CN111497825A - 一种相空间车辆稳定性判别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种相空间车辆稳定性判别方法，首先获取车辆参数，根据参数建立三自由度车辆分析模型，利用车辆三自由度模型绘制车辆稳定性相空间图；相空间图为纵向速度‑横摆角速度‑质心侧偏角相空间图，以质心侧偏角为x轴，以横摆角速度为y轴，以纵向速度为z轴；然后依据行车工况确定车辆相空间稳定区域，建立不同工况下车辆相空间稳定域库；最后通过判断车辆行驶状态点是否在稳定域外判别车辆是否失稳。根据本发明所提供的判别方法能够精确划分车辆相空间稳定区域，并且广泛应用的相平面法基础上考虑了纵向速度因素，可以更加准确地判断车辆是否失稳，为车辆稳定性控制提供依据。

Description

一种相空间车辆稳定性判别方法

技术领域

本发明涉及车辆稳定性控制领域，尤其涉及一种相空间车辆稳定性判别方法。

背景技术

随着科学技术的发展，人们在专注于对汽车动力性能追求的同时，越来越重视车辆行驶的安全性，尽管汽车保有量快速增长，我国道路交通伤亡的人数也是居高不下，其中大部分非人为交通事故都与汽车稳定性问题相关。汽车电子稳定程序(ESP)旨在提升车辆的操控表现的同时,有效地防止汽车达到其动态极限时失控,可以有效地改善汽车稳定性。由于汽车系统是非线性的，行驶车辆的稳定性状态判别较为复杂。相平面法作为一种基于时域的分析方法，可以很好地为行车稳定性提供判据，通过绘制在某一工况下的车辆状态相轨迹，判断其相轨迹能否回归稳定点来确定相平面的稳定区域，最终达到为行车控制提供依据的效果。

目前国内外汽车稳定性相平面法主要为质心侧偏角速度-质心侧偏角相平面法。该方法将质心侧偏角速度与质心侧偏角作为汽车稳定性判断依据，建立二自由度车辆动力学模型，确定工况后输入纵向速度、前轮转角与路面附着系数，设定一定区间内的质心侧偏角与质心侧偏角速度初值，通过仿真绘制当前工况的相平面图，划分稳定区域。调整纵向速度等初值，可以得到某一条件下一系列相平面图并建立相平面稳定区域库。当车辆在行驶过程中需要进行稳定性判别时，即可通过相平面稳定区域库得到当前车辆的行驶稳定状态。另外还有横摆角速度-质心侧偏角相平面法，与第一种方法的区别在于将横摆角速度与质心侧偏角作为汽车稳定性判断依据，同时考虑横摆角速度与质心侧偏角两个状态量可以充分表征特定工况下车辆的稳定性状态。

在实际行车过程中，汽车纵向速度对于行车稳定性具有较大的影响。以上两种相平面法虽然可以在考虑纵向速度后建立相平面稳定区域库，但并未与质心侧偏角速度-质心侧偏角或者横摆角速度-横摆角速度综合考虑，所以无法通过稳定区域为纵向速度控制提供依据，不能及时使车辆脱离失稳状态，存在稳定性上的隐患。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种相空间车辆稳定性判别方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种相空间车辆稳定性判别方法，包括以下步骤：

步骤1)，获取车辆参数，所述车辆参数包括车辆的前轮转角和路面附着系数；

步骤2)，根据获得的车辆参数建立三自由度车辆分析模型；

步骤3)，利用三自由度车辆分析模型绘制车辆稳定性相空间图，所述车辆稳定性相空间图为纵向速度-横摆角速度-质心侧偏角相空间图，以质心侧偏角为x轴、以横摆角速度为y 轴、以纵向速度为z轴、依据行车工况确定车辆相空间稳定区域；

步骤4)，建立全工况下车辆相空间稳定域库；

步骤5)，通过判断车辆行驶状态点是否在稳定域外判别车辆是否失稳。

作为本发明一种相空间车辆稳定性判别方法进一步的优化方案，所述步骤2)的详细步骤如下：

步骤2.1)，利用魔术轮胎公式建立非线性轮胎模型：

F_s＝Dsin{Carctan[Bα-E(Bα-arctan Bα)]}

式中，F_s为轮胎侧向力；α为侧偏角或者滑移率；B为刚度因子；C为曲线形状因子；D为峰值因子；E为曲线曲率因子；B、D、E都由轮胎的垂直载荷以及外倾角确定；

步骤2.2)，根据建立的非线性轮胎模型建立以车身侧偏角、横摆角速度和纵向速度为状态变量的三自由度车辆模型：

式中，v为纵向速度；β为质心侧偏角；m为车辆质量；F_lf为前轮纵向力；F_sf为前轮侧偏力；F_lr为后轮纵向力；F_sr为后轮侧偏力；δ_f为前轮转角；C_D为空气阻力系数；A为车辆迎风面积；ρ为空气密度；ω为横摆角速度；l_f为前轴距；l_r为后轴距。

作为本发明一种相空间车辆稳定性判别方法进一步的优化方案，所述步骤3)的详细步骤如下：

步骤3.1)，依据相平面稳定域特征，在横摆角速度-质心侧偏角相图内使用菱形法划分稳定域，选取相平面图中的两个鞍点S₁(X_S1,Y_S1)、S₂(X_S2,Y_S2)作为稳定区域和不稳定区域边界的特征点；

步骤3.2)，通过对相轨迹进行分析，选取边界相轨迹曲率最大的两个状态点即拐点I₁ (X_I1,Y_I1)、I₂(X_I2,Y_I2)对稳定域与非稳定域的边界进行表征，构成横摆角速度-质心侧偏角相图稳定区域和非稳定区域的边界；

步骤3.3)，将鞍点S₁(X_S1,Y_S1)、拐点I₁(X_I1,Y_I1)，以及鞍点S₂(X_S2,Y_S2)、拐点I₂(X_I2,Y_I2) 所围成的不规则图形区域作为稳定区域，其稳定上界具体包括：

其稳定下界具体包括：

步骤3.4)，考虑纵向速度参数，绘制不同纵向速度下车辆稳定性相平面图并划分稳定区域，连接不同纵向速度下相对应的鞍点和拐点并拟合曲线，形成三维的稳定区域和非稳定区域的曲面边界，得到车辆在质心侧偏角、横摆角速度和纵向速度三状态变量条件下的稳定性相空间图。

作为本发明一种相空间车辆稳定性判别方法进一步的优化方案，所述步骤4)的详细步骤为：

考虑前轮转角和路面附着系数参数，给定各个行车工况下车辆的初始状态，得到各个行车工况下的车辆相空间稳定域，建立全工况下相空间稳定域库。

作为本发明一种相空间车辆稳定性判别方法进一步的优化方案，步骤5)的详细步骤如下：

步骤5.1)，获取行车状态信息，通过前轮转角和路面附着系数参数确定当前工况下对应的车辆稳定性相空间图；

步骤5.2)，获取的车辆状态点

当状态点在三维稳定域边界曲面下端，判断车辆属于稳定状态；当状态点在三维稳定域边界曲面上端，判断车辆属于失稳状态，此时通过计算状态点与稳定域边界曲面的最小距离得到横摆力矩与纵向速度控制的依据。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

车辆纵向速度对车辆稳定性控制影响较大，现有技术仅考虑横摆角速度和质心侧偏角或者质心侧偏角速度和质心侧偏角两个状态量，本发明增加了车辆纵向速度的状态变量，绘制了新的车辆稳定性相空间图，确定了相空间图稳定域划分方法，建立了不同工况下车辆相空间稳定域库，能够更加合理地表征车辆稳定性状态。同时新的稳定域划分方法，为横摆力矩控制和驱动控制联合控制提供依据，相比于直接横摆力矩控制可以更快地实现行车摆脱失稳状态，很大程度提高了车辆稳定性。

附图说明

图1为本发明所提供的新型相空间车辆稳定性判别流程框图；

图2为本发明所提供的横摆角速度-质心侧偏角相平面法确定的稳定区域示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

如图1所示，本发明公开了一种相空间车辆稳定性判别方法，包括以下步骤：

步骤1)，获取车辆参数，所述车辆参数包括车辆的前轮转角和路面附着系数；

步骤2)，根据获得的车辆参数建立三自由度车辆分析模型；

步骤2.1)，利用魔术轮胎公式建立非线性轮胎模型：

F_s＝Dsin{Carctan[Bα-E(Bα-arctan Bα)]}

式中，F_s为轮胎侧向力；α为侧偏角或者滑移率；B为刚度因子；C为曲线形状因子；D为峰值因子；E为曲线曲率因子；B、D、E都由轮胎的垂直载荷以及外倾角确定；

步骤2.2)，根据建立的非线性轮胎模型建立以车身侧偏角、横摆角速度和纵向速度为状态变量的三自由度车辆模型：

式中，v为纵向速度；β为质心侧偏角；m为车辆质量；F_lf为前轮纵向力；F_sf为前轮侧偏力；F_lr为后轮纵向力；F_sr为后轮侧偏力；δ_f为前轮转角；C_D为空气阻力系数；A为车辆迎风面积；ρ为空气密度；ω为横摆角速度；l_f为前轴距；l_r为后轴距；

步骤3)，利用三自由度车辆分析模型绘制车辆稳定性相空间图，所述车辆稳定性相空间图为纵向速度-横摆角速度-质心侧偏角相空间图，以质心侧偏角为x轴、以横摆角速度为y 轴、以纵向速度为z轴、依据行车工况确定车辆相空间稳定区域；

步骤3.1)，依据相平面稳定域特征，在横摆角速度-质心侧偏角相图内使用菱形法划分稳定域，选取相平面图中的两个鞍点S₁(X_S1,Y_S1)、S₂(X_S2,Y_S2)作为稳定区域和不稳定区域边界的特征点；

步骤3.2)，通过对相轨迹进行分析，选取边界相轨迹曲率最大的两个状态点即拐点I₁ (X_I1,Y_I1)、I₂(X_I2,Y_I2)对稳定域与非稳定域的边界进行表征，构成横摆角速度-质心侧偏角相图稳定区域和非稳定区域的边界；如图2所示；

步骤3.3)，将鞍点S₁(X_S1,Y_S1)、拐点I₁(X_I1,Y_I1)，以及鞍点S₂(X_S2,Y_S2)、拐点I₂(X_I2,Y_I2) 所围成的不规则图形区域作为稳定区域，其稳定上界具体包括：

其稳定下界具体包括：

步骤3.4)，考虑纵向速度参数，绘制不同纵向速度下车辆稳定性相平面图并划分稳定区域，连接不同纵向速度下相对应的鞍点和拐点并拟合曲线，形成三维的稳定区域和非稳定区域的曲面边界，得到车辆在质心侧偏角、横摆角速度和纵向速度三状态变量条件下的稳定性相空间图；

步骤4)，考虑前轮转角和路面附着系数参数，给定各个行车工况下车辆的初始状态，得到各个行车工况下的车辆相空间稳定域，建立全工况下相空间稳定域库；

步骤5)，通过判断车辆行驶状态点是否在稳定域外判别车辆是否失稳：

步骤5.1)，获取行车状态信息，通过前轮转角和路面附着系数参数确定当前工况下对应的车辆稳定性相空间图；

步骤5.2)，获取的车辆状态点

当状态点在三维稳定域边界曲面下端，判断车辆属于稳定状态；当状态点在三维稳定域边界曲面上端，判断车辆属于失稳状态，此时通过计算状态点与稳定域边界曲面的最小距离得到横摆力矩与纵向速度控制的依据。

本发明提供了一种相空间车辆稳定性判别方法，以解决现有技术中存在的未能综合考虑纵向速度，稳定性控制中忽视纵向速度因素导致车辆稳定性判断存在误差，难以通过调节纵向速度实现稳定性控制的问题。本发明通过在传统相平面稳定性分析方法的基础上，加入纵向速度参数，确定三维的行车相空间稳定域，为车辆稳定性控制，尤其是纵向速度的控制提供更为准确的判断依据，在考虑纵向速度的条件下更快速地实现汽车稳定性控制。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种相空间车辆稳定性判别方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)，获取车辆参数，所述车辆参数包括车辆的前轮转角和路面附着系数；

步骤2)，根据获得的车辆参数建立三自由度车辆分析模型；

步骤3)，利用三自由度车辆分析模型绘制车辆稳定性相空间图，所述车辆稳定性相空间图为纵向速度-横摆角速度-质心侧偏角相空间图，以质心侧偏角为x轴、以横摆角速度为y轴、以纵向速度为z轴、依据行车工况确定车辆相空间稳定区域；

步骤4)，建立全工况下车辆相空间稳定域库；

步骤5)，通过判断车辆行驶状态点是否在稳定域外判别车辆是否失稳。

2.根据权利要求1所述的相空间车辆稳定性判别方法，其特征在于，所述步骤2)的详细步骤如下：

步骤2.1)，利用魔术轮胎公式建立非线性轮胎模型：

F_s＝Dsin{Carctan[Bα-E(Bα-arctanBα)]}

式中，F_s为轮胎侧向力；α为侧偏角或者滑移率；B为刚度因子；C为曲线形状因子；D为峰值因子；E为曲线曲率因子；B、D、E都由轮胎的垂直载荷以及外倾角确定；

步骤2.2)，根据建立的非线性轮胎模型建立以车身侧偏角、横摆角速度和纵向速度为状态变量的三自由度车辆模型：

式中，v为纵向速度；β为质心侧偏角；m为车辆质量；F_lf为前轮纵向力；F_sf为前轮侧偏力；F_lr为后轮纵向力；F_sr为后轮侧偏力；δ_f为前轮转角；C_D为空气阻力系数；A为车辆迎风面积；ρ为空气密度；ω为横摆角速度；l_f为前轴距；l_r为后轴距。

3.根据权利要求2所述的相空间车辆稳定性判别方法，其特征在于，所述步骤3)的详细步骤如下：

步骤3.1)，依据相平面稳定域特征，在横摆角速度-质心侧偏角相图内使用菱形法划分稳定域，选取相平面图中的两个鞍点S₁(X_S1,Y_S1)、S₂(X_S2,Y_S2)作为稳定区域和不稳定区域边界的特征点；

步骤3.2)，通过对相轨迹进行分析，选取边界相轨迹曲率最大的两个状态点即拐点I₁(X_I1,Y_I1)、I₂(X_I2,Y_I2)对稳定域与非稳定域的边界进行表征，构成横摆角速度-质心侧偏角相图稳定区域和非稳定区域的边界；

步骤3.3)，将鞍点S₁(X_S1,Y_S1)、拐点I₁(X_I1,Y_I1)，以及鞍点S₂(X_S2,Y_S2)、拐点I₂(X_I2,Y_I2)所围成的不规则图形区域作为稳定区域，其稳定上界具体包括：

其稳定下界具体包括：

步骤3.4)，考虑纵向速度参数，绘制不同纵向速度下车辆稳定性相平面图并划分稳定区域，连接不同纵向速度下相对应的鞍点和拐点并拟合曲线，形成三维的稳定区域和非稳定区域的曲面边界，得到车辆在质心侧偏角、横摆角速度和纵向速度三状态变量条件下的稳定性相空间图。

4.根据权利要求3所述的相空间车辆稳定性判别方法，其特征在于，所述步骤4)的详细步骤为：

考虑前轮转角和路面附着系数参数，给定各个行车工况下车辆的初始状态，得到各个行车工况下的车辆相空间稳定域，建立全工况下相空间稳定域库。

5.根据权利要求4所述的相空间车辆稳定性判别方法，其特征在于，步骤5)的详细步骤如下：

步骤5.1)，获取行车状态信息，通过前轮转角和路面附着系数参数确定当前工况下对应的车辆稳定性相空间图；

步骤5.2)，获取的车辆状态点

当状态点在三维稳定域边界曲面下端，判断车辆属于稳定状态；当状态点在三维稳定域边界曲面上端，判断车辆属于失稳状态，此时通过计算状态点与稳定域边界曲面的最小距离得到横摆力矩与纵向速度控制的依据。

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