CN208085696U - 一种汽车电子稳定控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种汽车电子稳定控制系统，包含传感器模块、状态参数估计器、电子控制单元（ECU）和液压控制单元（HCU）；传感器模块包括转向盘转角传感器、轮速传感器、陀螺仪、节气门开度传感器、制动主缸压力传感器和制动轮缸压力传感器。本实用新型采用分层控制结构控制车辆的横摆角速度，质心侧偏角、制动轮缸压力等，通过稳定性控制保持车辆的行驶轨迹，防止车辆失稳。

Description

一种汽车电子稳定控制系统

技术领域

本实用新型涉及车辆工程设备控制技术领域，尤其涉及一种汽车电子稳定系统。

背景技术

汽车的电子稳定控制系统是(ESC)一种新型的主动安全控制系统，在防抱死制动系统(ABS)和牵引力控制系统(TCS)的基础上发展而来，它能够根据驾驶员的意图行驶，实时调整车辆的运行状态，防止车辆失稳，是当今国际上汽车主动安全领域的研究热点。

电子稳定控制系统可以直接调节和分配车辆纵向力大小，使车辆在转向或受侧向风干扰时具有良好的操纵稳定性，在车辆开始偏离道路时启动干预措施，将车辆引导回正确路线，对于提高车辆的主动安全性、防止事故发生具有重要意义。目前国内对于电子稳定系统的研究不够深入，车辆ESC系统的装备率不高，电子稳定系统的开发也存在着一定的困难，如汽车稳定控制过程中所需要的某些车辆运动状态难以通过传感器直接测量得到等。因此，有必要对电子稳定系统及其控制方法进行研究与改进，使其发挥最大功能。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种汽车电子稳定系统，提高汽车在转向或受到侧向风干扰时的操作稳定性，降低安全事故发生率。

本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种汽车电子稳定控制系统，包含传感器模块、状态参数估计器、电子控制单元和液压控制单元；

所述传感器模块包括转向盘转角传感器、轮速传感器、陀螺仪、节气门开度传感器、制动主缸压力传感器和制动轮缸压力传感器，分别用于测量汽车的方向盘转角、车轮转速、汽车三轴全方向的角速度和加速度值、发动机所处工况、制动主缸压力和制动轮缸压力，并将其传递给所述电子控制单元；

所述状态参数估计器用于结合转向盘转角、横摆角速度、车身侧向加速度、车身纵向加速度，通过扩展卡尔曼滤波器对纵向车速、质心侧偏角、路面附着系数进行计算，并将计算结果传递给所述电子控制单元；

所述电子控制单元分别与传感器模块、状态参数估计器、液压控制单元相连，用于根据汽车的方向盘转角和制动主缸的压力计算出理想横摆角速度与理想质心侧偏角后，将陀螺仪检测得到的实际汽车横摆角速度、状态参数估计器估计得到的汽车质心侧偏角分别与理想汽车横摆角速度、质心侧偏角进行比较，求得其差值，结合横摆力矩、车轮纵向制动力与转向盘转角之间的关系，计算出从当前状态到理想状态所需的附加横摆力矩，并将当前制动主缸压力、制动轮缸压力和所需要的横摆力矩信号传递给液压控制单元；

所述液压控制单元用于根据当前的制动主缸、制动轮缸信号确定当前制动器的制动程度，并根据所需要的横摆力矩信号对制动主缸、制动轮缸进行调节。

本实用新型还提供了一种该汽车电子稳定控制系统的分层控制方法，包含如下步骤：

步骤1)，驾驶员通过转动方向盘或操纵加速/制动踏板；

步骤2)，转向盘转角传感器、轮速传感器、陀螺仪、节气门开度传感器、制动主缸压力传感器和制动轮缸压力传感器，分别测量汽车的方向盘转角、车轮转速、汽车三轴全方向的角速度和加速度值、发动机所处工况、制动主缸压力和制动轮缸压力，并将其传递给电子控制单元；

步骤3)，状态参数估计器结合转向盘转角、横摆角速度、车身侧向加速度、车身纵向加速度，通过扩展卡尔曼滤波器对纵向车速、质心侧偏角、路面附着系数进行计算，并将计算结果传递给所述电子控制单元；

步骤4)，电子控制单元将整车7自由度模型作为其控制对象：

步骤4.1)，基于整车的纵向、侧向、横摆运动及车轮绕各自轴线的旋转运动，建立整车7自由度模型，其动力学方程为：

其中，m为整车质量；v_x为纵向车速；v_y为侧向车速；ω为横摆角速度；δ_f为前轮转角；F_xi、F_yi分别为车轮上的纵向力、纵向力，i＝fl、fr、rl、rr，fl、fr、rl、rr分别代表汽车的左前轮、右前轮、左后轮、右后轮；I_z为横摆转动惯量；a、b分别为整车质心至前、后轴的距离；B_f、B_r分别为前、后轮距；

步骤4.2)，电子控制单元根据接收到的传感器信号与状态估计器信号，求解得到车辆的理想横摆角速度与理想质心侧偏角：

步骤4.2.1)，根据经典线性二自由度车辆动力学模型，得到理想的车辆运动参考模型，进而得到车辆的理想横摆角速度ω_d和质心侧偏角β_d为：

其中，k_f、k_r为前、后车轮侧偏刚度；

步骤4.2.2)，综合考虑车轮的侧向路径跟踪能力、路面附着条件的限制及车辆不足转向特性，得到车辆的理想横摆角速度与质心侧偏角的约束条件为：

其中，μ为路面附着系数；g为重力加速度；E₁、E₂为稳定边界常数；

步骤4.3)，电子控制单元将横摆角速度、质心侧偏角的实际值与理想值进行比较，计算出从当前状态到理想状态所需的附加横摆力矩ΔM，并将所需附加横摆力矩信号传递给液压控制单元；

步骤4.3.1)，将实际横摆角速度与理想横摆角速度进行比较，通过模糊控制逻辑对横摆角速度进行控制，使其逼近理想状态，得到横摆角速度控制器所需要产生的力矩ΔM_ω；

步骤4.3.2)，将实际质心侧偏角与理想质心侧偏角进行比较，通过PD控制对质心侧偏角进行控制，使其逼近理想状态，得到质心侧偏角控制器所需要产生的力矩ΔM_β；

步骤4.3.3)，计算得到需要在汽车上施加的横摆力矩ΔM＝ΔM_ω+ΔM_β，并将该需要在汽车上施加的横摆力矩信号传递给液压控制单元；

步骤5)，液压控制单元采用制动力矩控制方法，将电子计算单元计算出的需要在汽车上施加的横摆力矩，转化成车轮可实际控制的制动力矩，在单个车轮上实施制动，其具体步骤如下：

步骤5.1)，根据转向盘转角δ_f、转向盘转角速度汽车的实际横摆角速度与理想横摆角速度的差值e_ω三个指标来判断汽车状态，选择制动车轮，e_ω＝ω-ω_d；

步骤5.2)，根据附加横摆角速度求解轮缸目标压力，其具体步骤如下：

步骤5.2.1)，将电子计算单元计算出的需要在汽车上施加的横摆力矩转换成一侧车轮的纵向力变化量：

步骤5.2.2)，同侧车轮轮缸制动压力相同，纵向制动力近似相等，令期望的单个车轮纵向制动力为F_d，得到：

可进一步得到：

步骤5.2.3)，采用鼓式制动器，根据制动力矩与轮缸压力的关系，将制动力矩转化为车轮轮缸压力，得到轮缸目标压力为：

其中，I_w为车轮转动惯量；r₀为车轮半径；ω为车轮角速度；A_w为制动蹄面积；u_b为制动蹄摩擦系数；R_b为制动蹄与轮心距离；

步骤5.3)，将实际制动轮缸压力与目标轮缸压力进行比较，采用PID控制策略调节制动系统制动轮缸压力；

步骤6)，制动系统实施制动动作，对车辆实施稳定性控制。

本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1)，通过对横摆角速度ω、质心侧偏角β、轮缸制动压力P等的控制，实现了车辆稳定性控制，以改善汽车在恶劣工况下的操纵稳定性。

2)，采用分层控制结构，可以降低控制系统的复杂程度，使各个层级在服从整体目标的基础上，相对独立地开展控制活动，有效提高整体控制质量。

附图说明

图1是本实用新型汽车电子稳定系统的组成结构图；

图2是本实用新型中分层控制结构框图；

图3是本实用新型中上层控制器控制框图；

图4是本实用新型中下层控制器控制框图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的技术方案做进一步的详细说明：

本实用新型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实用新型的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

如图1所示，本实用新型公开了一种汽车电子稳定控制系统，其特征在于，包含传感器模块、状态参数估计器、电子控制单元(ECU)和液压控制单元(HCU)；

所述传感器模块包括转向盘转角传感器、轮速传感器、陀螺仪、节气门开度传感器、制动主缸压力传感器和制动轮缸压力传感器，分别用于测量驾驶员输入的方向盘转角、车轮转速、汽车三轴全方向的角速度和加速度值、发动机所处工况、制动主缸压力和制动轮缸压力，并将其传递给所述电子控制单元；

所述状态参数估计器用于根据转向盘转角、横摆角速度、车身侧向加速度、车身纵向加速度等可测信号，通过扩展卡尔曼滤波器对纵向车速、质心侧偏角、路面附着系数进行计算，并将计算结果传递给所述电子控制单元；所述电子控制单元分别与传感器模块、状态参数估计器、液压控制单元相连，用于根据汽车的方向盘转角和制动主缸的压力计算出理想横摆角速度与理想质心侧偏角后，将陀螺仪检测得到的实际汽车横摆角速度、状态参数估计器估计得到的汽车质心侧偏角分别与理想汽车横摆角速度、质心侧偏角进行比较，求得其差值，结合横摆力矩、车轮纵向制动力与转向盘转角之间的关系，计算出从当前状态到理想状态所需的附加横摆力矩，并将当前制动主缸压力、制动轮缸压力和所需要的横摆力矩信号传递给液压控制单元；

所述液压控制单元用于根据当前的制动主缸、制动轮缸信号确定当前制动器的制动程度，再根据保持汽车稳定所需要的横摆力矩信号，对制动系统各制动轮缸进行调节来产生所需要的横摆力矩。

本实用新型提出的电子稳定控制系统响应迅速，采用常规的控制策略，如PID控制、串级控制等，也能达到一定的控制目的。但如果采用常规控制策略，由于整个控制系统较复杂，控制效果会受到一定的影响。

因此，如图2所示，本实用新型还公开了一种基于该汽车电子稳定系统的分层控制方法，能够将整个控制系统分为不同的层级，使各个层级在服从整体目标的基础上，相对独立地开展控制活动，有效提高整体控制质量，其具体包含如下步骤：

步骤1)，驾驶员通过转动方向盘或操纵加速/制动踏板传递自身的驾驶意图；

步骤2)，转向盘转角传感器、轮速传感器、陀螺仪、节气门开度传感器、制动主缸压力传感器和制动轮缸压力传感器，分别测量驾驶员输入的方向盘转角、车轮转速、汽车三轴全方向的角速度和加速度值、发动机所处工况、制动主缸压力和制动轮缸压力，并将其传递给电子控制单元；

步骤3)，所述状态参数估计器用于根据转向盘转角、横摆角速度、车身侧向加速度、车身纵向加速度等可测信号，通过扩展卡尔曼滤波器对纵向车速、质心侧偏角、路面附着系数进行计算，并将计算结果传递给所述电子控制单元；

步骤4)，如图3所示，电子控制单元将整车7自由度模型作为其控制对象，其具体步骤如下：

步骤4.1)，基于整车的纵向、侧向、横摆运动及车轮绕各自轴线的旋转运动，建立整车7自由度模型，其动力学方程为：

其中，m为整车质量；v_x为纵向车速；v_y为侧向车速；ω为横摆角速度；δ_f为前轮转角；F_xi、F_yi分别为车轮上的纵向力、纵向力，i＝fl、fr、rl、rr，fl、fr、rl、rr分别代表汽车的左前轮、右前轮、左后轮、右后轮；I_z为横摆转动惯量；a、b分别为整车质心至前、后轴的距离；B_f、B_r分别为前、后轮距；

步骤4.2)，电子控制单元根据接收到的传感器信号与状态估计器信号，求解得到车辆的理想横摆角速度与理想质心侧偏角；

步骤4.2.1)，根据经典线性二自由度车辆动力学模型，得到理想的车辆运动参考模型，进而得到车辆的理想横摆角速度和质心侧偏角为：

其中，k_f、k_r为前、后车轮侧偏刚度；

步骤4.2.2)，综合考虑车轮的侧向路径跟踪能力、路面附着条件的限制及车辆不足转向特性，得到车辆的理想横摆角速度与质心侧偏角的约束条件为：

其中，μ为路面附着系数；g为重力加速度；E₁、E₂为稳定边界常数。

步骤4.3)，电子控制单元将横摆角速度、质心侧偏角的实际值与理想值进行比较，通过一定的控制逻辑计算出从当前状态到理想状态所需的附加横摆力矩ΔM，并将所需附加横摆力矩信号传递给液压控制单元；

步骤4.3.1)，将实际横摆角速度与理想横摆角速度进行比较，通过模糊控制逻辑对横摆角速度进行控制，使其逼近理想状态，得到横摆角速度控制器所需要产生的力矩ΔM_ω；

步骤4.3.2)，将实际质心侧偏角与理想质心侧偏角进行比较，通过PD控制对质心侧偏角进行控制，使其逼近理想状态，得到质心侧偏角控制器所需要产生的力矩ΔM_β；

步骤4.3.3)，得到需要在汽车上施加的横摆力矩ΔM＝ΔM_ω+ΔM_β,将附加横摆力矩信号传递给液压控制单元；

步骤5)，液压控制单元采用制动力矩控制方法，将上层控制器计算出的附加横摆力矩，转化成车轮可实际控制的制动力矩，在单个车轮上实施制动，其具体步骤如下：

步骤5.1)，根据转向盘转角δ_f、转向盘转角速度汽车的实际横摆角速度与理想横摆角速度的差值e_ω(e_ω＝ω-ω_d)三个指标来判断汽车状态，通过车轮选择逻辑选择制动车轮；

步骤5.2)，根据附加横摆角速度求解轮缸目标压力，其具体步骤如下：

步骤5.2.1)，将电子控制单元得到的附加横摆力矩转换成一侧车轮的纵向力变化量：

步骤5.2.2)，同侧车轮轮缸制动压力相同，纵向制动力近似相等，设期望的单个车轮纵向制动力为F_d，将上式转换为:

可进一步得到：

步骤5.2.3)，本实用新型采用鼓式制动器，根据制动力矩与轮缸压力的关系，将制动力矩转化为车轮轮缸压力，得到轮缸目标压力为：

其中，I_w为车轮转动惯量；r₀为车轮半径；ω为车轮角速度；A_w为制动蹄面积；u_b为制动蹄摩擦系数；R_b为制动蹄与轮心距离；

步骤5.3)，将实际制动轮缸压力与目标轮缸压力进行比较，采用PID控制策略调节制动系统制动轮缸压力；

步骤6)，制动系统实施制动动作，对车辆实施稳定性控制。

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)具有与本实用新型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，对本实用新型的目的、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，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种汽车电子稳定控制系统，其特征在于，包含传感器模块、状态参数估计器、电子控制单元和液压控制单元；

所述传感器模块包括转向盘转角传感器、轮速传感器、陀螺仪、节气门开度传感器、制动主缸压力传感器和制动轮缸压力传感器，分别用于测量汽车的方向盘转角、车轮转速、汽车三轴全方向的角速度和加速度值、发动机所处工况、制动主缸压力和制动轮缸压力，并将其传递给所述电子控制单元；

所述状态参数估计器用于结合转向盘转角、横摆角速度、车身侧向加速度、车身纵向加速度，通过扩展卡尔曼滤波器对纵向车速、质心侧偏角、路面附着系数进行计算，并将计算结果传递给所述电子控制单元；

所述电子控制单元分别与传感器模块、状态参数估计器、液压控制单元相连，用于根据汽车的方向盘转角和制动主缸的压力计算出理想横摆角速度与理想质心侧偏角后，将陀螺仪检测得到的实际汽车横摆角速度、状态参数估计器估计得到的汽车质心侧偏角分别与理想汽车横摆角速度、质心侧偏角进行比较，求得其差值，结合横摆力矩、车轮纵向制动力与转向盘转角之间的关系，计算出从当前状态到理想状态所需的附加横摆力矩，并将当前制动主缸压力、制动轮缸压力和所需要的横摆力矩信号传递给液压控制单元；

所述液压控制单元用于根据当前的制动主缸、制动轮缸信号确定当前制动器的制动程度，并根据所需要的横摆力矩信号对制动主缸、制动轮缸进行调节。