汽车线控制动系统设计和分析外文翻译资料

 2022-10-29 10:10

138 IEEE TRANSACTIONS ON VEHICULAR TECHNOLOGY, VOL. 57, NO. 1, JANUARY 2008

Automobile Brake-by-Wire Control System

Design and Analysis

Weidong Xiang, Paul C. Richardson, Chenming Zhao, and Syed Mohammad

Abstract—The automobile brake-by-wire (BBW) system, which

is also called the electromechanical brake system, has become a

promising vehicle braking control scheme that enables many new

driver interfaces and enhanced performances without a mechan-

ical or hydraulic backup. In this paper, we survey BBW control

systems with focuses on fault tolerance design and vehicle braking

control schemes. At first, the system architecture of BBW systems

is described. Fault tolerance design is then discussed to meet the

high requirements of reliability and safety of BBW systems. A

widely used braking model and several braking control schemes

are investigated. Although previous work focused on antilock

and antislip braking controls on a single wheel basis, we present

a whole-vehicle control scheme to enhance vehicle stability and

safety. Simulations based on the whole-vehicle braking model

validate a proposed fuzzy logic control scheme in the lateral and

yaw stability controls of vehicles.

Index Terms—Brake-by-wired, braking model, fault tolerance, networked control systems, stability control.

  1. INTRODUCTION

BRAKE-BY-WIRE (BBW) system consisting of electro-

Amechanical actuators and communication networks, in-

stead of conventional hydraulic or electrohydraulic devices, has

emerged as a new and promising vehicular braking control

scheme. It offers enhanced safety and comfort, cuts off cost associated with manufacturing and maintenance, and elimi-

nates environmental concerns caused by hydraulic systems. The

BBW system has recently invoked a lot of interest for both industry and academia worldwide.

In a BBW system, brake force is initiated by a driver and

applied to the electronic motor-driven actuators at four wheels. The BBW system offers easy connection with other vehicular

systems, enabling a simple integration of vehicle traction and

stability control. The BBW systems provide better control of

pedal stiffness, vehicle stability, and brake force distribution

than a conventional hydraulic or electrohydraulic system. The advantages of the BBW systems are listed as follows:

  1. elimination of complex and heavy mechanic or hydraulic parts;

Manuscript received May 19, 2006; revised December 27, 2006 and January 11, 2007. The review of this paper was coordinated by Dr. M. Abul Masrur.

W. Xiang and P. C. Richardson are with the Department of Electrical

and Computer Engineering, University of Michigan-Dearborn, Dearborn,

MI 48128 USA.

C. Zhao is with Expedia Inc., Bellevue, WA 98005 USA.

S. Mohammad is with U.S. Armyrsquo;s Tank-Automobile Research Develop-

ment and Engineering Center, Warren, MI 48397 USA.

Digital Object Identifier 10.1109/TVT.2007.901895

  1. improved efficiency and stability of brake control due to the quick and accurate generation of brake torques by electric motors;
  2. enhanced diagnostic capability of braking system;
  3. easier adaptation of assistance systems [e.g., antiblock system and electronic stability program (ESP)] without additional mechanical or hydraulic components;
  4. cost reduction in the phases of design, construction, as-

sembly, and maintenance;

  1. space saving and less weight;
  2. elimination of environmental concerns associated with traditional hydraulic braking systems.

Although the BBW system promises benefits and efficiency, its reliability and safety is the most important concern that necessitates a fault tolerance and fail-safe system architecture.

To enhance safety, the BBW systems naturally require redun-

dancies in power supply, sensors, actuators, and information processing and delivery and have provisions for error detection and fault tolerance management.

This paper examines the effectiveness of a BBW system

adopting differential brake torques for lateral and yaw stability controls. The lateral motion control of a moving vehicle is an important component of intelligent vehicle highway systems. Losses of lateral control and yaw stability for a traveling vehicle may result from side wind force, tire pressure losses, or braking in diverse road and vehicle situations. Under some situations,

drivers could not respond to the yaw instability in time, which

make it meaningful to have automatic lateral and yaw stability controls. The vehicle yaw stability control compensates for driverrsquo;s controls during the panic reaction time by generat-

ing instant and corrective yaw moments. The BBW systems

could easily produce a yaw moment by using differential braking.

This paper is organized as follows. The brake system ar-

chitecture is presented in Section II. Section III discusses the fault tolerance design to meet the requirements of reliability and

safety of the BBW systems. A typical whole-vehicle model is

presented in Section IV. The survey on braking control schemes is presented in Section V. Section VI studies the performances

of the yaw stability control of a fuzzy logical control method

using differential braking, of which the results are verified by related simulations. Finally, the conclusion is presented.

  1. BBW SYSTEM ARCHITECTURE 剩余内容已隐藏,支付完成后下载完整资料


    汽车线控制动系统设计和分析

    魏东祥, 保罗C.理查德森, 陈明照, 赛义德.穆罕默德

    摘要:线控汽车制动(BBW)系统,也就是所谓的机电制动系统,已成为一个有前途的车辆制动控制方案,它使得许多新的驱动程序接口在没有机械的或液压的备份的情况下增强性能成为可能。在本文中,我们从容错设计和车辆制动控制方案上重点调查了BBW控制系统。首先,我们描述了BBW系统的系统结构。然后讨论了满足BBW系统可靠性和安全性高要求的容错设计。我们对一个广泛使用的制动模型以及几种制动控制方案进行了研究。虽然以前的工作主要集中在单个车轮基础上的制动防抱死和防滑控制,但我们现在提出了整车的控制方案来提高车辆的稳定性和安全性。基于整车制动模型的仿真验证了所提出的模糊逻辑控制方案在车辆横向和横摆稳定控制中的有效性。

    关键词:线控刹车,制动模型,容错率,网络控制系统,稳定性控制。

    1. 引言

    一个BBW系统由电-机械执行器和通信网络组成,已经代替了传统的液压或电动装置,成为一个新的和有前途的车辆制动控制方案。它增强了安全性和舒适性,削减了与制造和维修相关的成本,并消除了由液压系统引起的环境问题。BBW系统最近在世界范围内吸引了工业界和学术界的很多兴趣。

    在汽车线控制动系统中,制动力由驾驶员开始经由电机施加在四个车轮上。BBW系统可以方便的与其它车载系统连接,可实现车辆牵引力和稳定性控制的简单集成。BBW系统比传统的液压或电液伺服系统提供更好的控制踏板的刚度、车辆的稳定性,和制动力分配。BBW系统的优点如下:1)消除复杂和沉重的机械或液压零件;2)由于电动机的快速和准确地产生制动力矩,提高制动控制的效率和稳定性;3)提高制动系统的诊断能力;4)在没有额外机械或液压元件的情况下很容易适应辅助系统[如防抱死系统、电子稳定程序(ESP)];5)在设计、施工、装配和维护阶段成本降低;6)节省空间,重量少;7)消除与传统液压制动系统有关的环境问题。

    虽然BBW系统保证了效益和效率,可靠性和安全性仍是最重要的问题,需要一个容错和故障安全系统的体系结构。为增强安全性,BBW系统在电源,传感器,执行器上自然要有冗余,并且在错误检测和容错管理上有规定。

    本文探讨了采用差动制动力矩控制横向和横摆稳定性的汽车线控制动系统的有效性。移动车辆的横向运动控制是智能车辆公路系统的重要组成部分。侧风,轮胎压力损失,或在不同的道路和车辆情况下的制动可能会导致行驶车辆的横向控制和偏航稳定性的损失。在某些情况下,驾驶员不能及时响应偏向失稳,这使得自动横向和偏航稳定控制有意义。车辆横摆稳定性控制通过产生即时的纠正偏航力矩补偿驾驶员由于恐慌而产生的反应时间。BBW系统可以很容易地通过使用差动刹车产生横摆力矩。

    本文组织如下。 制动系统架构在第二部分。 第三节讨论容错设计,以满足BBW系统的可靠性和安全性要求。 典型的整车模型见第四节。制动控制方案的调查在第五节中介绍。第六部分研究了使用差动制动的模糊逻辑控制方法的横摆稳定性控制的性能,其结果通过相关的模拟验证。 最后,提出结论。

    1. BBW系统架构

    提出了一种BBW系统架构,如图1所示。 1.它由四个机电制动(EMB)模块组成,EMB踏板模块,双工通信网络,中央制动控制和管理(CBCM)模块和电源。 每个EMB由致动器,本地电气控制单元(ECU)和通信接口(CI)组成。CBCM单元具有ECU和CI。 在每个车轮上,车轮速度传感器(WSS)用于检测车轮速度,消息其被发送到相应的EMB。采用车速传感器(VSS)来检测车速。 传感器,执行器,以及控制节点通过具有热备份的实时网络彼此通信,为了简单起见,热备份在图中未示出。

    动力

    执行器

    制动踏板模块

    驾驶员制动需求

    图一:BBW系统架构

    EMB的主要组件是四个轮子和相关控制单元的电机驱动执行器。 在盘式制动器的情况下,这些部件的任务是在制动时紧靠制动盘产生压力制动片。 制动时间和强度的信息从制动踏板箱中提取。 在驱动程序看来,踏板盒与常规踏板盒没有区别。在[10]中提出了一种非线性控制器来实现EMB踏板箱。 制动信息由踏板箱内的多个传感器感测,每个传感器单独地工作以探测一种类型的消息,例如制动踏板的力和速度。消息被传送到本地ECU以及主ECU。 主ECU能够基于车速,车轮转向角和车轮转速的消息来控制车辆的稳定性。 在本地ECU或主ECU故障的情况下,另一个ECU将自适应地代替它。

    图2描绘了所提出的BBW系统的框图。 中央制动控制器接收踏板制动,转向角,车辆速度,车轮转速以及与车辆运动和安全相关的其它消息的信号。 中央控制器基于检测到的制动消息计算致动器的制动力。制动力的值然后通过实时通信网络被发送到车轮制动控制单元。车轮制动控制器根据控制算法执行制动。 制动转矩的值被发送到用于制动控制的致动器。同时,车轮传感器将车轮状态反馈到车轮制动控制器。 制动控制器监视组件的操作,检测故障,并使用故障安全方法处理它们。

    图2: Brake Pedal Signal-制动踏板信号

    Steering Signal-转向信号

    Vehicle central controller-车辆中央控制器

    Braking force distribution-制动力分配

    Central brake control and massagement unit-中央制动控制管理单元

    Braking force-制动力

    Braking Torque-制动转矩

    Vehicle Dynamics-汽车动力

    Wheel Speed-轮速

    Wheel EMB System-车轮机电系统

    Actuator Controller-执行控制器

    Vehicle Velocity ,Yaw Rate and Slip Angle-车辆速度、横摆角速度和滑角

    1. BBW系统的故障容错分析

    BBW系统没有机械或液压备用,并且电子和电气部件的可靠性固有地低于机械部件。 需要从各个方面仔细重新考虑BBW系统的可靠性,可用性,可维护性和安全性。提高安全完整性要求的BBW系统需要1)在电源,传感器,执行器,数据处理单元和通信网络中采用冗余,以及2)启用错误检查和故障管理策略。

    最近完成了与线控系统的容错设计相关的许多工作。 在[1]中提供了容错驱动线控系统的整体概述。 讨论了时间触发协议(TTP)通信网络在BBW系统上的应用[2],[3]。 已经提出了用于BBW系统的故障检测和诊断的一些方法[5] - [9]。

    在表1中列出了BBW系统中主要部件的冗余度的建议。三个传感器用于测量制动踏板力,并且建议两个复制总线以正确地保证部件之间的通信。 电源备份以保证系统运行。 所有与安全相关的信号,例如车辆速度和车轮转速都被反馈以监测车辆状态。 同时,使用传感器的历史值。 然而,致动器没有冗余,因为只有两个或更多个致动器的损失可能导致安全临界情况。

    存在两类实时网络:事件触发网络[例如,控制区域网络(CAN)]和TTP网络。 然而,没有一个满足BBW系统的安全要求,因为它们都缺乏确定性和耐久特性。 上述两个网络-TTCAN [3]的组合是汽车BBW系统的良好选择。 TTCAN协议在CAN顶部的高层软件中实现,允许消息以事件触发或时序触发模式传输。

    1. 制动系统的车辆模型

    足够的数学模型对于BBW系统的设计是关键的。 然而,由于高的非线性特性,时变行为以及BBW系统的不确定参数,包括悬架系统的振动和在制动过程中的风阻力,很难准确描述实际的BBW系统。 相反,通常使用简化的设计模型。 该模型应该捕获BBW过程的基本特征。 提出了三种类型的BBW设计模型:单轮模型,单轨模型和双轨模型。 我们采用双轨模型来解决制动控制设计。 在[13]和[14]中使用类似的模型来测试防抱死和防滑制动控制算法的性能。 下面描述的模型表示具有后推进和前转向的车辆。

    车辆模型如图1所示。 图3描述了车辆的纵向和横向行为和偏航运动。该模型包括轮胎动力学,车轮到道路行为和影响摩擦。 在整车制动模型中,风力,侧倾,俯仰和升沉运动被忽略。 建立了7自由度(7-DOF)车辆模型。 我们有

    lx 1 = lx 3 = minus; lt lx 2 = lx 4 = lt

    ly1 = ly2 = lf ly3 = ly4 = minus; lr

    delta;1 = delta;2 = minus; delta; delta;3 = delta;4 = 0.

    Fx i和Fyi是第i个车轮的纵向和横向力,而vx和vy是纵向和横向的。 图3双轨车型建立了7自由度(7-DOF)车辆模型。 我们有速度,psi;是偏航/转向角,r(=omega;)是偏航率。其他相关参数列于表II。

    图3:双轨车辆模型

    1. 制动控制方案

    防抱死制动系统(ABS)现在逐渐被接受为车辆的标准安全部件。 ABS可防止在紧急制动或紧急制动期间车轮的锁定。 车轮锁止是一种不希望被看到的情况,因为由于在道路上滑动,锁定轮的摩擦力相当小。当车轮被锁定时,转向变得不可能,导致对车辆的控制减少.ABS通过将车轮滑移率保持在可能的最高值来确保最佳车辆控制和最小化停止距离。

    在常规车辆中,ABS通过使用液压系统来实现。 ABS是复杂的,并且由于其非线性特性和未知的环境参数,有时可能不是有效的。 ABS系统使用速度
    和保存在查找表中的车轮的加速度信息以产生制动转矩。 由于实际情况的不确定性和干扰,使用这种预测控制方法可能无法保证最佳滑移率。已经提出了许多用于ABS和防滑控制器的高级控制方法,即模糊逻辑控制[15] - [19],神经网络[20],滑模[22] - [24],迭代学习控制 ILC)[25]和其他[26],[27]。

    使用语言信息的模糊逻辑控制可以对人类知识的定性方面建模,其优点包括鲁棒性,通用近似定理和基于规则的算法。基于模糊逻辑的控制器用于控制电动ABS的车轮滑移[16],[17]。模糊逻辑滑动调节器的鲁棒性通过广泛的工作条件进行了测试。结果表明,基于模糊逻辑的ABS /跟踪控制可以大大改善稳态纵向性能,并提供在冰路况下最佳控制从动轮的潜力。 Lee和Zak [19]提出了一种ABS控制器,采用非自由神经优化器和模糊逻辑控制。非折衷优化器的作用是识别路面,然后搜索与最大道路附着系数相对应的最佳车轮滑移。通过使用使用来自非折衷优化器的最优滑移的模糊逻辑控制器来获得期望的制动转矩。虽然模糊逻辑是一种有效的方法,但模糊逻辑控制的主要缺点是模糊规则应该预先通过耗时的试错法程序调整。

    神经网络最有用的属性是通过学习任意线性或非线性映射的能力。 已经开发了基于神经网络的控制器来补偿非线性和系统不确定性的影响,以提高控制系统的稳定性,收敛性和鲁棒性。 以前使用的神经网络通常是前馈神经网络或静态映射网络。 在文献[21]中,提出了一种具有复现神经网络观测器的跨接制动控制系统来克服系统不确定性。 该混合控制系统包括理想控制器和补偿控制器。 主控制器是包含反复神经网络不确定性观测器的理想控制器。补偿控制器用于补偿不确定性观测器的误差。 循环神经网络观测器使用具有内部反馈回路的基于径向基函数的神经网络,这简化了网络配置。 泰勒线性化方法应用于提高学习能力。

    通常引入滑动模式控制以容许一些不确定性。 在滑动模式控制中通常存在振动控制作用。 为了减少这种现象,开关控制中的符号函数总是被具有降低的精度的成本的饱和函数代替。 滑动模式控制的应用通过ABS致动器的自然特性来证明,例如操作模式的不连续性(Druckunov et al。 [22]提出了一种基于滑模控制的ABS控制方案。该方案在紧急制动期间实现了轮胎/道路摩擦力的最大值,而没有最佳滑移的先验知识。 在[23]和[24]中,提出了一种利用模糊逻辑的强度,滑模控制和线性控制的混合离散时间控制器。该组合是稳定的,并显示出对某些不确定性的鲁棒性。

    ILC是处理重复跟踪控制或周期性干扰抑制的有效控制方案。 ILC系统通过自调谐过程提高了性能。 在各种道路条件下提出了一种ABS系统的ILC方案[25]。 通过迭代学习过程,电机转矩被优化,以保持轮胎滑移率对应于紧急制动期间的峰值牵引系数。 ILC的优点是,一旦学到,控制器能够自动调整到各种道路条件,特别是在潮湿和结冰的道路条件下。

    以前的制动控制工作主要集中在基于适用于液压制动系统的单轮模型的防抱死和防滑制动控制。 ABS控制方案通常基于在离线模式下校准和预测的检查表。 查找表方法根据所采用的BBW系统,道路状况和驾驶员的响应产生可变控制性能。 开发适合各种车辆类型和环境条件的全车辆控制方案是至关重要的。

    1. 案例研究:通过差速制动的侧向和横向稳定性控制

    BBW系统可以向每个车轮施加不同的制动转矩,这使得能够进行横向和横摆稳定性控制。有三种方法来实现横向和偏转稳定性控制:转向,差速轮制动和差动牵引。 转向方法主要用于以前的文献[29] - [32]。在[29],开发了一个控制导向的模型,解耦轮胎力和输入,这有利于控制算法的发展。 [30]讨论了一种通过四轮车转向的模糊主动偏航控制系统。 转向控制器被设计用于自动化高速公路系统中的横向控制[3

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