汽车稳定性控制系统控制策略与评价方法研究

【摘要】：汽车稳定性控制系统(Electronic Stability Program,缩写为ESP,下同)系统可以根据驾驶员的操纵意图,通过对处于准稳定状态的汽车实施侧纵向动力学控制,从而避免车辆进入不可控的非稳定状况,同时也力争保证车辆在极限工况下的操纵特性与日常驾驶线性区工况下相一致,使驾驶员可继续依赖其以往线性区的驾驶经验对车辆进行有预见性的操作,避免由于车辆动力学特性突变引起车辆的失稳。由于对汽车主动安全性的显著提高,ESP系统的控制策略研发及其与整车的集成匹配与性能测试成为了国内外汽车工程领域研究的热点问题。 本文针对目前国际ESP系统研发现状,并结合国家863计划“长安汽车底盘一体化控制技术研究”项目的工程研发需求和国家自然科学基金项目“汽车底盘一体化系统仿驾驶员智能控制机理及关键技术研究”项目的学术理论探索,按照国际主流的汽车先进电控系统的V字型开发模式,与重庆长安汽车工程研究院联合攻关,系统地实施了从性能定义、制动阀体等总成及整车动力学建模、控制策略仿真、软硬件在环试验、控制电路研制、性能演示样车试制及冬夏两季场地试验测试等一整套完整的ESP系统研发工作。 通过历时四年的研究,本文最终建立了一套整车匹配ESP系统后的行驶性能评价体系及其相应的软硬件测试系统,并基于自行开发的ESP系统控制策略和长安CV8轿车,搭建了一台吉林大学-长安汽车先进底盘性能演示样车,在黑河红河谷汽车试验场与海南汽车试验场进行了整车匹配ESP系统后的冬夏两季性能测试与控制策略调校。在实现项目研发目标的过程中,重点针对如下理论和工程问题开展了学术研究。 1、驾驶员操纵意图的数学描述是实现精确的汽车稳定性控制的前提,也直接决定着ESP系统在整个驾驶员-汽车-道路闭环系统工作过程的介入时刻。目前开展的国内外研究大多是采用汽车线性两自由度模型来描述驾驶员的操纵意图。由于ESP系统大多工作在强非线性工况,此时单纯采用方向盘转角输入下的线性模型,缺乏对驾驶员转向意图急迫程度等表征在极限工况下行驶意图的物理量描述,从而在一定程度上造成了对驾驶员行驶意图的表征不足,甚至误判,极易使ESP系统控制介入时机不当,无法为驾驶员的行驶意图提供有效支撑,有时会造成对驾驶员正常行驶意图的干扰。此现象在冬季低附路面下紧急避障试验等驾驶员连续急打转向操作中表现得非常明显。 针对以上问题,本文基于驾驶员方向盘转动角速度与车辆低通滤波特性,在传统基于两自由度模型确定参考横摆角速度基础上,引入方向盘角速度来描述驾驶员的转向急迫程度,更为全面准确地描述驾驶员在极限工况下行驶意图,并将其引入到理想横摆角速度的确定算法中,建立了一套ESP系统参考模型的修正算法,更为合理地确定了ESP系统的控制介入时刻,避免了介入时间不适当引发的对驾驶员正常驾驶意图的干扰。最终通过驾驶员在环模拟器实验,验证了算法的有效性。 2、如何建立一套完整的ESP系统控制仲裁机制是ESP系统工程化实现的核心问题。驾驶员在路面与车辆附着能力反馈下实施的操纵动作通常会激发系统控制工况的切换,切换机制的设计需充分考虑对驾驶员正确操纵动作的支持及其行驶意图的快速实现,避免切换机制设计不当对驾驶员正确行驶意图造成的困扰。 本文在详细分析ESP介入工况基础上,基于车辆稳定性分析,并兼顾驾驶员不同行驶工况下的驾驶意图表征,从系统控制性能提升的角度出发,重点对ESP系统横摆角速度控制与质心侧偏角限制控制工况的触发及仲裁机制进行了详尽设计,并提出了一套适用于系统工程化与后期匹配的多工况门限值反馈ESP控制算法。最终通过实车场地性能试验,对系统算法进行了测试验证。 3、目前国内整车厂家大多缺乏系统完善的整车匹配ESP系统后的性能测试流程规范。国际上现有的诸如麋鹿试验等ESP测试方法也是仿照汽车操纵稳定性能测试方法进行的等速工况下避障行为模拟,无法描述在真实道路交通环境下在人-车-路交互作用下紧急转向与紧急制动联合工况。 本文首先对美国NHTSA(高速公路安全管理局)、欧洲EURO-NCAP(欧洲新车评价计划)、美国Consumers Union(消费者联盟)、Bosch(博世)、Continental(大陆)、Mando(万都)等国内外现有ESP系统性能测试方法进行了系统调研,归纳总结了单移线、美国标准避障、紧急避障(麋鹿测试)、蛇行行驶等试验。在此基础上,提出了一个更为真实描述驾驶员在规避障碍物过程中操控行为特性的自由操作2/3避障路径试验及其通过性指标,最终为重庆长安汽车形成了一套较为完善的整车匹配ESP系统后的行驶性能场地试验评价体系,并以此为试验规范实施了长安CV8轿车匹配ESP系统的冬夏两季场地试验测试。