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复杂驾驶条件下的汽车ABS / DYC协调控制

王振波、朱俊军、张磊（IEEE成员）、王亚豪北京电动汽车协同创新中心、北京理工大学电动汽车国家工程实验室，北京100081，

中国通讯作者：张磊（lei_zhang@bit.edu.cn），本工作得到了科技部的支持。中华人民共和国电子与技术基金2017YFB103600。

摘要

为缩短制动距离，保证车辆在复杂行驶条件下紧急制动时的稳定性，提出了一种防抱死制动系统/直接横摆力矩控制（ABS/DYC）协调控制方案。特别是，考虑到制动执行器故障和在低-微米和-微米分裂道路上行驶。提出的控制方案由三个级联控制器组成。第一级控制器用于根据驾驶员的意图推导和跟踪DYC控制所需的横摆率，在不考虑制动执行器故障的情况下施加传统的ABS控制以最大化制动力，并综合约束条件，如制动执行器故障等。第二级控制器用于确定在哪一侧充分利用，以获得最大的轮胎/道路粘着利用率。利用第三级控制器实现各驱动电机的最优扭矩分配，使轮胎负荷最小化。通过仿真和硬件在环实验验证了所提出的ABS/DYC协调控制方案的有效性。

关键词：ABS / DYC协调控制；防抱死制动系统（ABS）；制动力分配；直接横摆力矩控制（DYC）

1、引言

随着现代社会地面车辆使用量的不断增加，交通电气化和汽车安全问题引起了人们极大的关注。车辆稳定性控制（VSC）一直是提高车辆稳定性和防止致命车祸的研究热点[1]。在过去几十年中，车辆稳定性控制取得了实质性进展，汽车防抱死制动系统（ABS）和电子稳定控制系（ESC）是这方面的两项具有代表性的成就[4]。一般来说，ABS可以根据轮胎/路面附着情况调整制动力，防止轮胎抱死，减小制动距离[5]。电子稳定控制系统能够通过执行差速制动/驾驶来帮助车辆稳定，即对每个车轮施加不同的制动/驾驶扭矩，以产生额外的横摆力矩[6]。在这个意义上，电子稳定控制系统等于直接横摆力矩控制系统（DYC）。此外，主动前转向系统（AFS）也是电子稳定控制系统的一个有效工具，与DYC的集成可能比独立执行[7]产生更好的效果。

自从1978年大规模生产的汽车采用了这种方法以来，采用了一种释放控制的方法。文献中已经介绍了性能，可大致分为两类，即基于规则和基于模型的方法。基于规则的方法在现代商用车辆中占主导地位，这是由于实施的基础和高可靠性。因此，逻辑阈值法举例说明了一种基于规则的ABS控制技术，其中制动压力在每个车轮上都可以通过轮胎滑移率调节控制在一定范围内。例如，Lu等人[8]设计了一种用于ABS控制的模糊逻辑控制器，并通过ADAMS/汽车虚拟实验验证了其性能。同样，基于模糊控制，Yang等人[9]提出了一种模糊PID ABS控制策略，其中轮胎滑移率由PID控制器控制，控制器参数由模糊控制器调节。Fargione等人[10]利用遗传算法（GAS）进一步优化了传统模糊控制器的隶属度函数，提高了其在各种驱动条件下的控制性能。K ppena等人[11]提出了一种基于扰动理论的ABS控制阈值自适应方法，验证了该方法优于传统的阈值控制方法。在基于规则的方法的新的广泛应用中，它们的控制效果严重依赖于工程师的经验，缺乏最佳性；这可能会显著降低ABS的性能。为了提高ABS的性能，近年来出现了基于模型的控制方法。例如，张等。[12]提出了一种估算轮胎/路面摩擦系数的新方法，并设计了一种滑动模式控制器（SMC）来跟踪最佳滑动比。Du等人[13]开发了一种基于模型预测控制（MPC）的混合动力电动汽车ABS控制策略。

电子稳定控制系统的目的是在保证车辆横向稳定性的同时实现驾驶员的意图。通常，有两种方法来实现车辆的电子稳定控制，即通过主动前转向（AFS）系统和/或直接横摆力矩控制。ABS控制和ESC与AFS或DYC的协调，对于在紧急制动情况下提高车辆稳定性具有巨大的潜力，并且对于泊车驾驶和工业从业人员具有重要的关注[14]。TJ nn sandjohansen[15]综合了DapiController，推导出所需的横摆力矩，并以最优分配策略分解了其他所需的车轮制动力和转向角。Choi等人[16]提出了一种基于模型预测控制（MPC）的AFS和DYC协调方法。Wu等人[17]通过引入协调因子对汽车进行调节和动态控制，提出了一种具有层次结构的人机协同驾驶控制器，其它研究结果也证明了AFS具有良好的控制性能，但成本[17][18][19]较高。此外，在预计转向角较大的情况下，它也有一些局限性，在紧急制动操作中，特别是在紧急转向和复杂驾驶条件下，它可以弥补上述缺点，并显示出与ABS协调以提高车辆稳定性的潜力。

ABS和DYC都可以通过独立控制每个车轮的制动力来实现。然而，它们的控制目标是冲突的，在一些复杂的驾驶条件下，这变得更加麻烦。例如，当在轮胎/道路摩擦系数不同的两个轮胎/道路摩擦系数不同的路面上制动时，如果在同一时间内，制动力不均衡，则可能会导致制动力不平衡，从而使电子和光道上的摩擦产生充分的资本化。在UCHCase中，低选择控制（LSC）可以解决这一难题，即车轮处的制动压力同一轴保持相同，所有制动执行器的共同控制目标选择较低的制动力。为了增强车辆的侧向稳定性，不可避免地需要消耗一定的制动力，为了克服LSC的局限性，提出了一种改进的独立控制系统（MIC），该系统在每个车轮上都具有独立控制制动力的优点。它增加了防抱死制动系统的控制灵活性，使总制动力最大化。然而，这需要与DYC协调，以确保车辆的横向稳定性。在这个前沿，已经进行了几项初步研究。例如，cao[20]提出了一个高级控制器来协调ABS和DYC控制策略。也就是说，如果发现车辆横向稳定性低于预设阈值，则执行DYC；否则，制动力由ABS控制策略控制。但是，ABS和DYC不能同时工作。刘、陈[21]研究了轮胎滑移率与车辆横摆力矩的关系，通过调整各车轮的参考轮胎滑移率，设计了一种跟踪参考横摆率的策略。然而，高精度的轮胎模型是非常必要的，并且不能实时精确地估计道路和轮胎之间的粘附力。Mirzaeinejad和Mirzaei[22]提出了一种非线性多目标优化算法，用于协调制动距离和车辆稳定性。但不能保证ABS和DYC同时处于最佳状态。Aksjonov等人[23] 提出了一种模糊控制器来协调ABS控制和DYC。然而，所提出的模糊控制器会影响ABS控制和DYC的性能，甚至会对驾驶者的感觉产生不利影响。

为了解决上述问题，本研究提出了一种新颖的ABS/DYC协调控制策略，以在保持车辆横向稳定性的同时，最大限度地提高制动力，同时考虑到复杂的驾驶条件，如制动执行器故障的发生在一个微米级路面上行驶。它采用由级联三级控制器组成的层次结构。一级控制器负责推导和跟踪所需的偏航角，以便在不考虑制动执行器故障发生的情况下，根据驾驶员的意愿进行控制，采用传统的ABS控制来最大化制动力，并综合约束条件，如执行器故障发生。第二级控制器负责决定哪一侧充分利用轮胎/道路的最大附着力。第三级控制器通过最小化轮胎负载和使车轮制动锁失效目的来实现最佳的交替或排队分配。所提议的控制策略仅能处理复杂的驾驶条件包括在一条微米级的道路上驾驶制动执行器故障发生，通过对军械管理系统中的MATLAB/Simulink software和硬件在循环（HIL）测试的协同仿真，验证了该方案的有效性。

本文的其余部分组织如下：第2节介绍了7自由度车辆模型。第三节介绍了ABS控制、DYC、制动力分配和制动力选择方法。第四节给出了各种仿真结果，以验证所开发的控制方案，第五节总结了主要结论。

2、车辆模型

介绍一个包含轮胎模型和液压制动系统模型的非线性车辆动力学模型，作为ABS/DYC协调控制综合的基础。在车辆模型中，考虑了刚性悬架对车辆动力学的影响。横向加速度限制在0.4g以内。

2.1车辆平面运动模型

如图1（a）所示，在紧急制动过程中涉及到ABS/DYC控制的车辆部件主要包括车辆控制单元（VCU）、电子液压制动装置（EHB）、制动压力传感器（BPSS）、车轮速度传感器（WSSS）和转向角传感器。每个车轮的制动压力可以通过BPS测量，并由VCU通过控制器局域网（CAN）总线控制。本研究采用了七自由度（7自由度）车辆模型，其主要参数如图1（b）所示。紧急制动时的运动方程可表示为：

（1）

（2）

（3）

（4）

式中：和分别表示车辆在x方向和y方向上的结果力； 是每个车轮在x方向上制动力是每个车轮在y方向上的侧向力，其中“”—左前轮胎，“”—右前轮胎，–左后轮胎，“”-右后轮胎；为前轮转向角；、和分别代表车辆的横摆力矩、旋转线和横摆率；为前轴与重心（cg）之间的水平距离，b为后轴与重心（cg）之间的水平距离，为E轨道。

轮胎滑动角可计算为：

（5）

（6）

图1. 七自由度车辆模型的配置

(a)车辆结构。（b）主要模型参数

其中、、和分别为前轮侧滑角、后轮侧滑角、车辆侧滑角和纵向车速。每个轮胎的侧向力可推导为：

（7）

式中，和表示前后轮胎的刚度和车轮侧滑角。

为了揭示合成制动力与其影响因素之间的关系，采用了如图2所示的单轮模型，运动方程可表述为：

(8)

(9)

制动力fb可通过以下公式计算：

(10)

(11)

(12)

式中，、和分别为车轮的力矩惯量、角速度和制动力矩；为有效轮胎半径，为制动压力，为等效制动系数， 为每个车轮的法向力为车辆在方向的加速度，为加速度车辆沿方向行驶，表示道路的附着系数。

图2. 单轮模型

2.2轮胎模型

轮胎与路面的附着条件是车辆动力学控制的重要条件，轮胎的非线性特性具有显著的影响，本文采用Pacejka开发的“magicForm”模型来描述轮胎动力学，该模型具有较高的精度，可以表示为[24]：

（13）

其中是轮胎滑移率或侧滑角，、、和分别表示峰值系数、形状系数、刚度系数和曲率系数。这些模型参数是从汽车制造商的软件中选取的，该软件广泛应用于汽车动力学仿真。

2.3液压制动系统建模

车辆的液压制动系统由电子制动力分配（EBD）控制，其中考虑了制动压力的通信延迟和响应特性。在这里，根据[25]可以将响应特性近似为具有延迟的过滤器系统，方法如下：

（14）

式中为主缸制动压力，为轮缸制动压力，为主导时间常数，为纯滞后。

液压制动系统在不同目标压力下的阶跃响应特性如图3所示。

图3 液压制动系统在不同目标压力下的阶跃响应特性

3、复杂工况下的ABS/DYC协调控制策略

为了有效缩短制动距离，精确跟踪参考横摆角速度，提出了一种包含三级控制律的多级控制方案，其流程图如图4所示。在一级控制器中，采用DYC和ABS控制策略以及制动力约束模型，生成车辆所需的横摆力矩，并得出每个车轮可能的最大制动力。在二级控制器中，提出了一种制动力控制选择方法，以确定制动力应控制在哪一侧达到最大值，同时使车轮保持在另一侧以产生所需的横摆力矩。在三级控制器中，提出了一种制动力优化分配策略，以在所有车轮上以最小的负载产生所需的横摆力矩。

图4 拟议的ABS/DYC协调策略流程图

3.1 DYC战略

车辆横摆率和侧滑角是车辆稳定性控制的关键参数，其中横摆率在很大程度上影响驾驶员的意图，而侧滑角在某种程度上影响车辆的稳定性条件。因此，跟踪横摆角速度和减小侧滑角是保证紧急制动时车辆稳定性的两个主要目标。

3.1.1 DYC参考模型

车辆侧滑角定义为：

（15）

在估计车速和侧滑角方面已经做了大量的努力[26]，[27]。为了提高车辆的稳定性，可以将参考侧滑角设置为零。

当横向加速度小于0.4g时，可以使用2自由度车辆模型来表示所需的横摆角速度。因此，理想的横摆角速度可以计算为：

（16）

式中，是未考虑轮胎/道路摩擦系数的参考横摆率，是车辆质量,是轴之间的距离。

由于实际所需横摆率受轮胎/道路粘合条件的限制，因此可通过以下公式推导所需横摆率：

（17）

（18）

其中，是由道路附着条件确定的最大横摆率限值，是所需的横摆率。

3.1.2 DYC控制器

由于滑模控制器对系统扰动具有较强的鲁棒性，因此提出了一种滑模控制器（SMC）来跟踪所需的横摆角速度。滑动面定义为：

（19）

式中，和是积分元和侧滑角的加权因子，当时为正值。

然后，可达律可以合成为：

（20）

结合方程式（8）-（10）和方程式（19）-（20），横摆率控制律可计算为：

（21）

3.2 ABS战略

滑移率是ABS控制的重要参数，定义如下：

资料编号：[3769]