考慮側風影響下的汽車穩定性控制研究

陶欣怡 楊 軍* 蔣懌霏 顏晨龍 楊 藝

（江蘇理工學院汽車與交通工程學院，江蘇 常州 213000）

隨著人們行駛車速的普遍提高，由于各種因素而引發的車輛失穩甚至嚴重事故也越來越多，除去高速上駕駛員自身操作問題，外部側風對高速行駛的車輛影響十分巨大，風力不僅影響車輛的動力性，同時較大的側向風會影響車輛的操縱穩定性，在高速行駛過程中駕駛員難以及時捕捉側風的影響同時做出正確的操作反應，極有可能導致車輛失控，引發嚴重的交通事故[1-2]。為了應對駕駛員在對側風等外部環境影響下的操縱欠缺性，通過設計駕駛輔助系統感知外部環境和車輛本身的運行工況變化來實時對車輛操縱和安全方面做出自主控制越來越成為降低交通事故頻率，減輕交通事故傷害的關鍵途徑[3-4]。

1 整車動力學建模

考慮建立包含縱向、橫向、橫擺以及側傾方向的車輛動力學模型[5]，輪胎模型采用魔術輪胎模型[6]。

2 側風對車輛的影響分析

2.1 直線工況下的側風干擾仿真

車輛在高速行駛的工況主要是直線高速行駛工況，因此設置路面系數為0.8，車輛分別以100km/h、110km/h、120km/h、130km/h 的車速直線行駛，在1.5s 開始給車輛施加速度最大為10m/s 的側風干擾，在2.5s 時風速達到最大后保持不變，不同車速下的仿真結果如圖1 所示。

圖1 直線工況下的側風干擾仿真

從圖1 的仿真結果可以看出，在直線行駛工況下，車輛在1.5s 時刻的狀態量發生改變，與1.5s 產生側風的輸入狀態符合，車輛開始在側風的作用下偏離，同時橫擺角速度和質心側偏角逐漸增大，穩定性變差；對比不同車速可以得出，質心側偏角和橫擺角速度隨著車速的增大而增大，車輛偏離距離也逐漸增大。

2.2 換道工況下的側風干擾仿真

車輛在高速工況行駛時不可避免會進行小幅度轉向換道，此種狀態下的車輛受到強橫風的影響更大，因此模擬駕駛員換道時刻的轉向輸入，在0～3 內給予模型由正到負的正弦轉向輸入，同時一直受到風速為10m/s的正弦側風干擾，不同車速下的仿真結果如圖2 所示。

圖2 換道工況下的側風干擾仿真

從圖2 的仿真結果可以看出，車輛在5s 內完成了換道行駛，在相同風速影響下，隨著車速的不斷增大，車輛的質心側偏角明顯增大，橫擺角速度略有增大，側偏位移明顯增大，因此在換道工況下車輛偏離路線，失穩的危險性最大。通過上述兩種典型高速行駛的工況仿真可以看出，本文所建立的側風- 車輛耦合模型能夠準確地反映車輛在側風干擾下的行駛狀態，分析得到干擾工況下的車輛行駛狀態變化規律，為下文穩定性控制的設計奠定了基礎。

3 基于AFS 的車輛穩定性控制器設計

3.1 AFS 穩定性控制框架

在車輛高速行駛或其他非典型工況下，僅由駕駛員和EPS 轉向系統無法實現最優的轉向控制，而主動前輪轉向控制系統根據車輛實時行駛中反饋的狀態量以及控制策略求解出輔助轉向角，將此輔助轉向角施加在前輪轉角上，使得車輛轉向更加貼近駕駛員意圖以及當前的行駛工況，從而提高車輛在非典型工況下的穩定性。本文采用簡化后的線性二自由度車輛模型來作為表征車輛理想的質心側偏角和橫擺角速度。

3.2 基于GA-PID 的AFS 控制器設計

本文采用PID 算法設計AFS 控制器，為了提高控制器魯棒性，利用遺傳算法對六個因數進行迭代優化，根據本文控制器要求，選取的適應度函數為：

4 仿真平臺搭建

為了驗證所設計的主動轉向控制器的控制效果，本節利用Matlab/Simulink 仿真軟件對設計的模型和控制器進行搭建，對不同行駛工況進行仿真驗證。

4.1 高速直線行駛工況仿真

假設風壓中心與車輛的質心重合，直線工況下前輪輸入轉角δd=0，車速設定為100km/h，風向為單向變化側風，初始風速為0m/s，0.5 內增大至10m/s，3s 后風速降為0m/s，仿真結果如圖3 所示。

圖3 直線行駛工況不同控制器效果

從圖3 中可以看出，相比于無控制和普通PID 控制，經過遺傳算法優化后的PID 控制器效果更為明顯，車輛穩定性趨于更好。

4.2 車輛高速換道行駛工況驗證

為了驗證控制器在換道情景下的控制效果，設定車輛以100km/h 的速度進行換道行駛，在0-2s 內施加正向轉角輸入，在2-4s 內施加反向轉角輸入模擬駕駛員換道過程，仿真結果如圖4 所示。

圖4 換道行駛工況不同控制器效果

由圖4 可以看出，在側向位移方面，當未施加控制時，車輛受側風影響偏移距離較大，質心側偏角和橫擺角速度的幅值也較大，而采用AFS 控制后，明顯降低了車輛換道時的偏移，同時提升了車輛的穩定性。

5 結論

本文針對側風干擾下的高速車輛穩定性控制問題，所獲得的研究成果如下：

5.1 建立考慮側風影響的非線性整車動力學模型考慮側風對車輛穩定性的影響，建立側風干擾模型，通過仿真分析，得到側風對車輛穩定性的影響。

5.2 依據側風對整車模型的分析影響，以車輛質心側偏角和橫擺角速度為控制目標，設計側風干擾條件下的主動轉向控制策略。利用Matlab/Simulink 軟件搭建側風穩定性控制系統，進行多種工況的側風仿真分析，驗證了所設計控制策略的有效性。