车辆动力学稳定性的研究

车辆动力学稳定性的研究摘要：近年来，汽车动力学控制得到广泛的研究。

兼容了ABS和TRC的优势，车辆动力学稳定性控制（VDC）使车辆在各种路面和各种工况下都获得良好的操纵稳定性和方向性，大大降低交通事故的发生及其伤害。

本文从理论上研究了汽车稳定性控制的基本原理和稳定性控制策略，以及路面状况、转向角、车速对汽车操纵稳定性的影响。

采用MATLAB/Simulink建立车辆模型进行稳定性仿真分析。

关键词：动力学；稳定性控制；阈值控制；引言车辆动力学是近代年发展起来的一门新兴学科。

随着人类社会的发展和人们生活水平的提高，人们对车辆动力学稳定性提出了更高的要求。

自20世纪70年代末，从飞机设计技术中引入的防抱死制动系统（Anti-lock Braking System，简称ABS）可以称得上是向车辆底盘控制迈出的第一步，ABS通过限制制动压力来保证车轮的最佳滑移率，从而避免了车轮的抱死。

随后，通过限制发动机输出转矩防止车轮滑转的驱动力控制系统（Traction Control System，简称TCS）在20世纪80年代中期得到应用。

到20世纪80年代末，在ABS和TCS的基础上，又成功地开发了防滑转控制（Acceleration Spin Regulation，简称ASR）装置，这种装置在车辆急剧变速时，可改善车辆与地面的附着力，避免车辆产生侧向滑动的危险。

20世纪90年代初，研究人员根据轮胎印迹处的纵向力和横向力满足摩擦圆规律的原理，提出了在高速行驶中通过驱动力控制来保证车辆的横向稳定性的动态稳定性控制（Dynamic Stability Control，简称DSC），它对车辆高速转动时制动特别有效。

20世纪90 年代末期，研究人员发现，车辆在高速行驶过程中的横向稳定度较小，通过调节四个车轮的纵向力而形成一定的回正力矩，就可以控制车辆的横摆角速度，由此提出了“直接横摆控制”（Direct Yaw moment Control，简称DYC）算法，并经过试验验证了该算法的有效性。

在此基础上，近年来又提出了限制一定侧偏角范围的车辆动力学控制（Vehicle Dynamics Control，简称VDC）。

自2000年以来，VDC系统得到了世界各国汽车厂商的关注，并进行开发研制。

用户对车辆稳定性的需求是车辆动力学稳定性控制发展的动力，而车辆动力学技术的发展为车辆动力学稳定性控制进一步发展提供了技术保障。

动力学稳定性控制(VDC)出现，它兼容了ABS和TCS的优势功能，利用车辆动力学状态变量反馈来调节车轮纵向力大小及匹配，统计分析知：VDC 能够大大降低交通事故的发生及其伤害。

1车辆动力学稳定性控制方法1.1车辆动力学控制模型介绍车辆动力学控制模型主要包含整车模型、轮胎模型和驾驶员模型。

①整车模型在分析中采用的模型可以分为线性模型和非线性模型两类。

也可以根据分析的自由度数分类，在动力学仿真中主要使用的模型一般有单轮模型、双轮自行车模型和四轮模型等。

单轮模型一般应用于车辆牵引和制动研究，这种模型直观简洁。

这一模型主要应用在ABS 和TCS 的控制策略的研究开发上。

双轮自行车模型结构相对简单，对于开发VDC 而言采用两轮模型具有以下优势：结构简单，运算量小，能够保证控制的实时性的要求。

因此双轮自行车模型是进行VDC 控制策略的开发及控制算法的研究的基础。

四轮模型更为真实地反映了车辆的实际情况。

为了尽可能的接近车辆的实际情况，必须考虑悬架、轮胎和车身的非线性，以及车辆的动态非线性，因此在理论建模和分析过程中也有采用四轮多自由度车辆仿真分析模型。

②轮胎模型轮胎对车辆的动力学控制具有非常重要的影响，因为车辆的一切动力学控制的外力都是来自轮胎和路面的附着作用。

因此，轮胎模型和实际工况的符合程度决定了控制系统仿真分析及控制算法的精确性。

由Pacejka 教授提出的“魔术公式”轮胎模型是动力学仿真分析应用的主要的模型。

国内外学者在研究中常用到该模型以及其修正模型。

此外，在研究中，人们还可以运用梁模型、刷子模型、辐条模型以及Swift 轮胎模型。

然而，在研究中应用最广泛的仍然是“魔术公式”轮胎模型以及其修正模型。

③驾驶员模型在车辆的驾驶过程中，驾驶员是首要的控制元素。

对于车辆动力学控制而言，车辆的实际操作过程中都需要考虑驾驶员的因素。

因此，对驾驶员进行建模的思想在人—车闭环系统中进行了研究。

在车辆主动安全控制系统中，如带有预瞄模型的VDC 控制系统中都需要应用驾驶员模型。

1.2车辆动力学控制的策略和算法VDC 控制系统的核心是控制策略和算法。

控制策略和算法直接决定了控制系统的性能，这也是国内外研究的重点。

①控制变量的选择为了进行车辆动力学控制，VDC 必须确定控制状态量。

在光滑的路面上进行控制时，横摆角速度和横向加速度不对应，因此横摆角速度和侧偏角都必须加以门限控制。

轮胎的纵向力和横向力决定于滑移率、侧偏角和垂直力。

因此轮胎的滑移率成为了基本的控制变量，控制车辆的横向力和横摆力耦矩。

此外应当考虑纵向力控制和驾驶员输入实际的车辆的状态的估算等问题；同时车辆的侧翻角反映了车辆的抗侧翻性能，一般将其转化为翻转系数进行控制。

VDC 的主控变量主要有以下五种：横摆角速度控制，；横摆控制+侧偏控制+侧翻控制；侧偏角控制主要有丰田，；横摆控制+侧偏控制；横摆控制+侧偏控制+主动转向等。

②控制器的实现策略VDC 的控制系统一般都是利用理想的线性模型来预测车辆的运动状态，而实际的车辆横摆角速度由传感器来控制，实际的车辆侧偏角度通过为数不多的几个传感器信号及各种估算算法得到。

将预测模型和实际测出的结果进行对比，基于差值进行控制，因此主要的控制是基于反馈理论的控制。

当前采用的控制策略介绍如下。

反馈控制—目前市场上的VDC 主要是采用横摆角速度反馈控制，将通过传感器测量得到的控制变量的数值和经过参考模型计算得到的数值进行对比，根据偏差进行控制。

这也是相对成熟、实现成本较低的一种控制方式。

前馈+反馈控制—祁永宁等人将四轮转向和横摆力矩控制相结合，采用跟随理想模型的前馈加反馈控制，实现对侧偏角和横摆角速度的多目标控制。

模糊控制—由于系统存在非线性，延迟性，和参数的不确定性，因此可以采用模糊控制或则模糊PID控制来进行车辆动力学控制。

在对ABS和四轮转向的研究中，人们广泛地采用了模糊控制以及模糊PID 控制。

滑模控制—稳定性控制被视作与驾驶员驾驶意图的匹配，所以横摆角速度首要成为控制目标。

但在低附路面上，实际的横摆角速度和预期的横摆角速度不能有效的阻止侧偏角的增加和车辆的激转；过大的侧偏角降低了驾驶员的稳定性操作的质量。

采用滑模控制方法能够实现更优的控制鲁棒性能：附着的变化，侧向坡度的变化，速度的变化，动态载荷变化。

研究人员在对制动防抱死系统的研究中大量应用到滑模控制以及变形的滑模控制。

神经网络控制—由于路面-轮胎特性的非线性决定了VDC的控制策略基于非线性，所以确定合适的VDC控制器和有效的输出是一件困难的工作。

非线性的控制策略可以通过神经网络（NN）和遗传算法获得。

系统帮助驾驶人员进行道路修正，增强转向和直线行驶时的稳定性。

此外，研究人员在研究中还运用到了PID控制、最优控制、自适应控制、预瞄控制和相平面控制等方法。

③控制算法VDC需要解决的问题包括：驾驶员驾驶意图的识别，车辆状态的测量和评估，控制目标的生成，系统执行的效率和平稳性，道路bankangle的测定，系统的开发和评估，以及错误测试等。

为了对各种不同的路面作出不同的响应，必须对轮胎-路面之间的附着进行预估。

采用较多的方式是利用卡尔曼滤波构造系统观测器，进行车辆操纵稳定性动力学信号的实时软测量。

1.3动力学仿真模型的建立步骤基于数学模型的数字化虚拟样机仿真技术可以大大简化机械产品的设计开发过程，大幅度缩短产品开发周期，大量减少产品开发费用和成本，明显提高产品质量，提高产品的系统级性能，获得最优化和创新的设计产品。

是当今车辆研发领域的一项关键核心技术。

以下是计算机仿真研究的关键步骤：1）建立系统的数学模型数学模型是系统仿真的研究依据，其对系统的近似程度需要根据仿真要求或者目的来调整。

2）建立仿真模型一般的数学模型特别是复杂非线性问题不方便通过直接编程并用计算机求解，通常需要把数学模型通过一定算法对原系统的数学模型进行离散化等方便计算机求解的处理。

3）模型验证、试验结果分析仿真程序负责在计算机内建立、解算、显示仿真模型和试验结果等工作，提供仿真平台，一般采用面向对象高级语言编写。

目前有很多商业化的仿真软件，如MATLAB、ADAMS 等等。

通过运行仿真程序，将仿真试验数据与实际系统试验数据进行比较、检验，确认模型是否足够代表实际系统，足够反映需求下的实际系统运行的特性，否则要通过结果分析对模型进行修改，直至达到仿真要求。

4）基于仿真模型进行进一步应用经过不断调整，仿真模型足够反映需求下的实际系统运行的特性，采用仿真模型代替实际系统进行一些深入的研究应用，可以研究哪些参数的变化对性能的影响权重的灵敏度分析；系统在其特性或参数发生变动时仍可使品质指标保持不变的性能的稳健性分析，即系统对特性或参数变动的不敏感性等等。

进一步的应用让仿真模型为解决实际工程化问题提供依托，甚至是完整的解决方案。

2VDC系统的基本原理2.1轮胎附着极限状态分析车辆丧失稳定性时，汽车处于失控状态，出现转向半径迅速减少或迅速增大的严重的过多转向或不足转向，从而导致侧滑、激转、侧翻或转向反应迟钝等，在轮胎的侧偏力达到饱和状态下，如果前轮首先达到侧偏力饱和极限，会产生“漂移”现象、侧滑，维持车辆保持期望驾驶轨迹所提供的横摆力矩随之减少，车辆实际的转弯半径比驾驶员期望的要大，导致不足转向，如图1。

图1 车轮达到极限饱和如果后轮首先达到侧偏力饱和极限，会产生“急转”现象，维持车辆保持期望驾 驶轨迹所提供的横摆力矩随之增大，车辆实际的转弯半径比驾驶员期望的要小，导致过度转向。

这两种情况下车辆都处于不稳定状态，还可能导致侧翻或转向反应迟钝等，车辆的操纵性将难以预测和控制。

一般的驾驶员很难通过方向盘控制前轮转角很难正确的调整车辆的运动状态，将车辆稳定下来，很容易发生危险，导致事故的发生。

在这种情况下，通过主动控制避免车轮达到极限饱和状态是非常有必要的。

2.2 车辆动力学的稳定性分析目前车辆动力学控制的主要控制目标有以下两种：一个是轨迹保持问题，这个可以由车辆的侧偏角来进行描述；另外一个是稳定性问题，可以由车辆的横摆角速度来描述。

作为描述车身状态的两个主要变量，它们之间是相互耦合的。

在横摆角速度较小的情况下，车辆的质心侧偏角主要由车辆的纵向力和横向力影响决定，但是直接控制车辆的纵向力和横向力是很困难的；如果只考虑横摆角速度，它的大小取决于质心位置的横摆力矩，最直观的施加横摆力矩的理想方式就是在车辆的两个对角的车轮上施加一对大小相等的但是方向相反的一个驱动力和一个制动力。