基于狀態(tài)識別的汽車底盤控制研究

基于狀態(tài)識別的汽車底盤控制研究

0車輛運(yùn)行狀況協(xié)調(diào)控制車輛運(yùn)營基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制是車輛工程領(lǐng)域的研究重點(diǎn)之一。協(xié)調(diào)控制的主要思想是通過控制總線,使底盤中的轉(zhuǎn)向、懸架、制動等控制子系統(tǒng)通過電子技術(shù)相互連接,并由協(xié)調(diào)控制器對車輛的運(yùn)行狀況進(jìn)行協(xié)調(diào),以使車輛的行駛性能達(dá)到最佳。國內(nèi)外學(xué)者在協(xié)調(diào)控制方面進(jìn)行了較多研究。這些文獻(xiàn)中的研究大致分為兩類:一類是將多個系統(tǒng)集成到一個控制器上,通過分析車輛運(yùn)行的狀況來確定整個系統(tǒng)的控制參數(shù),以使得車輛總體性能達(dá)到最佳采用狀態(tài)識別的控制方法有以下優(yōu)點(diǎn):首先,各子控制器相對獨(dú)立,互不干涉,即使在實(shí)際車輛運(yùn)行中,單個子系統(tǒng)受到損壞,也不會導(dǎo)致其他系統(tǒng)失效;其次,上/下層控制器運(yùn)用CAN信號發(fā)送/接受,能夠?qū)崿F(xiàn)控制器資源共享,節(jié)省系統(tǒng)運(yùn)行時間,提高運(yùn)算效率和精度。1車輛模型1.1懸架側(cè)傾、橫擺模型懸架質(zhì)量運(yùn)動的模型考慮7自由度,如圖1所示。以過懸架質(zhì)量質(zhì)心垂直于地面的方向?yàn)閦軸,車輛前進(jìn)方向?yàn)閤軸,以垂直于x軸和z軸且過質(zhì)心的直線為y軸,考慮側(cè)傾、俯仰、橫擺以及垂向運(yùn)動相互的影響可建立以下運(yùn)動方程。懸架側(cè)傾運(yùn)動方程為mH——懸架質(zhì)量質(zhì)心到側(cè)傾軸的垂直高度Lω——整車橫擺角速度Mu——汽車縱向運(yùn)動速度v——汽車側(cè)向運(yùn)動速度d——1/2輪距θ——俯仰角φ——側(cè)傾角懸架垂直運(yùn)動模型式中Fzkkz當(dāng)俯仰角θ、側(cè)傾角φ在小范圍內(nèi),近似有式中,a為質(zhì)心到前輪的距離。懸架的俯仰運(yùn)動方程為Mb——質(zhì)心到后輪的距離1.2焦慮坡度和可建立模型在建模和仿真計(jì)算時,對模型進(jìn)行簡化,不考慮坡度阻力和迎風(fēng)阻力,考慮側(cè)向、縱向及橫擺運(yùn)動3自由度,建立如圖2所示模型。其中,輪胎和地面的相互作用力可分解為縱向力F式中F1.3車輪工況制動模型由于底盤三個系統(tǒng)有復(fù)雜的運(yùn)動狀況,所以在建立制動系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型時,要充分考慮到車輛的縱向加速度、側(cè)向加速度的變化對車輛載荷的影響。垂直載荷發(fā)生變化會導(dǎo)致各車輪的側(cè)向力和縱向力都發(fā)生變化。所以考慮轉(zhuǎn)向時的整車制動模型為式中,各車輪側(cè)向力和縱向力可由第1.4節(jié)輪胎模型求出,各符號的意義可參考圖2。制動力矩的數(shù)學(xué)模型為式中FAη——分泵效率BR——車輪制動鼓半徑式中I考慮載荷的轉(zhuǎn)移和各向心力的作用,可得到車輪垂直載荷的計(jì)算公式為式中RL——軸距在這里以輪1為例,定義mūh1.4車輪模型和路面模型本文采用比較成熟的PACEJKA非線性輪胎聯(lián)合工況模型,在此不作贅述,詳見文獻(xiàn)[7]。路面模型采用最常用的濾波白噪聲模型2懸架系統(tǒng)的縱向剛度三個系統(tǒng)運(yùn)動之間存在著相互干擾、相互制約,上述數(shù)學(xué)模型可通過圖3轉(zhuǎn)向、制動系統(tǒng)運(yùn)動對懸架系統(tǒng)性能的影響如下所述。當(dāng)汽車轉(zhuǎn)向(或制動)時,由式(1)、(5)可以看出,由于側(cè)傾(或俯仰)力矩對懸架質(zhì)量會產(chǎn)生側(cè)傾(或俯仰)角加速度,影響整車的乘坐舒適性;當(dāng)轉(zhuǎn)向和制動同時進(jìn)行時,又存在著俯仰、側(cè)傾和車身垂直加速度的耦合,對乘坐舒適性產(chǎn)生更大的影響。轉(zhuǎn)向、懸架系統(tǒng)運(yùn)動對制動系統(tǒng)性能的影響如下所述。當(dāng)汽車處于轉(zhuǎn)向工況時,由于前輪轉(zhuǎn)角的變化會導(dǎo)致側(cè)向力的變化同時形成整車的側(cè)向運(yùn)動(產(chǎn)生側(cè)向加速度),從而導(dǎo)致輪胎載荷中側(cè)向慣性力的變化(式(8)、(13)~(16)),如果實(shí)際工況考慮到對開路面,那么載荷的變化又會影響縱向力的變化,導(dǎo)致制動距離發(fā)生變化;當(dāng)轉(zhuǎn)向制動時,懸架運(yùn)動的縱向慣性力也會導(dǎo)致前后輪載荷的變化,前后輪的縱向力也會發(fā)生變化;另外,當(dāng)輪胎工作于飽和狀態(tài)時,側(cè)向力的增加也會導(dǎo)致縱向力的減小,從而導(dǎo)致制動距離的增加,降低了汽車的安全性。制動、懸架系統(tǒng)運(yùn)動對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能的影響:當(dāng)汽車處于轉(zhuǎn)向制動時,由制動時懸架質(zhì)量慣性產(chǎn)生的縱向加速度和轉(zhuǎn)向時產(chǎn)生的側(cè)向加速度均會導(dǎo)致縱向慣性力和側(cè)向慣性力的變化,從而導(dǎo)致車輪垂直載荷的變化(式(7)、(8)和式(13)~(16)),從而輪胎的側(cè)向力也發(fā)生變化,最終會使車身的橫擺角速度發(fā)生變化,降低了汽車的穩(wěn)定性和安全性。3動態(tài)狀態(tài)識別流程基于狀態(tài)識別的協(xié)調(diào)控制器(圖4),其思想是在上層設(shè)計(jì)一個用于車輛運(yùn)動狀態(tài)識別的協(xié)調(diào)器(以下稱上層協(xié)調(diào)器),根據(jù)車輛各個運(yùn)動狀態(tài)及運(yùn)動關(guān)系,可總結(jié)出如下的狀態(tài)識別流程:首先根據(jù)前輪轉(zhuǎn)角、實(shí)際車速和橫擺角速度計(jì)算等可以確定車輛是否處于失穩(wěn)狀態(tài),如果失穩(wěn),則啟用直接橫擺力矩控制。此外當(dāng)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角小于某一門限值時,認(rèn)為車輛是直線行駛。另外,根據(jù)車速、制動踏板以及車輪轉(zhuǎn)角信息,可以判斷車輛的側(cè)傾和俯仰是否需要控制。上層協(xié)調(diào)器根據(jù)車輛傳感器獲得的信息,進(jìn)行分析判斷后,實(shí)時確定各控制器控制參數(shù)或控制目標(biāo),使車輛的運(yùn)行工況達(dá)到最佳。3.1pid系數(shù)調(diào)節(jié)方法懸架子系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì):由于采用經(jīng)典控制方法或集中控制是非常困難的,且難以獲得很好的效果。本文采用參數(shù)調(diào)整的PID算法來實(shí)現(xiàn)對四個懸架控制器權(quán)重的分配。假設(shè)k時刻控制器的輸出為u(k),該時刻采集到的加速度為研究中主要以系統(tǒng)的響應(yīng)速度為主,對比例系數(shù)做了較細(xì)致的調(diào)節(jié),積分和微分系數(shù)在系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差和動態(tài)誤差較大時才加以調(diào)節(jié)。當(dāng)車輛勻速行駛時,控制器按普通PID控制進(jìn)行,即PID控制參數(shù)固定不變。當(dāng)車輛轉(zhuǎn)向或者制動時出現(xiàn)側(cè)傾和俯仰,各PID系數(shù)的調(diào)節(jié)方法如下:上層協(xié)調(diào)器中有兩個關(guān)于懸架比例系數(shù)調(diào)節(jié)的規(guī)則表。其中,一個規(guī)則表調(diào)整側(cè)傾比例因子,其輸入為直接橫擺力矩控制器的設(shè)計(jì):采用基于比例切換函數(shù)的滑模變結(jié)構(gòu)控制策略,當(dāng)車輛由于轉(zhuǎn)向或制動等緊急情況造成失穩(wěn)時,對車輛的橫擺力矩直接控制。在轉(zhuǎn)向過程中,由傳感器直接或間接獲得車輛運(yùn)動狀態(tài)參數(shù)(縱向速度、前輪轉(zhuǎn)角、橫擺角速度和橫擺角加速度等),通過施加附加的橫擺力矩?M來實(shí)現(xiàn)對車輛橫擺角速度的調(diào)整,使其逼近理想目標(biāo)狀態(tài)。轉(zhuǎn)向過程中?M的調(diào)整可通過對不同車輪分別施加制動來實(shí)現(xiàn)橫擺角速度及橫擺角加速度的實(shí)時值為ω、式中Kμ——附著系數(shù)系統(tǒng)的角速度誤差和角加速度誤差為切換函數(shù)根據(jù)比例切換控制方法,控制率式中,c、α、β為大于零的常數(shù)。經(jīng)反復(fù)調(diào)試,c=0.6、α=0.12、β=0.05,控制系統(tǒng)能夠取得較好效果,且不會出現(xiàn)振抖。制動子系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì):制動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用變滑移率的邏輯門限值控制算法,具體的方法如下:在制動過程中,傳感器采集一些車輛運(yùn)動狀態(tài)參數(shù),求解出車輛滑移率,并與上層協(xié)調(diào)器傳過來的目標(biāo)滑移率進(jìn)行比較。當(dāng)誤差大于零時,回油管路打開,制動器減壓,制動力矩減小,使實(shí)際滑移率接近目標(biāo)滑移率。誤差小于零時同理。這種控制方式,可使滑移率保持在目標(biāo)滑移率附近,提高系統(tǒng)的制動性能。3.2各控制規(guī)則的對比車輛的運(yùn)行狀態(tài)可分為四種:正常情況下勻速行駛,緊急制動,階躍轉(zhuǎn)向以及轉(zhuǎn)向制動。傳感器獲得的整車縱向速度u,側(cè)向速度v,縱向加速度u,側(cè)向加速度v,俯仰角速度θ,側(cè)傾角速度?,方向盤轉(zhuǎn)角(用以計(jì)算前輪轉(zhuǎn)角)等信號經(jīng)過處理后送入?yún)f(xié)調(diào)器,協(xié)調(diào)器經(jīng)過分析計(jì)算能夠準(zhǔn)確判斷車輛處于何種運(yùn)動狀態(tài)。針對這四種運(yùn)動狀態(tài)以及上述三個系統(tǒng)之間運(yùn)動的聯(lián)系和影響分析,上層協(xié)調(diào)器設(shè)計(jì)以下控制規(guī)則。規(guī)則1:如果v=0,并且u=0,則車輛處于勻速行駛工況,懸架系統(tǒng)控制器按照普通的PID控制,即P、I、D控制參數(shù)不變。規(guī)則2:如果u<0,并且v=0,則車輛處于緊急制動狀況,制動控制系統(tǒng)按照定滑移率的目標(biāo)工作;直接橫擺力矩控制系統(tǒng)不工作;懸架系統(tǒng)由于出現(xiàn)俯仰運(yùn)動,則需要通過上層協(xié)調(diào)器向懸架控制器輸出信息,調(diào)整前后懸架控制器的權(quán)重,具體的調(diào)整策略如下(規(guī)定繞車身y軸轉(zhuǎn)動逆時針方向?yàn)檎?。上述規(guī)則中,α規(guī)則3:如果u=0,并且v>0,則表明車輛處于勻速行駛突然階躍轉(zhuǎn)向工況,制動系統(tǒng)不工作;直接橫擺力矩控制子系統(tǒng)根據(jù)上層協(xié)調(diào)器提供的目標(biāo)橫擺角速度和實(shí)際橫擺角速度的誤差,分別對相對應(yīng)車輪實(shí)施直接橫擺力矩控制,使橫擺角速度逼近目標(biāo)值;懸架系統(tǒng)由于出現(xiàn)側(cè)傾運(yùn)動,上層協(xié)調(diào)器根據(jù)側(cè)傾的大小向下層的懸架控制器輸出信息,調(diào)整左右懸架控制器的權(quán)重。具體調(diào)整策略為(規(guī)定繞車身x軸轉(zhuǎn)動逆時針方向?yàn)檎?。各參數(shù)的實(shí)時值按表2所示變化。規(guī)則4:如果u<0,并且v>0,則車輛處于轉(zhuǎn)向制動工況,轉(zhuǎn)向、懸架和制動控制器均按照協(xié)調(diào)控制策略工作,具體方法如下。制動系統(tǒng)按照協(xié)調(diào)控制策略工作,上層協(xié)調(diào)器根據(jù)制動初速度、側(cè)向加速度、縱向加速度的變化,向制動控制系統(tǒng)發(fā)出指令,實(shí)時調(diào)整各車輪期望滑移率λ式中,v直接橫擺力矩控制器也由上層協(xié)調(diào)器獲得車輪轉(zhuǎn)角信號及實(shí)時車速信號,確定車輛處于失穩(wěn)狀態(tài)后,再由式(18)計(jì)算目標(biāo)橫擺角速度,然后經(jīng)第3.1節(jié)中的控制方法分別對相應(yīng)車輪施加制動采用直接橫擺力矩控制。上層協(xié)調(diào)器對懸架系統(tǒng)的控制中,由于出現(xiàn)側(cè)傾和俯仰的耦合,這里需要定義一個控制因子ε和一個優(yōu)先級,當(dāng)式中,K如果4模擬和測試4.1滑模變結(jié)構(gòu)控制下車輪橫擺角速度根據(jù)上述方法,在Matlab中進(jìn)行了仿真計(jì)算,仿真參數(shù)見表3。仿真工況采用4種:車輛分別以60km/h的速度勻速行駛,緊急制動,階躍轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)向制動。由于篇幅有限,取具有代表性的幾個圖。從圖6、7可以看出,采用滑模變結(jié)構(gòu)控制后車身橫擺角速度明顯比較平穩(wěn)。由于上層協(xié)調(diào)器對PID控制的實(shí)時調(diào)整,車身側(cè)傾角加速度分別比被動懸架和普通PID控制降低了17.6%和10.6%(各方均根值分別為0.0220rad/s(4)控制器的優(yōu)化綜上,根據(jù)部分時域分析圖可以看出,狀態(tài)識別協(xié)調(diào)控制算法,采用上層協(xié)調(diào)器分別調(diào)整各子控制器的控制參數(shù)或?qū)崟r跟蹤目標(biāo),較好地改善了整車的各項(xiàng)性能。4.2溫度控制系統(tǒng)硬件系統(tǒng)為驗(yàn)證控制策略的有效性,在仿真試驗(yàn)和硬件在環(huán)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,進(jìn)行了基于ARM處理器的實(shí)車試驗(yàn)。懸架系統(tǒng)采用自行研制可調(diào)阻尼的磁流變減振器,制動控制系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向操縱穩(wěn)定性的控制系統(tǒng)采用改裝后的ABS控制系統(tǒng),三個控制器的算法通過ARM來實(shí)現(xiàn)。裝有LABVIEW操作系統(tǒng)的PC機(jī)用于數(shù)據(jù)采集信號的處理:整車加速度、車速、輪速、橫擺角速度和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角等傳感器的信息經(jīng)過處理后發(fā)送到下層各個單獨(dú)控制器中,而側(cè)傾、俯仰、側(cè)向加速度和縱向加速度等傳感器信號經(jīng)過處理后輸入到上層協(xié)調(diào)器中。上下層的共用信號可以相互通過CAN總線發(fā)送/接收。軟硬件系統(tǒng):試驗(yàn)前,將上述控制算法軟件經(jīng)編寫后直接下載到ARM微處理器中。硬件系統(tǒng)主要包含電流源,磁流變減振器,各控制器的硬件電路以及改裝后的制動系統(tǒng)。試驗(yàn)的原車是帶有ABS的某微型轎車,將ABS的執(zhí)行機(jī)構(gòu)換成可對單輪進(jìn)行制動的液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu),其他機(jī)構(gòu)不變。試驗(yàn)方法與條件:整車試驗(yàn)工況分為四種,分別根據(jù)國標(biāo)中對行駛平順性、整車制動性和操縱穩(wěn)定性的要求,在某B級路面上進(jìn)行了以下幾種工況下的試驗(yàn):車輛分別以60km/h勻速行駛,緊急制動,階躍轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)向制動。試驗(yàn)結(jié)果表明,在勻速行駛工況下,車身垂直加速度方均根值能夠由1.02m/s5實(shí)車試驗(yàn)的設(shè)計(jì)本文采用狀態(tài)識別下的協(xié)調(diào)控制方法對汽車底盤系統(tǒng)進(jìn)行了整車系統(tǒng)的建模、仿真與試驗(yàn)。針對復(fù)雜的汽車底盤系統(tǒng),分析找出三個系統(tǒng)之間的聯(lián)系,并對不同工況下車輛運(yùn)動信息進(jìn)行控制分類,同時做大量的仿真對各控制參數(shù)進(jìn)行調(diào)試?；谡嚪抡娼Y(jié)果與控制器設(shè)計(jì)的參數(shù),對整車三個系統(tǒng)的各控制器軟硬件做出設(shè)計(jì),進(jìn)行了狀態(tài)識別下的汽車底盤系統(tǒng)實(shí)車試驗(yàn)。(1)基于狀態(tài)識別的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)在復(fù)雜工況下能夠有效地抑制車身的垂直振動、俯仰和側(cè)傾,極大地改善整車的平順性。(2)在車輛轉(zhuǎn)向或轉(zhuǎn)向制動時,直接橫擺力矩控制器能夠根據(jù)上層協(xié)調(diào)器的信息,較好地跟蹤車身的目標(biāo)橫擺角速度,提高整車的操縱穩(wěn)定性。(3)制動子系統(tǒng)控制器能夠根據(jù)上層協(xié)調(diào)器提供的實(shí)時目標(biāo)滑移率,使車輪及時得到最優(yōu)滑移率,縮短制動距離,提高了制動性能。式中FIz式中IFFm——整車質(zhì)量δiηB——助力器助力比Dp各車輪旋轉(zhuǎn)運(yùn)動方程為FRhk另外,K(1)半主動pid控制下pid結(jié)果對比行駛平順性的仿真采用普通的被動懸架和采用半主動PID控制下的結(jié)果進(jìn)行對比(圖5)。從圖5可以看出,車身垂直加速度值改善明顯,經(jīng)計(jì)算方均根值由0.927m/s(2)標(biāo)準(zhǔn)曲線和bmm的控制根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T6323.2—1994對操縱穩(wěn)定性中車身側(cè)偏的試驗(yàn)要求,在最高車速的70%時(仿真時采用60km/h),給轉(zhuǎn)向盤一個三角脈沖轉(zhuǎn)角輸入。得到控制前后整車操縱性和平順性如圖6、7所示。(3)種狀況下的血壓根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)QC/T582—1999對制動性的試驗(yàn)要求,仿真初速度以20m/s時在最大管路壓力下制動。圖8是分別采用常規(guī)制動,定滑移率制動和變滑移率制動下的整車制動距離對比,從圖8可以看出,采用變滑移率的門限值控制時的制動距離比常規(guī)制動和定滑移率制動條件下分別縮短了2.89m和1.75m(三種狀況下分別為22.8285m,21.6871m,19.9293m)。圖9是在變滑移率制動的條件下,懸架系統(tǒng)采用被動模式、普通PID和狀態(tài)識別協(xié)調(diào)控制下的車身俯仰角加速度時域圖,從圖9看出,采用狀態(tài)識別協(xié)調(diào)