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| 汽車ABS彎道制動(dòng)的階梯控制-超級無敵獎(jiǎng)門人終極篇25-1984美國忌諱第一集黑人
前言汽車防抱制動(dòng)系統(tǒng)（abs）有多種車輪運(yùn)動(dòng)狀態(tài)調(diào)節(jié)方式，如獨(dú)立調(diào)節(jié)、低選調(diào)節(jié)、高選調(diào)節(jié)等，其中廣泛應(yīng)用的四通道abs獨(dú)立調(diào)節(jié)系統(tǒng)，每個(gè)車輪均為直接調(diào)節(jié)。也有一些轎車應(yīng)用三通道abs系統(tǒng)，兩前輪應(yīng)用直接調(diào)節(jié)，兩后輪應(yīng)用低選調(diào)節(jié)。這兩種abs系統(tǒng)雖然大大提高了汽車的抗側(cè)滑能力和有限度地提高了汽車的縱向制動(dòng)力，但是目前的設(shè)計(jì)仍有不足，主要表現(xiàn)在沒有從整車運(yùn)動(dòng)的角度來合理分配縱向制動(dòng)力和側(cè)向力，例如汽車在彎道上制動(dòng)時(shí)，由于縱向和橫向質(zhì)量轉(zhuǎn)移的結(jié)果，使得在制動(dòng)過程中各個(gè)車輪上的法向載荷變化很大，同時(shí)由于路面附著條件的不均勻性，導(dǎo)致各個(gè)車輪上的制動(dòng)力和側(cè)向力變化很大[1-3]，結(jié)果引起汽車彎道制動(dòng)時(shí)受力不平衡，產(chǎn)生過大的橫擺力矩，并降低了汽車抗側(cè)滑能力，常發(fā)生駛出彎道或嚴(yán)重甩尾現(xiàn)象。通常abs采用車輪滑移率和角減/加速度門限值的方法對車輪進(jìn)行防抱控制。車輪滑移率隨質(zhì)量轉(zhuǎn)移和路面附著條件不同變化很大，在制動(dòng)過程中并非是一個(gè)固定值[4-5]，尤其在彎道制動(dòng)過程中。如果在制動(dòng)過程中能對滑移率的門限值進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，就可以從整車運(yùn)動(dòng)的角度來合理分配縱向制動(dòng)力和側(cè)向力，從而更充分利用地面附著條件來提高車輛的制動(dòng)效能和制動(dòng)穩(wěn)定性。根據(jù)車輪滑移率附著性能曲線，如果減小滑移率門限值的下限，縱向附著系數(shù)下降，側(cè)向附著系數(shù)增大，即縱向制動(dòng)力下降，側(cè)向力增大。利用這一原理就可以通過控制滑移率門限值的方法達(dá)到控制各車輪上制動(dòng)力和側(cè)向力的目的，進(jìn)而控制整車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)一步保證車輛的制動(dòng)穩(wěn)定性和制動(dòng)效能。本文從汽車彎道制動(dòng)整車受力的角度出發(fā)，提出了汽車彎道制動(dòng)的階梯控制方法，在兩種典型附著性能的路面上對該控制方法進(jìn)行分析驗(yàn)證，并與其他滑移率控制方法進(jìn)行比較，結(jié)果證明該控制方法顯著改善了汽車abs彎道制動(dòng)的制動(dòng)性能。二、階梯控制模型將車輛簡化為一個(gè)沿圓形彎道行駛的質(zhì)點(diǎn)，質(zhì)量為m，如圖1。當(dāng)車輛行至o點(diǎn)（設(shè)為坐標(biāo)原點(diǎn)）時(shí)開始制動(dòng)，就產(chǎn)生沿切向的制動(dòng)力fx，要保持車輛沿圓形彎道穩(wěn)定地制動(dòng)，制動(dòng)力fx和側(cè)向力fy應(yīng)符合附著圓條件[6-7]，極限情況下需滿足 式中ψ0為路面峰值附著系數(shù)，此式表明制動(dòng)開始時(shí)側(cè)向力fy（等于離心力）較大，所以fx較小，隨著fy的減小fx可以不斷增大。 fy可由車輛圓周運(yùn)動(dòng)的關(guān)系式得到 式中ω（ω0）為車輛質(zhì)心相對運(yùn)動(dòng)瞬心的角速度（初角速度）；ω為角加速度；r為轉(zhuǎn)彎半徑。 式中ψx為整車的縱向附著系數(shù)。當(dāng)滑移率被控制在滑移率以內(nèi)時(shí)，車輪滑移率與附著系數(shù)大致成線性關(guān)系[8]，如圖2所示。 圖2中橫坐標(biāo)s為滑移率，s0為滑移率。前、后輪的縱向附著系數(shù)ψxf，xr與前、后輪的縱向滑移率sf，r的關(guān)系為 上述給出了不發(fā)生側(cè)滑時(shí)整車縱向極限制動(dòng)力和側(cè)向力（等于離心力）的關(guān)系，在制動(dòng)過程中若按此關(guān)系來分配每個(gè)車輪的縱向制動(dòng)力和側(cè)向力，能保證車輛在彎道制動(dòng)不發(fā)生側(cè)滑時(shí)制動(dòng)效能達(dá)到Zui大，但在分配制動(dòng)力時(shí)需要同時(shí)考慮整車橫擺穩(wěn)定性條件。針對目前常規(guī)的abs系統(tǒng)基于輪速信號的路面識別技術(shù)尚不成熟和輪胎路面相互作用的復(fù)雜性，還難以實(shí)現(xiàn)基于四輪滑移率獨(dú)立控制的彎道制動(dòng)力分配，文中提出了一種僅通過對前、后輪滑移率的階梯控制來改善車輛彎道制動(dòng)的側(cè)向穩(wěn)定性和橫擺穩(wěn)定性的控制策略。由于制動(dòng)過程中前輪動(dòng)態(tài)載荷增加，附著能力得到加強(qiáng)，采用前輪高滑移率控制（保證不發(fā)生側(cè)滑）會顯著提高制動(dòng)效能；而后輪側(cè)滑會導(dǎo)致車輛嚴(yán)重失穩(wěn)[6]，采用后輪低滑移率控制以提高后輪抗側(cè)滑能力。因此，在所提出的階梯控制中，采用后輪低滑移率控制。根據(jù)車輛的兩輪簡化模型的縱向制動(dòng)運(yùn)動(dòng)方程，可得整車縱向附著系數(shù)ψx與前、后輪縱向附著系數(shù)的關(guān)系，進(jìn)而利用式（4）得到與前、后輪縱向滑移的關(guān)系 式中α為車輛質(zhì)心到前軸的距離，m；b為車輛質(zhì)心到后軸的距離，m；l為軸距，m；h為車輛質(zhì)心高度，m。根據(jù)式（1）、式（2）、式（3）可求得制動(dòng)時(shí)間與整車縱向附著系數(shù)的關(guān)系 此式反映了對于一定路面附著條件，Zui大附著系數(shù)為ψ0時(shí)，在滿足轉(zhuǎn)向所需側(cè)向力的情況下，Zui大整車縱向附著系數(shù)的增長規(guī)律?？v向附著系數(shù)的增長規(guī)律隨著路面附著條件的不同或制動(dòng)過程中路面附著條件的變化而不斷更新。圖3為車輛制動(dòng)初速度為v0=55km/h，內(nèi)側(cè)前輪轉(zhuǎn)向角為δ1=7.2°，路面Zui大附著系數(shù)為0.8時(shí)，Zui大整車縱向附著系數(shù)增長趨勢的一個(gè)實(shí)例。 為驗(yàn)證階梯控制，按后輪滑移率低控的原則，給出式（7）在不同前、后輪滑移率控制下的整車縱向附著系數(shù)時(shí)，根據(jù)縱向附著系數(shù)求出對應(yīng)的施行該前、后輪滑移率控制方法的制動(dòng)時(shí)間點(diǎn)，見圖3中的圓點(diǎn)標(biāo)記。為使縱向附著系數(shù)更接近圖中制動(dòng)曲線，設(shè)t1為制動(dòng)時(shí)間點(diǎn)1、2的時(shí)間均值，在制動(dòng)的0～t1時(shí)間段內(nèi)采用制動(dòng)時(shí)間點(diǎn)1的前、后輪滑移率控制方法；t2為制動(dòng)時(shí)間點(diǎn)2、3的時(shí)間均值，在制動(dòng)的t1～t2時(shí)間段內(nèi)采用制動(dòng)時(shí)間點(diǎn)2的前、后輪滑移率控制方法；t3=2t2-t1，在制動(dòng)的t2～t3時(shí)間段內(nèi)采用制動(dòng)時(shí)間點(diǎn)3的前、后輪滑移率控制方法；在制動(dòng)時(shí)間t3以后采用制動(dòng)時(shí)間點(diǎn)4的前、后輪滑移率控制方法。 作為一個(gè)實(shí)例，式（7）中的前、后輪具體滑移率控制值的分配是基于仿真研究給出的，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)不同車輛進(jìn)行調(diào)整?；坡士刂浦档姆峙湫枰夹g(shù)條件要求較高的Zui優(yōu)控制來實(shí)現(xiàn)。上述給出的是一種比較典型的彎道制動(dòng)工況實(shí)例，其階梯控制歷經(jīng)了每個(gè)階段。事實(shí)上，階梯控制可以根據(jù)制動(dòng)工況不同直接從任何一個(gè)階段開始控制。極限工況下，如果路面附著條件較差，即使不制動(dòng)，即縱向附著系數(shù)控制為零，仍不能獲得足夠的轉(zhuǎn)向所需的側(cè)向力。此時(shí)階梯控制會一直保持在低滑移率控制階段，直到滿足轉(zhuǎn)向所需側(cè)向力（由于車速的降低）之后才會進(jìn)入階梯控制的下一個(gè)階段。另一極限工況是轉(zhuǎn)向所需的側(cè)向力足夠（路面附著條件良好，車速較低）時(shí)，階梯控制可能會直接進(jìn)入Zui后的高滑移率控制階段。由此可見，階梯控制能夠動(dòng)態(tài)地適應(yīng)制動(dòng)過程中路面的變化。三、階梯控制性能仿真在汽車彎道制動(dòng)中對上述階梯控制律進(jìn)行了仿真。選用捷達(dá)gtx轎車的有關(guān)參數(shù)，整車質(zhì)量為1445kg，其中整備質(zhì)量為1095kg，載質(zhì)量為350kg。（一）車輛在均勻一致的良好路面上彎道制動(dòng)車輛在均勻一致的良好路面上彎道制動(dòng)，路面附著系數(shù)取μ=0.8，設(shè)前橋內(nèi)側(cè)車輪的轉(zhuǎn)向角δ1=7.2°。分別對車輛初速度v0為55、60和70km/h時(shí)的制動(dòng)情況進(jìn)行分析，如圖4所示。其中圖4（a）為車輛質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)軌跡，x、y軸為圖1中坐標(biāo)系xoy的坐標(biāo)軸，它反映了車輛彎道制動(dòng)的側(cè)滑性能；它反映了車輛彎道制動(dòng)的橫擺性能。曲線a是四車輪的滑移率均控制在0.2，即，s1=s2=s3=s4=0.2（s1、s2、s3、s4分別為轉(zhuǎn)彎內(nèi)側(cè)前輪、外側(cè)前輪、內(nèi)側(cè)后輪、外側(cè)后輪的滑移率）時(shí)的性能曲線；s是在s1=s2=s3=s4=0.01時(shí)的性能曲線；i是在s1=s3=0105，s2=s4=0.2時(shí)的性能曲線；o是在s1=s3=0.2，s2=s4=0.05時(shí)的性能曲線；f是在s1=s2=0.05，s3=s4=0.2時(shí)的性能曲線；r是在s1=s2=0.2，s3=s4=0.05時(shí)的性能曲線；u是滑移率階梯控制時(shí)的性能曲線。從圖4中可以看出，3種制動(dòng)初速度下的制動(dòng)性能基本一致，由于低滑移率控制，曲線s接近于非制動(dòng)時(shí)汽車轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)的軌跡，所以它的運(yùn)動(dòng)軌跡和橫擺角曲線可以認(rèn)為較好地適應(yīng)了彎道行駛，可以作為制動(dòng)穩(wěn)定性的參照標(biāo)準(zhǔn)；與曲線s相比，曲線a制動(dòng)距離較短，可以作為制動(dòng)效能的參照標(biāo)準(zhǔn)。與曲線a比較，曲線o、f的制動(dòng)距離較大，且由于制動(dòng)開始后橫擺角迅速增加且過大而不能正常行駛；而曲線i和r由于橫擺角過小而且運(yùn)動(dòng)軌跡偏離曲線s較遠(yuǎn)，制動(dòng)性能也不理想，但r較i制動(dòng)距離短，所以制動(dòng)效能較高。在均勻一致的良好路面上，曲線a運(yùn)動(dòng)軌跡和橫擺角度接近于曲線s，而且制動(dòng)距離較短，所以，制動(dòng)性能較好，但當(dāng)遇到復(fù)雜路面，如對開路面時(shí)，或車速較高、轉(zhuǎn)彎半徑減小時(shí)，制動(dòng)性能變差，而曲線r的制動(dòng)性能變化不大。所以在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)考慮到車輛、路面、輪胎等各種復(fù)雜的不確定性因素時(shí)，采用具有一定制動(dòng)穩(wěn)定性和較高制動(dòng)效能的后輪低滑移率控制方法較為理想[9]。雖然曲線r能基本滿足制動(dòng)性能要求，但其運(yùn)動(dòng)軌跡和橫擺角度偏離曲線s較遠(yuǎn)，表現(xiàn)為過大的不足轉(zhuǎn)向性，而且隨著車速的增加，更加明顯?；谙嗤臈l件，用上述提出的階梯控制律，得出了圖4中3種制動(dòng)初速度下的曲線u。各曲線u的運(yùn)動(dòng)軌跡和橫擺角度均接近于對應(yīng)的曲線s，較曲線r具有適當(dāng)?shù)牟蛔戕D(zhuǎn)向性，且制動(dòng)過程平穩(wěn)，制動(dòng)距離接近或更短于曲線a（v0=55km/h時(shí)曲線a的制動(dòng)距離為19.729m，曲線u的制動(dòng)距離為19.475m；v0=60km/h時(shí)曲線a的制動(dòng)距離為23.799m，曲線u的制動(dòng)距離為24.936m；v0=70km/h時(shí)曲線a的制動(dòng)距離為32.922m，曲線u的制動(dòng)距離為36.732m）。因此，采用文中提出的階梯控制策略具有更高的綜合制動(dòng)性能和更好的速度適應(yīng)性。 （二）在內(nèi)低、外高附著的對開路面上彎道制動(dòng)為了進(jìn)一步驗(yàn)證階梯控制的合理性，對轉(zhuǎn)彎時(shí)內(nèi)側(cè)低附著、外側(cè)高附著的對開路面作進(jìn)一步研究。設(shè)內(nèi)側(cè)低附著路面的附著系數(shù)為0.3、外側(cè)高附著路面的附著系數(shù)為0.8，前橋內(nèi)側(cè)車輪的轉(zhuǎn)向角為δ1=7.2°，車輛初速度為v0=55km/h，其他條件同上。仿真結(jié)果如圖5所示，各曲線的定義同圖4。圖5中曲線a，即四車輪均為滑移率控制，運(yùn)動(dòng)軌跡和橫擺角度遠(yuǎn)離曲線s，且波動(dòng)較大，已不能正常轉(zhuǎn)向行駛；曲線o、f與曲線s較為接近，但制動(dòng)距離較大；曲線i和r如上所述，由于橫擺角過小而且運(yùn)動(dòng)軌跡偏離曲線s較遠(yuǎn)，制動(dòng)性能也不理想。 顯然，在該對開路面上采用階梯控制的曲線u在運(yùn)動(dòng)軌跡和橫擺角度性能上較曲線a、i和r均有明顯的改善，且制動(dòng)距離接近于曲線a和r，制動(dòng)效率較高。由此可見，階梯控制在對開路面上對制動(dòng)性能的改善更為顯著，說明所提出的階梯控制策略具有較好的路面適應(yīng)性。四、結(jié)論 1．通常abs在良好路面上彎道制動(dòng)時(shí)，采用四輪滑移率能基本滿足制動(dòng)性能的要求。當(dāng)考慮到路面、輪胎等各種復(fù)雜的不確定性因素時(shí)，可采用性能較穩(wěn)定的后輪低滑移率控制，而采用階梯控制策略具有更好的綜合制動(dòng)性能和適應(yīng)性。 2．在內(nèi)側(cè)低附著、外側(cè)高附著的對開路面上，階梯控制顯著改善了汽車abs彎道制動(dòng)的性能，提高了汽車彎道制動(dòng)的穩(wěn)定性并保證了制動(dòng)效能。 3．階梯控制策略基于前后輪滑移率控制得出，若技術(shù)條件允許通過各車輪獨(dú)立的滑移率控制，階梯控制能獲得更好的控制效果。 4．自適應(yīng)控制、自尋優(yōu)控制[10]等智能控制需要實(shí)時(shí)調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，有較大的決策滯后和執(zhí)行滯后，難以在通常的abs硬件系統(tǒng)中應(yīng)用。階梯控制是預(yù)設(shè)目標(biāo)的控制，且控制周期較長，對abs硬件系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求不高，具有更大的實(shí)用性。