李勝琴，楊 慶

(東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院，哈爾濱 150040)

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基于Carsim與Simulink的微型客車防側(cè)翻控制聯(lián)合仿真研究

李勝琴，楊 慶

(東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院，哈爾濱 150040)

目前汽車穩(wěn)定性控制已成為汽車主動(dòng)安全領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，配有主動(dòng)安全控制系統(tǒng)的車輛能夠根據(jù)行駛條件和車輛運(yùn)行狀態(tài)對(duì)汽車進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，有效地控制車身姿態(tài)，提高汽車的側(cè)翻穩(wěn)定性和行駛安全性。本文主要針對(duì)微型客車在高速轉(zhuǎn)彎過(guò)程的側(cè)翻穩(wěn)定性進(jìn)行研究，利用Carsim軟件建立某微型客車參數(shù)化模型，在Simulink環(huán)境下進(jìn)行防側(cè)翻控制策略研究。設(shè)置車輛橫向載荷轉(zhuǎn)移率為側(cè)翻觸發(fā)門限，利用差動(dòng)制動(dòng)方法，提出控制目標(biāo)及控制策略，并通過(guò)仿真試驗(yàn)對(duì)所提出的控制策略加以驗(yàn)證。結(jié)果表明，本文所提出的控制策略能夠比較有效地控制車輛的側(cè)翻姿態(tài)，改善微型客車的側(cè)翻穩(wěn)定性。

微型客車；側(cè)翻穩(wěn)定性；Carsim；聯(lián)合仿真；控制

0 引 言

美國(guó)高速公路安全局(NHTSA)研究報(bào)告顯示，側(cè)翻事故在非碰撞導(dǎo)致的第一類有害致命交通事故中大約占90%的比例，非碰撞導(dǎo)致的車輛側(cè)翻事故占美國(guó)所有車輛交通事故的2.3%，但卻大約占全美惡性交通事故的11%[1]。近年來(lái)隨著我國(guó)交通運(yùn)輸業(yè)的迅猛發(fā)展，汽車側(cè)翻引起的重大事故也在不斷增加，造成了嚴(yán)重的人員傷亡和巨大的經(jīng)濟(jì)損失，已經(jīng)成為了全世界矚目的安全問(wèn)題。因此，對(duì)汽車的側(cè)翻問(wèn)題進(jìn)行分析研究，提高汽車的防側(cè)翻能力，減少側(cè)翻事故的發(fā)生，已逐漸成為當(dāng)今汽車工程領(lǐng)域研究的焦點(diǎn)。

微型客車具有較高的質(zhì)心高度以及相對(duì)較小的懸架剛度，因此在轉(zhuǎn)向時(shí)容易產(chǎn)生較大的車身側(cè)傾角以及側(cè)向載荷轉(zhuǎn)移，當(dāng)車身側(cè)傾角的大小超過(guò)輪胎側(cè)向載荷轉(zhuǎn)移所能補(bǔ)償?shù)臉O限時(shí)，車輛就可能發(fā)生側(cè)翻[2-5]。目前對(duì)大客車及乘用車防側(cè)翻穩(wěn)定性研究相對(duì)成熟，但對(duì)于微型客車的防側(cè)翻穩(wěn)定性研究，則相對(duì)較少。鑒于目前城市及城郊地區(qū)大部分校車仍采用微型客車，且綜合分析近幾年所發(fā)生的校車交通事故中，大多數(shù)為微型客車的側(cè)翻，且常常會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的后果，有必要進(jìn)行微型客車防側(cè)翻穩(wěn)定研究[6-8]。

本文以某微型客車為參考原型[11-14]，建立車輛側(cè)傾聯(lián)合仿真模型，在此基礎(chǔ)上對(duì)防側(cè)翻控制策略進(jìn)行研究，最后分別針對(duì)魚(yú)鉤試驗(yàn)及雙移線試驗(yàn)兩個(gè)典型的工況進(jìn)行仿真，對(duì)本文所提出的控制策略加以驗(yàn)證。

1 參數(shù)模型

本文在Carsim軟件環(huán)境下，基于某微型客車相關(guān)技術(shù)參數(shù)，建立參數(shù)化模型，根據(jù)需要，對(duì)車輛的各個(gè)子系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和調(diào)整，其中包括車體、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、輪胎、車橋和懸架系統(tǒng)等，所選車輛的部分參數(shù)配置見(jiàn)表1。

表1 某微型客車的參數(shù)配置Tab.1 Tab.1 the parameters of minivan

為了驗(yàn)證所建立的整車參數(shù)化模型是否正確、有效，進(jìn)行干路面工況下的車輛轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性的一系列仿真試驗(yàn)，并與實(shí)車路上試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

圖1為干路面工況下雙移線的試驗(yàn)值及模擬值的比較，檔位為三檔、車速為40 km/h，仿真時(shí)間7 s，步長(zhǎng)0.01 s，μ=0.8；圖2為三檔檔位、車速40 km/h，仿真時(shí)間12 s，步長(zhǎng)0.01 s時(shí)在干路面工況下蛇形繞障試驗(yàn)的試驗(yàn)值與模擬值比較，μ=0.8。

從圖中可以看出，所建立的整車參數(shù)化模型的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，認(rèn)為所建模型準(zhǔn)確，可以用來(lái)進(jìn)行整車動(dòng)力學(xué)性能的仿真分析，兩者之間未能完全重合可能是由于建立模型時(shí)對(duì)各系統(tǒng)進(jìn)行了相應(yīng)的簡(jiǎn)化造成的。

圖1 雙移線試驗(yàn)車輛橫擺角速度對(duì)比Fig.1 Comparison of vehicle yaw velocities in double lane test and simulation

圖2 蛇形試驗(yàn)車輛橫擺角速度對(duì)比Fig.2 Comparison of vehicle yaw velocities in snake lane test and simulation

2 控制策略

首先設(shè)置車輛側(cè)翻狀態(tài)觸發(fā)器，然后對(duì)車輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，判斷車輛是否處于側(cè)翻邊緣，如果即將發(fā)生側(cè)翻，則觸發(fā)控制器開(kāi)始實(shí)施控制。

首先從CarSim模型輸出信號(hào)，包括各個(gè)車輪的垂向力、車輛側(cè)向加速度和車身側(cè)傾角。由車輪垂向力計(jì)算出車輛的橫向載荷轉(zhuǎn)移率LTR，并根據(jù)LTR判斷是否觸發(fā)控制系統(tǒng)。當(dāng)控制系統(tǒng)被觸發(fā)時(shí)，對(duì)車輛前外輪制動(dòng)，從而使車輛產(chǎn)生一個(gè)與側(cè)翻方向相反的橫擺力矩，減小或消除側(cè)翻趨勢(shì)，從而抑制側(cè)翻的發(fā)生[15]。在新的狀態(tài)下重新計(jì)算LTR，判斷是否需要繼續(xù)控制，如果LTR降到安全范圍內(nèi)，則停止控制。

2.1 觸發(fā)指標(biāo)和觸發(fā)條件

車輛的橫向載荷轉(zhuǎn)移率在評(píng)價(jià)車輛側(cè)翻危度時(shí)是一個(gè)非常有效的指標(biāo)，定義為左、右側(cè)車輪垂直載荷之差與總的輪胎載荷之比[16-17]。

(1)

式中：FL、FR分別為左、右側(cè)車輪的垂直載荷。LTR的取值范圍是-1～1，大于零說(shuō)明車輛發(fā)生右轉(zhuǎn)，小于零說(shuō)明車輛發(fā)生左轉(zhuǎn)。當(dāng)汽車直線穩(wěn)定行駛時(shí)，如果載荷對(duì)稱的話，左、右車輪的垂直載荷相等，則LTR=0；當(dāng)汽車有側(cè)傾運(yùn)動(dòng)時(shí)，汽車左、右輪胎載荷會(huì)有所變化，此時(shí)LTR不等于0；當(dāng)一側(cè)車輪離開(kāi)地面，即汽車發(fā)生側(cè)翻時(shí)，離地車輪的垂直載荷變成0，F(xiàn)L=0或者FR=0，此時(shí)LTR的絕對(duì)值變成1。因此LTR的絕對(duì)值變化范圍為|LTR|∈[0，1]，由此可知，當(dāng)|LTR|<1時(shí)，汽車所有車輪都保持接地狀態(tài)，沒(méi)有發(fā)生側(cè)翻危險(xiǎn)，處于穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)|LTR|=1時(shí)，汽車內(nèi)側(cè)車輪離開(kāi)地面，車輛即將發(fā)生側(cè)傾失穩(wěn)，LTR的絕對(duì)值越大，發(fā)生側(cè)傾的可能性越大。

無(wú)論汽車左轉(zhuǎn)還是右轉(zhuǎn)都有可能出現(xiàn)側(cè)翻危險(xiǎn)，所以本文以LTR的絕對(duì)值作為控制系統(tǒng)的觸發(fā)條件。為保證汽車行駛的安全性和控制系統(tǒng)起作用的及時(shí)性，設(shè)定|LTR|=0.8為觸發(fā)門限值。當(dāng)LTR絕對(duì)值大于等于0.8時(shí)，說(shuō)明汽車有發(fā)生側(cè)翻的危險(xiǎn)，此時(shí)控制系統(tǒng)開(kāi)始起作用，對(duì)車輛進(jìn)行防側(cè)翻控制。

2.2 車輪制動(dòng)方案

差動(dòng)制動(dòng)是指汽車行駛過(guò)程中對(duì)某一個(gè)車輪或者幾個(gè)車輪分別施加相應(yīng)的制動(dòng)力，以調(diào)整車輛的運(yùn)行狀態(tài)，使其保持良好的操縱穩(wěn)定性，是抑制汽車發(fā)生側(cè)翻的一種有效途徑。采用差動(dòng)制動(dòng)的方法不僅能夠改變車輛的側(cè)向運(yùn)動(dòng)情況，還可以對(duì)橫擺和側(cè)傾運(yùn)動(dòng)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，從而有效地抑制汽車的側(cè)傾趨勢(shì)，達(dá)到防側(cè)翻控制目的[18-19]。對(duì)車輛各個(gè)車輪分別實(shí)施制動(dòng)時(shí)，所產(chǎn)生的橫擺力矩對(duì)汽車的影響是不一樣的。圖3所示為干路面附著條件下對(duì)車輛各個(gè)車輪分別施加制動(dòng)力時(shí)，對(duì)車輛橫擺運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的效果。

很明顯可以看出，當(dāng)對(duì)后內(nèi)輪施加制動(dòng)力時(shí)產(chǎn)生的橫擺力矩增加最為明顯，其次是對(duì)前外輪制動(dòng)，而對(duì)前外輪制動(dòng)所產(chǎn)生的橫擺力矩和轉(zhuǎn)彎方向相反，能夠起到增加汽車不足轉(zhuǎn)向能力的作用，因此，在汽車過(guò)度轉(zhuǎn)向時(shí)，如果對(duì)前外輪進(jìn)行制動(dòng)，能夠最有效的減小汽車過(guò)度轉(zhuǎn)向趨勢(shì)。同樣的道理，對(duì)后內(nèi)輪施加制動(dòng)所產(chǎn)生的橫擺力矩和轉(zhuǎn)彎方向相同，可以起到增加汽車過(guò)度轉(zhuǎn)向能力的作用，在汽車不足轉(zhuǎn)向嚴(yán)重時(shí)，如果對(duì)后內(nèi)輪進(jìn)行制動(dòng)，能夠最有效的增加過(guò)度轉(zhuǎn)向趨勢(shì)。對(duì)另外兩個(gè)車輪進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，由于由制動(dòng)力產(chǎn)生的橫擺力矩方向不固定，并且開(kāi)始時(shí)效率較低，所以能起到的效果比較有限。

圖3 各車輪制動(dòng)力和車輛橫擺力矩關(guān)系圖Fig.3 Relationship between dynamic force and yaw moment of each wheel

有側(cè)翻趨勢(shì)時(shí)，需要對(duì)車輛施加橫擺力矩，以削弱車輛過(guò)度轉(zhuǎn)向趨勢(shì)，增加不足轉(zhuǎn)向能力，因此，本文選擇最有效的外前輪制動(dòng)進(jìn)行主動(dòng)防側(cè)翻控制。所以只需設(shè)計(jì)一個(gè)控制器，在汽車有側(cè)翻趨勢(shì)時(shí)對(duì)前外輪實(shí)施制動(dòng)，就可以達(dá)到抑制側(cè)翻的目的?？刂频哪繕?biāo)車輪有兩個(gè)，分別是左右前輪。當(dāng)汽車向右轉(zhuǎn)有側(cè)翻危險(xiǎn)時(shí)就對(duì)左前輪進(jìn)行單獨(dú)制動(dòng)，當(dāng)汽車向左轉(zhuǎn)有側(cè)翻危險(xiǎn)時(shí)就對(duì)右前輪進(jìn)行單獨(dú)制動(dòng)。

2.3 控制方法

模糊控制策略利用模糊邏輯以及近似推理，輸出所需要的控制量，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行有效的控制。本文所建立模糊控制器的控 制 過(guò) 程如圖4所示，其中虛線框內(nèi)表示的就是模糊控制器，e為輸入，u為輸出。

圖4 控制流程圖Fig.4 The fuzzy control process

本文的模糊控制器選擇標(biāo)準(zhǔn)的二維控制結(jié)構(gòu)，把車輛的側(cè)向加速度誤差e與誤差的變化率ec做為輸入，輸出為目標(biāo)車輪制動(dòng)力u，e、ec和u分別對(duì)應(yīng)的模糊量以E、EC、U表示。確定各變量的模糊子集，E的模糊集為{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}，EC的模糊集為{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}，U的模糊集為{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}。各個(gè)模糊量意義如下：NB-負(fù)大，NM-負(fù)中，NS-負(fù)小，Z-幾乎為零，PS-正小，PM-正中，PB-正大。

把誤差E、誤差變化率EC和控制量U的論域均設(shè)置為{-1，-0.8，-0.6，-0.4，-0.2，0，0.2，0.4，0.6，0.8，1}，E、EC、U的隸屬函數(shù)均為7個(gè)，它們的隸屬函數(shù)曲線分別如圖5～7所示。

圖5 側(cè)向加速度誤差隸屬函數(shù)Fig. 5 Membership function of lateral acceleration error

圖6 誤差變化率隸屬度函數(shù)Fig.6 Membership function of error rate

圖7 制動(dòng)力隸屬度函數(shù)Fig.7 Membership function of braking force

由于輸入e、ec包含的模糊語(yǔ)言變量均為7個(gè)，需要制定49條模糊規(guī)則，模糊規(guī)則根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行制定。表2為模糊規(guī)則表。

2.4 聯(lián)合仿真

本文擬利用CarSim軟件所建立的車輛模型，在Simulink環(huán)境下進(jìn)行防側(cè)翻控制策略研究。所建立的Carsim模塊的輸入變量有兩個(gè)，分別是左右前輪制動(dòng)力，同時(shí)也是Simulink的輸出變量。CarSim模塊的輸出變量有7個(gè)，分別是4個(gè)車輪垂直載荷、車輛的側(cè)向加速度、質(zhì)心側(cè)偏角以及橫擺角速度。

表2 模糊規(guī)則表Tab.2 The fuzzy rule table

把在CarSim中完成的模型輸入到Simulink，根據(jù)控制的需要所建立的控制模型如圖8所示。

圖8 控制模型Fig.8 Control model

其中LTRCalculator是橫向載荷轉(zhuǎn)移率的計(jì)算器，如圖9所示，輸入信號(hào)1～4依次分別代表左前、左后、右前、右后4個(gè)車輪的垂向載荷。

Trigger of Controller為控制器觸發(fā)模塊，其觸發(fā)閾值設(shè)為0.8，當(dāng)輸入信號(hào)LTR的絕對(duì)值大于等于0.8時(shí)觸發(fā)控制器。其結(jié)構(gòu)圖10所示。

Controller是控制器，本文采用模糊控制，模糊控制器如圖11所示。輸入變量為側(cè)向加速度誤差e和誤差變化率ec，輸出均為目標(biāo)車輪制動(dòng)力。

圖9 LTR計(jì)算模塊Fig.9 LTR Calculator

圖10 觸發(fā)器結(jié)構(gòu)圖Fig.10 Trigger of Controller

圖11 控制器Fig.11 Controller

3 控制策略驗(yàn)證

為了驗(yàn)證控制策略的有效性，分別進(jìn)行魚(yú)鉤試驗(yàn)和雙移線試驗(yàn)，通過(guò)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)過(guò)程中車輛的側(cè)向加速度和車身側(cè)傾角來(lái)判斷車輛的運(yùn)行姿態(tài)變化。

3.1 魚(yú)鉤試驗(yàn)

選取容易發(fā)生側(cè)翻的高附著路面進(jìn)行控制仿真試驗(yàn)。仿真時(shí)所設(shè)置的起始車速為80 km/h，路面摩擦系數(shù)設(shè)為0.8。設(shè)置前輪輸入采用美國(guó)高速公路安全局(NHTSA)所設(shè)計(jì)的魚(yú)鉤試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

圖12為試驗(yàn)所得車輛側(cè)向加速度對(duì)比曲線，圖13為車身側(cè)傾角曲線。從曲線圖可以看出，在沒(méi)有施加控制的情況下，車輛側(cè)向加速度及車身側(cè)傾角均處于反復(fù)震蕩的過(guò)程，側(cè)向加速度和車身側(cè)傾角的幅值都比較大。施加控制后，側(cè)向加速度有一定程度的下降，波動(dòng)幅度減??；車身側(cè)傾角幅值明顯減小，從最大9°左右最后穩(wěn)定在4°左右，且震蕩程度減小，說(shuō)明本文所設(shè)計(jì)施加的制動(dòng)力控制起到了抑制側(cè)翻的效果。

3.2 雙移線試驗(yàn)

在雙移線工況下，汽車車速越高，就越容易發(fā)生側(cè)翻。本文選取80 km/h的雙移線工況進(jìn)行模擬仿真，路面附著系數(shù)0.8。

圖12 魚(yú)鉤試驗(yàn)下側(cè)向加速度對(duì)比曲線Fig.12 Lateral acceleration contrast curve

圖13 魚(yú)鉤試驗(yàn)下車身側(cè)傾角對(duì)比曲線Fig.13 Body roll angle contrast curve in fish hook

圖14為雙移線試驗(yàn)所測(cè)得車輛側(cè)向加速度曲線，

圖14 雙移線下側(cè)向加速度對(duì)比曲線Fig.14 Contrast curve of lateral acceleration

圖15為車身側(cè)傾角曲線。從圖中可以看出，施加控制后，大約在3.5 s時(shí)控制器開(kāi)始工作，最大側(cè)向加速度快速降低，由原來(lái)的0.8 g降低到0.6 g。最大車身側(cè)傾角值也由原來(lái)的5°左右降低到4°左右，在一定程度上抑制了側(cè)翻的發(fā)生。

圖15 雙移線下車身側(cè)傾角對(duì)比曲線Fig.15 Contrast curve of body roll angle in double lane

4 結(jié) 論

(1)采用差動(dòng)制動(dòng)的控制策略，根據(jù)4個(gè)車輪單獨(dú)制動(dòng)時(shí)對(duì)汽車橫擺運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的影響，選取效果最明顯的前外輪輪缸壓力為控制對(duì)象。以車輛行駛過(guò)程中的橫向載荷轉(zhuǎn)移率LTR為依據(jù)，判斷行駛車輛是否將要發(fā)生側(cè)翻，設(shè)計(jì)側(cè)翻控制觸發(fā)器，當(dāng)LTR的絕對(duì)值超過(guò)0.8時(shí)，觸發(fā)器就會(huì)被觸發(fā)，控制器開(kāi)始起作用。

(2)基于側(cè)向加速度的反饋，采用模糊控制方法，建立防側(cè)翻控制器，用于車輛防側(cè)翻控制。為了驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)的控制器的有效性，利用CarSim軟件和MATLAB/Simulink軟件，建立了微型客車的聯(lián)合仿真模型，將CarSim環(huán)境下的整車參數(shù)模型導(dǎo)入到Simulink環(huán)境中，添加控制系統(tǒng)模型，實(shí)施聯(lián)合仿真。

(3)依據(jù)相關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，選取魚(yú)鉤試驗(yàn)工況、雙移線工況進(jìn)行模擬仿真，對(duì)本文所提出的控制策略進(jìn)行驗(yàn)證。對(duì)比施加控制的車輛與沒(méi)有控制的車輛在行駛過(guò)程中的車身側(cè)傾角和側(cè)向加速度等參變化，結(jié)果表明本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)可以有效提高汽車側(cè)翻穩(wěn)定性，抑制側(cè)翻的發(fā)生。

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Co-simulation Study of Minivan RolloverBased on Carsim and Simulink

Li Shengqin，Yang Qing

(Traffic College，Northeast Forest University Harbin，150040)

At the present，the vehicle stability control has become a research hotspot in the field of vehicle active safety.Vehicle with active safety control system can control the car body in the real-time according to the driving conditions and running state.Effectively control of the vehicle attitude improves the vehicle rollover stability and driving safety.This paper investigated the rollover stability mainly of the minivan at high speed in the process of turning.A parametric model of the vehicle was established using Carsim software.The proposed control strategy to prevent rollover was studied through Simulink simulation experiment.The transfer rate of vehicle lateral load was set as rollover trigger threshold，and the control objectives and control strategy were proposed using the method of differential braking.The proposed control strategy was verified through the simulation tests.The results demonstrated that the proposed control strategy could effectively control the vehicle rollover posture and could improve the rollover stability of minivan.

Minivan；rollover stability；CarSim；co-simulation；control

2016-05-24

黑龍江省科學(xué)基金項(xiàng)目(E2016003)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(DL13CB07)

李勝琴，博士，副教授。研究方向：車輛動(dòng)力學(xué)及控制。E-mail：lishengqin@126.com

李勝琴，楊 慶.基于Carsim與Simulink的微型客車防側(cè)翻控制聯(lián)合仿真研究[J].森林工程，2016，32(6)：44-49.

U 461.6

A

1001-005X(2016)06-0044-06