车辆底盘集成控制未来发展和前沿技术外文翻译资料

英语原文共 13 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

车辆底盘集成控制未来发展和前沿技术

摘要

许多现代车辆具有先进的动力、制动和悬架控制系统，这些技术正在快速渗入重型汽车和越野汽车领域。仅仅考虑独立的工作方式是这些控制系统的一大不足。本文介绍了最新的车辆集成控制技术和先进的主动底盘控制系统。值得注意的是，解决子系统协调控制问题能够同时增强车辆的动力性、操纵稳定性、机动性、行驶平顺性以及能量效率。本文特别关注了制动控制、主动悬架以及胎压动态管理之间的协调。这些子系统对车辆安全性、机动性和行驶平顺性的影响将通过仿真进行分析。在仿真的基础上，底盘集成控制对车辆各个特性的影响效果将被进一步确认和阐述。本文从硬件的角度介绍了上述主动底盘集成系统对应的车辆改进结构，并在欧洲联合赞助的EVE计划“视野2020”基金的支持下调查了该结构和相应软件在运动型多功能汽车上的应用。本研究是全球众多ISTVS会员共同努力的结果。

关键词：底盘集成控制；车辆动力学；制动；主动悬架；胎压控制

1.介绍

主动底盘集成系统的发展能够同时提高操纵稳定性、制动性、能量效率、行驶平顺性以及其他车辆性能，这是车辆动力学控制最具挑战性的研究领域之一。该领域的基础研究工作起始于20世纪80年代中期。Fruechte和其他几位联合作者在文献[1]中介绍了通用公司Trilby课题的研究成果，其开发了一个适用于多种车辆子系统的全局集成控制结构（如图1所示）。车辆底盘集成控制的优势首先在于增强了对车轮对路面摩擦的利用并扩大了车辆稳定运动的范围。这个结论可以用GG图（纵向加速度与侧向加速度之比）进行阐释。图2通过GG图展示了单一主动底盘系统（Yamamoto在文献[2]中提出的方案）起作用的范围，而图3展示了系统集成控制（Sato等在文献[3]中提出的方案）的影响效果。

从图2和图3中可以看出，主动系统单独作用的车辆和无控制系统的车辆相比，车轮摩擦力的利用得到了强化。对几个单独的主动系统进行集成能够提高控制的有效性，并在理想情况下最大化地利用由实际路面条件决定的摩擦力上限。

科技文献的分析指出集成系统联合最多的内容包括：（1）主动转向和悬架控制；（2）主动转向和制动控制；（3）主动转向和横摆角速度控制；（4）主动悬架、转向、制动和驱动控制[4]。近期研究也提出了底盘集成控制的几种先进变化，比如主动控制车轮外倾角或轮胎压力[5]。需要指出的是，目前已知的绝大多数从工程上解决底盘集成控制的方法是有利于驾驶安全性的。其中大多数研究和车辆的曲线运动相关，但和车辆的纵向运动相关的子控制系统集成却很少被探寻。集成控制对提高车辆行驶平顺性的研究也很少被考虑。主动底盘集成系统和车辆的机动性密切相关，因为底盘集成控制能够有效提高车辆对地面的适应能力。

正如之前所介绍的，对于车辆在野外和正常路面上行驶的情况，目前已有的研究成果为底盘集成控制的进一步发展做了巨大贡献。本文行文结构如下：首先讨论了一个针对车辆不同主动底盘控制系统集成结构的调查。之后提出了一个关于运动型多功能汽车底盘集成控制的全新概念，其能够对车轮独立制动控制、胎压动态管理以及主动悬架三个功能进行集成。在已有的仿真结果和近期研究的基础上，本文评价了各个子系统单独作用时对车辆安全性和舒适性的影响。所提出的集成控制方案的效果利用运动型多功能汽车直线行驶时紧急制动的仿真结果进行阐述，仿真的路面包括：（1）良好路面；（2）比利时路面；（3）波形路面。

在EVE创新研究项目框架的支持下，来自不同国家的ISTVS会员大力推进了对所讨论的底盘集成控制的发展和研究。

图1. 包含驾驶员和环境适应的集成控制（改编自文献[1]）

图2. 不同底盘控制系统有效范围的示例（阴影部分）

图3. 底盘集成控制对轮胎摩擦利用的影响. 图4. 基于集成框架下的“beta;-dbeta;/dt” 相图

区域：1-没有控制；2-主动悬架及主动前后 不同区域（摘自文献[6]）；1-控制设计的

轮转向集成；3-驱动控制和主动前后轮转向 参考区域；2-包括主动转向的转向性能提

集成；4-防抱死制动控制和主动前后轮转向 升；3-控制任务过渡；4-包含主动转向的

集成. 稳定性提升；5-包含主动驱动；6-包含主动制动.

2.底盘集成控制对车辆越野能力影响的综述

底盘集成控制最主要的一个优点是提高车辆稳定性，这一点已被实验验证。因此对于传统汽车，相关控制任务通常关注的是将横摆角速度和质心侧偏角控制在安全范围内。这一点可以通过图4展示的“beta;-dbeta;/dt”相图来解释。可以发现最初只有主动转向被纳入了集成控制链中。之后由于实际驾驶条件越来越苛刻，主动驱动和主动制动也加入了。但对于运动型多功能汽车这样行驶于野外路面的车辆来说，防侧翻能力成为稳定性中最为重要的一环^[7]。

许多研究已经证明了运动型多功能汽车和轻型越野汽车的侧翻能够使用特定的方法进行限制。电子稳定性控制通过对单个车轮制动或者驱动力矩的调整实现车辆稳定性控制^[8~9]。但是仅仅依靠电子稳定性控制系统是远远不够的，稳定性控制在复杂驾驶环境下会遭到限制。例如汽车行驶于颠簸路面时，车轮的剧烈震荡会导致轮速传感器的误操作，从而产生错误的车轮纵向滑动率信号，在这种情况下传统的制动力分配算法会被禁止使用。但此时为了保证车辆的稳定性，又需要启动采用制动模式的电子稳定性控制系统。另一个类似的例子是汽车的多目标控制，电子稳定性控制不能同时满足防侧翻和最大化地利用车辆的机动性，例如车速或者轮胎附着力。

另一个提高车辆侧倾稳定性的方法是使用主动系统影响垂直载荷，例如通过主动悬架进行控制^[10~11]。当然，主动悬架对稳定性的控制会受到行驶平顺性和安全性的限制。

主动系统单独工作时受到的限制触发了对底盘集成控制的研究。这一点可以用近期关于运动型多功能汽车或越野汽车的研究来说明。例如，文献[12]中介绍了差动制动和主动悬架的联合工作特性。集成控制器基于鲁棒线性二次校正器设计得到，其目标函数考虑了车轮纵向力和垂向力的变化。对应的仿真结果表明设计的控制器能够有效防止汽车侧翻。值得注意的是，对于固定的极限转向工况，车轮转向角在车速80km/h时达到了221°，侧倾速度比没有控制器的情况下增加了52%。文献[13]通过对电子稳定性控制和主动悬架集成的优化控制得到了相同的效果。对于电子稳定性控制，控制器使用了参考横摆角速度以及最小化的质心侧偏角；对于主动悬架，控制逻辑基于使车辆的垂直、侧倾和俯仰加速度以及轮胎和悬架的变形达到最小。集成控制的优势已经通过车辆在避障和极限转向工况下的仿真结果得到了证实：侧倾和俯仰角以及车身的垂向位移在避障条件下几乎保持为零；当汽车以100km/h的车速和最大转向角55°过弯时，集成控制器使得汽车的侧倾指数从0.25（被动条件）左右降到了0.1。

复杂的集成系统包括两个以上的子系统，能够提高车辆动力学的通用性和多重标准。在这样的背景下，文献[14] 针对总质量10吨的越野卡车，研究了基于制动的电子稳定控制系统、力矩矢量控制以及主动前轮转向同时工作的情况。路面条件为泥泞地面，附着系数0.6，驾驶工况为变换车道。模型在环及硬件在环的仿真结果表明以上三个子系统共同工作可以得到以下的联合效果：（1）使参考横摆角速度和实际值之间的差异达到最小（36.7%）；（2）和“电子稳定性控制 力矩矢量控制”以及“电子稳定性控制 主动前轮转向”相比，其分别减少侧滑功率31.9%和32.8%。但是结果也表明了对子系统分布式控制进一步优化的必要性。例如，三个系统同时工作时的不协调（每个子系统的控制权重相等）导致汽车纵向速度损失了7.2%。

合适的三个及以上主动系统集成的协调控制框架在其他研究中也有涉及，不同的方法被用于解决这个问题。特别地，文献[15]调查了底盘全局控制，包括电子稳定性控制、力矩矢量控制、防侧倾杆变刚度的主动侧倾控制以及主动差速。相对应的集成程序通过基于规则的方法实现，可以将单独的子系统联系起来同时工作或者使他们之间切换工作。例如，横摆角速度动态控制按如下方式描述：（1）如果附加横摆力矩能够仅依靠主动差速产生，电子稳定性控制和转矩矢量控制就不起作用；（2）如果附加横摆力矩不能完全通过主动差速产生，那么主动差速生成最大的差动力矩，剩下的力矩由电子稳定性控制和转矩矢量控制生成（各占50%），在这种情况下车速不应当受到影响；（3）如果不能同时保证车速和校正横摆力矩的产生，电子稳定性控制所占的权重会进一步增加以生成所需的横摆力矩，不管可能产生的减速现象。因此，这种在控制过程中既考虑汽车性能（车速），又考虑安全（横摆角速度）的控制方法，能够在使汽车在性能下降（车速损失）达到最小的情况下同时保证车辆的稳定性。一个更为复杂并且具有鲁棒性的方法在文献[16]中被提出，其利用分配控制联合了主动转向、主动悬架、胎压动态管理、主动外倾角控制、制动和驱动力控制（通过电机）。在仿真中，各部分作用的权重根据能量消耗和能量损失这两个与汽车及部件例如轮胎相关的特性进行了修正。

之前的研究中已经介绍了底盘集成控制的配置^[16]，其指出利益的更新和对新主动系统加入的需求正在日益增长。主动系统的关注点集中于对特殊参数（外倾角或前束角、胎压以及轮胎刚度）影响轮胎-地面附着力的控制。这样的例子有，主动外倾角控制或胎压动态管理可以认为是车辆工程中新出现的内容，并且在实际中很少被研究。他们的主要目的是通过对轮胎-地面接触区域的修正来支持传统汽车控制系统的使用，例如电子稳定性控制、力矩矢量控制或主动转向。值得注意的是，主动系统的应用范例在一些文献中得到了描述和讨论。文献[17]、[18]讨论了外倾角控制，文献[19]、[20]讨论了胎压动态管理。机动性对包含上述提及的子系统的底盘集成控制格外感兴趣，因为其为改变轮胎-路面的接触参数提供了手段。

上面讨论的大多数和车辆侧向动力学相关，却很少包含直线行驶的情况。但是，一些已发表的研究成果已经讨论了将制动系统与主动悬架集成的优势。基于一套简单的控制规律，那样的集成系统在没有降低行驶平顺性的基础上，为紧急制动减少了4~5%的制动距离^[21]。当主动悬架和防抱死制动系统被共同利用时，能够得到更好的效果，减少了良好路面上15%的制动距离^[22]。近期的一些研究指出，对主动悬架和制动控制进行联合对行驶于颠簸路面时的车辆纵向动力学有利。特别地，文献[23]展示了装有防抱死制动系统和四状态半主动悬架的多功能运动型汽车多体建模的结果。当汽车以70km/h直线行驶并制动时，悬架参数的变化使得在比利时路面上的制动距离比仅装有防抱死制动系统和固定阻尼和弹性的制动距离缩短了14m。同样的效果也可以在高低起伏的路面上制动时被观察到：当汽车从80km/h减速至10km/h时，其制动距离减少了1.9m。

以上关于底盘集成控制对车辆越野性能影响的介绍能够得出以下结论：

• 底盘集成控制最主要的效果是帮助车辆实现稳定，特别对于越野环境下的汽车，防侧倾和制动效能的得到了提升；
• 子系统针对防侧倾进行合理的联合，能够提高车辆纵向动力学特性，应至少包括单个车轮的力矩控制以及主动悬架控制；
• 底盘集成控制的进一步发展应当寄希望于更多能够影响轮胎路面接触参数的主动控制手段的加入；
• 有效的集成控制手段应当涵盖车辆的多个性能指标，包括稳定性、安全性、机动性和行驶平顺性。

这些结论将在下面的部分通过展示一个基于多功能运动型汽车的底盘集成控制概念被证明。相对于传统底盘控制系统，底盘集成控制在车辆纵向运动上很少被研究研究，但应当得到加强，例如驱动/制动效能以及行驶平顺性。

3.关注车辆纵向和垂向动力学的底盘集成控制概念

本节介绍的底盘集成控制概念在EVE项目“车辆主动底盘集成控制系统创新工程”的框架支持下开展了实验研究。该项目由欧洲委员会和11名联合成员共同资助，他们分别是德国、西班牙、比利时、荷兰、瑞典、南非、美国、Ilmenau理工、Tenneco汽车公司、Pretoria大学、Gerotek测试中心、Delft理工、SKF汽车公司、Chalmers大学、Virginia理工、dspace公司、Tecnoloacute;gico de Aragoacute;n研究中心和ESTEQ。EVE项目一个最主要的目的就是发展应用于越野车辆的先进底盘集成控制技术。部分实现这个目标的策略通过EVE项目在路虎揽胜极光这款多功能运动型汽车得到证实。图5绘制了多功能运动型汽车底盘集成控制框架的发展，其主要集成了一下三个功能：液电混合制动系统、胎压控制系统和车辆垂向动力学控制系统。

图5. 示范的多功能运动型汽车的底盘集成控制框架

“制动力矩控制器”用于控制普通的制动和防抱死制动功能。该系统拥有非耦合的液-电系统，根据驾驶员的需求通过踏板行程传感器将信号传至“制动力矩控制器”，而不是直接将执行装置和车轮制动耦合，。为了保证制动踏板的感觉，嵌入式的踏板模拟器能够为驾驶员提供反馈力。制动压力Pbr_est利用制动控制器进行数值估计。特别地，制动钳施加的制动压力的信息需要提供给防抱死制动系统。当防抱死制动系统工作时，各个制动钳上的理想压力可以通过为单个的入口比例阀和双向出口比例阀通电来获得。

胎压控制系统允许车辆行驶时轮胎气压能够动态变化（包括膨胀和压缩）。它和传统轮胎气压管理系统和轮胎自动充气系统均有不同。传统轮胎管理系统仅能监测轮胎气压，而轮胎自动充气系统主要应用于重型汽车且只能在汽车静止时为轮胎充气。胎压控制系统可以单独改变每个车轮的压力。为了实现这个目标，系统在四个车轮上分别安装了压力传感器、进出口阀门以及气泵。储气罐也可以作为一种选择被安装以减少气泵的能耗需求。胎压控制系统启动

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[137872]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word