基于場景的ESC系統冰雪道路試驗評價方法研究*

高繼東, 高博麟,2, 謝書港

(1.中國汽車技術研究中心,天津 300300； 2. 天津大學機械工程學院，天津 300300)

基于場景的ESC系統冰雪道路試驗評價方法研究*

高繼東1, 高博麟1,2, 謝書港1

(1.中國汽車技術研究中心,天津 300300； 2. 天津大學機械工程學院，天津 300300)

采用基于場景的試驗方法，針對ESC的過度轉向和不足轉向的干預能力，在冰雪道路上進行了ESC測試，分別設置了滑行避障試驗、制動避障試驗和穩態圓周試驗。結果表明，與滑行避障試驗相比，制動避障可更有效地測試車輛ESC系統的性能，同時更接近于實際交通駕駛場景；采用質心側偏角和橫擺角速度跟隨誤差能有效分析ESC的控制效果，可作為車輛ESC系統在低附路面上的性能評價指標。

ESC；基于場景的測試方法；冰雪道路；避障試驗；穩態圓周試驗

前言

汽車是人們普遍使用的交通工具之一，在帶給人們出行便利的同時，也造成了大量的交通事故。由于電子穩定控制系統(electric stability control,ESC)是對汽車防抱死制動系統(ABS)和牽引力控制系統(TCS)功能的進一步擴展，并在此基礎上,增加了車輛轉向行駛時橫擺角速度傳感器、橫向加速度傳感器和轉向盤轉角傳感器，通過ECU分別控制前后軸左右車輪的驅動力和制動力，確保車輛行駛時的轉向操縱性和橫向穩定性。由于ESC在減少交通事故方面具有顯著作用，越來越多的汽車制造商已經開始將ESC作為車輛的標準配置。

與此同時，針對ESC系統的測試評價方法也在不斷發展中，尤其是針對高附路面上的ESC性能測試方法。2007年頒布的美國FMVSS 126法規[1]，明確規定采用在高附路面上的正弦延遲試驗來驗證車輛ESC系統的干預性能。ECE R13H中也添加了有關ESC的測試標準，其內容與FMVSS 126基本保持一致[2]。此外，行業協會和標準化組織的推薦高附路面試驗標準，如ISO 7401 J-turn試驗[3]、ISO 3888變道和避障試驗[4]等也都被用來測試評價ESC的控制效果[5]。文獻[6]中采用在高附路面上的Fishhook測試對穩定性系統的控制效果進行了驗證。文獻[7]中采取了高附路面上的2/3避障試驗對ESC的控制干預能力進行了測試評價。

相比較而言，關注低附路面上測試評價方法的研究相對較少。文獻[8]中在冬季低附路面上進行了穩態回轉和ISO避障作為DSC性能評價的兩個主要工況，并初步給出了部分主客觀評價的DSC性能評價方法。文獻[9]中則在冬季道路上進行了與TCS控制相關的測試與評價研究，但未涉及ESC系統的測試評價。此外，目前國內正在開展的ESC 推薦性標準也對低附路面上的ESC測試評價方法進行了可行性分析。因此，針對整車ESC系統在低附路面上的性能，進行測試與評價方法研究，對規范ESC技術發展、促進ESC技術水平的提升，具有重要意義。

另一方面，針對汽車主動安全的測試方法，通常可以分為兩大類[10]：一類是基于場景的測試方法；另一類是基于功能的測試方法。基于場景的測試方法，其測試工況設計依據通常來源于實際道路交通事故數據，從大量的數據中提取出最接近危險交通場景的設計參數，來指導測試工況的設計工作。其優點在于測試工況本身貼近于實際道路交通事故場景，測試目的能夠有效提升主動安全系統在實際應用中的性能表現。與之相對，基于功能的測試，其工況設計依據來源于主動安全系統的子功能設計。測試工況對系統本身的性能進行非常有針對性的檢驗，但卻無法保證測試工況能夠與實際道路交通事故場景接近或吻合。

對避免交通事故的統計研究顯示[11]，在緊急避障的過程中，低附路面上98%的駕駛員在轉向的同時進行了制動；高附路面上94%的駕駛員在轉向的同時進行了制動。由此可見，傳統的等速行駛避障試驗很難復現出真實道路環境下駕駛員的實際操縱動作，也很難對ESC系統在該工況下的控制性能進行有效評價。因此，針對ESC的控制功能設定與實際交通事故場景相近的制動避障測試工況，更有利于對ESC的性能評價，其評價結果也更有針對性。

因此，針對以上研究現狀，提出了在低附路面上的制動避障測試評價試驗，并在冬季試驗場進行了大量的測試試驗研究。分別設置了壓實雪地路面上的滑行避障試驗和制動避障試驗，通過對比試驗，驗證提出測試評價方法的有效性。最后，通過穩態回轉試驗對測試評價方法的工況適應性進行了驗證。試驗分析結果為未來研究ESC的冬季道路的有效測試評價方法，補充完善ESC測試評價體系做好了前期的數據積累及試驗研究工作。

1 ESC控制功能簡介

為了能夠實時檢測車輛的危險行駛狀態和駕駛員意圖，并做出相應的控制響應，ESC系統通常需要包括以下幾個部分的控制模塊：車輛狀態感知模塊、橫擺力矩分配模塊、車輪滑移控制模塊和輪缸壓力控制模塊等。

圖1 博世ESP的控制模塊結構圖

由于橫擺角速度是描述車輛橫向運動的重要變量，因此，在ESC系統中，通常會將名義橫擺角速度作為車輛實際橫擺角速度的控制目標。

然而，如果是車輛在濕滑路面上的轉彎工況，僅僅控制車輛的橫擺角速度和側向加速度是不夠的，還需要考慮車輛質心側偏角的影響。

如圖2所示，圖中最下方曲線代表高附路面上，角階躍輸入車輛的運動姿態；如果在低附路面上，ESC僅控制橫擺角速度跟隨名義橫擺角速度，車輛的運動姿態則會如圖中最上方曲線所示，質心側偏角過大失去穩定性，同時幾乎完全喪失轉向能力；而如果同時考慮橫擺角速度控制和質心側偏角控制，車輛就能夠在低附路面上較好地實現轉向能力，并保證轉彎行駛的穩定性，如圖中中間曲線軌跡所示。因此，在低附路面上，對ESC控制效果的測試評價比在高附路面上需要考慮更多的評價因素和更有針對性的評價指標。

圖2 低附路面上ESP對不足轉向工況的干預原理

2 典型ESC冬季試驗及分析

為了研究裝備有ESC系統車輛在冬季道路上的有效測試評價方法，開展了冰雪道路上的車輛ESC測試評價試驗研究。采用一臺裝備有ESC系統的國產轎車，其部分參數如表1所示。在黑河臥牛湖水庫汽車試驗場，先后進行了冰雪路面的性能試驗，試驗包括避障試驗和穩態圓周試驗，其中避障試驗又包含了滑行避障試驗和制動避障試驗。

試驗過程中用到的傳感器和測量信號如表2所示，系統采樣頻率為1 000Hz。

表1 試驗車輛參數規格表

試驗場地的路面峰值附著系數測量結果，采用GB 21670—2008《乘用車制動系統技術要求及試驗方法》中的“k值法”進行測定，最終測得壓實雪面的路面峰值附著系數約為0.32。

2.1 避障試驗

由于ESC系統中的名義橫擺角速度通常是由線性2自由度車輛模型計算獲得，同時，ESC系統為了能夠實時獲取車輛的關鍵運動參數，如縱向車速、橫擺角速度和質心側偏角等信息，通常需要建立狀態觀測器進行實時估計。在純側偏轉向工況下，ESC系統更容易獲得準確的實時運動狀態參數；然而，由于輪胎物理附著極限的影響，當車輛處于制動轉向或加速轉向時，輪胎將同時受到地面縱向制動力和側偏力作用，此時，車輛狀態觀測器的對車輛關鍵狀態參數的獲取就容易出現偏差甚至錯誤。

另一方面，實際車輛行駛過程中，當駕駛員遇到前方障礙物時，往往會緊急踩下制動踏板減速，同時進行轉向避障操作。因此，這種橫縱向聯合的轉向工況更接近于實際駕駛場景，對ESC控制性能的測試評價而言，也更具有實際意義。

因此，分別進行了滑行避障和制動避障試驗，并對試驗數據進行對比分析研究，驗證制動避障試驗對ESC性能測試評價的有效性。

2.1.1 滑行避障試驗

在滑行避障工況中，車道寬度為3.75m，駕駛員首先將車輛加速到80km/h，并保持車速，然后松開加速踏板，讓車輛保持自由滑行狀態，進行避障試驗，其試驗工況如圖3所示，部分試驗曲線如圖4所示。

圖3 避障試驗工況

圖4 壓實雪面滑行避障試驗

由圖4可見，在第20～25s之間，駕駛員進行了避障操作，整個轉向過程中，縱向車速從80km/h下降至65km/h。期間，當車輛經過第①個、第②個和第④個彎角時，車輛實際橫擺角速度超過名義橫擺角速度，如圖4(d)所示，車輛有出現過多轉向趨勢，ESC系統及時準確地進行了干預動作，如圖4(e)所示，對車身姿態進行了糾正和補償。因此，整個避障試驗過程中，最大橫擺角速度跟隨偏差出現在第24.5s，約為13°/s，同時，質心側偏角保持在1.2°以內，如圖4(c)所示，表明車輛行駛狀態穩定，駕駛員能夠順利完成轉向工況。

在滑行避障試驗中，ESC系統能夠有效判斷車輛當前的行駛狀態，并及時干預糾正，防止車輛出現不穩定行駛工況，ESC系統順利通過滑行避障測試。

2.1.2 制動避障試驗

在滑行避障之后，進行了制動避障試驗，并對比分析ESC系統在兩種工況中的性能差異。

制動避障工況中，駕駛員首先將車輛加速到100km/h，并保持車速，然后松開加速踏板，完全踩下制動踏板，使車輛處于緊急制動狀態，同時進行避障操作，其試驗操作曲線如圖5(a)和圖5(f)所示。

圖5 壓實雪面制動避障試驗

對比滑行避障的測試數據可以看出，整個制動避障過程中，車速從100km/h下降至20km/h。盡管在第④個彎角處，車速已經降至41km/h，見圖5(a)，遠低于滑行避障中第④個彎角處的車速(70km/h)，但制動避障工況中，駕駛員仍需要轉動更大的轉向盤轉角才能夠完成轉向動作，見圖5(b)，其原因是：在這種縱滑-側偏聯合工況中，地面制動力消耗了大部分的前軸輪胎附著力，使得能夠提供車輛側偏轉向的附著力較小，因此需要轉動更大的轉向盤轉角，才能使車輛完成預期的轉向軌跡。

另一方面，在整個制動避障過程中，車輛名義橫擺角度的計算結果幾乎無法與轉向盤轉角建立對應聯系，如圖5(d)所示，其根本原因在于ESC系統的名義橫擺角速度不僅依賴于線性2自由度模型的計算結果，同時也受到輪胎等效側向峰值附著系數的影響。由于地面縱向制動力消耗了大部分的輪胎附著力，使輪胎等效側向峰值附著系數相比于實際路面峰值附著系數顯著降低，因此，名義橫擺角速度的計算結果始終受到車輛縱向制動的限制，導致車輛的實際橫擺角速度始終難以與名義橫擺角速度相一致，ESC系統在整個避障過程中頻繁工作，尤其從第③到第④個彎角期間，橫擺角速度的跟隨誤差幾乎維持在10°/s。

同時，與滑行避障工況相比，車輛行駛姿態出現了明顯差異：整個制動避障過程中，車輛的質心側偏角與轉向盤轉角出現了明顯的反向狀態，如圖5(c)所示，也即車輛始終處于過多轉向的行駛姿態中；尤其在第④個彎角處，車輛的質心側偏角與橫擺角速度方向相反，并且達到了-2°。由于冰雪道路上，車輛質心側偏角的極限特征值約為±2°，超過該特征值，車輛將難以控制而發生激轉側滑[9]。因此，此時車輛已經接近了失穩邊界，駕駛員反打轉向盤達到了50°以維持穩定行駛，如圖5(b)所示，盡管ESC系統頻繁干預防止車輛出現失控，如圖5(e)所示，但車輛依然處于不穩定的行駛狀態。

進一步對完成的13組制動避障和滑行避障試驗結果進行對比統計分析，選取試驗過程中的最大質心側偏角βmax和最大橫擺角速度跟隨誤差Δγmax兩項指標，對比結果如表3所示。

由表可見，在13次制動避障試驗中，βmax的平均值為2.15°，已經處于冰雪路面上車輛穩定行駛的邊界條件，與之相對，滑行避障試驗時βmax的平均值僅為1.22°，遠小于制動避障中的數值。同時，制動避障工況中的Δγmax的平均值為15.36°/s，也明顯大于滑行避障工況中的Δγmax的平均值11.10°/s。

從上述分析可以看出，制動避障工況能夠有效測試車輛ESC系統的性能表現，同時采用質心側偏角和橫擺角速度跟隨誤差可以有效分析車輛在避障過程中的ESC控制效果，且其數值大小能夠表征ESC系統對車輛控制優劣的程度，可以作為車輛ESC系統低附路面避障試驗的性能評價指標。

2.2 穩態圓周試驗

車輛在壓實雪面上，沿圓半徑為143m的圓弧軌跡順時針行駛，駕駛員節氣門開度約為50%，縱向車速74km/h左右，在開啟ESC的條件下，車輛的一組試驗曲線如圖6所示。

圖6 壓實雪面穩態圓周試驗

由圖可見，第20s之前，如圖6(a)和圖6(f)所示，駕駛員節氣門開度和車速較為穩定，轉向盤轉角在0～30°之間不斷調整，由于圓周運動的車速較快，因此，ESC頻繁干預，以控制實際橫擺角速度能夠跟隨名義的橫擺角速度值。由圖6(d)可見，第20s之前，橫擺角速度的跟隨誤差不超過15°，質心側偏角能夠一直控制在-1°左右，且與車輛轉角方向相同，表明車輛并未出現任何過多轉向的趨勢，且具有輕微的不足轉向特征，但并不影響駕駛員對車輛的轉向操縱。

第20～25s之間，盡管駕駛員節氣門開度并未減少，如圖6(f)所示，但由于ESC從18s開始持續工作，如圖6(e)所示，導致縱向車速出現降低。ESC的持續干預控制，使得車速連續下降，車輛由穩定行駛趨向于過多轉向，質心側偏角達到了+1.5°，并大范圍快速振蕩，如圖6(c)所示，表明車輛的行駛狀態處于反復調整的不穩定狀態；同時橫擺角速度的實際值與名義值出現較大偏差，如圖6(d)所示，ESC系統已經無法有效控制橫擺角速度跟隨，最大跟隨誤差超過了20°/s。對應地，由于車輛行駛狀態的不穩定，駕駛員連續大角度調整轉向盤角度，甚至出現了反打方向(即車輛向右順時針轉向的過程中，轉向盤向左轉動)的現象。此時，駕駛員認為穩態圓周工況已經無法維持，從而完全松掉加速踏板，轉向盤回正至中位，此次穩態圓周試驗結束。

從上述分析可以看出，采用質心側偏角和橫擺角速度跟隨誤差可以有效分析車輛穩態回轉中的ESC控制效果，其數值能夠表征ESC對車輛控制優劣的程度，可以作為車輛ESC系統低附路面穩態圓周試驗的性能評價指標。

3 結論

(1)在路面峰值附著系數約為0.32的壓實雪面上，設計進行了ESC冬季道路試驗的試驗工況，包括穩態圓周試驗和避障對比試驗，避障對比試驗包括滑行避障試驗和制動避障試驗。

(2)避障對比試驗結果表明，相對于滑行避障，制動避障工況可以更加有效地測試車輛ESC系統的性能表現，也更接近于實際交通駕駛場景，對ESC匹配性能的測試評價更具有實際意義。

(3)穩態圓周試驗和避障試驗表明，采用質心側偏角和橫擺角速度跟隨誤差可以有效分析車輛在試驗過程中的ESC控制效果，且其數值大小能夠表征ESC系統對車輛控制優劣的程度，可以作為車輛ESC系統在低附道路的性能評價指標。

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A Study on Evaluation Method for Scenario-based Test of ESC System on Snow-icing Roads

Gao Jidong1, Gao Bolin1,2& Xie Shugang1

1.ChinaAutomotiveTechnology&ResearchCenter,Tianjin300300;2.TianjinUniversity,SchoolofMechanicalEngineering,Tianjin300300

An ESC test is conducted on snow-icing roads by adopting scenario-based test method to validate the capabilities of oversteer and understeer intervention. The tests include coasting obstacle-avoidance test, braking obstacle-avoidance test and steady circular test. The results show that compared with coasting obstacle-avoidance test, the braking obstacle-avoidance test can better test the performance of vehicle ESC system and is closer to driving scenario in real traffic condition. Using the tracking error of mass center side slip angle and yaw rate can effectively analyze the control effects of ESC, suiting to be the performance evaluation indicator for vehicle ESC system on low-adhesion road.

ESC; scenario-based test method; snow-icing road; obstacle avoidance test; steady circular test

*國家863計劃(2011AA11A286)資助。

2016239

原稿收到日期為2015年2月12日，修改稿收到日期為2016年1月18日。