汽車直接橫擺力矩控制策略概述目錄TOC\o"1-3"\h\u9730汽車直接橫擺力矩控制策略概述 1294851.1控制思路 3313331.2控制變量 4288691.2.1輪胎特性影響 584481.2.2橫擺角速度影響 6138811.2.3質(zhì)心側(cè)偏角影響 7在眾多操作穩(wěn)定性控制策略中，最早由博世公司（BOSCH）提出的基于橫擺運(yùn)動(dòng)控制的直接橫擺力矩控制策略（DirectYaw-momentControl，DYC）是目前較為成熟且與分布式驅(qū)動(dòng)車輛的驅(qū)動(dòng)布置優(yōu)勢(shì)匹配較為完善的控制策略，并且基于此種控制策略可以進(jìn)行更為具體的控制理論的研究與試驗(yàn)[40]。1.1控制思路橫擺穩(wěn)定控制屬于車輛操作穩(wěn)定性控制的一種，其即保證了車輛橫擺穩(wěn)定性也同時(shí)對(duì)行駛軌跡保持有著一定的輔助作用。車輛失穩(wěn)主要原因?yàn)轳{駛員緊急變道或者在附著情況不佳的路面上轉(zhuǎn)向等情況下輪胎無(wú)法提供滿足轉(zhuǎn)向的側(cè)向力而造成的。而直接橫擺力矩控制其目的為當(dāng)車輛在因路面附著狀況不佳或快速變道等情況失去操作穩(wěn)定性時(shí)，車輛無(wú)法按照駕駛員預(yù)期的轉(zhuǎn)彎路線行駛，在保證車輛操作穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上盡可能減小車輛實(shí)際行駛軌跡與預(yù)期行駛軌跡的偏差。而實(shí)現(xiàn)此目的是通過(guò)在各個(gè)車輪上分配不同的驅(qū)動(dòng)力或制動(dòng)力，產(chǎn)生一個(gè)附加橫擺力矩進(jìn)而提高車輛的操作穩(wěn)定性。分布式驅(qū)動(dòng)車輛的線控底盤使得各個(gè)車輪皆可獨(dú)立實(shí)時(shí)控制，此項(xiàng)特點(diǎn)讓直接橫擺力矩控制不局限于制動(dòng)力，同時(shí)可以對(duì)驅(qū)動(dòng)力加以控制，使得控制效果更加出色且便于實(shí)現(xiàn)。驅(qū)動(dòng)力控制系統(tǒng)作為整車級(jí)別的控制系統(tǒng)自然需要一個(gè)成熟可靠的硬件作為載體。而整車控制器作為車輛的核心零部件[41]，需要將駕駛員的操縱意圖通過(guò)油門踏板、轉(zhuǎn)向、制動(dòng)剎車等信號(hào)轉(zhuǎn)換后驅(qū)動(dòng)汽車工作實(shí)現(xiàn)駕駛意圖，并負(fù)責(zé)各個(gè)控制器的協(xié)調(diào)工作，監(jiān)控運(yùn)行狀況，進(jìn)行故障診斷和保護(hù)，為控制系統(tǒng)提供了良好的硬件基礎(chǔ)。所以整車控制器通常作為驅(qū)動(dòng)控制的硬件平臺(tái)[42-43]。目前典型整車控制器邏輯如圖1.1所示。圖1.1典型整車控制器邏輯Fig.1.1TypicalLogicofVehicleController為了實(shí)現(xiàn)控制策略，需要利用動(dòng)力學(xué)原理搭建理想動(dòng)力學(xué)模型，提供控制所需變量的目標(biāo)值，通常選取可以準(zhǔn)確反應(yīng)駕駛員意圖的理想二自由度模型；需要利用控制算法搭建控制器模型，通過(guò)控制器模型進(jìn)行控制。整體控制策略如圖1.2所示[44]。圖1.2直接橫擺力矩控制策略Fig.1.2DirectYaw-momentControlStrategy1.2控制變量通常我們將橫擺角和質(zhì)心側(cè)偏角之和定義為航向角，如圖1.3所示。其是汽車操縱穩(wěn)定性的綜合表征量，其計(jì)算公式如式(1.1)所示。其中有關(guān)不同坐標(biāo)系的介紹可以見(jiàn)下文。θ(1.1)式中θ為航向角，β為質(zhì)心側(cè)偏角，ψ為橫擺角，γ為橫擺角速度。圖1.3航向角Fig.1.3HeadingAngle當(dāng)質(zhì)心側(cè)偏角較小時(shí)，航向角主要取決于來(lái)自橫擺角速度積分的橫擺角，即取決于橫擺角速度，此時(shí)可以理解為車輛操作穩(wěn)定性主要由橫擺角速度來(lái)表征；但當(dāng)車輛在附著情況不佳的路面上轉(zhuǎn)向或緊急轉(zhuǎn)向等情況下輪胎無(wú)法提供滿足轉(zhuǎn)向的側(cè)向力導(dǎo)致車輛可能發(fā)生側(cè)滑，使得質(zhì)心側(cè)偏角迅速增加，以導(dǎo)致橫擺角速度對(duì)航向角的影響降低，不能再僅使用其作為車輛操作穩(wěn)定性的單一表征量。具體分析請(qǐng)見(jiàn)下文。因此選擇橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角兩個(gè)控制量可以更好的實(shí)現(xiàn)車輛操縱穩(wěn)定性的控制。二者的實(shí)際值在實(shí)車試驗(yàn)中一般通過(guò)傳感器獲得，在仿真試驗(yàn)中可由動(dòng)力學(xué)模型或CarSim軟件獲得。而目標(biāo)值一般通過(guò)線性的理想二自由度模型獲得。值得一提的是下文中控制變量對(duì)操控穩(wěn)定的影響也是基于理想二自由度模型下進(jìn)行定量與定性分析的。1.2.1輪胎特性影響車輛運(yùn)動(dòng)過(guò)程中只有四個(gè)輪胎是與路面直接相接觸的，其動(dòng)力學(xué)特性與車輛本身的操縱穩(wěn)定性之間有著緊密的關(guān)聯(lián)。關(guān)于輪胎的動(dòng)力學(xué)特性本文主要分析其側(cè)偏特性中側(cè)偏角與橫向（側(cè)偏）力的關(guān)系，其關(guān)系如圖1.4所示。圖1.4輪胎側(cè)偏特性Fig.1.4CharacteristicsofTireCornering通過(guò)圖像我們可以看到的側(cè)偏角在不超過(guò)5°的范圍內(nèi)時(shí)，橫向（側(cè)偏）力和側(cè)偏角呈現(xiàn)線性關(guān)系，即通常所稱的輪胎線性區(qū)，此時(shí)曲線在側(cè)偏角為0的斜率可以認(rèn)為為輪胎的側(cè)偏剛度。但當(dāng)側(cè)偏角大于5°后，二者的線性關(guān)系被打破，輪胎進(jìn)行到非線性區(qū)。盡管非線性區(qū)內(nèi)的計(jì)算可以通過(guò)高精度的輪胎模型來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是還是會(huì)造成精度的下降。因此在模型建立假設(shè)以及試驗(yàn)設(shè)計(jì)中盡量保證輪胎處于線性區(qū)，用以體現(xiàn)控制策略的效果。1.2.2橫擺角速度影響正如上文中提到，當(dāng)質(zhì)心側(cè)偏角處于較小值的時(shí)候，橫擺角速度可以表征操作穩(wěn)定性，即反應(yīng)車輛行駛軌跡和穩(wěn)定程度。橫擺角速度與縱向車速的關(guān)系如圖1.5所示[45]，其中虛實(shí)線分別為不同前輪轉(zhuǎn)角、不同附著條件下的二者關(guān)系。圖1.5橫擺角速度與縱向車速曲線Fig.1.5CurveofYawRateandLongitudinalSpeed從圖中可以看出任何一對(duì)轉(zhuǎn)角和附著情況下均有一個(gè)橫擺角速度的峰值，例如A點(diǎn)，其代表著前輪轉(zhuǎn)角8°和路面附著系數(shù)0.8的行駛狀態(tài)。在A點(diǎn)之前，橫擺角速度隨著縱向速度增加而沿著對(duì)應(yīng)實(shí)線增加；等到達(dá)A點(diǎn)后，由于路面附著條件的限制，橫擺角速度只能隨著縱向速度的增減而降低[46]。1.2.3質(zhì)心側(cè)偏角影響正如上文提到的，隨著質(zhì)心側(cè)偏角增大，單一的橫擺角速度無(wú)法全面反應(yīng)車輛操作穩(wěn)定性。過(guò)大質(zhì)心側(cè)偏角對(duì)車輛行駛軌跡的影響加大，此時(shí)用其反應(yīng)車輛的行駛軌跡問(wèn)題。（a）路面附著系數(shù)1（b）路面附著系數(shù)0.2圖1.6質(zhì)心側(cè)偏角與橫擺力矩曲線Fig.1.6CurveofSideSlipAngleandYawMoment（a）路面附著系數(shù)1（b）路面附著系數(shù)0.2圖1.7質(zhì)心側(cè)偏角與橫向力曲線Fig.1.7CurveofSideSlipAngleandLateralForce在不同前輪轉(zhuǎn)角和路面附著條件下，不同質(zhì)心側(cè)偏角對(duì)于橫擺力矩和橫向力有著不同的關(guān)系，這里給出初速度為100km/h時(shí)不同前輪轉(zhuǎn)角與路面附著條件下的質(zhì)心側(cè)偏角與橫擺力矩以及橫向力的關(guān)系曲線[45]，如圖1.6和1.7所示。從上圖可以看出質(zhì)心側(cè)偏角在較小的一個(gè)范圍內(nèi)，隨著轉(zhuǎn)角增加，橫擺力矩的增長(zhǎng)速度逐漸放緩，說(shuō)明輪胎逐漸進(jìn)入飽和狀態(tài)。隨著質(zhì)心側(cè)偏角的增大，橫擺力矩先增加至峰值后減小至0，同時(shí)橫向力不斷增加至到峰值，此時(shí)駕駛員通過(guò)操縱轉(zhuǎn)向盤已不能保持車輛穩(wěn)定行駛，已經(jīng)無(wú)法控制車輛。不同的路面附著條件會(huì)使得質(zhì)心側(cè)偏角曲線變化受到影響，當(dāng)路面附著系數(shù)降低時(shí)，橫擺力矩峰值增加且會(huì)以更快速度回歸0附近，橫向力峰值更小且會(huì)以更快速度到達(dá)峰值，即出現(xiàn)相同現(xiàn)象時(shí)所對(duì)應(yīng)的質(zhì)心側(cè)偏角會(huì)更小。說(shuō)明惡劣行駛環(huán)境下對(duì)于質(zhì)心