汽車電子穩(wěn)定程序(electronic stabilityprogram，簡(jiǎn)稱ESP)是近年來開發(fā)出來的一種先進(jìn)的汽車底盤控制系統(tǒng)。其功能是監(jiān)控汽車的行駛狀態(tài)，在車輛緊急躲避障礙物、轉(zhuǎn)彎等容易出現(xiàn)不穩(wěn)定狀況時(shí)，利用動(dòng)力系統(tǒng)干預(yù)及制動(dòng)系統(tǒng)干預(yù)，幫助車輛克服偏離理想軌跡的傾向，為車輛提供更好的安全性。在國(guó)際上，ESP已經(jīng)成為了高性能車輛的標(biāo)準(zhǔn)配置，而國(guó)內(nèi)的ESP研究還處于起步階段。
ESP的控制算法很多，有利用實(shí)際的車輛狀態(tài)，通過相平面法進(jìn)行判斷控制的；也有采用狀態(tài)差異法，即利用名義狀態(tài)與實(shí)際狀態(tài)的差異來進(jìn)行判斷控制的。但采用的控制參數(shù)不同，狀態(tài)差異法也不同。
本文基于車輛橫擺角速度的狀態(tài)差異法，設(shè)計(jì)了ESP的控制邏輯，并根據(jù)某型車的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，設(shè)計(jì)了適用于該車的ESP控制算法。
1 ESP控制算法設(shè)計(jì)
ESP從控制功能來看，包含了防抱死制動(dòng)系統(tǒng)(ABS)、驅(qū)動(dòng)力控制系統(tǒng)(TCS)，以及主動(dòng)橫擺力偶矩控制系統(tǒng)(AYC)。
整個(gè)控制邏輯分為兩個(gè)層次，即主副兩個(gè)循環(huán)。主循環(huán)控制車輛的橫擺角速度，實(shí)施直接橫擺控制(DYC)；副循環(huán)監(jiān)視車輪狀態(tài)，防止在控制過程中出現(xiàn)車輪抱死的情況。
1．1 主控制循環(huán)
主循環(huán)DYC控制在監(jiān)視橫擺角速度差值的過程中，一旦橫擺角速度差值大于某個(gè)正門限，則立即進(jìn)入ABS副循環(huán)，快速增壓左前輪，減壓右前輪。一旦這個(gè)正門限值消失，則立即減壓左前輪，恢復(fù)車輪的自由滾動(dòng)。同樣的，一旦橫擺角速度差值小于某個(gè)負(fù)門限值，則立即以ABS的方式增壓右前輪，減壓左前輪，一旦門限值消失，則快速減壓恢復(fù)車輪的自由滾動(dòng)。
橫擺角速度差值即名義橫擺角速度以及實(shí)際橫擺角速度的差。車輛橫擺角速度的實(shí)際值，可以利用裝在車上的橫擺角速度傳感器測(cè)得。而名義橫擺角速度，需要控制器根據(jù)車輛的動(dòng)力學(xué)參數(shù)、車輛的狀態(tài)以及駕駛員的輸入進(jìn)行計(jì)算而得到。本文利用一個(gè)線性二自由度車輛模型進(jìn)行計(jì)算。
該車輛模型中。假定輪胎的側(cè)偏角與側(cè)向力的關(guān)系是線性的，同時(shí)不考慮地面切向力對(duì)輪胎側(cè)偏特性的影響，也不考慮空氣動(dòng)力的作用。將車輛簡(jiǎn)化為線性二自由度的模型，忽略轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的影響，直接以前輪轉(zhuǎn)角δ作為輸入；忽略懸架的作用，認(rèn)為車輛車廂只作平行于地面的平面運(yùn)動(dòng)；車輛沿x軸的前進(jìn)速度u視為不變，因此，車輛只有沿y軸的側(cè)向運(yùn)動(dòng)和繞z軸的橫擺運(yùn)動(dòng)兩個(gè)自由度。
二自由度車輛運(yùn)動(dòng)微分方程式如下：
將這樣一個(gè)線性二自由度汽車等速行駛時(shí)，前輪角階躍輸入下得到的穩(wěn)態(tài)橫擺角速度作為名義橫擺角速度：
1．2 副控制循環(huán)
副循環(huán)在ABS控制的基礎(chǔ)上進(jìn)行輪速控制?？刂七壿嫹?個(gè)主要階段：首次增減壓階段、高附循環(huán)階段及低附循環(huán)階段。控制過程從首次增減壓階段開始，進(jìn)行相應(yīng)的增減壓調(diào)節(jié)。在調(diào)節(jié)過程中，先進(jìn)行路面識(shí)別。如果識(shí)別出是高附路面，則進(jìn)行相應(yīng)的高附路面的車輪制動(dòng)力調(diào)節(jié)；如果識(shí)別出是低附路面，則進(jìn)入相應(yīng)的低附路面車輪制動(dòng)力調(diào)節(jié)。同時(shí)，路面識(shí)別的結(jié)果也輸出到主控制循環(huán)，為主循環(huán)DYC提供路面信息，決定主循環(huán)DYC各控制門限值。
2 用于ESP設(shè)計(jì)的硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)臺(tái)
為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的。ESP控制邏輯的有效性，通過MATLAB／Simulink／xPC實(shí)時(shí)仿真工具，建立了如圖3所示的硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)臺(tái)。
圖3中，宿主機(jī)中建立ESP算法控制模型，利用嵌入式目標(biāo)Embedded Target for Infineon C166Microcontrollers進(jìn)行ESP控制算法的自動(dòng)代碼生成，然后自動(dòng)調(diào)用Infineon MiniMon工具通過RS232串行電纜將生成的代碼下載進(jìn)基于InfineonCl66微處理器的控制ECU中。
宿主機(jī)內(nèi)利用Simulink建立了15自由度的整車模型，利用xPC工具通過TCP／IP將模型下載入目標(biāo)機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)行。實(shí)時(shí)運(yùn)行的模型采集制動(dòng)壓力信號(hào)，計(jì)算出當(dāng)前的車速、橫擺角速度、前輪輪速，連同模型中設(shè)定的方向盤轉(zhuǎn)角一并傳遞給ECU。ECU根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)判斷車輛的穩(wěn)定情況，一旦檢測(cè)到失穩(wěn)傾向，就立刻控制HCU電磁閥及主動(dòng)壓力源電磁閥進(jìn)行增減壓操作。新的壓力信號(hào)又反饋給目標(biāo)機(jī)，目標(biāo)機(jī)根據(jù)新的制動(dòng)壓力信號(hào)計(jì)算下一個(gè)步長(zhǎng)的車輛狀態(tài)，形成一個(gè)閉環(huán)。
仿真試驗(yàn)過程中，ESP對(duì)車輛的控制效果通過一個(gè)三維場(chǎng)景實(shí)時(shí)顯示，相應(yīng)的控制參數(shù)也可通過圖表離線分析。采用這種分析方式，可以得到較精確的ESP控制參數(shù)值，從而大幅度節(jié)省后期道路試驗(yàn)的費(fèi)用。
3 ESP控制算法的驗(yàn)證
基于制動(dòng)器的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了安裝ESP車輛移線操作的純數(shù)字仿真。仿真結(jié)果能夠證明ESP的調(diào)節(jié)作用。但由于目前制動(dòng)器模型不能準(zhǔn)確描述制動(dòng)力作用過程中的非線性因素，因此采用硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)?zāi)軌虻玫浇咏缆吩囼?yàn)的結(jié)果。
Fishhook試驗(yàn)方法是驗(yàn)證ESP控制效果的有效方式之一，其試驗(yàn)操作如圖4所示。當(dāng)汽車達(dá)到需要的速度之后，駕駛員將方向盤向一個(gè)方向急速轉(zhuǎn)向270°，然后將汽車向相反方向急速回轉(zhuǎn)540°。
初始仿真條件為，車輛初速100 km／h，路面附著系數(shù)O．5。圖5所示是未加ESP控制時(shí)的Fishhook試驗(yàn)結(jié)果。仿真結(jié)果分別列出了車速及輪速、名義橫擺及實(shí)際橫擺角速度、車輛軌跡曲線。
從仿真結(jié)果可以看出，沒有施加ESP控制之前，橫擺角速度的名義值與實(shí)際值之間出現(xiàn)了很大的偏差，而且表征車輛橫向穩(wěn)定性狀態(tài)的車輛質(zhì)心側(cè)偏角一度出現(xiàn)大于1 rad時(shí)，車輛明顯失穩(wěn)。從車輛的軌跡上也可以看出，車輛橫向偏移大，已偏出實(shí)際跑道。而施加了ESP控制之后，從制動(dòng)力矩曲線可以看出，控制系統(tǒng)對(duì)車輛進(jìn)行了必要的制動(dòng)力干預(yù)，使得車輛的實(shí)際橫擺角速度與名義橫擺角速度保持在允許的范圍之內(nèi)。車輛的質(zhì)心側(cè)偏角也控制在了正常范圍以內(nèi)，保證車輛的穩(wěn)定性。制動(dòng)施加過程中，車輪也沒有出現(xiàn)抱死的情況，說明控制算法中ABS制動(dòng)小循環(huán)發(fā)揮了作用。從車輛的軌跡曲線來看，車輛能夠完成正常的Fishhook動(dòng)作。
4 結(jié) 論
本文設(shè)計(jì)了包含主副兩個(gè)控制循環(huán)的ESP控制算法。主循環(huán)控制橫擺實(shí)施DYC，副循環(huán)控制車輪轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)施ABS。主控制循環(huán)中的控制參數(shù)為車輛的狀態(tài)差異值。其狀態(tài)差異由實(shí)測(cè)車輛的橫擺角速度與由一個(gè)2自由度車輛模型計(jì)算得到的車輛橫擺角速度相比較而獲得。采用自行研制的硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)，針對(duì)ESP性能測(cè)試專用Fishhook測(cè)試模式，對(duì)所設(shè)計(jì)的ESP控制算法進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)ESP算法的有效性和實(shí)時(shí)適應(yīng)性。
（轉(zhuǎn)載）
