考虑侧风影响下的汽车稳定性控制研究

陶欣怡 杨 军* 蒋怿霏 颜晨龙 杨 艺

（江苏理工学院汽车与交通工程学院，江苏 常州 213000）

随着人们行驶车速的普遍提高，由于各种因素而引发的车辆失稳甚至严重事故也越来越多，除去高速上驾驶员自身操作问题，外部侧风对高速行驶的车辆影响十分巨大，风力不仅影响车辆的动力性，同时较大的侧向风会影响车辆的操纵稳定性，在高速行驶过程中驾驶员难以及时捕捉侧风的影响同时做出正确的操作反应，极有可能导致车辆失控，引发严重的交通事故[1-2]。为了应对驾驶员在对侧风等外部环境影响下的操纵欠缺性，通过设计驾驶辅助系统感知外部环境和车辆本身的运行工况变化来实时对车辆操纵和安全方面做出自主控制越来越成为降低交通事故频率，减轻交通事故伤害的关键途径[3-4]。

1 整车动力学建模

考虑建立包含纵向、横向、横摆以及侧倾方向的车辆动力学模型[5]，轮胎模型采用魔术轮胎模型[6]。

2 侧风对车辆的影响分析

2.1 直线工况下的侧风干扰仿真

车辆在高速行驶的工况主要是直线高速行驶工况，因此设置路面系数为0.8，车辆分别以100km/h、110km/h、120km/h、130km/h 的车速直线行驶，在1.5s 开始给车辆施加速度最大为10m/s 的侧风干扰，在2.5s 时风速达到最大后保持不变，不同车速下的仿真结果如图1 所示。

图1 直线工况下的侧风干扰仿真

从图1 的仿真结果可以看出，在直线行驶工况下，车辆在1.5s 时刻的状态量发生改变，与1.5s 产生侧风的输入状态符合，车辆开始在侧风的作用下偏离，同时横摆角速度和质心侧偏角逐渐增大，稳定性变差；对比不同车速可以得出，质心侧偏角和横摆角速度随着车速的增大而增大，车辆偏离距离也逐渐增大。

2.2 换道工况下的侧风干扰仿真

车辆在高速工况行驶时不可避免会进行小幅度转向换道，此种状态下的车辆受到强横风的影响更大，因此模拟驾驶员换道时刻的转向输入，在0～3 内给予模型由正到负的正弦转向输入，同时一直受到风速为10m/s的正弦侧风干扰，不同车速下的仿真结果如图2 所示。

图2 换道工况下的侧风干扰仿真

从图2 的仿真结果可以看出，车辆在5s 内完成了换道行驶，在相同风速影响下，随着车速的不断增大，车辆的质心侧偏角明显增大，横摆角速度略有增大，侧偏位移明显增大，因此在换道工况下车辆偏离路线，失稳的危险性最大。通过上述两种典型高速行驶的工况仿真可以看出，本文所建立的侧风- 车辆耦合模型能够准确地反映车辆在侧风干扰下的行驶状态，分析得到干扰工况下的车辆行驶状态变化规律，为下文稳定性控制的设计奠定了基础。

3 基于AFS 的车辆稳定性控制器设计

3.1 AFS 稳定性控制框架

在车辆高速行驶或其他非典型工况下，仅由驾驶员和EPS 转向系统无法实现最优的转向控制，而主动前轮转向控制系统根据车辆实时行驶中反馈的状态量以及控制策略求解出辅助转向角，将此辅助转向角施加在前轮转角上，使得车辆转向更加贴近驾驶员意图以及当前的行驶工况，从而提高车辆在非典型工况下的稳定性。本文采用简化后的线性二自由度车辆模型来作为表征车辆理想的质心侧偏角和横摆角速度。

3.2 基于GA-PID 的AFS 控制器设计

本文采用PID 算法设计AFS 控制器，为了提高控制器鲁棒性，利用遗传算法对六个因数进行迭代优化，根据本文控制器要求，选取的适应度函数为：

4 仿真平台搭建

为了验证所设计的主动转向控制器的控制效果，本节利用Matlab/Simulink 仿真软件对设计的模型和控制器进行搭建，对不同行驶工况进行仿真验证。

4.1 高速直线行驶工况仿真

假设风压中心与车辆的质心重合，直线工况下前轮输入转角δd=0，车速设定为100km/h，风向为单向变化侧风，初始风速为0m/s，0.5 内增大至10m/s，3s 后风速降为0m/s，仿真结果如图3 所示。

图3 直线行驶工况不同控制器效果

从图3 中可以看出，相比于无控制和普通PID 控制，经过遗传算法优化后的PID 控制器效果更为明显，车辆稳定性趋于更好。

4.2 车辆高速换道行驶工况验证

为了验证控制器在换道情景下的控制效果，设定车辆以100km/h 的速度进行换道行驶，在0-2s 内施加正向转角输入，在2-4s 内施加反向转角输入模拟驾驶员换道过程，仿真结果如图4 所示。

图4 换道行驶工况不同控制器效果

由图4 可以看出，在侧向位移方面，当未施加控制时，车辆受侧风影响偏移距离较大，质心侧偏角和横摆角速度的幅值也较大，而采用AFS 控制后，明显降低了车辆换道时的偏移，同时提升了车辆的稳定性。

5 结论

本文针对侧风干扰下的高速车辆稳定性控制问题，所获得的研究成果如下：

5.1 建立考虑侧风影响的非线性整车动力学模型考虑侧风对车辆稳定性的影响，建立侧风干扰模型，通过仿真分析，得到侧风对车辆稳定性的影响。

5.2 依据侧风对整车模型的分析影响，以车辆质心侧偏角和横摆角速度为控制目标，设计侧风干扰条件下的主动转向控制策略。利用Matlab/Simulink 软件搭建侧风稳定性控制系统，进行多种工况的侧风仿真分析，验证了所设计控制策略的有效性。