基于車輛動態控制的防側翻方法分析研究

張東珉，劉洪亮，趙永坡，張 凱

（長城汽車股份有限公司技術中心，河北省汽車工程技術研究中心，保定 071000）

基于車輛動態控制的防側翻方法分析研究

張東珉，劉洪亮，趙永坡，張 凱

（長城汽車股份有限公司技術中心，河北省汽車工程技術研究中心，保定 071000）

本文基于49CFR Part 575法規對車輛防側翻評價指標進行初步探索，并利用CarSim軟件建立具有高質心特性的SUV車輛模型，對車身、制動系統、轉向系統、輪胎及懸架等子模塊進行了定義，完成非線性動力學模型的建立，結合汽車動態控制系統，建立車輛防側翻控制策略，同時，利用CarSim與Matlab/Simulink進行聯合仿真，模擬SUV在極限工況Fishhook環境下的工作情況，驗證防側翻的作用效果，結果表明：防側翻策略有效的減小了側向加速度，使得車輛的抗側翻能力有所增強，汽車的安全性與穩定性得到了有效的保證，為實車試驗提供科學依據。

動態仿真；側翻；汽車電子穩定系統；控制方法

依據美國公路交通安全管理局（NHTSA）對車輛事故的調查統計，車輛側翻所造成的危害高居于第二位，其危害的程度僅僅低于車輛碰撞[1]。福特公司Jianbo Lu等[2]利用傳感器信息估計車輛側傾狀態，增強了ESP系統的側翻控制功能。中國在汽車主動安全方面也進行了研究，主要是面對側傾穩定性問題，通過對質心側偏角和橫擺角速度進行聯合控制，并利用主動懸架與主動橫擺穩定性等方法進行了避免側翻控制的仿真研究[3,4]。

由于車輛發生側翻危險的信息很難得到，開展大量的真實試驗價格又很昂貴，因而仿真分析成為研究側翻的首選。本文利用CarSim建立非線性動力學車輛模型，與汽車動力學穩定性控制要求相結合，完成防側翻控制策略的設計，同時與Simulink進行聯合仿真，通過對Fishhook的仿真分析，驗證了車輛側傾運動的控制效果，為實車試驗提供參考。

1 動力學建模

1.1 CarSim整車模型

以某SUV作為仿真車型，使用多體動力學軟件CarSim進行Fishhook建模仿真分析。為了使得動態仿真精度滿足車型的側翻要求，需要建立與實際車輛行駛情況更加接近的動力學整車模型，。由于車輛側翻工況的極限性，需考慮各子系統模型（懸架、轉向、制動及路面情況）非線性對整車動力學的影響。本文利用CarSim面向性能參數化的特點，建立了整車的動力學模型，其中前懸架為獨立懸架、后懸架為非獨立懸架，。同時，為了考察側翻的情況，建立了較高的質心高度，并設置了車身系統、制動系統（簡單模型）、轉向系統、傳動系統（四驅）以及懸架系統等子模型，未考慮汽車空氣動力學的因素，完成動力學非線性整車模型的建立，進行側翻傾向動力學建模仿真分析。整車仿真主要參數如表1所示。

表1 仿真模型主要參數

1.2 輪胎模型

車輛穩定性的控制是通過輪胎力的調整進行實現的，因此建立一個精度和復雜程度合適的輪胎模型，是解決車輛穩定性仿真研究的基礎。Magic Formula模型是一種輪胎的半經驗模型，它利用三角函數進行相互組合，完成輪胎數據的擬合，實現輪胎六分力的表達。本文采用“魔術公式”輪胎模型，其一般表達式為：

式中：Sv為輪胎靜摩擦系數；D為峰值因數；B為剛度因數；C為曲線形狀因數；E為曲線曲率因數，表達曲線最大值附近處的形狀；X為滑移率；Sv可 以理解為輪胎純滾動時的附著系數，一般定義其為0；D、B、C、E是相關的路面常數，不同的路面附著系數能夠通過改變這些參數形成。

2 防側翻控制策略

2.1 汽車穩定性控制總體結構

利用Matlab/Simulink建立控制仿真模型，其模型有很多子模塊組成，這樣，模型框圖可讀性較差，而軟件的封裝過程很好的解決了這個問題。本文依據汽車電子控制系統的工作過程和工作原理，建立ESP控制模塊、ABS控制模塊、制動系統模塊及Carsim整車模型，避免汽車側翻，整體閉環控制模型如圖1所示。

ABS控制模塊將左前輪、右前輪、左后輪、右后輪制動力傳遞給制動系統模塊，通過制動系統模塊計算，將各輪缸的制動壓力輸入給CarSim整車模型進行制動；而ABS的輸入信號需要由整車模型和ESP工作模塊輸出給予，縱向車速、理想滑移率、各車輪角速度、ESP觸發信號以及ESP各車輪制動信號都將由整車模型的計算進行輸出。當車輛的滑移率達到某一門限時，ABS、ESP控制模塊會進行識別是否起作用，由于本文考慮ESP對整車側翻的影響，因此，將制動要求信號設置為零。

2.2 ESP防側翻系統結構

PID控制依據系統產生的誤差，利用比例、積分、微分對被控對象進行控制，通過調整三個參數來達到滿意的效果。圖2是PID控制系統的基本原理圖，同時，表2給出了控制參數的整定大體原則。

表2 參數整定規則

研究對車輛側傾的影響，于是選擇對汽車側傾影響較大的側向加速度值作為輸入。另外，為了更加準確的對車輛狀態進行判斷，又增加了橫擺角速度進行輸入。在車輛模型模塊中輸出側向加速度和橫擺角速度，利用差值對比模塊進行差比，而后經過各自的增益模塊，判斷電子穩定系統的開啟與關閉。如果達到開啟的閥閾值，則進行邏輯控制判斷，利用PID的控制方法對控制策略進行分析，輸出對各個車輪的制動信號，控制汽車的運動姿態，達到穩定車輛的目的防止側翻發生。圖3是防側翻控制策略的執行過程框圖。

這里電子穩定系統的控制策略是為了研究對車輛側傾的影響，于是選擇對汽車側傾影響較大的側向加速度值做為輸入，另外，為了更加準確的對車輛狀態進行判斷，又增加了橫擺角速度進行輸入。在車輛模型模塊中輸出側向加速度和橫擺角速度，利用差值對比模塊進行差比，而后經過各自的增益模塊，判斷電子穩定系統的開啟與關閉，如果達到開啟的閥閾值，則進行邏輯控制判斷，利用PID的控制方法對控制策略進行分析，輸出對各個車輪的制動信號，控制汽車的運動姿態，達到穩定車輛的目的防止側翻發生。圖3是防側翻控制策略的執行過程框圖。

3 仿真結果及分析

3.1 CarSim與Matlab/Simulink聯合仿真

CarSim與Matlab/Simulink有著很好的實時統兼容特性，對于車輛電控系統的動力學分析特別適合，。利用CarSim軟件建立實車模型，其中包括各個子系統的模型，更加符合實際車輛的行駛狀態。采用Simulink建立電控系統的控制模塊，其中ESP模塊以上已經介紹，對于ABS模塊，需要對車身、制動系統以及ESP控制系統的輸出進行綜合，最終輸出對各個制動車輪的制動壓力，以避免行駛車輛發生側翻狀況。CarSim與Simulink的聯合控制策略模型如圖4所示。

3.2 典型工況仿真分析

利用魚鉤試驗對汽車高速瞬態轉彎特性進行研究，汽車以80 km/h的速度沿直線行駛，到達穩定后，以720 deg/s速度旋轉方向盤急速轉彎，保持200 ms，而后以720 deg/s的速度向相反方向轉動方向盤，保持3 s，最終方向盤慢慢復位。從圖5能夠看出各輪胎的垂直反作用力呈現“無窮”形狀，同時垂直反力的最大值到達10.98 kN，最小值降為0.7 kN，載荷的最大轉移率為83%。

從圖6可以看出ESP對車輛橫擺角速度穩定性的控制很好。圖7中可以看出ESP在一定程度上對車輛的側向加速度有所減小，并保持穩定。在圖8，圖9中能夠看出未加入ESP控制的車輛，在緊急轉向狀態下發生了車輛的側翻；而對于加入ESP控制的汽車，其有效的減小了車輛的側傾角速度和側傾角度，同時，避免了車輛的側翻。在Fishhook仿真工況下，電子穩定系統對橫擺角速度和側向加速度進行控制，有效的減小了車輛載荷轉移率，使得汽車的抗側翻能力有所增加；對于沒有ESP控制的車輛，當汽車進行第一次緊急轉向后，側向加速度就顯著提升，使得車輛無法穩定行駛，進入側翻傾向狀況，此時懸架側傾運動已經達到極限位置，而轉向持續進行，導致車輛的內側車輪被舉升而離開路面，汽車發生側翻。

4 結語

本文利用CarSim完成了非線性整車動力學模型的建立，并與Matlab/Simulink進行聯合仿真，通過防側翻控制策略，對所建立的整車模型加以側翻試驗仿真，分析車輛的側翻情況。經過仿真分析，此非線性模型能夠很好的反應汽車的運動特性，為車輛研究人員提供便利平臺，同時驗證了防側翻控制策略的有效性，對車輛的側傾角度有所減小，提高了車輛抵抗側翻的能力。另外，從整車廠的角度，可以減少大量的真實試驗，且避免了側翻危險信息的難以得到，節約了開發成本，對物理樣車試驗具有重要意義。

[1]Garrick J.Forkenbrock,NHTSA Bryan C.O’Harra and Devin Elsasser,Transportation Research Center Inc.An Experimental Evaluation of 26 Light Vehicles Using Test Manueuversthat May Induce On-Road,Untripped Roll-over and a Discussion of NHTSA’s Refined Test Procedures[R].DOT HS 809 547 October 2003.

[2]Lu J,Messih D,Salib A.An Enhancement to an ElectronIcStability Control System to Include a Rollover controlFunc-tion[J].SAE,2007(1): 809-813.

[3]麥莉,宗長富,高越,等.重型半掛車側傾穩定性仿真與分析[J].吉林大學學報:工學版,2008, 38(增2):5-10.

[4]金智林,翁建生,胡海巖.汽車側翻預警及防側翻控制[J].動力學與控制學報,2007,5(4):365-369.

[5]Pacejka H B,BESSELINK IJM.Magicformulatiremodel with transientproperties[J].Vehicle System Dynamics,1997,27:234-249.

專家推薦

陳 贛：

該文利用商用軟件對某款汽車的一個特定試驗工況進行了仿真計算，并在計算中與Matlab聯合，加入了ESP控制策略。論文中給出的計算結果基本符合ESP控制策略對汽車行駛中可能產生側翻時的控制效果。

汽車電子控制是當前汽車技術各領域中發展較快的一個領域。國外供應商對許多控制器采取了壟斷供應的做法，不僅增加了自主品牌乘用車的生產成本，也在很大程度上阻礙著國內自主品牌乘用車公司對相關技術的掌握。論文作者對ESP控制的控制策略的探討，對我們自主開發相關控制器具有積極意義。

ESP控制器屬于車控電子控制器，在產業化的過程中，不僅僅需要掌握基本控制策略，更需要對汽車行駛中可能出現的各種工況提供相應的控制動作。本文在這一個方面沒有進行闡述，而這方面正是國內自主開發車控電子裝置所缺乏的。

ResearchofAnti-rollover MethodbasedonVehicleDynamicControl

ZHANGDong-min,LIU H ong-l iang,Z HAO Y ong-po,ZHANGKai
(R&D Center of Great Wall Motor Company, Automotive Engineering Technical Center of , Baoding 071000, China)

This paper initially explores to indexes in the characterization of vehicle rollover based on 49CFR Part 575 regulation, establishes high mass character model of SUV by using car sim software, defines sub system modules of the body, brake, steer, tire and suspension, builds the nonlinear dynamic model, and established vehicle rollover preventing strategy combine to vehicle dynamic control system.At the same time, this paper makes use of co-simulation car sim and Matlab/Simulink to simulate SUV’s operational aspection in the Fishhook to validate the action effective of antirollover.The result indicates that anti-rollover strategy effectively reduces lateral acceleration, increases the vehicle’s anti-rollover capacity, and effectively guarantees the stability and safety of the vehicle .These references are provided to the prototype testing.

dynamic simulation; rollover; automobile electronic stability program; control method

U463.61

A

1005-255（02014）05-0022-05

10.3969/j.issn.1005-2550.2014.05.005

2014-03-20