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汽车稳定性控制方法仿真研究
Abstract
When cars are turning on the road with low adhesion coefficient or in high speed, the lateral force of the tire usually attains to the physical limit and the vehicle dynamics stability will be lost because of the exoteric disturbance or turning, so the traffic accidents frequently happen. The handling and the stability can be improved in limit condition by using the VSC. In recent years, Vehicle Stability Control gets great development aboard, and is gradually equipped to the moderate and top class cars; while in China, the research in this field is at very beginning. So, to study VSC has great significance for our country and also has broad application prospect. Based on the abroad achievements in this field and in order to provide the control strategy for ADSL , the thesis pays more attention to building stability control logic based on the yaw rate and lateral acceleration as the control variable. Paper Using ADSL driving simulators builds a stability control experiment platform. The control effects are evaluated by the ADSL driving simulators. First, the function and the construction of vehicle stability control system are introduced; the function and the construction of hydraulic modulator and control method of under steer (over steer) are discussed; the model of two degree stability control vehicle are introduced; and the effects of vehicle stability by side slip angle and yaw rate are discussed. Based on tire’s property, vehicle’s behaviors at tire adhesion limit are analyzed, and the effects of active brake control are discussed. The method of stability control is introduced based on the theory of mention above; the ideal two degree of freedom model is improved; the reason for choice of values and junction of dynamic model is discussed. The control effects are evaluated by set up a vehicle stability control test rig using CarSim. The method of Visits the DLL using the Labview software is introduced. The method of data transmission between the ADSL and personal computer is introduced. Using Labview builds a contact surface of stability control experiment platform. The control effects are evaluated by set up a vehicle stability control test rig using ADSL driving simulators. Key words: Vehicle Stability Control ； Driving Simulator ； Differential Brake ； Control Strategy ； CarSim
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硕士学位论文
第 1 章 绪论
1.1 汽车操纵稳定性研究的目的和意义
中国的汽车工业是中国工业经济领域中增长最快的产业之一。1992 年国内汽 车产量突破 100 万辆之后，近十五年每年平均增长 15% 。到 2006 年，产量达到 728 多万辆，已超过德国，仅次于美国、日本，居世界第三位。汽车在给人们生 活带来方便的同时，也带来不少社会问题，如环境，噪声污染等。但其中最重要 的是由于汽车数量的增多，驾驶者驾驶水平参差不齐，行车高速化，车流密集化， 驾驶员违章驾驶，以及交通环境的复杂性等原因所导致的各种交通事故。据统计， 每年我国由于交通事故造成的人员伤亡和经济财产损失呈逐年上升的趋势，使公 路交通安全成为一个广泛关注的社会性问题 [1~4] 。 造成交通事故的原因主要归结为以下几个方面：车辆自身的设计不够合理， 在特定的行驶环境下，车辆的操纵稳定性不好；车辆的某些零配件质量存在问题 或由于检修不及时，在车辆行驶过程中突然损坏，如爆胎，制动器失灵等原因； 交通法规或交通管理设备不够完善；驾驶员自身的心理或生理因素导致的交通事 故，如驾驶员酒后驾车，疲劳驾驶等。针对产生交通事故的不同原因，采用不同 的方法予以解决。如设计、研制操纵稳定性更好的汽车，建立完善的交通法规， 改善现有的交通条件，提高驾驶员的驾驶水平，增强驾驶员的责任心等。在众多 因素中，驾驶员因素，特别是由于驾驶员驾驶车辆时间过长使自身心理和生理上 的疲劳所导致的交通事故占有很大的比例。 如何提高汽车的安全性，减轻驾驶员的工作负担就成为摆在汽车设计者，汽 车生产商，交通管理者，以及汽车使用者面前的首要问题。这一安全问题包含两 方面的内容：主动安全性 (Active Safety) 和被动安全性 (Passive Safety) 。主动安全 性是指如何通过车辆的设计尽量减少或避免交通事故的发生；被动安全性是指通 过车辆的设计使车辆在发生事故时尽量减小对乘员的伤害。 主动安全性又称为事故预防性能，是指汽车能够帮助驾驶员在所有交通状况 下尽可能地避免交通事故的一种性能，包括可靠性、环境视见性、操纵稳定性和 加速制动性等。按照汽车事故的诱因比例从大到小地排列，其顺序是操纵稳定性、 加速制动性、环境视见性和可靠性。汽车主动安全性的研究方向则是如何尽量避 免发生交通事故。汽车作为驾驶员驾驶在道路上的交通工具，驾驶员、汽车和道 路三者构成了一个完整、有机的系统。汽车行驶的安全情况如何，不仅取决于汽 车本身，还取决于驾驶员的控制行为和汽车行驶的环境。也就是说，安全性涉及
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到三个方面 : 人、车和环境。 “首先要有可靠性高、安全性能好的汽车，这是解决 安全性问题的前提” [5~6] 。也就是说，解决安全问题的前提是汽车应具有的良好 的主动安全性。影响汽车主动安全性的众多特性中，按影响程度大小排序如下： 转向的瞬态响应特性；转弯制动性能；直线制动性能；转向的稳态响应特性；视 见性 ; 耐倾覆性；抗干扰性；回正性；可靠性。这九种因素中，其中有五种因素属 于操纵稳定性的范畴，可见操纵稳定性在汽车主动安全性中的重要性。 几十年来，如何设计汽车以获得良好的安全性，尤其是操纵稳定性，一直是 各国专家和设计者的主要研究的方向之一。特别是对于各汽车生产厂家来说，这 是必须解决好的大问题，否则就容易在激烈的竞争中被淘汰。汽车的操纵稳定性 是汽车理论的重要组成部分，它通常包含互相联系的两方面，即操纵性 (Handling) 和稳定性 (Stability) 。操纵性是指在驾驶者不感到过分紧张、疲劳的条件下，汽车 能 够 遵 循 驾 驶 者 通 过 转 向 系 及 转 向 车 轮 给 定 的 方 向 行 驶 ;稳 定 性 指 汽 车 在 遭 到 外 界干扰时，能够抵抗干扰而保持稳定行驶的能力。前者反映了汽车实际行驶轨迹 与驾驶员主观意图在时间上和空间上吻合的程度；后者描述了汽车运行状况的稳 定程度。但是两者很难分开，汽车操纵性能的丧失往往导致整车的侧滑，激转甚 至倾覆 ; 而汽车稳定性的丧失，常常又导致整车失控。因此，汽车技术文献中常把 两者统称为汽车操纵稳定性 [7~8] 。汽车的操纵稳定性不仅影响到汽车驾驶的操纵 方便程度，而且也是保证高速行驶安全的一个重要性能。 从上世纪七十年代开始，汽车制动防抱系统 (ABS) 开始在汽车上使用，它通 过对车轮制动滑移率的控制来防止车轮抱死，提高制动车轮的侧向附着能力，在 很大程度上改善了汽车制动时的侧向稳定性 [9~11] 。随着电子技术的发展， ABS 的 可靠性不断增强而成本不断降低，在上世纪八、九十年代得到了普遍的推广。现 在， ABS 已经成为现代汽车的标准装备。与 ABS 工作原理类似，汽车驱动防滑 系统 (ASR) 通过对驱动车轮驱动滑转率的限制提高汽车的驱动能力，并改善汽车 驱动时的稳定性 [12~13] 。 ABS 和 ASR 系统都不直接保证汽车的侧向稳定性，而是通过对轮胎纵向滑 移率的限制提高车轮侧向附着能力来间接保证的，因此在汽车行驶的很多复杂工 况下并不一定能保证汽车的稳定性。而汽车发生交通事故前的行驶状况往往比较 复杂，此时的轮胎处于附着极限附近，仅靠 ABS/ASR 的功能不一定能保证汽车 按照驾驶员的意图行驶，这对于躲避危险十分不利。这时由于轮胎处于附着极限 附近，车辆具有较强的非线性特性，而驾驶员普遍没有操纵非线性特性车辆的经 验 ， 容 易 引 起 慌 乱 而 发 生 事 故 。 奥 迪 公 司 1996 年 的 统 计 数 据 表 明 [14] ， 车 速 在 80km/h 到 100km/h 之间行驶的车辆发生的交通事故中， 有大约 40% 的事故与车辆 失去稳定有关；车速越高，由于汽车失稳引发的交通事故所占的比例越大，当车 速超过 160km/h 时几乎所有的事故都与车辆失稳有关。研究还表明 [15] ，在发生严