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文丨江柊留声机

编辑丨江柊留声机

底盘控制系统（Chassis Control System）是指一系列用于控制和管理车辆动态行驶性能的技术和装置。

本文通过提出一种新的控制架构，探讨了车辆动力学控制系统的集成原理，以整合车辆的四个主要功能领域：制动、转向、悬架和传动。

在分析了这四个独立控制器的基础上，我们提出了一种新颖的基于规则的集成策略，以改善车辆的操控性能，仿真结果显示，这种集成策略是通过降低车辆偏航角速率和侧滑角度来提升车辆的操控稳定性。

综合底盘控制优化车辆稳操性

本文探讨了车辆动力学控制系统的集成原理，提出了一种新的控制架构，以集成车辆的四个主要功能领域：制动、转向、悬挂和传动系统。

主动控制系统包括基于制动的电子稳定性控制、主动前轮转向、普通悬挂力控制和可变扭矩分配，通过分析这四个独立控制器，提出了一种新颖的基于规则的集成策略，从而改善车辆的操控性。

我们在Matlab/Simulink中开发了一个非线性车辆操控模型，该模型包括具有纵向、横向、偏航、横摇、俯仰和弹跳自由度的弹簧质量，以及每个车辆角落的非弹簧质量和轮胎。

仿真结果显示，这种集成策略增强了车辆的操控稳定性，减少了车辆偏航角速率和侧滑角，这在单独使用的情况下无法实现。

当今现代车辆包括超过40个主动控制系统，这些系统在车辆的方向稳定性、乘坐舒适性和安全性方面起着重要作用。

许多重要的控制系统，如防抱死制动系统（ABS）、主动悬挂系统、牵引力控制系统、主动偏航控制等，正在汽车行业广泛使用。

许多关于主动偏航控制、防抱死制动系统和主动悬挂系统的理论和设计方法已经在几十年的文献中单独提出，一些研究者已经考虑了抗抱死制动系统的滑模控制方案中的滑移比控制。

对于主动悬挂的设计来说，提高乘坐舒适性是主要的目标，有人已经为四分之一车身主动悬挂系统开发了一种新颖的非线性后退设计，旨在改善乘客舒适度的平衡性和悬挂行程利用率。

为了进一步改善车辆的操控性能和稳定性，研究已经通过控制四个车轮的制动力分配来研究和开发偏航力矩控制，作为驾驶员辅助系统的一种策略。

目前，这些系统通常独立工作，但人们广泛认为将这些独立系统集成起来，将会提高车辆的动态性能。

它的其他优点还包括成本和重量的降低，以及减少传感器的需求等，汽车行业和最终用户都将直接从这项研究中受益，不过如今这些控制系统仍然在研究阶段。

通过以前的研究发现，这些系统最初是独立开发来执行特定任务的，有一些系统确实是共存的，在之后研究人员又成功地集成了几个系统，但潜在的冲突还是那个老问题，许多子系统的完全集成依旧是一个技术挑战。

本文主要关注通过集成四个特定的车辆控制系统来改善车辆稳定性和紧急操控性能的方法：主动前轮转向（AFS）、普通悬挂力控制（NFC）、基于制动的电子稳定性控制（ESC）和基于传动系统的可变扭矩分配（VTD）系统。

有许多方法可以比较综合底盘控制器相对于其独立对应物的性能改进，其中一些技术包括比较能源消耗的减少、成本降低、零部件减少/模块化、性能指标的提高等。

电子稳定性控制

在本文中，我们采用了综合底盘控制方法所建立的改进性能目标被定义为减少偏航角速率和车辆侧滑角，从而提高操控能力。

在车辆建模部分，我们使用Matlab/Simulink环境开发了一个带有适用于合并滑移和瞬态条件的非线性轮胎的详细被动车辆动力学模型，同时包括转向、制动、悬挂和传动系统的动力学。

在独立控制系统部分，我们通过实验讨论了AFS、主动悬挂、基于制动的ESC和VTD系统的独立控制系统模型的开发，在综合控制系统部分，我们分析和研究了这些系统之间的各种可能的综合控制策略。

本文使用的车辆模型假定车身是刚性的，具有六个自由度（三个平动自由度和三个转动自由度），使用的车辆坐标系被假定固定在车身的质心。

车辆的运动方程是相对于车辆和惯性坐标系推导出来的，在实验中假定每个车辆角落都连接有一个悬挂单元，带有线性弹簧和减震器元件。

该模型还包括每个角落的非弹簧质量和轮胎的动力学，由于完整的车辆建模并不是一项简单的任务，涉及许多子系统和耦合的非线性系统动力学，因此我们做出了一些建模假设。

轮胎的自我对准力被忽略，因为它们不会通过将方向盘回到初始位置来干扰车辆动力学，悬挂几何的运动学效应被忽略。因此，悬挂只对车身提供垂直力。

弹簧质量的陀螺效应被忽略，唯一作用在车辆上的外力是由轮胎产生的纵向、横向和垂向力，考虑了轮胎倾斜在轮胎建模中，车辆底盘平面被认为与地面平行。

航空动力学和轮胎摩擦效应被忽略，因为在这项工作中，不大关注这些效应的研究，最后，轮胎的内倾和外倾效也应被忽略。

动力辅助由连接到转向齿条的液压活塞提供，扭矩阀则需要确定活塞的哪一侧接收加压的液压液体。

将扭矩阀连接到转向柱上后，转向盘的角度位置与齿轮位置的角度位置之间的差异决定了扭矩阀的分数开启程度。

如果角度差是正的，则将压力施加在活塞的一侧，如果角度差为负，则将压力施加在活塞的另一侧，动力辅助会持续到转向盘位置和齿轮位置之间的差异近似为零。

在本研究中考虑的液压制动系统，建立在标准制动模型的基础上，我们考虑的标准被动制动系统包括机械制动踏板、伺服制动助力器、主缸、液压制动卡钳和摩擦垫。

机械制动输入被伺服助力器放大，然后进一步放大并转换为称为线路压力/供应压力的液压压力，该压力通过制动管路传递，线路压力进一步放大并转换为制动卡钳的机械作用，该作用将摩擦垫移动到旋转的车轮盘上。

管道摩擦的影响与实际制动动力学一致，所得到的制动系统模型假设则要通过约束的非层流流动来实现。

可变驱动扭矩

ESC通过产生外部偏航力矩来稳定车辆，执行此操作的三种策略是差速制动、主动转向和差分驱动扭矩分配。

在本文的这一部分中，使用了差速制动，即基于制动（ABS）的ESC策略，首先我们开发并模拟了ABS控制器以评估其性能。

然后通过附加的传感器输入（如转向角、偏航率和侧滑角）扩展ABS控制器，补充具有增强车辆稳定性能力的ESC控制器算法。

实验中的控制体系结构被设计为分层的双层控制，上层控制器的目标是确保偏航稳定控制，并假定它可以命令任何所需的偏航力矩值。

下层控制器确保由上层控制器命令的所需偏航力矩值确实从基于ABS的差速制动系统中获得，下层控制器利用轮胎旋转动力学，在四个车轮的每个上控制制动压力，以为车辆提供所需的偏航力矩。

本文中使用的ESC控制器是基于模型参考控制技术开发的，其中所需的车辆状态是从线性的2自由度参考模型（带有线性轮胎的标准2自由度自行车模型）生成的。

作为车辆参数、车辆纵向速度和转向输入的函数，参考模型生成了要由实际车辆跟踪的所需车辆状态轨迹。

模糊ESC控制器有两个输入，偏航率误差和侧滑角误差，一个输出是归一化的所需校正偏航力矩，这个模糊控制器有一个输出缩放块，它将ESC控制器的输出转换为所需的校正偏航力矩。

然后，根据制动-轮胎力传递系统的运动学计算所需的纵向制动力，以产生所需的校正偏航力矩。

AFS通过在被动车辆中驾驶员经历的线性操纵区域之外的区域来改善车辆的横向动态性能，在典型的车辆主动转向系统中，轮胎处的转向角由驾驶员通过车辆经典的转向机构部分设置。

同时AFS控制器可以使用液压或直流电动机执行器以及差动机械装置来设置附加的转向角度。

本文中使用的AFS控制器是基于偏航率误差和侧滑角误差的模糊逻辑转向控制器，AFS控制器的目标是通过模型参考控制技术，通过调制前轮转角，最小化偏航率和偏航角误差。

AFS控制器接收两个输入，偏航率和侧滑角误差，提供一个输出，即归一化的校正转向角，然后进行输出缩放操作，将归一化的转向角转换为所需的校正转向角。

我们在本次研究中使用了两种常用的控制策略，PID和模糊逻辑来开发独立的转向控制器，车辆偏航率和侧滑角误差及其时间导数被馈送到AFS控制器，以确定受控转向的增量。

得到的结果显示了用于开发模糊逻辑转向控制器的控制曲面之一，该领域先前研究文献的结果在这里得到了验证，并确认AFS的性能在车辆横向加速度范围较低到中等时受到限制。

还有一种稳定车辆的重要方式是主动驱动扭矩控制，而广泛应用的主动传动线控制技术则是可变驱动扭矩分配。

这种控制策略的目标是通过合理地在车轮之间分配驱动扭矩来增加车辆的稳定性和操纵性能，在左右车轮上的不同驱动扭矩会产生关于车辆垂直轴的偏航力矩，可用于稳定偏航运动。

VTD系统的控制体系结构是分层的，与本文中ESC控制器的开发中使用的体系结构相似，上层控制器的目标是确保偏航稳定控制，并假定它可以在传动线系统的能力范围内命令任何所需的偏航力矩值。

它使用轮速传感器、偏航率传感器、车辆侧滑角估计和转向角传感器的测量值，还有一个模糊逻辑控制策略使用这些测量值并计算所需的校正偏航力矩值。

下层控制器确保由上层控制器命令的所需偏航力矩值确实从扭矩管理系统中获得，下层控制器利用传动线动力学，控制着传动扭矩管理系统的分配，以为车辆提供所需的偏航力矩。

本研究提出新型集成底盘控制系统，旨在提升车辆操控性。

通过ESC、AFS和VTD系统的有效整合，我们实现了高级别的综合底盘控制，仿真结果显示，该策略有效降低了偏航角速率和侧滑角度，提升了操控稳定性，整合多个控制系统不仅提升了车辆性能，还很好地降低了成本、减轻重量，改善了安全性和乘坐舒适性。

随着技术发展，这些控制系统有望在汽车行业发挥更重要作用，创造更安全、稳定和愉悦的驾驶环境。