張麗霞　路　軍　潘福全　宋年秀

青島理工大學(xué)，青島，266520

汽車最速操縱的客觀評價指標(biāo)研究

張麗霞路軍潘福全宋年秀

青島理工大學(xué)，青島，266520

摘要：為了對最速操縱的汽車進(jìn)行操縱穩(wěn)定性評價，在考慮駕駛員忙碌程度、側(cè)翻、側(cè)滑評價指標(biāo)的基礎(chǔ)上，增加行駛速度單項(xiàng)評價指標(biāo)、附著性能單項(xiàng)評價指標(biāo)，提出了汽車最速操縱的綜合評價指標(biāo)；基于ADAMS/Car，對汽車進(jìn)行雙移線仿真試驗(yàn)，獲得了汽車最速操縱的綜合評價指標(biāo)和單項(xiàng)評價指標(biāo)仿真結(jié)果，比較了不同初始車速下汽車最速操縱的綜合評價指標(biāo)數(shù)值。結(jié)果表明，單項(xiàng)評價指標(biāo)和綜合評價指標(biāo)都隨時間延長而增大，當(dāng)初始車速提高時，最速操縱穩(wěn)定性綜合評價指標(biāo)增大，操縱穩(wěn)定性變差。

關(guān)鍵詞：汽車；最速操縱；操縱穩(wěn)定性；評價指標(biāo)

0引言

最速操縱是以最短時間完成對汽車的操縱作為控制目標(biāo)，通過最優(yōu)控制得到的一種最優(yōu)操縱方式。為了對汽車操縱穩(wěn)定性進(jìn)行評價，學(xué)者們先后展開了一系列研究。

邢如飛等[1]研究了汽車操縱穩(wěn)定性主觀評價指標(biāo)。黃建興等[2]研究了閉環(huán)汽車操縱穩(wěn)定性綜合評價指標(biāo)的權(quán)重。王顏會等[3]運(yùn)用多元統(tǒng)計(jì)分析方法，對汽車操縱穩(wěn)定性客觀綜合評價指標(biāo)進(jìn)行了評價，降低了評價維度，得到了客觀賦權(quán)操縱穩(wěn)定性能得分。王化吉等[4]運(yùn)用模糊層次分析法研究了汽車操縱穩(wěn)定性主觀評價指標(biāo)權(quán)值。郝圣杰等[5]運(yùn)用主成分評價法對汽車操縱穩(wěn)定性進(jìn)行了客觀評價，簡化了評價過程，其不足之處是在實(shí)際運(yùn)用中存在一定的局限性。趙又群等[6]運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)度法和模糊數(shù)學(xué)方法，基于駕駛員打分的評價方法對汽車轉(zhuǎn)向操縱動態(tài)特性進(jìn)行了綜合主觀評價。張麗霞等[7]提出考慮駕駛員忙碌程度、側(cè)翻、側(cè)滑、速度的最速操縱穩(wěn)定性的單項(xiàng)評價指標(biāo)和綜合評價指標(biāo)，仿真結(jié)果表明了其有效性，但在關(guān)于速度單項(xiàng)評價指標(biāo)和危險(xiǎn)性單項(xiàng)評價指標(biāo)方面需要完善。

以上對汽車操縱穩(wěn)定性的評價指標(biāo)中除了文獻(xiàn)[7]，都沒有考慮汽車行駛速度，而最速操縱受汽車縱向、側(cè)向和垂向三個方向的影響，涉及一系列的物理量，對最速操縱的評價要明確影響其變化的物理過程。本文在已有客觀評價指標(biāo)的基礎(chǔ)上，增加考慮速度因素和輪胎附著性能客觀評價指標(biāo)。有關(guān)最速操縱的單項(xiàng)評價指標(biāo)中最具有代表性的是汽車的縱向速度，考慮到其他各單項(xiàng)評價指標(biāo)呈越小越好變化趨勢，本文在文獻(xiàn)[7]對最速操縱的速度評價指標(biāo)研究基礎(chǔ)上，對該評價指標(biāo)進(jìn)行了修改，讓速度評價指標(biāo)呈現(xiàn)越小越好的變化趨勢。增加的輪胎附著性能評價指標(biāo)也采用同樣的處理辦法。在提出的評價指標(biāo)基礎(chǔ)上，基于ADAMS/Car，對汽車進(jìn)行了雙移線仿真試驗(yàn)，得到了評價指標(biāo)的仿真結(jié)果。

1汽車最速操縱穩(wěn)定性評價指標(biāo)

1.1汽車操縱穩(wěn)定性單項(xiàng)評價指標(biāo)

本文在郭孔輝等[8]提出的考慮駕駛員忙碌程度、側(cè)翻危險(xiǎn)性、側(cè)滑危險(xiǎn)性的基礎(chǔ)上，考慮汽車行駛速度和附著性能，提出了以下單項(xiàng)評價指標(biāo)及綜合評價指標(biāo)表達(dá)式。

(1)駕駛員忙碌程度評價指標(biāo)JB為

(1)

(2)汽車側(cè)向加速度評價指標(biāo)JR為

(2)

式中，ay(t)為汽車側(cè)向加速度；ay,th為側(cè)向加速度標(biāo)準(zhǔn)門檻值。

(3)車身側(cè)傾角評價指標(biāo)JΘ為

(3)

式中，θ(t)為汽車的側(cè)傾角；θth為側(cè)傾角門檻值。

(4)汽車側(cè)滑危險(xiǎn)評價指標(biāo)JS為

JS=max(JSf,JSr)

(4)

式中，i=f,r分別代表前輪和后輪；JSf為前輪側(cè)滑評價指標(biāo)；JSr為后輪側(cè)滑評價指標(biāo)；JS為整車側(cè)滑危險(xiǎn)性評價指標(biāo)；Fyi(t)為車輪側(cè)向力；Fzi(t)為車輪法向力；μy,th為側(cè)向附著系數(shù)門檻值。

縱向速度和輪胎附著率屬于汽車在縱向動力學(xué)的表現(xiàn)，直接反映了汽車最速操縱的性能發(fā)揮，故本文進(jìn)一步提出以下評價指標(biāo)。

(1)汽車縱向速度評價指標(biāo)JU為

(5)

式中，u(t)為汽車縱向速度；uth為汽車縱向速度門檻值。

(2)汽車附著性能評價指標(biāo)JA為

(6)

式中，F(xiàn)xf(t)為前輪驅(qū)動力；Fzf(t)為前輪法向力；μx,th為縱向附著系數(shù)的門檻值。

1.2汽車最速操縱穩(wěn)定性的綜合評價指標(biāo)

以上提出的各單項(xiàng)評價指標(biāo)對汽車最速操縱穩(wěn)定性都有一定的影響，本文采用加權(quán)平方根值表示汽車最速操縱的綜合評價指標(biāo)JT，其表達(dá)式為

T=

(7)

式中，wB為駕駛員忙碌程度指標(biāo)權(quán)值；wR為側(cè)向加速度指標(biāo)權(quán)值；wΘ為汽車側(cè)傾角評價指標(biāo)權(quán)值；wS為汽車側(cè)滑危險(xiǎn)性評價指標(biāo)權(quán)值；wU為汽車速度評價指標(biāo)權(quán)值；wA為汽車附著性能評價指標(biāo)權(quán)值。

1.3各單項(xiàng)評價指標(biāo)門檻值和權(quán)值的確定

汽車最速操縱穩(wěn)定性各單項(xiàng)評價指標(biāo)權(quán)值具有如下關(guān)系：

(8)

其中，si,th為各單項(xiàng)評價指標(biāo)的門檻值，wei為實(shí)際權(quán)值，wi為理論權(quán)值，通過各單項(xiàng)門檻值可以計(jì)算出各門檻值的權(quán)值。根據(jù)參考文獻(xiàn)，可以得到最速操縱工況下各單項(xiàng)評價指標(biāo)的門檻值如表1所示，加權(quán)值如表2所示。

表1　各單項(xiàng)評價指標(biāo)門檻值

表2　各單項(xiàng)評價指標(biāo)加權(quán)值

2汽車最速操縱穩(wěn)定性單項(xiàng)評價指標(biāo)仿真

基于ADAMS/Car建立整車模型，模型的建立和汽車基本參數(shù)見文獻(xiàn)[9]。對汽車進(jìn)行雙移線仿真試驗(yàn)，整車仿真設(shè)置見文獻(xiàn)[10]。根據(jù)以上提出的各單項(xiàng)評價指標(biāo)表達(dá)式和表1取值，基于MATLAB，得到汽車最速操縱各單項(xiàng)評價指標(biāo)仿真結(jié)果如下。

(1)駕駛員忙碌程度評價指標(biāo)仿真結(jié)果。根據(jù)式(1)和表1，駕駛員忙碌程度的評價指標(biāo)仿真結(jié)果如圖1所示。從圖1可以看出，該評價指標(biāo)在整個超車過程中始終持續(xù)增大，說明駕駛員一直在忙碌。

圖1　駕駛員忙碌程度評價指標(biāo)仿真結(jié)果

(2)汽車側(cè)翻評價指標(biāo)仿真結(jié)果。以式(2)中的側(cè)向加速度評價指標(biāo)和式(3)中的側(cè)傾角評價指標(biāo)為基礎(chǔ)，通過加權(quán)，得到汽車側(cè)翻評價指標(biāo)仿真結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出，該評價指標(biāo)在2.5～6 s內(nèi)迅速增大，表明這個時間段發(fā)生側(cè)翻的危險(xiǎn)性比較高，應(yīng)給予高度重視。

圖2　汽車側(cè)翻評價指標(biāo)仿真結(jié)果

(3)汽車側(cè)滑危險(xiǎn)評價指標(biāo)仿真結(jié)果。根據(jù)式(4)和表1，汽車側(cè)滑危險(xiǎn)評價指標(biāo)仿真結(jié)果如圖3所示，該評價指標(biāo)是取四個車輪中最容易發(fā)生側(cè)滑的指標(biāo)為基準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算的。從圖3可以看出，該評價指標(biāo)隨時間延長穩(wěn)定增大，側(cè)滑危險(xiǎn)性增高。

圖3　汽車側(cè)滑危險(xiǎn)評價指標(biāo)仿真結(jié)果

(4)汽車縱向速度評價指標(biāo)仿真結(jié)果。根據(jù)式(5)和表1，汽車縱向速度評價指標(biāo)仿真結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出，該評價指標(biāo)隨時間呈現(xiàn)凸函數(shù)變化，表明汽車速度增大的同時，加速能力有所降低。

圖4　汽車縱向速度評價指標(biāo)仿真結(jié)果

(5)汽車附著性能評價指標(biāo)仿真結(jié)果。根據(jù)式(6)和表1，汽車附著性能評價指標(biāo)仿真結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出，在0～2 s和10～12 s附著性能評價指標(biāo)迅速增大，表明這兩個時間段輪胎附著性能變差。

圖5　汽車附著性能評價指標(biāo)仿真結(jié)果

3汽車最速操縱穩(wěn)定性綜合評價指標(biāo)仿真結(jié)果

根據(jù)圖1～圖5各單項(xiàng)評價指標(biāo)仿真結(jié)果和式(7)綜合評價指標(biāo)表達(dá)式，根據(jù)表2得到各單項(xiàng)評價指標(biāo)權(quán)值，對汽車進(jìn)行雙移線仿真試驗(yàn)，得到最速操縱時，汽車綜合評價指標(biāo)仿真結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出，當(dāng)初始車速u為90 km/h和初始車速為108 km/h時，評價指標(biāo)都隨時間的延長而增大，汽車操縱穩(wěn)定性變差，且車速低時評價指標(biāo)小，操縱穩(wěn)定性好。

圖6　綜合評價指標(biāo)仿真結(jié)果

4結(jié)語

基于ADAMS/Car對汽車進(jìn)行雙移線仿真試驗(yàn)，運(yùn)用MATLAB軟件對汽車狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算得到最速操縱的汽車單項(xiàng)評價指標(biāo)和綜合評價指標(biāo)仿真結(jié)果，仿真結(jié)果表明各單項(xiàng)評價指標(biāo)和綜合評價指標(biāo)都隨時間延長而增大，操縱穩(wěn)定性變差；并對比了不同初始車速下汽車的最速操縱穩(wěn)定性，仿真結(jié)果表明當(dāng)初始車速低時，操縱穩(wěn)定性綜合評價指標(biāo)小，操縱穩(wěn)定性好，符合實(shí)際情況。該評價指標(biāo)對汽車設(shè)計(jì)和評價汽車的操縱穩(wěn)定性有一定的參考和指導(dǎo)。

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(編輯王艷麗)

Study on Objective Evaluation Index of Vehicle Minimum Time Maneuver

Zhang LixiaLu JunPan FuquanSong Nianxiu

Qingdao University of Technology,Qingdao,Shandong,266520

Abstract:To evaluate the vehicle minimum time handling and stability, a comprehensive evaluation index of vehicle minimum time handling was proposed by adding the single factor evaluation index of speed and adhesion performance, considering the evaluation index of driver’ s busy, roll, sideslip. The double lane change test for vehicle was simulated with ADAMS/Car. The simulation results for the index values of single factor evaluation and comprehensive evaluation of vehicle minimum time handling were achieved. Moreover, the comprehensive evaluation index values of the handling and stability were compared under different initial speeds of the vehicle to complete double lane change test. The results show that both of the index values of single factor evaluation and comprehensive evaluation increase with time. The comprehensive evaluation index value of the minimum time handling and stability increases with the initial speed increasing, and the handling and stability are weakened.

Key words:vehicle; minimum time maneuver; handling and stability; evaluation index

收稿日期：2015-07-23

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51505244)；山東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(ZR2012EEL09)；山東省高等學(xué)?？萍加?jì)劃資助項(xiàng)目(J12LB08)

中圖分類號：U461.6

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.11.024

作者簡介：張麗霞，女，1978年生。青島理工大學(xué)汽車與交通學(xué)院副教授、博士。主要研究方向?yàn)檐囕v系統(tǒng)動力學(xué)及控制。發(fā)表論文40余篇。路軍，男，1984年生。青島理工大學(xué)汽車與交通學(xué)院碩士研究生。潘福全，男，1976年生。青島理工大學(xué)汽車與交通學(xué)院教授、博士。宋年秀，男，1963年生。青島理工大學(xué)汽車與交通學(xué)院教授、博士。