探究車輛操縱穩定性的半主動控制策略

劉秋影，苗文興

（漢騰汽車有限公司，江西 上饒 334000）

引言

現代汽車操縱技術相對成熟，在大部分路況條件下都具有良好的穩定性表現，代表汽車安全性良好，但根據長期觀察發現，大部分汽車在面對轉向行駛、變向行駛操縱指令時，其穩定性大幅下降，且接近標準值，說明汽車在這兩種條件下的穩定性薄弱，需要得到改善。就這一問題，現代學者提出了一種半主動控制策略，理論上可以提高汽車在轉向行駛、變向行駛時的穩定性，本文為了證實該策略是否有效，展開了相關研究。

1 研究方案以及建模

1.1 研究方案

現代汽車的轉向或者變速行駛技術為隨動轉向，即汽車在轉向、變速行駛當中，其后懸架存在側向力不足的特點，在這一條件下，利用前輪轉向時產生的動力使汽車后軸跟隨前輪動力，形成被動型的同向四輪轉向技術即為隨動轉向。隨動轉向技術在大部分汽車產品當中十分普及，且配合四輪主動控制技術，有效提高了汽車轉向、變速時的機動性與操縱穩定性，但四輪主動控制技術必須建立在傳感器、控制器和轉向裝置基礎上，介于各裝置的機械化特點，可能會突然出現故障，代表技術可靠性不足、汽車行駛穩定性不足的問題[1]。

綜上，現代學者通過動力學對隨動轉向車輛進行了分析，認為如果隨動轉向系統的轉向剛度、阻尼參數可以隨著車速、載重等因素變化而變化，是可以提高汽車穩定性的。因此本文結合前人研究，著眼于汽車副車架、與車身連接彈性懸置，利用彈性智能元件的縱向變形功能來實現車架轉向剛度的可調、并聯智能阻尼器實現阻尼可調，由此落實可提高操縱穩定性的半主動控制策略[2]。

1.2 建模

本文建模工作共分兩個步驟，即車輪模型建設、控制器模型建設，各步驟具體內容見下文。

（1）車輪模型建設

本文提出的半主動控制系統脫胎于原有控制系統，兩者的區別在于：本文控制系統對汽車的減振器-內部運行構件進行了改良，使其實現方案中阻尼可調目標（并聯智能阻尼器應用），通過并聯智能阻尼器方式，駕駛者可以隨時控制汽車阻尼的大小，在連續變速的條件下，可以抑制汽車側傾幅度。在這一條件下，因為汽車在變速、變向過程當中，其前后車輪的運動狀態受隨動轉向原理影響幾乎相同，所以只需要建立一個車軸模型即可。模型表達式見公式（1）。

該模型屬于簡化模型，代表汽車兩側車輪存在相互對稱關系，在這一條件下，不考慮車輛遭遇惡劣行駛條件（即路面顛簸等條件下的行駛狀況）進行物理量建模，表達式見公式（2）。

針對公式（2）進行處理，可得車輛運行的狀態方程，表達式見公式（3）。

（2）控制器模型建設

假設汽車在行駛過程當中出現了側傾角，這時汽車物理構件中的兩側車輪彈簧會出現形變，說明側傾角與彈簧形變情況存在映射關系，因此在控制器模型建設當中，考慮到側傾角與彈簧形變關系，將彈簧形變情況作為側傾角考量因子，代表汽車兩側車輪的承載能力，同時介于汽車兩側承載能力與汽車是否側翻之間的物理關系，可說明汽車操縱狀態下的穩定性，就這一點采用線性關系進行表示，控制器需要具備連續控制減振器阻尼的能力，保障彈簧形變量與車輛速度變化之間的線性關系。模型中通過輸入車輛行駛速度參數，可以直接影響彈簧形變量，將形變量作為輸出量可以判斷汽車操縱穩定性。

2 仿真研究

2.1 仿真條件

介于不同車輛的制作工藝差異，不同車輛在仿真研究當中不能一概而論，因此本文將選擇品牌某車輛的單軸模型作為仿真車輛條件；該軟件可以用于模擬路況，且兼容汽車單軸模型；仿真路況條件有三，即直線路況、轉向路況、變速路況。

2.2 仿真測試

仿真測試分為兩個步驟，即非半自動控制條件下與半自動控制條件下車輛在不同路況下的參數測試，該步驟將兩個條件下的行駛參數進行對比，了解非半自動控制對車輛產生的影響；不同路況下車輛行駛狀態穩定性對比。各步驟內容見下文。

（1）非半自動控制條件下與半自動控制條件下車輛在不同路況下的參數測試

采用的是正弦信號作為輸入信號，可以有效反映出汽車在轉向路況中的運動狀況，根據狀況參數結合線性關系原理進行分析，可得汽車側傾角大小、加速度、速度變化。在這一條件下進行了兩組測試，即非半自動控制條件下汽車在轉向路況的行駛；半自動控制條件下車輛在轉向路況的行駛。

（2）不同路況下車輛行駛狀態穩定性對比

采用半自動控制條件下車輛的測試模型，將其分別行駛在直線、轉向、變速三個路況當中，仿真過程當中以直線路況參數為對照（因直線路況條件下，汽車狀態最穩定），對比于轉向路況、變速路況條件下的汽車操縱穩定性，如果對比結果顯示汽車在轉向路況、變速路況條件下的操縱穩定性與直線路況表現差距過大，則說明半自動控制策略較差，相反則有效，差距標準值為0.0005。

2.3 測試結果

測試結果一：根據結果中車輛速度變化曲線來看，兩組曲線中汽車在相同行駛條件下的最大傾角從0.2885 降低至0.1045，差值61.3%；側傾角絕對值從0.0923 降低至0.0342，差值 60.1%；加速度曲線變化從 10.0954rad/s 降低至3.5345rad/s，差值60.8%。綜合來看，在本文半自動控制條件下，車輛的穩定性整體提高了35.7%，由此可見半自動控制策略對車輛操縱穩定性有正面影響，有利于行駛安全性。

綜合測試結果可見，測試組在行駛過程當中，其最大傾角、側傾角絕對值、加速度曲線變化的數值表現，比之照組相同的三個指標，差距均未超過標準值0.0005。由此可見，通過本文半自動控制策略，車輛操縱穩定性將大幅度提高，即使面對轉向路況、變速路況，也可以成功抑制車輛穩定性下降幅值。

2.4 討論

根據仿真測試可見，在本文半自動控制條件下，汽車的穩定性因子：加速度、速度以及側傾角大幅度減小，這代表汽車在大部分行駛狀態下，都不會出現過大的晃動、震蕩現象，說明汽車駕駛安全系數提高，同時駕駛者可以通過控制系統對汽車的減振器進行調控，進一步優化控制效果，使減振器的阻尼線性變化更加突出，有效抑制側翻因子的影響。

3 結語

本文車輛操縱穩定性的半主動控制策略進行了研究，研究首先對影響穩定性的因素進行了分析，闡述了各因素與穩定性之間的影響關系，并進行了建模。其次提出了半自動控制方案，并對方案模型進行了建設。最終在模型基礎上進行了兩組仿真測試，根據測試結果可見，半主動控制策略可使車輛穩定性整體提高，且縮小其在轉向、變速路況條件下與直線路況的穩定性表現差距。