電子穩(wěn)定系統(tǒng)控制車(chē)輛仿真研究

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摘要：電子穩(wěn)定系統(tǒng)ESP(ElectronicStabilityProgram)是一種新型主動(dòng)安全系統(tǒng)。文章利用MATLAB軟件為汽車(chē)建立四自由度模型，根據(jù)理想橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角與實(shí)際值的比較，得到偏差值，并作為輸入數(shù)據(jù)，對(duì)車(chē)輛穩(wěn)定控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究。在ESP控制下，能有效防止車(chē)輛單次翻滾。

關(guān)鍵詞：電子穩(wěn)定系統(tǒng)；四自由度模型；橫擺角速度；質(zhì)心側(cè)偏角

在車(chē)輛中增加車(chē)身穩(wěn)定控制系統(tǒng)，可提升行車(chē)的安全穩(wěn)定性。ESP系統(tǒng)能防止汽車(chē)操縱失控，主要是根據(jù)路面狀態(tài)以及汽車(chē)運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)來(lái)進(jìn)行判斷，從而控制車(chē)輛的行駛安全。ESP系統(tǒng)目的是保持車(chē)輛穩(wěn)定，一旦發(fā)生緊急情況，能有效確保車(chē)輛的安全。為驗(yàn)證ESP技術(shù)作為車(chē)輛的某個(gè)特征變化效率，在需要測(cè)試的車(chē)輛上，安裝ESP系統(tǒng)。一般是在汽車(chē)負(fù)載條件不同的情況下，使安裝了電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)的智能汽車(chē)模型在穩(wěn)定的范圍內(nèi)變化，并能夠根據(jù)控制器增益及汽車(chē)模型的變化而變化。本文主要討論寬度裂分的中心和重力高度兩個(gè)方面，同時(shí)比較安裝了ESP和沒(méi)有安裝ESP的車(chē)輛在安全行駛方面的效果。

1汽車(chē)仿真

在MATLAB仿真下[1-3],主要利用平搖動(dòng)力和滾動(dòng)動(dòng)力進(jìn)行4自由度模型進(jìn)行仿真?？v搖動(dòng)力能夠忽略不計(jì)的原因是縱向加速度比較小。

1.1汽車(chē)ESP系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

為得到ESP控制系統(tǒng)，需要具備牽引力控制、電子制動(dòng)力分配、電子制動(dòng)防抱死制動(dòng)系統(tǒng)以及有效控制車(chē)身穩(wěn)定的系統(tǒng)和設(shè)備。電子控制單元ECU、傳感器和執(zhí)行器是具有ESP系統(tǒng)的汽車(chē)必須具備的組成部分。電機(jī)、回程泵、儲(chǔ)能器、進(jìn)出口閥、隔離閥和后啟動(dòng)閥是液壓調(diào)節(jié)器總成的主要組成部分。ESP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖[4]如圖1所示。ECU的執(zhí)行者為液壓調(diào)節(jié)器，控制車(chē)身穩(wěn)定的策略由ECU下達(dá)，各方面的性能也是由ECU調(diào)節(jié)的，在達(dá)到最迅速的制動(dòng)情況下，保證安全。液壓控制單元的4個(gè)通道彼此獨(dú)立，一個(gè)通道發(fā)生故障，并不會(huì)影響制動(dòng)效果。ECU需要?jiǎng)幼鲿r(shí)，液壓調(diào)節(jié)器總成在調(diào)節(jié)液壓力的推動(dòng)下來(lái)控制每個(gè)車(chē)輪的車(chē)速，協(xié)調(diào)完成車(chē)身穩(wěn)定。

1.2汽車(chē)ESP系統(tǒng)的工作原理

ABS、ESD和TCS等所具有的功能，汽車(chē)車(chē)身穩(wěn)定控制系統(tǒng)都有，為提升車(chē)身的穩(wěn)定性能，還添加了各種傳感器，能夠自動(dòng)維持穩(wěn)定和平衡，因此在ESP系統(tǒng)控制下的，汽車(chē)行駛安全得到提高，而相應(yīng)的交通事故發(fā)生概率變小[5]。在ESP系統(tǒng)控制下，車(chē)輛的實(shí)時(shí)狀態(tài)能夠被準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)，ECU通過(guò)接收橫向偏擺率傳感器、方向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器和前后輪速度傳感器采集的信號(hào)，并分析這些信號(hào)，比較與預(yù)先存儲(chǔ)的參考信號(hào)之間的差別，通過(guò)對(duì)不同環(huán)境下車(chē)身的偏離情況進(jìn)行判斷，將調(diào)整好的策略傳遞給液壓調(diào)節(jié)器。要實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輪的控制，還需要液壓調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)液壓力，為保證車(chē)身不側(cè)翻而使車(chē)輛立即停止。在比較緊急的情況下，為降低人為失誤，裝置了ESP系統(tǒng)的汽車(chē)能夠自動(dòng)反應(yīng)。ESP系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)監(jiān)控和具有主動(dòng)干預(yù)的功能，通過(guò)判斷當(dāng)前汽車(chē)的實(shí)時(shí)狀態(tài)，一旦汽車(chē)出現(xiàn)危險(xiǎn)，系統(tǒng)會(huì)及時(shí)做出制動(dòng)策略，使得汽車(chē)安全停止。ESP系統(tǒng)主要通過(guò)控制汽車(chē)的制動(dòng)力和驅(qū)動(dòng)力，調(diào)節(jié)車(chē)身的平衡，維持穩(wěn)定。具有事先提醒的功能：面對(duì)行車(chē)過(guò)程中的突發(fā)危險(xiǎn)，若不是特別緊急，ESP系統(tǒng)能夠事先發(fā)出警報(bào)，提醒車(chē)主。車(chē)主在收到警報(bào)信息后，立刻減速，調(diào)整汽車(chē)的穩(wěn)定性，預(yù)防事故的發(fā)生。

1.3在ADAMS/Car中建立汽車(chē)整車(chē)模型

利用ADAMS/Car模塊[6-7]建立國(guó)產(chǎn)型商用車(chē)的整車(chē)模型，其中每一個(gè)子系統(tǒng)模型都需要建立。車(chē)架和車(chē)輪之間所出現(xiàn)的傳力連接裝置就是懸掛系統(tǒng)，主要是通過(guò)傳遞兩者之間的力，使得因路面不平給車(chē)身帶來(lái)的沖擊力得到緩解。想要保持或改變汽車(chē)行駛方向的裝置，就需要轉(zhuǎn)向系統(tǒng)根據(jù)駕駛員的想法來(lái)控制汽車(chē)如何行駛。制動(dòng)系統(tǒng)是能夠?qū)ζ?chē)進(jìn)行一定程度的強(qiáng)制制動(dòng)的裝置，通過(guò)路面對(duì)車(chē)輪施加一定的力，可以使行駛的車(chē)輛有效地進(jìn)行減速或停車(chē)，也可以使靜止的車(chē)輛平衡地停在不同路面狀況下。通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)外輸出動(dòng)力，它作為汽車(chē)的能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)。

1.4汽車(chē)ESP控制系統(tǒng)分析

根據(jù)汽車(chē)數(shù)學(xué)模型能夠得到理想值，而汽車(chē)中的傳感器能收集到實(shí)際行駛值，通過(guò)比較，ESP系統(tǒng)能夠判斷出汽車(chē)的行駛狀態(tài)，一旦出現(xiàn)不穩(wěn)定的狀況，能及時(shí)控制汽車(chē)行駛軌跡。橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角的實(shí)際值與理想值之間，會(huì)因?yàn)閭?cè)向力的實(shí)際值與理想值出現(xiàn)偏差而存在偏差，如果偏差值在允許范圍內(nèi)，汽車(chē)行駛可近似看作為穩(wěn)定的；一旦超過(guò)允許范圍，應(yīng)及時(shí)采取措施，以控制汽車(chē)的行駛。汽車(chē)是否處于理想軌跡，ESP系統(tǒng)是通過(guò)橫擺角速度參數(shù)來(lái)進(jìn)行判斷的，而汽車(chē)行駛狀態(tài)是否處于穩(wěn)定，ESP系統(tǒng)是通過(guò)質(zhì)心側(cè)偏角參數(shù)來(lái)進(jìn)行判斷的。汽車(chē)行駛過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)向不足或轉(zhuǎn)向過(guò)度的情況。如果汽車(chē)轉(zhuǎn)向不足，通過(guò)ESP系統(tǒng)來(lái)下達(dá)控制命令，在彎道內(nèi)側(cè)，對(duì)后輪施加瞬時(shí)制動(dòng)力的目的是為了降低汽車(chē)車(chē)輪的側(cè)向力，并使得縱向制動(dòng)力增大，根據(jù)橫擺力矩方向的一致性使汽車(chē)從轉(zhuǎn)向不足到轉(zhuǎn)向中性進(jìn)行變化，從而使汽車(chē)穩(wěn)定行駛。如果汽車(chē)過(guò)度轉(zhuǎn)向，通過(guò)ESP系統(tǒng)來(lái)下達(dá)控制命令，在彎道外側(cè)，對(duì)車(chē)輪施加瞬時(shí)制動(dòng)力的目的是使行駛速度及車(chē)輪的側(cè)向力降低，通過(guò)反向的橫擺力矩來(lái)使汽車(chē)穩(wěn)定行駛。

1.5ESP仿真模塊的建立

作為4自由度的系統(tǒng)，通過(guò)4個(gè)獨(dú)立變量來(lái)確定系統(tǒng)狀態(tài)。其中橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角是汽車(chē)車(chē)輛穩(wěn)定性的最重要的參數(shù)，故作為變量。汽車(chē)的理想橫擺角速度和理想質(zhì)心側(cè)偏角，是根據(jù)汽車(chē)4自由度數(shù)學(xué)模型的運(yùn)動(dòng)方程來(lái)進(jìn)行計(jì)算。在ADAMS/Car模塊中，建立車(chē)輛的整車(chē)模型，車(chē)輛整車(chē)模型如圖2所示。根據(jù)整車(chē)模型得到實(shí)際的橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角?？刂葡到y(tǒng)的輸入是通過(guò)對(duì)實(shí)際值和理想值作比較而得到的偏差值。如果以前輪轉(zhuǎn)角作為輸入，則可認(rèn)為汽車(chē)的車(chē)廂只作平行于地面的平面運(yùn)動(dòng)，認(rèn)為側(cè)向力與其相應(yīng)的側(cè)偏角成線性關(guān)系，對(duì)汽車(chē)的運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行拉普拉斯變換，建立車(chē)輛的數(shù)學(xué)模型。ESP仿真模塊的建立主要分為以下五個(gè)步驟：1）將建立的國(guó)產(chǎn)商用車(chē)子系統(tǒng)模型和整車(chē)模型導(dǎo)入到ADAMS環(huán)境中，并加載ADAMS/Controls模塊。2）確定輸入變量和輸出變量。3）導(dǎo)出整車(chē)模型。ADAMS/Controls保存輸入信息和輸出信息在carmodel.m文件中，生成在carmodel.cmd命令文件和carmodel.adm數(shù)據(jù)文件。4）將文件導(dǎo)入到MATLAB指定的工作目錄下，在MATLAB軟件中調(diào)取ADAMS/Car子系統(tǒng)模型文件。在命令窗口下輸入carmodel文件名，MATLAB會(huì)自動(dòng)讀取ADAMS所設(shè)置的輸入與輸出變量。在MATLAB軟件系統(tǒng)中會(huì)顯示ADAMS軟件所定義的所有輸入變量和輸出變量。5）建立控制系統(tǒng)模型。仿真控制系統(tǒng)模型如圖3所示。設(shè)置好仿真參數(shù)之后，在MATLAB中調(diào)用仿真控制系統(tǒng)模型，并聯(lián)合adams_sys控制模塊對(duì)該型商用車(chē)整體模型進(jìn)行仿真。

2結(jié)論

ESP系統(tǒng)在汽車(chē)行駛穩(wěn)定性上具有至關(guān)重要的作用，帶有ESP系統(tǒng)的汽車(chē)，特別是在人為失誤情況下，出現(xiàn)轉(zhuǎn)向過(guò)度或轉(zhuǎn)向不足時(shí)，更能有效體現(xiàn)它的價(jià)值，能降低汽車(chē)甩尾或側(cè)滑的概率，從而使汽車(chē)的行駛安全及行駛的穩(wěn)定得到充分的保證。通過(guò)虛擬仿真，沒(méi)有ESP系統(tǒng)控制的汽車(chē)，一旦出現(xiàn)汽車(chē)行駛不穩(wěn)定情況時(shí)，難以及時(shí)得到改善；而含有ESP系統(tǒng)控制的汽車(chē)能夠近似認(rèn)為在理想軌跡下行駛，保證汽車(chē)行駛穩(wěn)定的同時(shí)保證安全。

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作者：熊艷飛 梁烔墻 單位：江西應(yīng)用科技學(xué)院智能制造工程學(xué)院