運動型多功能汽車側(cè)翻穩(wěn)定性及防側(cè)翻控制.pdf

1、近年來，汽車側(cè)翻事故作為重要的安全問題，受到越來越多的關(guān)注。美國高速公路交通安全管理局統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，在汽車事故中，側(cè)翻的危害程度僅次于碰撞事故居第二位。然而，目前針對高速急轉(zhuǎn)彎時汽車側(cè)翻動態(tài)穩(wěn)定性及預(yù)警方面的研究還很少。因此，本文以運動型多功能汽車為對象，研究了高速急轉(zhuǎn)彎工況下汽車側(cè)翻動態(tài)穩(wěn)定性及基于預(yù)警的防側(cè)翻控制策略。本文的學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)如下：
　　 (1）以運動型多功能汽車為研究對象，在車輛坐標(biāo)系下建立了其線性三自由度側(cè)翻模型。

2、該模型包括橫向、橫擺以及側(cè)傾方向的響應(yīng)及其耦合影響，能反映影響運動型多功能汽車高速急轉(zhuǎn)彎時側(cè)翻的主要因素。此外，考慮汽車側(cè)翻過程中引起的輪胎及懸架變形因素對車輪側(cè)偏角的影響，建立了線性的輪胎動力學(xué)模型。根據(jù)上述汽車側(cè)翻系統(tǒng)動力學(xué)模型并應(yīng)用穩(wěn)定性理論分析了前輪轉(zhuǎn)角階躍輸入下等速圓周運動的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，側(cè)翻平衡穩(wěn)定性條件以及側(cè)翻系統(tǒng)穩(wěn)定性條件，并提出了汽車側(cè)翻動態(tài)穩(wěn)定因子來衡量汽車側(cè)翻動態(tài)穩(wěn)定性能。與傳統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定因子比較，汽車側(cè)翻動態(tài)穩(wěn)定因子不

3、僅包含了重心高度，輪距寬度的影響，還包含了簧載質(zhì)量、重心縱向位置、懸架側(cè)傾剛度和阻尼、側(cè)傾臂長、輪胎側(cè)偏剛度、輪胎及懸架變形等結(jié)構(gòu)參數(shù)，以及車速、前輪轉(zhuǎn)角等操縱參數(shù)對汽車側(cè)翻動態(tài)穩(wěn)定性能的影響。選擇四種典型工況下進(jìn)行汽車側(cè)翻動態(tài)穩(wěn)定性能計算，結(jié)果表明根據(jù)動態(tài)穩(wěn)定因子得到側(cè)翻響應(yīng)比靜態(tài)側(cè)翻響應(yīng)更接近實際。
　　 (2）提出了駕駛員側(cè)翻反應(yīng)模型，并建立了汽車—駕駛員閉環(huán)側(cè)翻系統(tǒng)模型，分析了閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。先在零時滯條件下對汽車—駕

4、駛員閉環(huán)側(cè)翻系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，采用頻域內(nèi)數(shù)值計算得到了駕駛員模型參數(shù)對汽車操縱穩(wěn)定性指標(biāo)的影響。再考慮駕駛員時滯因素，運用廣義Sturm 判別法序列理論研究了汽車—駕駛員閉環(huán)側(cè)翻系統(tǒng)全時滯穩(wěn)定條件，不滿足全時滯穩(wěn)定條件時駕駛員模型參數(shù)對系統(tǒng)臨界時滯的影響。然后，根據(jù)實際情況中駕駛員模型參數(shù)和車速的取值范圍，以運動型多功能汽車為對象進(jìn)行數(shù)值計算。結(jié)果表明，經(jīng)驗豐富操縱熟練駕駛員擁有適中的閉環(huán)增益及小的側(cè)翻反應(yīng)時間值或減小駕駛員及執(zhí)行機(jī)

5、構(gòu)執(zhí)行動作的滯后時間，可以提高時滯汽車—駕駛員閉環(huán)側(cè)翻系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
　　 (3）根據(jù)汽車側(cè)翻模型提出了一種基于動態(tài)穩(wěn)定因子的汽車側(cè)翻預(yù)警算法，并通過實例分析了預(yù)警算法的實時性和精確性，得到了最大預(yù)警時間值隨汽車結(jié)構(gòu)參數(shù)及操縱參數(shù)的變化關(guān)系。先根據(jù)側(cè)翻動態(tài)穩(wěn)定因子提出了動態(tài)側(cè)翻指標(biāo)及側(cè)翻臨界條件，通過側(cè)翻模型計算將來一段時間內(nèi)汽車動態(tài)側(cè)翻指標(biāo)的值，當(dāng)汽車動態(tài)側(cè)翻指標(biāo)絕對值計算結(jié)果大于1 時，停止計算得到汽車側(cè)翻預(yù)警時間值。

6、>　　 然后研究了汽車側(cè)翻預(yù)警算法實時性及精確性，分析了不同處理器、采樣步長、汽車側(cè)翻預(yù)警時間極限值等因素對預(yù)警算法實時性的影響，通過分析最大汽車側(cè)翻預(yù)警時間值隨汽車結(jié)構(gòu)參數(shù)和操縱參數(shù)的變化關(guān)系，得到了改善預(yù)警算法對汽車側(cè)翻危險狀況判別能力的理論設(shè)計依據(jù)。以運動型多功能汽車為研究對象應(yīng)用預(yù)警算法進(jìn)行了實例計算，結(jié)果表明基于動態(tài)穩(wěn)定因子的汽車側(cè)翻預(yù)警算法能夠及時精確地計算出汽車側(cè)翻時間值，并判別汽車側(cè)翻的危險狀況。
　　 (4）

7、提出了基于汽車側(cè)翻預(yù)警的模糊差動制動防側(cè)翻控制算法，分析了控制算法的有效性和魯棒性。先以汽車動態(tài)側(cè)翻指標(biāo)為反饋，設(shè)計了三自由度線性模型中基于預(yù)警的防側(cè)翻控制算法，并分析了控制算法性能。再根據(jù)差動制動防側(cè)翻控制的原理，計入汽車縱向運動、縱向與橫向及橫擺運動的非線性耦合影響后，建立了四自由度汽車側(cè)翻模型。應(yīng)用Matlab/Simulink 軟件仿真了模糊自適應(yīng)整定PD 控制算法和基于側(cè)翻預(yù)警的差動制動防側(cè)翻控制效果。典型工況下計算結(jié)果表明，

8、基于側(cè)翻預(yù)警的模糊差動制動控制既能防止汽車側(cè)翻，提高汽車抗側(cè)翻能力，又能減少作動器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作頻率，節(jié)約能源，提高作動器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的使用壽命。且當(dāng)汽車結(jié)構(gòu)參數(shù)、操縱參數(shù)以及輪胎壓力等不確定因素變化時，基于汽車側(cè)翻預(yù)警的模糊差動制動防側(cè)翻控制算法具有強(qiáng)魯棒性。
　　 (5）研究了汽車防側(cè)翻控制的硬件在環(huán)仿真技術(shù)，設(shè)計并研制了汽車防側(cè)翻控制系統(tǒng)硬件在環(huán)實驗平臺。該實驗平臺由計算機(jī)、PCI-6024E 多功能數(shù)據(jù)采集卡、SC-20

9、75 端子板、側(cè)翻預(yù)警器、控制器、電子機(jī)械制動系統(tǒng)部分硬件及傳感器組成。硬件在環(huán)實驗系統(tǒng)以軟件方式模擬汽車行駛環(huán)境，并計算控制輸入下汽車側(cè)傾狀態(tài)；以硬件方式實現(xiàn)汽車側(cè)翻預(yù)警、控制及驅(qū)動電子機(jī)械制動系統(tǒng)產(chǎn)生防側(cè)翻力矩。研究中采用VC++與MATLAB 混合編程的方法進(jìn)行軟件設(shè)計，平臺具有友好的人機(jī)交互界面；以ARM7.0微處理器為核心進(jìn)行預(yù)警器和控制器設(shè)計，實現(xiàn)了預(yù)警算法和控制算法；通過選購、設(shè)計及加工組建了電子機(jī)械制動系統(tǒng)的主要部分，包