橫擺角速度和側(cè)向加速度的綜合控制 - 主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向控制技術(shù)研究

　　D*控制(或稱為橫擺角速度和側(cè)向加速度的綜合控制)源于四輪轉(zhuǎn)向控制中對(duì)后輪轉(zhuǎn)向的控制策略，是一種對(duì)車輛的橫擺角速度和側(cè)向加速度進(jìn)行綜合控制的方法。在該控制中，控制的反饋量不再只有橫擺角速度，而是橫擺角速度與側(cè)向加速度的線性組合，如式(3)所示。

　　式中：Cy為側(cè)向加速度，VY為車速與橫擺角速度的乘積，兩者量綱一致，從這里可以看出，D*控制是一種側(cè)重于側(cè)向運(yùn)動(dòng)控制的控制方法。

　　D*控制框圖如圖6所示，其中D*由理想車輛模型推出的與車速有關(guān)的比例系數(shù)與駕駛員輸入的轉(zhuǎn)角求得。CFF(s)為前饋控制傳遞函數(shù)，主要實(shí)現(xiàn)的是隨車速改善車輛響應(yīng)增益，CFS(s)為反饋控制環(huán)節(jié)，用來生成附加轉(zhuǎn)角。

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　　與橫擺角速度反饋控制相比，D*控制可以進(jìn)一步提高車輛的轉(zhuǎn)向響應(yīng)速度，在抑制擾動(dòng)的同時(shí)，提高車輛軌跡跟蹤的能力，在側(cè)向運(yùn)動(dòng)要求比較高的工況下(如：低附著系數(shù)路面雙移線，側(cè)向陣風(fēng)直線行駛)效果較好。

　　2.3 側(cè)傾穩(wěn)定性控制

　　在車輛行駛過程中，高速過彎、緊急避讓和側(cè)向陣風(fēng)的干擾都有可能直接導(dǎo)致車輛側(cè)翻，另外，重心偏高的車輛也特別容易發(fā)生側(cè)翻。還有，當(dāng)駕駛員對(duì)車輛的側(cè)向穩(wěn)定性做出錯(cuò)誤估計(jì)時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致車輛側(cè)翻的發(fā)生。側(cè)向加速度是影響車輛側(cè)向穩(wěn)定性的主要因素，通過主動(dòng)轉(zhuǎn)向可有效地影響車輛的側(cè)向加速度從而控制車輛的側(cè)傾。一般來說，車輛的防側(cè)翻控制采用一個(gè)指示車輛側(cè)傾狀態(tài)的闕值，當(dāng)檢測(cè)到的側(cè)傾狀態(tài)超過闕值，則觸發(fā)防側(cè)翻控制。闕值可以是重心處的側(cè)向加速度、車輛側(cè)翻系數(shù)或者載荷轉(zhuǎn)移系數(shù)等。

　　圖7所示為基于主動(dòng)轉(zhuǎn)向和制動(dòng)集成控制的控制系統(tǒng)圖。圖中只為側(cè)翻系數(shù)，是由車輛的輪寬和簧載質(zhì)量重心處的側(cè)向加速度來求得。當(dāng)，|R|<1時(shí)，意味著車輛側(cè)向穩(wěn)定，而當(dāng)R=±1時(shí)，則意味著車輛左側(cè)或右側(cè)的車輪將抬離地面。該控制有兩種模式，當(dāng)|R|<0.9時(shí)，車輛正常行駛，控制系統(tǒng)處于連續(xù)操縱轉(zhuǎn)向控制模式，附加轉(zhuǎn)角根據(jù)對(duì)側(cè)傾阻尼的優(yōu)化策略產(chǎn)生，可以有效減小轉(zhuǎn)向產(chǎn)生的側(cè)傾，抑制處于車輛側(cè)傾共振頻帶內(nèi)的外界擾動(dòng)。當(dāng)，|R|≥0.9時(shí)，車輛處于側(cè)傾危險(xiǎn)狀態(tài)，控制系統(tǒng)進(jìn)入緊急轉(zhuǎn)向控制模式，此時(shí)附加轉(zhuǎn)角δR=kR(|R|-0.9)，可以有效增大車輛轉(zhuǎn)彎半徑，同時(shí)系統(tǒng)進(jìn)行一定的緊急制動(dòng)操作，進(jìn)一步降低車速，從而避免車輛發(fā)生側(cè)翻。

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　　在主動(dòng)轉(zhuǎn)向防側(cè)翻的控制中，由于附加轉(zhuǎn)角的存在，會(huì)影響車輛按照駕駛員意圖行駛的能力，因此控制策略中應(yīng)由一個(gè)關(guān)于汽車行駛時(shí)車道保持能力的控制方法，如采用主動(dòng)制動(dòng)的方法。由于車輛側(cè)翻的危害性比較大，因此這類控制一般都遵循了側(cè)翻控制優(yōu)先于車道跟隨的原則。

　　2.4 可變轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比的控制

　　操縱穩(wěn)定性實(shí)際上是一個(gè)人車路閉環(huán)系統(tǒng)的特性，操縱穩(wěn)定性的好壞最終決定于駕駛員感受，因而在主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向的控制中，如何提高駕駛員操縱的安全性和舒適性也成為提高系統(tǒng)操縱穩(wěn)定性的一個(gè)重要因素。在傳統(tǒng)汽車上，從方向盤到車輪的傳動(dòng)比是一個(gè)定值。在低速時(shí)，車輛如在泊車?？康裙r下，或者由于障礙物而突然變道時(shí)，需要駕駛員大幅、快速操縱方向盤，增加了駕駛員的身體負(fù)擔(dān)。相反，在高速時(shí)，由于車輛轉(zhuǎn)向響應(yīng)增益加大，較小的方向盤轉(zhuǎn)角就會(huì)產(chǎn)生較大的側(cè)向加速度，增加了駕駛員的精神負(fù)擔(dān)。可變轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比可有效地解決上述問題。一般來說，變轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比控制中轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比的變化主要取決于兩方面的因素：車速和方向盤轉(zhuǎn)角。隨著車速的升高，轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比增加，隨著方向盤轉(zhuǎn)角的增大，轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比減小，如圖8所示。這樣，可以使得駕駛員在低速時(shí)轉(zhuǎn)向輕便而高速時(shí)操縱穩(wěn)定。在目前的主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向控制中，許多控制算法都把可變轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比控制作為一個(gè)前饋環(huán)節(jié)，同反饋環(huán)節(jié)一起改善車輛的操縱穩(wěn)定性。在機(jī)械式主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，可變傳動(dòng)比是通過轉(zhuǎn)角疊加的方式實(shí)現(xiàn)的，其輸入、輸出關(guān)系如下：

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　　式中：Wsw為方向盤輸入轉(zhuǎn)角，Wring為主動(dòng)齒輪輸入轉(zhuǎn)角，α1、α2為兩者疊加的比例系數(shù)。

　　3 主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向動(dòng)力學(xué)控制展望

　　由于車輛橫擺角速度和側(cè)向加速度通過輪胎的側(cè)向力耦合，利用主動(dòng)轉(zhuǎn)向通過側(cè)向力來改善車輛的操縱穩(wěn)定性必然面臨無法解決的矛盾，即側(cè)向加速度與橫擺角速度無法同時(shí)達(dá)到比較理想的優(yōu)化狀態(tài)。如何理解這一矛盾的性質(zhì)以及如何實(shí)現(xiàn)車輛側(cè)向運(yùn)動(dòng)和橫擺運(yùn)動(dòng)的綜合改善從而進(jìn)一步提高車輛的操縱穩(wěn)定性，將是需要我們深人思考和研究的問題。

　　由于輪胎本身存在側(cè)向力飽和的情況，因此主動(dòng)轉(zhuǎn)向極限工況下作用非常有限。車輛的操縱穩(wěn)定性不僅可以通過轉(zhuǎn)向來影響，而且可以通過縱向運(yùn)動(dòng)(驅(qū)動(dòng)、制動(dòng))的控制產(chǎn)生的直接橫擺力矩來影響，同時(shí)，它還與車輛的懸架系統(tǒng)特性有著密切的關(guān)系。因此，主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與各系統(tǒng)間的集成控制就成為未來的必然選擇。通過集成控制，可以將各系統(tǒng)對(duì)操縱穩(wěn)定性影響的優(yōu)勢(shì)充分發(fā)揮出來，最大限度地提高車輛在極限工況下的穩(wěn)定性。目前，已經(jīng)出現(xiàn)了一些主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向與其他系統(tǒng)的集成控制方案，比較多見的是主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向與直接橫擺力矩控制的集成，以及主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向與主動(dòng)懸架的集成等。

　　圖9所示為主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向與直接橫擺力矩控制的集成控制系統(tǒng)的控制算法框圖。該控制系統(tǒng)可以提高車輛穩(wěn)定性，拓寬極限行駛區(qū)域，減小轉(zhuǎn)向幅度，更少產(chǎn)生由于制動(dòng)干預(yù)引起的急劇減速，從而使車輛行駛安全性、舒適性得到大大提高。

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　　圖10所示為豐田公司提出的一種主動(dòng)轉(zhuǎn)向和主動(dòng)懸架集成控制結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)由前輪轉(zhuǎn)向控制單元和阻尼力控制單元組成。分為正常模式和運(yùn)動(dòng)模式，通過一個(gè)開關(guān)來進(jìn)行選擇。在運(yùn)動(dòng)模式中，轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比更小，減振器的阻尼力大于正常模式。在兩種模式下，轉(zhuǎn)向力的感覺是相同的。