。该工况的最大特点是接近-1m/s2纵向减速度引起车辆前轴加载、后轴减载。对于不同驱动方式车辆，这种动态轴荷变换均拉近了前后车轴之间的等效侧偏关系，大多数车辆不足转向程度降低甚至出现过多转向以至于失去稳定性。工况参数的选择考虑城市道路行驶，其中车速70km/h，前轮转向角5.5°。通过本发明的方法可以得到在加速踏板松开所引起的工况切换瞬态(t＝0)，车辆动力学优选模型的中心平衡点特性由之前匀速圆周行驶时的稳定焦点瞬时变为鞍点，从而判定实际车辆行驶处于后轴滑移的危险工况。参见图4和5清晰体现了中心平衡点特性瞬态变化对动力学系统全局特性的影响；图6表明，在工况中，纵向加速度所产生的载荷变换对前后车轴侧偏特性的影响，是改变车辆行驶稳定性的重要原因；图7所示ESC系统现有线性参考模型判据触发门限距离车辆实际的稳定性边界不足0.1秒，留给ESC系统应对车辆后轴滑移的处理时间有限，从而清晰体现了本发明的方法(图7中，t＝0时刻)相对于线性参考模型判据在稳定性判定时机上所具有的优势。

Claims (5)

1.一种车辆电子稳定性控制系统稳定性控制判据的制定方法，其特征在于，步骤如下：
步骤1：建立稳定性控制判据所需的理论模型，模型包括三个组成部分：(1)在纵向加速度以及两类工况条件下均适用的，以纵向车速、质心侧偏角、横摆角速度为状态变量；或者以纵向车速、侧向车速、横摆角速度为状态变量；或者以质心车速、质心侧偏角、横摆角速度为状态变量支配车辆平面运动的三自由度单轨车辆动力学模型，或者三自由度四轮车辆动力学模型；(2)车轴载荷计算模型或者车轮载荷计算模型；(3)非线性轮胎力学模型；
步骤2：配置纵向加速度传感器；根据试验标定获得与纵向加速度具体数值相关的前后车轴切向力，或者车轮切向力，建立查表数据供稳定性控制系统调用；
步骤3：通过ESC系统传感器进行参数采集，该理论模型跟踪参数有前轮转向输入δV、纵向车速vx、路面附着系数μ；同时，通过纵向加速度传感器采集纵向加速度参数；同时，根据纵向加速度数值，通过查表数据库调用与之对应的前后车轴切向力，或者车轮切向力；
步骤4：在ESC系统每一个采样周期，将步骤3采集得到的参数数值代入步骤1模型(1)至(3)中，计算车辆动力学模型(1)的系统关键平衡点特性；
步骤5：如果计算得到的系统关键平衡点具有稳定焦点或者结点特性，则认定车辆在该采样周期动力学系统方程稳定，ESC系统将跟踪现有判据的判定结论；如果计算得到车辆动力学模型(1)的关键平衡点为鞍点特性，则认定该采样周期车辆动力学系统方程不稳定，车辆处于即将发生后轴滑移的危险工况，触发ESC系统对车辆实施稳定性控制。
2.根据权利要求1所述的车辆电子稳定性控制系统稳定性控制判据的制定方法，其特征在于，支配车辆平面运动的动力学系统方程理论稳定性变化超前于车辆实际稳定性变化并存在量化的时域差异关系，控制判据理论模型如下：
(1)车辆动力学模型：
式中：vx为车辆纵向车速；m为整车质量；β为质心侧偏角；为横摆角速度；FxV为前轴切向力；FxH为后轴切向力；FyV为前轴侧向力；FyH为后轴侧向力；δV为前轮转向角；Jz为横摆转动惯量；lV以及lH分别为车辆质心到前轴和到后轴的距离；const为常数；
(2)车轴载荷计算模型，考虑纵向加速度引起的车轴间载荷变换：
式中：FzV为前轴载荷；FzH为后轴载荷；h为质心高度；l为车辆轴距；g为重力加速度；
(3)非线性轮胎力学模型：
式中：i为车轴下标，可以为车辆前轴V或者后轴H；αi为相应车轴等效侧偏角；μ为路面附着系数；Ci以及Bi分别为对应车轴所用形状因子及刚度因子；以上所有变量及参数的符号标识符合汽车动力学(第4版.北京：清华大学出版社，2009)标识习惯，也可以采用本领域技术人员公知的其它符号标识方法。
3.根据权利要求1或2所述的车辆电子稳定性控制系统稳定性控制判据的制定方法，其特征在于，车辆动力学模型(1)在前轮转向角为零时，处于相图中心位置的系统平衡点，简称为中心平衡点。
4.根据权利要求1所述的车车辆电子稳定性控制系统稳定性控制判据的制定方法，其特征在于，ESC系统响应控制判据的判定结论，对车辆实施稳定性控制，所述稳定性控制方法包括：差动制动方式的稳定横摆力矩控制、主动转向控制。
5.根据权利要求1所述的车辆电子稳定性控制系统稳定性控制判据的制定方法，其特征在于，在ESC系统的每一个采样周期，重复步骤3至步骤5。
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