使用基于模型的設計開(kāi)發(fā)側翻穩定性控制系統

汽車(chē)電子領(lǐng)域內整合主動(dòng)安全機制的趨勢愈演愈烈，迫使汽車(chē)制造廠(chǎng)商將防側翻功能整合到傳統汽車(chē)底盤(pán)控制系統之中，例如，制動(dòng)防抱死系統和牽引力控制系統如今均已得到增強，整合了防側翻功能。美國國家公路交通安全管理局（NHTSA）進(jìn)一步推進(jìn)了這種趨勢，強制要求所有 2011 年款汽車(chē)和更新的款式必須配備防側翻控制器。這項要求以 NHTSA 對于側翻碰撞的事故數據分析為依據。例如，根據 NHTSA 的國家統計與分析中心提供的數據，在 2001 年，共有 10,138 人死于側翻碰撞事故，占當年因事故死亡總人數的 32%。實(shí)施主動(dòng)安全機制可降低車(chē)輛側翻的風(fēng)險，從而減少潛在傷亡。降低側翻風(fēng)險的方法之一就是實(shí)現電子穩定性控制（ESC），根據測量和預計的車(chē)輛狀態(tài)來(lái)應用差動(dòng)制動(dòng)。本文主要介紹使用基于模型的設計，為運動(dòng)型多功能車(chē)（SUV）開(kāi)發(fā)和自動(dòng)優(yōu)化 ESC。
汽車(chē)和控制器模型
在基于模型的設計中，核心概念是可執行的規范或模型，它描述了系統的動(dòng)態(tài)行為?？梢岳媒?jīng)過(guò)驗證的汽車(chē)模型（本例中為高保真度的 SUV 模型），顯著(zhù)降低與控制器設計相關(guān)的開(kāi)發(fā)成本和時(shí)間?？衫媚Ｐ偷臄底址抡鎭?lái)研究車(chē)輛對不同轉向操控實(shí)驗的反應，并且此類(lèi)測試可輕而易舉地在不同的路面、輪胎型號和車(chē)輛屬性等參數下重復執行。此外，還可以在嵌入式控制系統的開(kāi)發(fā)與驗證中使用模型。
本文所用的汽車(chē)是典型的中型 SUV。車(chē)輛模型可在 CarSim® 中找到，這是一款現成的商業(yè)汽車(chē)動(dòng)態(tài)仿真工具。車(chē)輛模型的性能根據測試數據進(jìn)行驗證，適合仿真車(chē)輛在嚴重側傾運動(dòng)下的反應。車(chē)輛模型具有兩個(gè)獨立前端懸架、一個(gè)用于支持簧載質(zhì)量的實(shí)心后軸。非線(xiàn)性數學(xué)模型可為簧載質(zhì)量、各軸、各輪、轉向系統和制動(dòng)系統提供自由度。車(chē)輛模型可使用不同的車(chē)輛參數以及路面和環(huán)境條件進(jìn)行自定義。

圖 1：使用 CarSim 用戶(hù)界面設置車(chē)輛參數。
圖 1 顯示了 CarSim 用戶(hù)界面，以及用于構建車(chē)輛模型的部分物理車(chē)輛參數?？蓮目刂破鲄抵蟹謩e修改這些參數，以便測試控制器在不同車(chē)輛條件下的行為，例如，一名乘客、多名乘客和高重心的情況。本文所用的車(chē)輛模型應用的轉向輸入符合 NHTSA fishhook 操控實(shí)驗，這種標準實(shí)驗用于評估動(dòng)態(tài)車(chē)輛穩定性。本測試的設計目的是模擬駕駛員在避開(kāi)路面上突然出現的障礙物時(shí)可能采取的行動(dòng)。對于數字仿真，我們?yōu)?SUV 模型設定轉向輸入，驗證了在沒(méi)有 ESC 的情況下，車(chē)輛將出現側翻。

控制器開(kāi)發(fā)與優(yōu)化
本文中所實(shí)現的 ESC 避免了駕駛員的操作導致的不安全車(chē)體側傾和側滑動(dòng)作。它能對車(chē)輪應用差動(dòng)制動(dòng)，從而調整車(chē)體側傾和側滑率，同時(shí)最小化由控制器自動(dòng)應用的電子制動(dòng)所導致的車(chē)輛速度降低。 我們實(shí)現的 ESC 在三種控制模式之間切換。根據車(chē)輛進(jìn)入車(chē)輪滑移狀態(tài)的三種可能誘因激活控制模式：失去牽引力、側傾過(guò)度、側滑過(guò)度。模式切換邏輯控制一組比例-積分-微分（PID）補償器，它們將根據已測量和預計的參數調整駕駛員對車(chē)輪施加的制動(dòng)壓力。Simulink® 中實(shí)現的控制器設計具有六項 PID 增益，可為優(yōu)化 ESC 性能而進(jìn)行更改。
在此模型中，我們可以查看車(chē)輪轉速、制動(dòng)壓力、車(chē)體側傾、側滑率和滑移率。某些車(chē)輛狀態(tài)是通過(guò)可用傳感器數據預測的，就像在實(shí)際車(chē)輛控制器中一樣，而其他一些狀態(tài)是通過(guò)已測量和預計參數之間的數學(xué)關(guān)系預測的。車(chē)輛速度是通過(guò)未制動(dòng)車(chē)輪的車(chē)輪平均轉速預測得出的。使用低通濾波器來(lái)模擬在已測量的車(chē)輪轉速下車(chē)輛慣性的效果，避免在向四個(gè)車(chē)輪應用制動(dòng)壓力時(shí)，車(chē)速測量值出現不確定值。
如果不使用造價(jià)高昂的傳感器，車(chē)體滑移率將是一個(gè)難以直接測量的參數。我們實(shí)現的 ESC 將通過(guò)已測量的側滑率來(lái)預測車(chē)體滑移率。車(chē)體側傾角是通過(guò)將橫向加速度與車(chē)體側傾角相關(guān)聯(lián)的傳遞函數預測的。在車(chē)體側傾角處于指定設計限制內時(shí)，這個(gè)傳遞函數是有效的。通過(guò)確保優(yōu)化算法將在預測的車(chē)體側傾角超出設計限制時(shí)對控制器施以嚴格作用，即可展示出，我們并不需要能準確預測超出設計范圍的車(chē)體側傾角的預估算法。因而，我們可以顯著(zhù)簡(jiǎn)化普通車(chē)輛操作條件下的車(chē)體側傾角預估算法。