淺議智能汽車技術(shù)及汽車動(dòng)力學(xué)控制系統(tǒng)

尤建祥

【摘 要】汽車動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性控制系統(tǒng)（DSC）是汽車主動(dòng)安全電控系統(tǒng)的重要研究前沿，是繼ABS之后需要進(jìn)行重點(diǎn)突破的汽車主動(dòng)安全控制系統(tǒng)。要求汽車具有更好的可控性和更高的行駛安全性。因此，汽車的操縱穩(wěn)定性日益受到重視，成為現(xiàn)代汽車研究的重點(diǎn)。本文通過對(duì)國內(nèi)外關(guān)于DSC的研究文獻(xiàn)和開發(fā)的產(chǎn)品進(jìn)行收集整理，為DSC研發(fā)提供參考。

【關(guān)鍵詞】汽車 動(dòng)力 控制系統(tǒng)

汽車動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性控制系統(tǒng)（DSC）是汽車電控研究前沿。這一系統(tǒng)目前沒有統(tǒng)一的命名，Bosch公司稱之為汽車電子穩(wěn)定程序（ESP）；豐田公司稱之汽車穩(wěn)定性控制系統(tǒng)（VSC）或汽車穩(wěn)定性輔助系統(tǒng)（VSA），汽車電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)（ESC）；寶馬公司稱之汽車動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性控制系統(tǒng)（DSC）。名稱不盡相同，但在設(shè)計(jì)目標(biāo)，控制策略，追求的性能上大體是相同的。

1 智能型汽車的特點(diǎn)

智能車又稱為無人駕駛汽車，屬于輪式移動(dòng)機(jī)器人的一種，是一個(gè)集環(huán)境感知、路徑規(guī)劃、自動(dòng)駕駛等多功能于一體的綜合系統(tǒng)。智能汽車技術(shù)將許多領(lǐng)域聯(lián)系在一起，如計(jì)算機(jī)科學(xué)、人工智能、圖像處理、模式識(shí)別和控制理論等。智能汽車與一般所說的自動(dòng)駕駛有所不同，它更多指的是利用GPS和智能公路技術(shù)實(shí)現(xiàn)的汽車自動(dòng)駕駛。這種汽車不需要人去駕駛，因?yàn)樗b有相當(dāng)于人的“眼睛”、“大腦”和“腳”的電視攝像機(jī)、電子計(jì)算機(jī)和自動(dòng)操縱系統(tǒng)之類的裝置，這些裝置都裝有非常復(fù)雜的電腦程序，所以這種汽車能和人一樣會(huì)“思考”、“判斷”、“行走”，可以自動(dòng)啟動(dòng)、加速、剎車，可以自動(dòng)繞過地面障礙物。

2 智能汽車操縱穩(wěn)定性研究的目的及意義

汽車動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性控制系統(tǒng)（DSC）是汽車電控的研究前沿。這一系統(tǒng)目前沒有統(tǒng)一的命名，Bosch公司稱之為汽車電子穩(wěn)定程序（ESP）；豐田公司稱之汽車穩(wěn)定性控制系統(tǒng)（VSC）或汽車穩(wěn)定性輔助系統(tǒng)（VSA），汽車電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)（ESC）；寶馬公司稱之汽車動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性控制系統(tǒng)（DSC）。名稱不盡相同，但在設(shè)計(jì)目標(biāo)，控制策略，追求的性能上大體是相同的。隨著高速公路的發(fā)展和汽車技術(shù)的進(jìn)步，公路交通呈現(xiàn)出行駛高速化、車流密集化的趨勢(shì)。現(xiàn)代轎車的設(shè)計(jì)最高時(shí)速一般都大于200km/h，有的運(yùn)動(dòng)型轎車甚至超過300km/h。汽車在高速公路上的行駛速度通常也都在lOOkm/h，其次駕駛員的非職業(yè)化發(fā)展趨勢(shì)，使得車輛在高速行駛時(shí)出現(xiàn)了各種各樣的穩(wěn)定性問題。要求汽車具有更好的可控性和更高的行駛安全性。因此，汽車的操縱穩(wěn)定性日益受到重視，成為現(xiàn)代汽車研究的重點(diǎn)。

3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國外發(fā)達(dá)越來越多的車型已將電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng)作為其標(biāo)準(zhǔn)配置2005年大約40%的新注冊(cè)車輛配備了ESP，在高檔車上，ESP已經(jīng)成為了標(biāo)準(zhǔn)配置，中檔車上的裝配率也迅速提高，在緊湊型車上裝配率稍低。國內(nèi)對(duì)汽車操縱穩(wěn)定性控制的研究起步較晚，目前仍然處于研究開發(fā)的初期，沒有具備自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品。電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的裝配率還比較低，以往通常只在高檔車上才裝配ESP，2006年上市的東風(fēng)雪鐵龍的凱旋、一汽大眾的速騰和上海通用的君越都配有ESP，但是裝備的都是國外公司的產(chǎn)品，國內(nèi)還沒有自己的實(shí)際開發(fā)系統(tǒng)的能力，大多數(shù)學(xué)者只是基于理論的研究。

4 車輛操縱穩(wěn)定性控制的基本原理及分析

汽車電子穩(wěn)定控制的基本思想是通過對(duì)臨界穩(wěn)態(tài)工況的控制，來阻止汽車進(jìn)入不可控的非穩(wěn)態(tài)，此時(shí)汽車的質(zhì)心側(cè)偏角往往較大，車輪的側(cè)向力已接近輪胎與路面的附著極限，此時(shí)方向盤轉(zhuǎn)角控制對(duì)車輛穩(wěn)定性的改善并不明顯，所以一般不使用方向盤轉(zhuǎn)角控制，可以采用通過縱向力匹配來產(chǎn)生橫擺力矩的控制方法來改善車輛穩(wěn)定性。本文采用橫擺力矩控制來保證車輛穩(wěn)定性，使車輛的實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與期望狀態(tài)一致。首先由傳感器檢測(cè)出汽車運(yùn)行狀態(tài)如橫擺角速度、整車側(cè)偏角、側(cè)向加速度以及左右輪速差等實(shí)際值，然后根據(jù)理想狀態(tài)模型計(jì)算出汽車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的名義橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角的值，當(dāng)實(shí)際變量值與名義變量值之差超過某一極限時(shí)通過一定的控制邏輯和算法計(jì)算出所需要控制的橫擺力矩，這里所采用的控制邏輯和算法是具有較強(qiáng)魯棒性的模糊邏輯控制器，通過控制汽車的橫擺力矩來達(dá)到改善汽車操縱穩(wěn)定性的目的。

5 車輛動(dòng)力學(xué)模型的建立

建立精確的整車模型，是進(jìn)行系統(tǒng)仿真的關(guān)鍵。兩輪模型參數(shù)簡(jiǎn)單，能夠考慮縱向、橫向運(yùn)動(dòng)控制，是動(dòng)力學(xué)控制系統(tǒng)開發(fā)常用模型。基于該模型，開發(fā)了側(cè)偏角估算算法，側(cè)向速度估算算法。但在進(jìn)行環(huán)仿真分析過程中，一般采用四輪多自由度汽車仿真分析模型，可以考慮懸架、輪胎、車身的非線性，以及汽車的動(dòng)態(tài)非線性，能夠較為精確地反映汽車的動(dòng)態(tài)特征。

6 模糊邏輯控制器的設(shè)計(jì)

模糊控制是以模糊集合論、模糊語言變量及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計(jì)算機(jī)數(shù)字控制。模糊控制的基本思想是將操作人員的控制經(jīng)驗(yàn)用具有模糊含義的語言變量加以描述，用一組條件語句構(gòu)成控制規(guī)則以及相應(yīng)的模糊推理，最終通過模糊決策得到精確的控制量，使復(fù)雜系統(tǒng)做出合乎實(shí)際的、符合人類思維方式的處理成為可能。模糊控制系統(tǒng)對(duì)于無法得到被控對(duì)象精確的數(shù)學(xué)模型或系統(tǒng)具有較強(qiáng)非線性的控制過程將會(huì)取得較好的控制效果。

7 汽車穩(wěn)定性系統(tǒng)的聯(lián)合仿真的建立

ADAMS是一種多剛體動(dòng)力學(xué)軟件，其中的ADAMS/Car模塊可以精確的建立整車虛擬樣機(jī)多自由度模型。ADAMS本身可以進(jìn)行的控制方式有兩種：一、輸入、輸出變量的設(shè)置和對(duì)控制函數(shù)的定義。二、利用ADAMS自帶的控制工具箱（Controls Toolkit）。控制工具箱提供了簡(jiǎn)單的線性控制模塊和濾波模塊，可以方便地實(shí)現(xiàn)前置濾波、PID控制和其它連續(xù)時(shí)間單元的模擬仿真。利用此工具箱可以直接在ADAMS樣機(jī)模型中添加控制模塊，解決一些簡(jiǎn)單的控制問題，很難實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制聯(lián)合仿真。

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