汽車動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性控制研究進(jìn)展

汽車非線性動(dòng)力學(xué)與穩(wěn)定性控制汽車動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性控制技術(shù)進(jìn)展提綱汽車瞬態(tài)非線性動(dòng)力學(xué)建模二失穩(wěn)過(guò)程測(cè)量與預(yù)判三動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性控制算法四研究背景一小結(jié)五2國(guó)際技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)3初期：致力于改進(jìn)輪胎、懸架、轉(zhuǎn)向與傳動(dòng)系來(lái)提高汽車固有的操縱穩(wěn)定性。上世紀(jì)80年代起，ABS、ESC、主動(dòng)懸架、SBC、主動(dòng)安全帶、ACC、安全輔助系統(tǒng)。政府主導(dǎo)安全計(jì)劃：日本先進(jìn)安全車（ASV），歐盟e-Safe。一、研究背景我國(guó)技術(shù)與行業(yè)現(xiàn)狀交通安全形勢(shì)嚴(yán)峻，交通事故傷亡10萬(wàn)人/年；自主開發(fā)汽車安全等級(jí)較低；主動(dòng)安全系統(tǒng)嚴(yán)重依賴國(guó)外技術(shù)與產(chǎn)品；關(guān)鍵零部件技術(shù)自主發(fā)展緩慢?。∫?、研究背景ESP是汽車動(dòng)力學(xué)與控制領(lǐng)域最核心技術(shù)代表，其系統(tǒng)構(gòu)成最早由VanZentan等提出。目前被德國(guó)Bosch、美國(guó)TRW等少數(shù)企業(yè)壟斷。采用ESP成為解決汽車穩(wěn)定性控制、提高主動(dòng)安全的首要技術(shù)手段。據(jù)統(tǒng)計(jì)采用ESP能將交通事故傷亡率降低30%以上。美國(guó)、歐盟自2012年期實(shí)施法規(guī)，強(qiáng)制安裝ESP。4ESP系統(tǒng)構(gòu)成ESP工作原理ESP：汽車動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性控制系統(tǒng)ABS：汽車制動(dòng)防抱死系統(tǒng)TCS：牽引力控制系統(tǒng)AYC：主動(dòng)橫擺力偶矩控制系統(tǒng)我國(guó)ESP技術(shù)缺失，自主品牌出口歐盟因ESP技術(shù)缺失無(wú)法滿足新的安全法規(guī)要求?！叭A晨再遭歐洲碰撞門，駿捷缺少ESP被判零星”

《中國(guó)汽車報(bào)》，2009.4.3課題組ABS關(guān)鍵技術(shù)，曾獲中國(guó)汽車工業(yè)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)（2005）突破ESP關(guān)鍵動(dòng)力學(xué)與控制核心技術(shù)成為我們近年來(lái)的攻關(guān)重點(diǎn)。一、研究背景5關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題ESP控制在穩(wěn)定、欠穩(wěn)定區(qū)域效果明顯，但仍無(wú)法防止汽車完全失控事故發(fā)生。——NHTSAReport，DOTHS810794，July，2007.本人在2008年，提出了汽車失穩(wěn)臨界區(qū)域概念，界定ESP由穩(wěn)定滑向失穩(wěn)過(guò)程，臨界失穩(wěn)時(shí)汽車由準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)向瞬態(tài)非線性快速過(guò)度，過(guò)度時(shí)間100ms量級(jí)。穩(wěn)定、欠穩(wěn)定區(qū)失穩(wěn)臨界研究目標(biāo)開展失穩(wěn)臨界區(qū)域汽車動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性控制研究，揭示汽車失穩(wěn)機(jī)理，研究失穩(wěn)防止控制算法，研制動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性控制器。在實(shí)現(xiàn)ESP基本功能樣機(jī)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步向失穩(wěn)臨界區(qū)域拓展，全面防范汽車極限工況失穩(wěn)。6一、研究背景研究體系3三個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：1）非線性瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)定量分析2）失穩(wěn)過(guò)程測(cè)量與預(yù)判3）穩(wěn)定性控制算法三個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：1）非線性瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)定量分析2）失穩(wěn)過(guò)程測(cè)量與預(yù)判3）穩(wěn)定性控制算法7批準(zhǔn)號(hào)負(fù)責(zé)人項(xiàng)目名稱經(jīng)費(fèi)50575120宋健教授基金面上項(xiàng)目：基于駕駛員駕駛意圖識(shí)別的汽車動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性控制方法25萬(wàn)50905092李亮青年基金項(xiàng)目：失穩(wěn)臨界區(qū)域汽車動(dòng)力學(xué)狀態(tài)實(shí)時(shí)觀測(cè)與穩(wěn)定性控制方法研究20萬(wàn)51275557李亮基金面上項(xiàng)目：汽車失穩(wěn)臨界區(qū)域非線性瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)定量描述理論和模型預(yù)測(cè)控制方法研究84萬(wàn)51422505李亮優(yōu)秀青年基金：汽車三維空間穩(wěn)定性機(jī)理與多安全系統(tǒng)協(xié)同100萬(wàn)04專項(xiàng)李亮ESP全工況性能模擬測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)研制620萬(wàn)基金支持4一、研究背景匯報(bào)內(nèi)容汽車瞬態(tài)非線性動(dòng)力學(xué)定量分析二失穩(wěn)過(guò)程測(cè)量與預(yù)判三動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性控制方法四研究背景一小結(jié)五8二、汽車瞬態(tài)非線性動(dòng)力學(xué)定量分析面向控制動(dòng)力學(xué)建模1面向結(jié)構(gòu)建模：ADAMS模型4輪15DOF模型實(shí)時(shí)仿真4輪7DOF模型在線控制修正的HSRI輪胎非線性建模整車與輪胎動(dòng)力學(xué)參量耦合：輪胎參量：[λ,α,μ,Fz,Vwh]整車參量：[ax,ay,Vx,β,σst]實(shí)現(xiàn)了HSRI物理特征模型在大聯(lián)合滑移的非線性區(qū)域內(nèi)根據(jù)運(yùn)動(dòng)參量在線修正的建模方法，解決了輪胎模型精確定量化與運(yùn)算實(shí)時(shí)性同時(shí)滿足的難題。模型精度：偏差<10%，16位機(jī)單次運(yùn)行時(shí)間<3ms9二、汽車瞬態(tài)非線性動(dòng)力學(xué)定量分析面向控制動(dòng)力學(xué)建模14輪7DOF模型：在線控制修正的HSRI輪胎瞬態(tài)非線性建模模型耦合輪胎：[λ,α,μ,Fz,Vwh]整車：[ax,ay,Vx,β,σst]實(shí)現(xiàn)了在大聯(lián)合滑移的非線性區(qū)域內(nèi)根據(jù)運(yùn)動(dòng)參量在線修正的建模方法，解決了模型精確定量化與運(yùn)算實(shí)時(shí)性同時(shí)滿足的難題。模型精度：偏差<10%，16位機(jī)單次周期<3ms10二、汽車瞬態(tài)非線性動(dòng)力學(xué)定量分析關(guān)鍵動(dòng)力學(xué)控制參量觀測(cè)體系2231構(gòu)建動(dòng)力學(xué)參量觀測(cè)器：

輪胎-路面動(dòng)態(tài)附著輪胎力及其參數(shù)

車身側(cè)偏角11二、汽車瞬態(tài)非線性動(dòng)力學(xué)定量分析純滑移過(guò)程附著特性識(shí)別模糊邏輯+耗散功率法動(dòng)力學(xué)參量觀測(cè)：輪胎-路面動(dòng)態(tài)附著輪胎-路面動(dòng)態(tài)附著特性3高附->低附12二、汽車瞬態(tài)非線性動(dòng)力學(xué)定量分析動(dòng)力學(xué)參量觀測(cè)：輪胎-路面動(dòng)態(tài)附著聯(lián)合工況路面動(dòng)態(tài)附著特性313二、汽車瞬態(tài)非線性動(dòng)力學(xué)定量分析動(dòng)力學(xué)參量觀測(cè)：輪胎力及其參數(shù)414發(fā)表在SCI期刊Int.J.VehicleDesign

論文被引用10余次。韓國(guó)Hanyang大學(xué)KunsooHuh教授在IEEE.Trans.VT

期刊論文中引用本研究成果，認(rèn)為：“提出的非線性近似觀測(cè)器實(shí)現(xiàn)了輪胎力和輪胎參量的同步實(shí)時(shí)觀測(cè)”，并在其論文中進(jìn)一步引用經(jīng)本人修正的HSRI輪胎模型用于汽車橫向運(yùn)動(dòng)監(jiān)控。二、汽車瞬態(tài)非線性動(dòng)力學(xué)定量分析動(dòng)力學(xué)參量觀測(cè)：車身側(cè)偏角5車載傳感器采集信號(hào)EKF卡爾曼濾波側(cè)向速度觀測(cè)基于7自由度車輛模型的側(cè)向加速度預(yù)估方向盤轉(zhuǎn)角輪缸壓力（估算）輪速縱向加速度車速（估算）橫擺角速度側(cè)向加速度預(yù)估側(cè)向加速度側(cè)向速度方向盤轉(zhuǎn)角輪缸壓力（估算）輪速車速（估算）橫擺角速度縱向加速度前一時(shí)刻側(cè)向速度路面附著系數(shù)實(shí)時(shí)估計(jì)名義橫擺角速度橫擺角速度偏差預(yù)估側(cè)向加速度側(cè)向速度路面附著系數(shù)實(shí)車路面附著系數(shù)路面附著系數(shù)側(cè)向速度側(cè)向速度側(cè)向速度觀測(cè)器雙移線實(shí)驗(yàn)：成果發(fā)表在Int.J.VehDesign，Int.J.AutoTech等SCI期刊上，土耳其Toosi科技大學(xué)Khaknejad教授認(rèn)為“提出了一種側(cè)偏估算算法，并在不同路面上驗(yàn)證了其魯棒性”，韓國(guó)科技大學(xué)Y.CHO教授指出本人論文“綜合比較分析了所開發(fā)不同自由度非線性模型并評(píng)述了模型的非線性特征”。15匯報(bào)內(nèi)容瞬態(tài)非線性動(dòng)力學(xué)定量分析二失穩(wěn)過(guò)程測(cè)量與預(yù)判三汽車動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性控制四研究背景一小結(jié)五16三、失穩(wěn)過(guò)程測(cè)量與預(yù)判汽車動(dòng)力學(xué)測(cè)量與分析1高斯投影坐標(biāo)變換國(guó)內(nèi)首款可實(shí)現(xiàn)精確非線性動(dòng)力學(xué)量測(cè)實(shí)車試驗(yàn)平臺(tái):測(cè)量整車動(dòng)力學(xué)參量多大33個(gè)。17帶基站差分GPS：2cm測(cè)姿；采用6軸IMU+3軸磁力計(jì)解耦橫向加速度與側(cè)傾加速度；三、失穩(wěn)過(guò)程測(cè)量與預(yù)判極限工況操縱特性分析2模型精度：最大位置偏差比傳統(tǒng)最優(yōu)預(yù)瞄駕駛員模型下降50%，最大橫擺偏差下降28%閉環(huán)測(cè)試需駕駛員模型沒有適用于極限工況的駕駛員模型：較好實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃、高精度軌跡跟隨，且考慮邊界約束。最優(yōu)預(yù)瞄駕駛員模型原理清晰、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、應(yīng)用方便、精度較高，應(yīng)用比較廣泛。代表論文：Comprehensivelateraldrivermodel…,Int.J.Auto.Tech.預(yù)瞄時(shí)間自適應(yīng)最優(yōu)預(yù)瞄駕駛員模型，機(jī)械工程學(xué)報(bào)18轉(zhuǎn)向可響應(yīng)分析三、失穩(wěn)過(guò)程測(cè)量與預(yù)判失穩(wěn)預(yù)判3穩(wěn)定性預(yù)測(cè)判據(jù)剔除異常操縱19匯報(bào)內(nèi)容汽車瞬態(tài)非線性動(dòng)力學(xué)定量分析二失穩(wěn)過(guò)程測(cè)量與預(yù)判三動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性控制四研究背景一小結(jié)五2021四、穩(wěn)定性控制算法汽車穩(wěn)定性控制基于駕駛意圖識(shí)別的控制方法輪胎-地面附著控制驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩控制基于模型的預(yù)測(cè)控制方法制動(dòng)力矩控制解耦123駕駛意圖識(shí)別轉(zhuǎn)向操縱控制目標(biāo)預(yù)測(cè)四、穩(wěn)定性控制算法基于駕駛員駕駛意圖識(shí)別的動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性控制1主控變量：橫擺角速度輔助控制變量：側(cè)偏角原因：1）橫擺角速度偏差直接反映了轉(zhuǎn)向特性和品質(zhì)2）橫擺角速度是直接測(cè)量的變量，可靠性高3）側(cè)滑時(shí)不足以反映汽車的失穩(wěn)狀態(tài)，輔助以質(zhì)心側(cè)偏角（低附路面）側(cè)向力主導(dǎo)型失穩(wěn)：穩(wěn)態(tài)橫擺角速度偏差控制運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)型失穩(wěn)：瞬態(tài)遲滯與超調(diào)控制穩(wěn)定性控制方程研究成果被國(guó)家自然科學(xué)基金委2009年發(fā)表的《加強(qiáng)基礎(chǔ)，倡導(dǎo)創(chuàng)新，規(guī)范管理，引領(lǐng)未來(lái)-NSFC機(jī)械學(xué)科年度結(jié)題項(xiàng)目評(píng)述》中作為機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域代表性成果加以介紹。22四、穩(wěn)定性控制算法穩(wěn)定性預(yù)測(cè)控制2提出基于非線性動(dòng)力學(xué)模型的橫擺角速度響應(yīng)預(yù)測(cè)控制方法轉(zhuǎn)向特性預(yù)判上圖：偏差在初期較大，滯后判斷為不能跟隨，容易過(guò)度干預(yù)中圖：對(duì)轉(zhuǎn)向狀態(tài)的判斷比較滯后下圖：融合上面兩種情況的優(yōu)點(diǎn)代表論文：SCI

3篇：Real-timeyawratepredictionbasedonnonlinearmodel…,J.AutomobileEngineering.Atorque-basednonlinearpredictivecontrolapproach...J.AutomobileEngineering.Multi-statecontrolstrategyofstartingforwetfrictionclutch...Int.J.Auto.Tech.23四、穩(wěn)定性控制算法扭矩與主動(dòng)制動(dòng)解耦控制3扭矩滑膜控制壓力滑膜控制代表論文：SCI1篇PIDplusfuzzylogicmethodforTCS…,

Int.J.Auto.Tech.CoordinatedVehicleTractionControl…,VehicleSystemDynamics.ESP/TCS控制中，動(dòng)力性和平順性有一定的矛盾：控制扭矩和壓力協(xié)調(diào)不好會(huì)對(duì)耗；路面突變時(shí)，如何快速調(diào)整且過(guò)渡平順，是控制的難點(diǎn)《Int.J.AutomotiveTechnology》Chiefeditor:Prof.SimsooPark:“YouhaddonemanyworksonTCSdevelopment,Simulationstudy,HILStest,andvehicletest…Itwillbeveryhelpfultoresearcherswhowanttodevelopsimilarcontrolsystem.”24四、穩(wěn)定性控制算法動(dòng)態(tài)附著控制：強(qiáng)驅(qū)動(dòng)抖振防止4振動(dòng)度（vibrationdegree）

TRWESP

消抖控制效果先后兩篇論文發(fā)表在本領(lǐng)域頂級(jí)期刊上：CoordinatedVehicleTractionControl…,VehicleSystemDynamics.Anovelfuzzylogiccorrectionalgorithm…,VehicleSystemDynamics.25匯報(bào)內(nèi)容汽車瞬態(tài)非線性動(dòng)力學(xué)定量分析二失穩(wěn)過(guò)程測(cè)量與預(yù)判三動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性控制四研究背景一小結(jié)五26五、小結(jié)提出基于駕駛員駕駛意圖識(shí)別的動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性控制方法，并拓展到失穩(wěn)臨界區(qū)域，實(shí)現(xiàn)了基于模型預(yù)測(cè)的汽車動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性控制方法。打破國(guó)際公司壟斷，研制了國(guó)內(nèi)首款達(dá)到美國(guó)FMVSS126法規(guī)的ESP技術(shù)。并在華晨尊馳、長(zhǎng)安C118、東風(fēng)猛士等4款轎車上得到應(yīng)用。制定了汽車動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性控制系統(tǒng)測(cè)試規(guī)范，并被華晨、長(zhǎng)安