基于车辆动态控制的防侧翻方法分析研究

张东珉，刘洪亮，赵永坡，张 凯

（长城汽车股份有限公司技术中心，河北省汽车工程技术研究中心，保定 071000）

基于车辆动态控制的防侧翻方法分析研究

张东珉，刘洪亮，赵永坡，张 凯

（长城汽车股份有限公司技术中心，河北省汽车工程技术研究中心，保定 071000）

本文基于49CFR Part 575法规对车辆防侧翻评价指标进行初步探索，并利用CarSim软件建立具有高质心特性的SUV车辆模型，对车身、制动系统、转向系统、轮胎及悬架等子模块进行了定义，完成非线性动力学模型的建立，结合汽车动态控制系统，建立车辆防侧翻控制策略，同时，利用CarSim与Matlab/Simulink进行联合仿真，模拟SUV在极限工况Fishhook环境下的工作情况，验证防侧翻的作用效果，结果表明：防侧翻策略有效的减小了侧向加速度，使得车辆的抗侧翻能力有所增强，汽车的安全性与稳定性得到了有效的保证，为实车试验提供科学依据。

动态仿真；侧翻；汽车电子稳定系统；控制方法

依据美国公路交通安全管理局（NHTSA）对车辆事故的调查统计，车辆侧翻所造成的危害高居于第二位，其危害的程度仅仅低于车辆碰撞[1]。福特公司Jianbo Lu等[2]利用传感器信息估计车辆侧倾状态，增强了ESP系统的侧翻控制功能。中国在汽车主动安全方面也进行了研究，主要是面对侧倾稳定性问题，通过对质心侧偏角和横摆角速度进行联合控制，并利用主动悬架与主动横摆稳定性等方法进行了避免侧翻控制的仿真研究[3,4]。

由于车辆发生侧翻危险的信息很难得到，开展大量的真实试验价格又很昂贵，因而仿真分析成为研究侧翻的首选。本文利用CarSim建立非线性动力学车辆模型，与汽车动力学稳定性控制要求相结合，完成防侧翻控制策略的设计，同时与Simulink进行联合仿真，通过对Fishhook的仿真分析，验证了车辆侧倾运动的控制效果，为实车试验提供参考。

1 动力学建模

1.1 CarSim整车模型

以某SUV作为仿真车型，使用多体动力学软件CarSim进行Fishhook建模仿真分析。为了使得动态仿真精度满足车型的侧翻要求，需要建立与实际车辆行驶情况更加接近的动力学整车模型，。由于车辆侧翻工况的极限性，需考虑各子系统模型（悬架、转向、制动及路面情况）非线性对整车动力学的影响。本文利用CarSim面向性能参数化的特点，建立了整车的动力学模型，其中前悬架为独立悬架、后悬架为非独立悬架，。同时，为了考察侧翻的情况，建立了较高的质心高度，并设置了车身系统、制动系统（简单模型）、转向系统、传动系统（四驱）以及悬架系统等子模型，未考虑汽车空气动力学的因素，完成动力学非线性整车模型的建立，进行侧翻倾向动力学建模仿真分析。整车仿真主要参数如表1所示。

表1 仿真模型主要参数

1.2 轮胎模型

车辆稳定性的控制是通过轮胎力的调整进行实现的，因此建立一个精度和复杂程度合适的轮胎模型，是解决车辆稳定性仿真研究的基础。Magic Formula模型是一种轮胎的半经验模型，它利用三角函数进行相互组合，完成轮胎数据的拟合，实现轮胎六分力的表达。本文采用“魔术公式”轮胎模型，其一般表达式为：

式中：Sv为轮胎静摩擦系数；D为峰值因数；B为刚度因数；C为曲线形状因数；E为曲线曲率因数，表达曲线最大值附近处的形状；X为滑移率；Sv可 以理解为轮胎纯滚动时的附着系数，一般定义其为0；D、B、C、E是相关的路面常数，不同的路面附着系数能够通过改变这些参数形成。

2 防侧翻控制策略

2.1 汽车稳定性控制总体结构

利用Matlab/Simulink建立控制仿真模型，其模型有很多子模块组成，这样，模型框图可读性较差，而软件的封装过程很好的解决了这个问题。本文依据汽车电子控制系统的工作过程和工作原理，建立ESP控制模块、ABS控制模块、制动系统模块及Carsim整车模型，避免汽车侧翻，整体闭环控制模型如图1所示。

ABS控制模块将左前轮、右前轮、左后轮、右后轮制动力传递给制动系统模块，通过制动系统模块计算，将各轮缸的制动压力输入给CarSim整车模型进行制动；而ABS的输入信号需要由整车模型和ESP工作模块输出给予，纵向车速、理想滑移率、各车轮角速度、ESP触发信号以及ESP各车轮制动信号都将由整车模型的计算进行输出。当车辆的滑移率达到某一门限时，ABS、ESP控制模块会进行识别是否起作用，由于本文考虑ESP对整车侧翻的影响，因此，将制动要求信号设置为零。

2.2 ESP防侧翻系统结构

PID控制依据系统产生的误差，利用比例、积分、微分对被控对象进行控制，通过调整三个参数来达到满意的效果。图2是PID控制系统的基本原理图，同时，表2给出了控制参数的整定大体原则。

表2 参数整定规则

研究对车辆侧倾的影响，于是选择对汽车侧倾影响较大的侧向加速度值作为输入。另外，为了更加准确的对车辆状态进行判断，又增加了横摆角速度进行输入。在车辆模型模块中输出侧向加速度和横摆角速度，利用差值对比模块进行差比，而后经过各自的增益模块，判断电子稳定系统的开启与关闭。如果达到开启的阀阈值，则进行逻辑控制判断，利用PID的控制方法对控制策略进行分析，输出对各个车轮的制动信号，控制汽车的运动姿态，达到稳定车辆的目的防止侧翻发生。图3是防侧翻控制策略的执行过程框图。

这里电子稳定系统的控制策略是为了研究对车辆侧倾的影响，于是选择对汽车侧倾影响较大的侧向加速度值做为输入，另外，为了更加准确的对车辆状态进行判断，又增加了横摆角速度进行输入。在车辆模型模块中输出侧向加速度和横摆角速度，利用差值对比模块进行差比，而后经过各自的增益模块，判断电子稳定系统的开启与关闭，如果达到开启的阀阈值，则进行逻辑控制判断，利用PID的控制方法对控制策略进行分析，输出对各个车轮的制动信号，控制汽车的运动姿态，达到稳定车辆的目的防止侧翻发生。图3是防侧翻控制策略的执行过程框图。

3 仿真结果及分析

3.1 CarSim与Matlab/Simulink联合仿真

CarSim与Matlab/Simulink有着很好的实时统兼容特性，对于车辆电控系统的动力学分析特别适合，。利用CarSim软件建立实车模型，其中包括各个子系统的模型，更加符合实际车辆的行驶状态。采用Simulink建立电控系统的控制模块，其中ESP模块以上已经介绍，对于ABS模块，需要对车身、制动系统以及ESP控制系统的输出进行综合，最终输出对各个制动车轮的制动压力，以避免行驶车辆发生侧翻状况。CarSim与Simulink的联合控制策略模型如图4所示。

3.2 典型工况仿真分析

利用鱼钩试验对汽车高速瞬态转弯特性进行研究，汽车以80 km/h的速度沿直线行驶，到达稳定后，以720 deg/s速度旋转方向盘急速转弯，保持200 ms，而后以720 deg/s的速度向相反方向转动方向盘，保持3 s，最终方向盘慢慢复位。从图5能够看出各轮胎的垂直反作用力呈现“无穷”形状，同时垂直反力的最大值到达10.98 kN，最小值降为0.7 kN，载荷的最大转移率为83%。

从图6可以看出ESP对车辆横摆角速度稳定性的控制很好。图7中可以看出ESP在一定程度上对车辆的侧向加速度有所减小，并保持稳定。在图8，图9中能够看出未加入ESP控制的车辆，在紧急转向状态下发生了车辆的侧翻；而对于加入ESP控制的汽车，其有效的减小了车辆的侧倾角速度和侧倾角度，同时，避免了车辆的侧翻。在Fishhook仿真工况下，电子稳定系统对横摆角速度和侧向加速度进行控制，有效的减小了车辆载荷转移率，使得汽车的抗侧翻能力有所增加；对于没有ESP控制的车辆，当汽车进行第一次紧急转向后，侧向加速度就显著提升，使得车辆无法稳定行驶，进入侧翻倾向状况，此时悬架侧倾运动已经达到极限位置，而转向持续进行，导致车辆的内侧车轮被举升而离开路面，汽车发生侧翻。

4 结语

本文利用CarSim完成了非线性整车动力学模型的建立，并与Matlab/Simulink进行联合仿真，通过防侧翻控制策略，对所建立的整车模型加以侧翻试验仿真，分析车辆的侧翻情况。经过仿真分析，此非线性模型能够很好的反应汽车的运动特性，为车辆研究人员提供便利平台，同时验证了防侧翻控制策略的有效性，对车辆的侧倾角度有所减小，提高了车辆抵抗侧翻的能力。另外，从整车厂的角度，可以减少大量的真实试验，且避免了侧翻危险信息的难以得到，节约了开发成本，对物理样车试验具有重要意义。

[1]Garrick J.Forkenbrock,NHTSA Bryan C.O’Harra and Devin Elsasser,Transportation Research Center Inc.An Experimental Evaluation of 26 Light Vehicles Using Test Manueuversthat May Induce On-Road,Untripped Roll-over and a Discussion of NHTSA’s Refined Test Procedures[R].DOT HS 809 547 October 2003.

[2]Lu J,Messih D,Salib A.An Enhancement to an ElectronIcStability Control System to Include a Rollover controlFunc-tion[J].SAE,2007(1): 809-813.

[3]麦莉,宗长富,高越,等.重型半挂车侧倾稳定性仿真与分析[J].吉林大学学报:工学版,2008, 38(增2):5-10.

[4]金智林,翁建生,胡海岩.汽车侧翻预警及防侧翻控制[J].动力学与控制学报,2007,5(4):365-369.

[5]Pacejka H B,BESSELINK IJM.Magicformulatiremodel with transientproperties[J].Vehicle System Dynamics,1997,27:234-249.

专家推荐

陈 赣：

该文利用商用软件对某款汽车的一个特定试验工况进行了仿真计算，并在计算中与Matlab联合，加入了ESP控制策略。论文中给出的计算结果基本符合ESP控制策略对汽车行驶中可能产生侧翻时的控制效果。

汽车电子控制是当前汽车技术各领域中发展较快的一个领域。国外供应商对许多控制器采取了垄断供应的做法，不仅增加了自主品牌乘用车的生产成本，也在很大程度上阻碍着国内自主品牌乘用车公司对相关技术的掌握。论文作者对ESP控制的控制策略的探讨，对我们自主开发相关控制器具有积极意义。

ESP控制器属于车控电子控制器，在产业化的过程中，不仅仅需要掌握基本控制策略，更需要对汽车行驶中可能出现的各种工况提供相应的控制动作。本文在这一个方面没有进行阐述，而这方面正是国内自主开发车控电子装置所缺乏的。

ResearchofAnti-rollover MethodbasedonVehicleDynamicControl

ZHANGDong-min,LIU H ong-l iang,Z HAO Y ong-po,ZHANGKai
(R&D Center of Great Wall Motor Company, Automotive Engineering Technical Center of , Baoding 071000, China)

This paper initially explores to indexes in the characterization of vehicle rollover based on 49CFR Part 575 regulation, establishes high mass character model of SUV by using car sim software, defines sub system modules of the body, brake, steer, tire and suspension, builds the nonlinear dynamic model, and established vehicle rollover preventing strategy combine to vehicle dynamic control system.At the same time, this paper makes use of co-simulation car sim and Matlab/Simulink to simulate SUV’s operational aspection in the Fishhook to validate the action effective of antirollover.The result indicates that anti-rollover strategy effectively reduces lateral acceleration, increases the vehicle’s anti-rollover capacity, and effectively guarantees the stability and safety of the vehicle .These references are provided to the prototype testing.

dynamic simulation; rollover; automobile electronic stability program; control method

U463.61

A

1005-255（02014）05-0022-05

10.3969/j.issn.1005-2550.2014.05.005

2014-03-20