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車輛運行狀況協(xié)調控制車輛運營基礎的協(xié)調控制是車輛工程領域的研究重點之一。協(xié)調控制的主要思想是通過控制總線,使底盤中的轉向、懸架、制動等控制子系統(tǒng)通過電子技術相互連接,并由協(xié)調控制器對車輛的運行狀況進行協(xié)調,以使車輛的行駛性能達到最佳。國內外學者在協(xié)調控制方面進行了較多研究。這些文獻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,通過分析車輛運行的狀況來確定整個系統(tǒng)的控制參數,以使得車輛總體性能達到最佳采用狀態(tài)識別的控制方法有以下優(yōu)點:首先,各子控制器相對獨立,互不干涉,即使在實際車輛運行中,單個子系統(tǒng)受到損壞,也不會導致其他系統(tǒng)失效;其次,上/下層控制器運用CAN信號發(fā)送/接受,能夠實現控制器資源共享,節(jié)省系統(tǒng)運行時間,提高運算效率和精度。1車輛模型1.1懸架側傾、橫擺模型懸架質量運動的模型考慮7自由度,如圖1所示。以過懸架質量質心垂直于地面的方向為z軸,車輛前進方向為x軸,以垂直于x軸和z軸且過質心的直線為y軸,考慮側傾、俯仰、橫擺以及垂向運動相互的影響可建立以下運動方程。懸架側傾運動方程為mH——懸架質量質心到側傾軸的垂直高度Lω——整車橫擺角速度Mu——汽車縱向運動速度v——汽車側向運動速度d——1/2輪距θ——俯仰角φ——側傾角懸架垂直運動模型式中Fzkkz當俯仰角θ、側傾角φ在小范圍內,近似有式中,a為質心到前輪的距離。懸架的俯仰運動方程為Mb——質心到后輪的距離1.2焦慮坡度和可建立模型在建模和仿真計算時,對模型進行簡化,不考慮坡度阻力和迎風阻力,考慮側向、縱向及橫擺運動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)有復雜的運動狀況,所以在建立制動系統(tǒng)的數學模型時,要充分考慮到車輛的縱向加速度、側向加速度的變化對車輛載荷的影響。垂直載荷發(fā)生變化會導致各車輪的側向力和縱向力都發(fā)生變化。所以考慮轉向時的整車制動模型為式中,各車輪側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。制動力矩的數學模型為式中FAη——分泵效率BR——車輪制動鼓半徑式中I考慮載荷的轉移和各向心力的作用,可得到車輪垂直載荷的計算公式為式中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[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)運動之間存在著相互干擾、相互制約,上述數學模型可通過圖3轉向、制動系統(tǒng)運動對懸架系統(tǒng)性能的影響如下所述。當汽車轉向(或制動)時,由式(1)、(5)可以看出,由于側傾(或俯仰)力矩對懸架質量會產生側傾(或俯仰)角加速度,影響整車的乘坐舒適性;當轉向和制動同時進行時,又存在著俯仰、側傾和車身垂直加速度的耦合,對乘坐舒適性產生更大的影響。轉向、懸架系統(tǒng)運動對制動系統(tǒng)性能的影響如下所述。當汽車處于轉向工況時,由于前輪轉角的變化會導致側向力的變化同時形成整車的側向運動(產生側向加速度),從而導致輪胎載荷中側向慣性力的變化(式(8)、(13)~(16)),如果實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,導致制動距離發(fā)生變化;當轉向制動時,懸架運動的縱向慣性力也會導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,當輪胎工作于飽和狀態(tài)時,側向力的增加也會導致縱向力的減小,從而導致制動距離的增加,降低了汽車的安全性。制動、懸架系統(tǒng)運動對轉向系統(tǒng)性能的影響:當汽車處于轉向制動時,由制動時懸架質量慣性產生的縱向加速度和轉向時產生的側向加速度均會導致縱向慣性力和側向慣性力的變化,從而導致車輪垂直載荷的變化(式(7)、(8)和式(13)~(16)),從而輪胎的側向力也發(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)調控制器(圖4),其思想是在上層設計一個用于車輛運動狀態(tài)識別的協(xié)調器(以下稱上層協(xié)調器),根據車輛各個運動狀態(tài)及運動關系,可總結出如下的狀態(tài)識別流程:首先根據前輪轉角、實際車速和橫擺角速度計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。此外當轉向盤轉角小于某一門限值時,認為車輛是直線行駛。另外,根據車速、制動踏板以及車輪轉角信息,可以判斷車輛的側傾和俯仰是否需要控制。上層協(xié)調器根據車輛傳感器獲得的信息,進行分析判斷后,實時確定各控制器控制參數或控制目標,使車輛的運行工況達到最佳。3.1pid系數調節(jié)方法懸架子系統(tǒng)控制器的設計:由于采用經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。本文采用參數調整的PID算法來實現對四個懸架控制器權重的分配。假設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)的響應速度為主,對比例系數做了較細致的調節(jié),積分和微分系數在系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差和動態(tài)誤差較大時才加以調節(jié)。當車輛勻速行駛時,控制器按普通PID控制進行,即PID控制參數固定不變。當車輛轉向或者制動時出現側傾和俯仰,各PID系數的調節(jié)方法如下:上層協(xié)調器中有兩個關于懸架比例系數調節(jié)的規(guī)則表。其中,一個規(guī)則表調整側傾比例因子,其輸入為直接橫擺力矩控制器的設計:采用基于比例切換函數的滑模變結構控制策略,當車輛由于轉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。在轉向過程中,由傳感器直接或間接獲得車輛運動狀態(tài)參數(縱向速度、前輪轉角、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來實現對車輛橫擺角速度的調整,使其逼近理想目標狀態(tài)。轉向過程中?M的調整可通過對不同車輪分別施加制動來實現橫擺角速度及橫擺角加速度的實時值為ω、式中Kμ——附著系數系統(tǒng)的角速度誤差和角加速度誤差為切換函數根據比例切換控制方法,控制率式中,c、α、β為大于零的常數。經反復調試,c=0.6、α=0.12、β=0.05,控制系統(tǒng)能夠取得較好效果,且不會出現振抖。制動子系統(tǒng)控制器的設計:制動系統(tǒng)的設計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動狀態(tài)參數,求解出車輛滑移率,并與上層協(xié)調器傳過來的目標滑移率進行比較。當誤差大于零時,回油管路打開,制動器減壓,制動力矩減小,使實際滑移率接近目標滑移率。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,階躍轉向以及轉向制動。傳感器獲得的整車縱向速度u,側向速度v,縱向加速度u,側向加速度v,俯仰角速度θ,側傾角速度?,方向盤轉角(用以計算前輪轉角)等信號經過處理后送入協(xié)調器,協(xié)調器經過分析計算能夠準確判斷車輛處于何種運動狀態(tài)。針對這四種運動狀態(tài)以及上述三個系統(tǒng)之間運動的聯(lián)系和影響分析,上層協(xié)調器設計以下控制規(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)由于出現俯仰運動,則需要通過上層協(xié)調器向懸架控制器輸出信息,調整前后懸架控制器的權重,具體的調整策略如下(規(guī)定繞車身y軸轉動逆時針方向為正)。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)根據上層協(xié)調器提供的目標橫擺角速度和實際橫擺角速度的誤差,分別對相對應車輪實施直接橫擺力矩控制,使橫擺角速度逼近目標值;懸架系統(tǒng)由于出現側傾運動,上層協(xié)調器根據側傾的大小向下層的懸架控制器輸出信息,調整左右懸架控制器的權重。具體調整策略為(規(guī)定繞車身x軸轉動逆時針方向為正)。各參數的實時值按表2所示變化。規(guī)則4:如果u<0,并且v>0,則車輛處于轉向制動工況,轉向、懸架和制動控制器均按照協(xié)調控制策略工作,具體方法如下。制動系統(tǒng)按照協(xié)調控制策略工作,上層協(xié)調器根據制動初速度、側向加速度、縱向加速度的變化,向制動控制系統(tǒng)發(fā)出指令,實時調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)調器獲得車輪轉角信號及實時車速信號,確定車輛處于失穩(wěn)狀態(tài)后,再由式(18)計算目標橫擺角速度,然后經第3.1節(jié)中的控制方法分別對相應車輪施加制動采用直接橫擺力矩控制。上層協(xié)調器對懸架系統(tǒng)的控制中,由于出現側傾和俯仰的耦合,這里需要定義一個控制因子ε和一個優(yōu)先級,當式中,K如果4模擬和測試4.1滑模變結構控制下車輪橫擺角速度根據上述方法,在Matlab中進行了仿真計算,仿真參數見表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,階躍轉向和轉向制動。由于篇幅有限,取具有代表性的幾個圖。從圖6、7可以看出,采用滑模變結構控制后車身橫擺角速度明顯比較平穩(wěn)。由于上層協(xié)調器對PID控制的實時調整,車身側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,根據部分時域分析圖可以看出,狀態(tài)識別協(xié)調控制算法,采用上層協(xié)調器分別調整各子控制器的控制參數或實時跟蹤目標,較好地改善了整車的各項性能。4.2溫度控制系統(tǒng)硬件系統(tǒng)為驗證控制策略的有效性,在仿真試驗和硬件在環(huán)試驗的基礎上,進行了基于ARM處理器的實車試驗。懸架系統(tǒng)采用自行研制可調阻尼的磁流變減振器,制動控制系統(tǒng)和轉向操縱穩(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來實現。裝有LABVIEW操作系統(tǒng)的PC機用于數據采集信號的處理:整車加速度、車速、輪速、橫擺角速度和轉向盤轉角等傳感器的信息經過處理后發(fā)送到下層各個單獨控制器中,而側傾、俯仰、側向加速度和縱向加速度等傳感器信號經過處理后輸入到上層協(xié)調器中。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):試驗前,將上述控制算法軟件經編寫后直接下載到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)。試驗的原車是帶有ABS的某微型轎車,將ABS的執(zhí)行機構換成可對單輪進行制動的液壓執(zhí)行機構,其他機構不變。試驗方法與條件:整車試驗工況分為四種,分別根據國標中對行駛平順性、整車制動性和操縱穩(wěn)定性的要求,在某B級路面上進行了以下幾種工況下的試驗:車輛分別以60km/h勻速行駛,緊急制動,階躍轉向和轉向制動。試驗結果表明,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實車試驗的設計本文采用狀態(tài)識別下的協(xié)調控制方法對汽車底盤系統(tǒng)進行了整車系統(tǒng)的建模、仿真與試驗。針對復雜的汽車底盤系統(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動信息進行控制分類,同時做大量的仿真對各控制參數進行調試?；谡嚪抡娼Y果與控制器設計的參數,對整車三個系統(tǒng)的各控制器軟硬件做出設計,進行了狀態(tài)識別下的汽車底盤系統(tǒng)實車試驗。(1)基于狀態(tài)識別的協(xié)調控制系統(tǒng)在復雜工況下能夠有效地抑制車身的垂直振動、俯仰和側傾,極大地改善整車的平順性。(2)在車輛轉向或轉向制動時,直接橫擺力矩控制器能夠根據上層協(xié)調器的信息,較好地跟蹤車身的目標橫擺角速度,提高整車的操縱穩(wěn)定性。(3)制動子系統(tǒng)控制器能夠根據上層協(xié)調器提供的實時目標滑移率,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——整車質量δiηB——助力器助力比Dp各車輪旋轉運動方程為FRhk另外,K(1)半主動pid控制下pid結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控制下的結果進行對比(圖5)。從圖5可以看出,車身垂直加速度值改善明顯,經計算方均根值由0.927m/s(2)標準曲線和bmm的控制根據國家標準GB/T6323.2—1994對操縱穩(wěn)定性中車身側偏的試驗要求,在最高車速的70%時(仿真時采用60km/h),給轉向盤一個三角脈沖轉角輸入。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國家標準QC/T582—1999對制動性的試驗要求,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