基于TTR預(yù)警的重型車輛防側(cè)翻控制算法_圖文

1、第39卷增刊2吉林大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版Vol.39Sup.22009年9月Journal of Jilin University (Engineering and Technology Edition Sept.2009收稿日期:2009204225.基金項目:高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金項目(200801830030;“863”國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃項目(2006AA110104.基于T TR 預(yù)警的重型車輛防側(cè)翻控制算法于志新1,2,宗長富2,何磊2,王素文3(1.長春工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院,長春130012;2.吉林大學(xué)汽車動態(tài)模擬國家重點實驗室,長春130022;3.長春理工大學(xué)理學(xué)院,長

2、春130022摘要:對建立的重型車輛8DO F 與5DO F 實時簡化動力學(xué)模型進行了比較,優(yōu)選出了能較好預(yù)測未來側(cè)翻危險程度的5DOF 模型,進而研究了基于該模型的實時T TR 側(cè)翻預(yù)警算法和基于預(yù)警算法的防側(cè)翻LQ R 最優(yōu)主動控制策略。應(yīng)用差動制動的方法對重型車輛進行了主動側(cè)傾控制,還選取魚鉤等四種轉(zhuǎn)向工況,以TruckSim 和MatLab 聯(lián)合仿真來驗證預(yù)警算法的精度與可靠性。仿真結(jié)果表明,基于差動制動的L QR 控制方法能有效地降低側(cè)翻指標橫向載荷轉(zhuǎn)移率(L TR ,避免側(cè)翻的發(fā)生,顯著提高了重型車輛的側(cè)傾穩(wěn)定性。關(guān)鍵詞:車輛工程;重型車輛;側(cè)翻預(yù)警;差動制動中圖分類號:U469.

3、5文獻標識碼:A 文章編號:167125497(2009Sup.220251204Algorithms of anti 2rollover control for heavy vehicle based on TTR w arningYU Zhi 2xin 1,2,ZON G Chang 2f u 2,H E Lei 2,WAN G Su 2wen 3(1.S chool of Mechat ronic Engineering ,Changchun Universit y of Technology ,Changchun 130012,China;2.S tate Key L aborator

4、y of A utomotive D y namic S im ulation ,J ilin Universit y ,Changchun 130022,China;3.De partment of Science ,Changchun Universit y of S cience and Technolog y ,Changchun 130022,China Abstract :The models of simplify real 2time dynamic for t he heavy vehicles was compared ,and a 5DO F model of heavy

5、 semi 2trailer was selected out because it can better predict t he f ut ure rollover risk.An algorit hm of real 2time T TR rollover warning based on t he model and optimal active cont rol strategies for anti 2rollover L QR based on t he algorit hm were researched.The heavy vehicles were active cont

6、rolled for rollover wit h differential braking.Accuracy and reliability of warning algorit hms was also verified using TruckSim and MatLab Co 2simulation for fishhook etc.steering sit uation.The result s show t his met hod can reduce rollover performance index of Lateral Load Transfer Ratio effectiv

7、ely and avoid occurred rollover and imp rove t he roll stability of heavy vehicles significantly.K ey w ords :vehicle engineering ;heavy vehicles ;rollover warning ;differential braking自上世紀90年代起,美、日、法等國都投入巨資開展針對SUV 和重型車輛的側(cè)翻預(yù)警和控制的研究,主要應(yīng)用基于側(cè)向加速度、側(cè)傾角及橫向載荷轉(zhuǎn)移率(L TR 2Lateral Load Transfer Ratio 門限值的警示算法。車

8、輛防側(cè)翻控制系統(tǒng)主要應(yīng)用主動懸架、主動橫向穩(wěn)定器和差動制動等來抑制車身側(cè)傾的趨勢,減少側(cè)翻事故的發(fā)生124。我國在汽車預(yù)防側(cè)翻主動安全控制方面還處吉林大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版第39卷于起步階段。吉林大學(xué)、南京航空航天大學(xué)等科研機構(gòu)針對重型半掛車側(cè)傾穩(wěn)定性問題,通過建立車輛側(cè)翻模型對質(zhì)心側(cè)偏角和橫擺角速度進行聯(lián)合控制,并應(yīng)用主動懸架和主動橫向穩(wěn)定器等方法對防側(cè)翻控制系統(tǒng)進行了仿真驗證526。本文提出了一種基于模型的側(cè)翻時間(T TR2Time To Rollover預(yù)警算法來判斷車輛接近側(cè)翻的程度,再結(jié)合預(yù)警參考模型預(yù)測出車輛側(cè)翻發(fā)生時間以提高汽車主動安全性。并對應(yīng)用線性二次型狀態(tài)調(diào)節(jié)器(L QR2Li

9、near QuadraticRegulator控制算法獲取最優(yōu)附加橫擺力矩,采取差動制動精確控制相應(yīng)制動車輪,降低側(cè)翻危險。1側(cè)翻預(yù)警算法T TR是指車輛以當前時刻運行到一側(cè)車輪離地時所需的時間。因為車輪離地是車輛側(cè)翻事故即將發(fā)生的信號。側(cè)翻發(fā)生后,真實的T TR可以反推求出。如圖1所示,一旦車輛側(cè)傾角超過設(shè)定的臨界值,就可以從側(cè)翻時刻起沿著T TR2時間曲線中一條斜率為-1的直線進行反推并定義事故發(fā)生前一個0.2s的時刻使其有0.2s的“真實T TR”。如果能實時預(yù)測重構(gòu)T TR,就可以精確描述和報告車輛側(cè)翻的危險程度7 。圖1TTR概念示意圖Fig.1Schematic diagram o

10、f TTR concept本文應(yīng)用吉林大學(xué)汽車動態(tài)模擬國家重點實驗室建立的重型半掛車8DO F及簡化5DO F模型做為預(yù)警參考模型來研究側(cè)翻預(yù)警算法5。T TR預(yù)警算法是以側(cè)翻模型來預(yù)測真實車輛狀態(tài)參數(shù)的響應(yīng),以當前狀態(tài)為初始值,步長為T s來計算模型的側(cè)翻指標。側(cè)翻指標選取基于模型的L TR(-1+1之間,其絕對值為1則說明車輛開始側(cè)翻。預(yù)設(shè)側(cè)翻預(yù)警門限值為X秒,當側(cè)翻指標第一次滿足側(cè)翻條件時記下計算步數(shù)N,得到預(yù)警時間T TR=N×T s。若X秒內(nèi)側(cè)翻指標不滿足側(cè)翻條件則停止計算,設(shè)置側(cè)翻預(yù)測時間為X s,即未來X s內(nèi)不會側(cè)翻;小于門限值則認為存在側(cè)翻風(fēng)險。T T R值越小則汽

11、車側(cè)翻風(fēng)險越高,T T R為0即說明汽車正在側(cè)翻。側(cè)翻預(yù)警算法流程如圖2所示 。圖2側(cè)翻預(yù)警算法流程圖Fig.2Flow chart of anti2rollover w arning algorithm2重型車輛側(cè)翻預(yù)警聯(lián)合仿真由于重型半掛車更容易側(cè)翻,所以對其預(yù)警就尤為重要。本文應(yīng)用TruckSim對5DOF、8DO F車輛預(yù)警模型分別在四種(斜坡、階躍、避障和魚鉤轉(zhuǎn)向工況下進行6080km/h車速的側(cè)翻預(yù)警仿真。限于篇幅,本文以圖3、圖4為例進行魚鉤轉(zhuǎn)向工況70km/h車速時的T TR預(yù)警和L TR對比結(jié)果說明 。圖370km/h時TTR預(yù)警對比Fig.3Comparison of TT

12、R w arning at70km/h由對比曲線可知,5DO F和8DO F模型在T TR門限值為3s時的預(yù)測效果較好,準確度都很高。再由此5DO F預(yù)警模型與TruckSim模擬252增刊2于志新,等:基于T TR預(yù)警的重型車輛防側(cè)翻控制算法 圖470km/h 時LTR 預(yù)警對比Fig.4Comparison of LTR w arning at 70km/h的真實車輛進行驗證,顯示此模型跟隨性好,側(cè)翻性能指標跟蹤效果穩(wěn)定。因此選5DOF 模型作為重型半掛車防側(cè)翻控制算法的預(yù)警參考模型。3防側(cè)翻控制算法與仿真3.1控制器的設(shè)計以實時參考模型為基礎(chǔ),應(yīng)用基于預(yù)警算法的防側(cè)翻L QR 最優(yōu)主動控

13、制策略,并以差動制動(DB 2differential braking 為防側(cè)翻控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)來對重型車輛進行主動側(cè)傾控制。 線性二次型最優(yōu)控制(L Q 2Linear Quadratic Optimization 是一種普遍采用的最優(yōu)控制系統(tǒng)設(shè)計方法,用以控制狀態(tài)空間表達式給出的線性系統(tǒng),其性能指標是系統(tǒng)狀態(tài)與控制輸入的二次型函數(shù)。而線性二次型狀態(tài)調(diào)節(jié)器(LQ R 則適用于無限長時間、線性時不變(L TI 2Linear Time 圖5線性二次型調(diào)節(jié)器構(gòu)造框圖Fig.5B lock diagram of Linear Q u adratic R egulatorInvariant二次型最

14、優(yōu)控制問題。本文控制器構(gòu)造如圖5所示。L QR 問題就是在線性系統(tǒng)的約束條件下,選擇控制輸入u (t ,使得二次型性能指標J 達到最小。J =(z T Q z +u T R u d t(1式中:矩陣Q 和R 為設(shè)計參數(shù),分別代表性能輸出z 和控制輸入u 的相對權(quán)重。對于實際問題,Q 是半正定,R 是正定的,(A ,B 0可控,(C 1,A 可觀測,則有最優(yōu)反饋矩陣:K FB =R -1B T0S(2唯一的最優(yōu)控制:u (t =-K FB x (t R -1B T0S x (t (3u (t 即為控制器所設(shè)計出的差動制動產(chǎn)生的實時最優(yōu)橫擺阻力矩,用以糾正車輛的不足轉(zhuǎn)向和過度轉(zhuǎn)向。S 為對稱、半正

15、定矩陣,是Riccati 方程:SA +A TS -SB 0R -1B T 0S +C T1QC 1=0(4的唯一解。閉環(huán)系統(tǒng):x (t =(A -B 0R -1B T0S x (t (5是漸進穩(wěn)定的,其解為最優(yōu)軌跡x 3(t 。3.2基于TTR 預(yù)警的防側(cè)翻控制算法如圖6所示,本文防側(cè)翻控制算法以T TR 為觸發(fā)信號,將L QR 決策得到的最優(yōu)附加橫擺力矩以差動制動方式精確控制相應(yīng)車輪制動。考慮重型半掛車具有后部放大效應(yīng)而使其橫擺和側(cè)翻穩(wěn)定極限降低,選取車輛的穩(wěn)定性控制目標為橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角,采用L Q R 最優(yōu)控制產(chǎn)生理想的附加橫擺力矩,再以圖7所示的差動圖6側(cè)翻控制算法流程圖Fig

16、.6Flow chart of algorithm for controlrollover圖7差動制動邏輯判斷框圖Fig.7B lock diagram of logic judgment for DB352吉林大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版第39卷制動邏輯控制相應(yīng)的制動車輪,最終通過抑制L TR 來防止車輛側(cè)翻。 4仿真結(jié)果分析如圖8所示,以魚鉤轉(zhuǎn)向工況下80km/h 車速進行基于差動制動的牽引車前輪制動力矩隨時間變化的仿真曲線(后輪略為例進行分析。 (a 左前輪 (b 右前輪圖8牽引車前輪制動力矩Fig.8B raking torque of tractor front wheel牽引車前輪預(yù)警控制時在

17、12.5s 所需制動力矩不到1.5kN m ,而基于連續(xù)控制時在02.5s 內(nèi)所需制動力矩最大達到2.25kN m ;牽引車右前輪預(yù)警控制時在36.7s 施加制動力矩,4s 后達到制動器飽和值3.5kN m ,而基于連續(xù)制動時在2.56.7s 施加制動力矩,在5s 才達到制動器飽和值3.5kN m ?？梢?此控制系統(tǒng)大大節(jié)省了制動能量,明顯降低了制動強度。由圖9可知,基于T TR 側(cè)翻預(yù)警控制,可將半掛車質(zhì)心側(cè)偏角幅度由控制前的3°減至0°附近。5結(jié)論(1本文對5DO F 和8DOF 重型半掛車預(yù)警模型與TruckSim 模擬的真實車輛進行了驗證,選取有更高運算速度和超實時

18、性的5DO F 模型作為重型車輛防側(cè)翻控制算法的預(yù)警參考模型。圖9半掛車質(zhì)心側(cè)偏角隨時間變化曲線Fig.9Change curve of side slip angle of semi 2trailer(2在魚鉤轉(zhuǎn)向等工況下,對參考模型進行仿真以驗證L Q R 防側(cè)翻控制算法。結(jié)果表明:此算法能很好的控制車輛側(cè)翻,防止側(cè)翻事故發(fā)生,具有很好的可靠性、普適性和穩(wěn)定性。參考文獻:1L und Y I ,Bernard J E.Analysis of simple rollovermetricsCSA E Paper 950306.2Chen Bo 2chiuan.Warning and contr

19、ol or vehiclerollver prevention D .Department of Mechanical Engineering ,University of Michigan ,2001.3Rakhja S ,Piche A.Development of directional sta 2bility criteria for an early warning safety device C SA E Paper 902265.4Ervin R D ,Winkler C B ,Fancher P S ,et al.Cooper 2ative agreement to foster the development of a heavy vehicle intelligent dynamic stability enhancement systemR .University of Michigan Transportation Research Institute ,1992.5麥莉,宗長富,