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标题 基于轮胎力动态估计与主动转向的新型ESP系统
范文 吴洋 李萧良 张邦基 张农 陈盛钊



摘 要：车辆电子稳定系统能有效提高车辆在极限工况下的方向稳定性.针对传统直接横摆力矩控制（DYC）没有考虑轮胎附着力极限的局限，提出一种基于轮胎动力动态估计（TDE）算法的新型车辆电子稳定控制系统（ESP），在此基础上，通过主动前轮转向（AFS）协同控制，最大化利用车轮附着力.采用多元回归统计算法设计TDE控制器，采用基于统计数据的多项式拟合获得车轮附着力边界极限和最优动态滑移率上限值；采用模糊逻辑算法设计AFS控制器，补偿因附着力达到极限引起的横摆力矩不足.仿真结果表明，通过与AFS的协同控制，新型ESP能够在改善车辆的方向稳定性的同时，大幅降低车轮制动控制力，减少对车辆纵向速度的影响.
關键词：车辆电子稳定系统；轮胎力动态估计；主动前轮转向；集成控制；车辆动力学
中图分类号：U461.6 文献标志码：A
Abstract：The vehicle Electronic Stability Program （ESP） can effectively improve the vehicle stability under extreme driving condition. However， traditional Direct Yaw Control （DYC） does not consider the adhesive limitation of tire forces. In order to overcome this shortage， a novel ESP algorithm was proposed based on Tire Dynamic Force Estimation （TDE） in this paper. Combined with Active Front Steering （AFS）， this algorithm can make the maximum use of available tire forces. Based on multiple variables regression algorithm and polynomial fitting， a TDE controller was designed to obtain the tire adhesive boundary and the upper limit of optimal dynamic slip ratio. Based on fuzzy logic algorithm， an AFS controller was designed to compensate the insufficient yaw moment caused by adhesive forces limitation. This developed algorithm was verified through simulations， and the results show that the proposed novel ESP can significantly enhance the cornering stability by collaborative control with the AFS. Meanwhile， the proposed algorithm can significantly reduce active braking force of the wheels and alleviate undesired impact on the vehicle longitudinal speed.
Key words：vehicle electronic stability program；tire dynamic force estimation；active front steering；integrated control； vehicle dynamics
随着人们对汽车安全技术的日益重视，先进的主动安全控制系统越来越多地应用于车辆上，如防抱死系统（Antilock Braking System，ABS）、驱动防滑控制系统（Traction Control System，TCS）、主动前轮转向系统（Active Front Steering，AFS）、主动悬架系统（Active Suspension Systems，ASS）及电子稳定程序（Electronic Stability Program，ESP）等等.多个主动控制系统并存时，系统之间必然存在相互影响，若能对此进行集成控制，不仅能减少硬件数量，还能协同提高车辆的运动性能.对此，不少学者对联合控制策略及其控制算法进行了理论研究.在联合控制方面，Jin 等人[1]通过联合AFS和ASS，提高车辆的操纵稳定性.Zhao等人[2]提出的集成ASS、AFS与DYC的分层控制器，有效地改善了车辆的操稳性能.陈无畏等人[3-4]对汽车电动助力转向系统和电子稳定程序进行了功能分配协调控制，补偿的回正力矩提高汽车稳定性，通过加权的方式实现ESP与ASS的分层协调控制.宋宇等人[5]搭建了ESP与四轮转向系统的分层式集成控制体系，该集成控制的车辆操稳性能优于其中的单独控制系统.Li等人[6]通过四轮转向系统和主动制动的组合控制来提高车辆操稳性和横向稳定性.周兵等人[7]在传统AFS控制基础上考虑路面附着条件的影响，提高车辆的操纵稳定性.ESP控制算法方面，应用较为广泛的有PID控制算法、模糊逻辑PID控制算法[8]、LQR控制[9]及滑模控制[10]等等.但是以上研究中均未考虑到轮胎摩擦椭圆的约束条件，极易造成制动力施加过度，而使得轮胎作用力急剧下降，影响车辆转向操稳性，因此有必要在ESP工作时，考虑轮胎力组合滑移限制条件.
橡胶轮胎与地面之间的非线性摩擦力很大程度上决定其车辆运动的响应，在客观环境因素无法改变的情况下，如何发挥轮胎力的极限工作能力的问题一直是研究的重点.Li等人[11]考虑了轮胎的组合滑移限制条件，实现对直接横摆力矩的分层控制策略.Mokhiamar等人[12]提出了基于加权系数的轮胎纵向力和侧向力最佳分配控制算法.李道飞等人[10]采用滑模控制算法优化4个车轮的制动力，改善车辆主动转向下的横摆角速度响应.但是主动制动力控制下的轮胎力存在着物理极限，一旦车辆的轮胎力达到极限值，任何轮胎制动控制都将失效，因此有必要提供额外的辅助控制系统，与ESP系统形成联合控制，以提高ESP系统的操稳控制极限.
结合以上两方面前人的研究成果，本文提出一种基于轮胎力动态估计（Tire Dynamic Force Estimation，TDE）与主动前轮转向技术（Active Front Steering，AFS）的新型车身电子稳定系统.一方面，轮胎力动态估计能够有效地保证滑移工况下，轮胎纵向力不超过其纵向滑移率的上限值；另一方面，主动转向技术能够在ESP控制初期及时提供额外的主动操稳控制.在MATLAB/Simulink环境下建立了14自由度车辆模型、稳态二自由度参考模型、轮胎模型，设计了TDE与AFS控制器，通过前轮阶跃输入仿真试验，验证TDE在极限工况下的有效性，进一步地，设计双移线道路下的“人车路”仿真试验，研究新型ESP系统对车辆操稳性能的影响.
1 系统建模
1.1 整车14自由度模型
为了更真实地反映车辆的操稳响应，建立整车14自由度非线性模型[13]（未考虑坡度、风阻及路面激励）.14自由度分别为：固结于车身质心处的平动自由度x、y、z及转动自由度θ、φ、ψ，4个车轮的垂向自由度Zui及转动自由度ωi（i=1，2，3，4），如图1所示.
2 新型ESP系统设计
2.1 TDE控制器设计
考虑到轮胎力的实际提供能力，需要在传统ESP控制基础上，进行轮胎力的动态评估[15-16].如图3所示，定义当前制动工况下轮胎力摩擦椭圆的端点为极限控制点λup，实际工况下，当对车轮进行主动制动控制时，轮胎侧偏角相对于轮胎纵向滑移率，变化较为平稳，于是根据当前轮胎力状态，描绘出其摩擦椭圆曲线A，预测轮胎力的变化趋势.阶段1：随着主动制动力的增加，轮胎力矢量线将沿着摩擦椭圆曲线A逆时针移动，轮胎纵向力随着轮胎纵向滑移率的增加而增加，当到达λup时，轮胎纵向力达到其最大值.阶段2：经过极限控制点λup后，轮胎纵向力随着轮胎纵向滑移率的增加而减小，这说明阶段2是一种极不稳定的状态，ESP将在此干预下产生误判.对此，当轮胎力矢量线达到极限控制点λup时，减少主动制动力，维持当前轮胎纵向滑移率不超过其上极限值，获得稳定的轮胎纵向力，以提供充分的附加横摆力矩.
由图3可知，当侧偏角增大时，当前轮胎摩擦椭圆从曲线A移至曲线B，极限控制点变为λ1；而当轮胎垂向载荷增大时，当前轮胎摩擦椭圆从曲线A移至曲线C，极限控制点变为λ2.
式中：c为车辆稳定性参数，取值为0.027.当公式（26）成立时，可认为车辆处于稳定阶段，无需控制器介入.控制逻辑如图4所示，其中，[0，1，0，0.6]表示右侧车轮制动时的增益，右前轮与右后轮制动量的比例为1∶0.6；[-1，0，-0.6，0]表示左侧车轮制动时的增益，前轮与右后轮制动量的比例为1∶0.6.使用正負号是为了统一绝对值.[400，400，300，300]表示制动压力转换为制动力矩的增益.
根据实际车辆的失稳情况，模糊控制规则表要达到的目的为：当横摆角速度误差值E处于最大值，同时误差值变化率EC也处于最大值时，表明失稳最严重，则应介入最大的附加转向角控制；当横摆角速度误差值E、误差值EC处于小值时，附加转向角为零.E和EC各有7个模糊变量，产生49条模糊控制规则.具体的控制规则如表 2 所示.
2.4 新型ESP联合控制器设计
ESP控制器作为危险工况下的主动安全技术，具有作用时间短，作用迅速的特点，控制系统的设计原则是尽量在驾驶员的操纵意图下，施加附加横摆力矩，修正车辆转向不足或转向过度.集成TDE与AFS的新型ESP系统的控制思路如图8所示，图中3个虚线框分别代表TDE控制器、DYC控制器和AFS控制器.在TDE控制器中，根据侧偏角sa和轮胎垂向载荷Fz计算极限控制点的纵向滑移率数值λ*up，当轮胎实际纵向滑移率λ大于λ*up时，通过比例控制产生制动力矩抑制信号，以此适当降低DYC产生的主动制动力矩Tb.在DYC控制器中，PID控制模块决定制动力矩的大小，制动策略模块判断车辆是否失稳以及执行制动车轮的选择.在AFS控制器中，根据模糊控制模块计算产生附加前轮转角δa，其次通过附加前轮转角约束模块对δa进行两方面的约束，一方面，当判断出|e（t）|>d时（d为前轮失稳阈值，取值为0.1），关闭AFS控制，这是因为AFS在轮胎力线性区域控制效果较为理想，而当车辆转向不足侧偏角接近极限值，车辆轮胎侧向力处于饱和区时，再叠加一个附加前轮转向角将会进一步恶化操纵稳定性.另一方面，对附加前轮转角δa进行上限值及下限值的约束，保证 0.035>δa>-0.035 始终成立.以上两方面的约束增加了AFS控制的稳定性.
3 仿真分析与计算
基于上述整车模型、ESP模型，AFS控制算法及轮胎力动态估计，应用商业数学软件MATLAB/Simulink，搭建轮胎力动态估计（TDE）控制器及主动前轮转向（AFS）控制器，采用ODE45变步长求解器.为验证集成TDE控制器及AFS控制器的新型ESP系统有效性，仿真分为两个部分，第1部分：轮胎摩擦椭圆动态估算仿真；第2部分：基于轮胎力动态估计及主动前轮转向的ESP系统仿真.
3.1 TDE控制器ESP仿真
为了更好地验证轮胎力动态估计的有效性，需要施加极限工况条件，为此前轮转向角输入选为阶跃输入，如图9所示.仿真条件：车速60 km/h，路面附着系数为0.85.
由图10可以看出，原车横摆角速度实际值已经极大地偏离了其名义值，而ESP系统及ESP+TDE系统的横摆角速度都能很好地跟踪其名义横摆角速度.在瞬态阶段，ESP+TDE系统相对于ESP系统，其横摆角速度波动更加平稳.由于ESP施加的车轮主动制动力，影响了其车辆纵向速度，所以三者的横摆角速度名义值存在着一定的差异.在TDE干预下，降低了车轮主动制动力对车辆纵向运动的影响，因此系统的横摆角速度名义值始终介于原车与ESP系统的横摆角速度名义值之间.
由图11可更直观地反映制动力矩的优化情况，0.5～0.55 s时间段内，在TDE干预下，右前轮制动力矩相比较于传统ESP控制减小近50%，右后轮制动力矩减小近25%.
由图12可以看出，在TDE干预下，纵向滑移率的数值始终小于极限控制点λup估算出的纵向滑移率，在图像上的表现是轮胎纵向力随着制动力的增大而增大，随着制动力的减小而减小，这种控制效果与ABS类似.TDE的干预使轮胎纵向力及侧向力足够大，保证了附加横摆力矩的充裕和控制的稳定.
由图13可以看出，0.5 s时刻，前轮转向角输入阶跃信号，车辆转向不足，右侧车轮主动制动力启动，纵向滑移率增加，补偿附加横摆力矩.在ESP+TDE控制下，与传统ESP控制相比，纵向滑移率明显减小.纵向力和侧向力时间历程曲线也有小幅度的优化.
3.2 新型ESP控制器仿真
仿真条件为：车速70 km/h，路面附着系数为0.85.模拟仿真路况为ISO 388822002_BS双移线国际标准道路[22]，理想路径通过分段样条插值得到，如图15所示.
由图15可以看出，未加控制的原车模型的路径跟踪效果最差，侧向位移已经严重偏离其理想路径，车辆失稳.新型ESP系统由于在失稳初期及时介入了主动转向控制，主动转向产生的附加前轮转角如图16所示，补偿的侧向力对车辆的侧向位移进行修正，其路径跟随最为平缓，在横向位移为22～32 m阶段时，新型ESP相比于ESP+TDE控制，其车身方向回正能力有了明显提升.
由图17～图19可知，ESP系统及新型ESP系统都能够很好地改善车辆的操纵稳定性.图17中，新型ESP系统的横摆角速度响应最为迅速，控制系统的滞后性下降，新型ESP控制下，车辆横摆角速度始终跟随其名义值.
由图18可以看出，在新型ESP控制下，侧向加速度稍微有所降低.
由图19可以看出，联合了AFS与优化的主动制动力带来的另一个效果，就是对车辆的纵向速度的影响减少，新型ESP系统的车辆纵向速度最为平稳.这是因为，一方面，TDE控制器限制了ESP的主动制动力矩，保证了轮胎力的充裕；另一方面，及时介入的AFS控制，分担了一部分操稳控制压力，降低了DYC控制负担.
4 结 论
1）轮胎力动态估计能够保证主动制动力矩的施加，不超过其最优的动态滑移率上限值，使得轮胎力在非线性区的衰减得到抑制，这可视为ABS系统在摩擦椭圆面上的扩展.
2）新型ESP控制系统，在改善转向操稳性能的同时，主动制动力得到有效的减少，有利于车辆制动系统的耐久性，联合AFS控制器，降低了主动操稳系统对车辆纵向速度的影响.
3）提出的新型ESP系统，联合了AFS转向干预与TDE主动制动力干预，相比于传统的ESP控制，进一步改善了车辆的操纵稳定性.
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更新时间：2024/12/23 1:46:31