使用基于模型的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)側(cè)翻穩(wěn)定性控制系統(tǒng)

汽車(chē)電子領(lǐng)域內(nèi)整合主動(dòng)安全機(jī)制的趨勢(shì)愈演愈烈，迫使汽車(chē)制造廠商將防側(cè)翻功能整合到傳統(tǒng)汽車(chē)底盤(pán)控制系統(tǒng)之中，例如，制動(dòng)防抱死系統(tǒng)和牽引力控制系統(tǒng)如今均已得到增強(qiáng)，整合了防側(cè)翻功能。美國(guó)國(guó)家公路交通安全管理局（NHTSA）進(jìn)一步推進(jìn)了這種趨勢(shì)，強(qiáng)制要求所有 2011 年款汽車(chē)和更新的款式必須配備防側(cè)翻控制器。這項(xiàng)要求以 NHTSA 對(duì)于側(cè)翻碰撞的事故數(shù)據(jù)分析為依據(jù)。例如，根據(jù) NHTSA 的國(guó)家統(tǒng)計(jì)與分析中心提供的數(shù)據(jù)，在 2001 年，共有 10,138 人死于側(cè)翻碰撞事故，占當(dāng)年因事故死亡總?cè)藬?shù)的 32%。實(shí)施主動(dòng)安全機(jī)制可降低車(chē)輛側(cè)翻的風(fēng)險(xiǎn)，從而減少潛在傷亡。降低側(cè)翻風(fēng)險(xiǎn)的方法之一就是實(shí)現(xiàn)電子穩(wěn)定性控制（ESC），根據(jù)測(cè)量和預(yù)計(jì)的車(chē)輛狀態(tài)來(lái)應(yīng)用差動(dòng)制動(dòng)。本文主要介紹使用基于模型的設(shè)計(jì)，為運(yùn)動(dòng)型多功能車(chē)（SUV）開(kāi)發(fā)和自動(dòng)優(yōu)化 ESC。
汽車(chē)和控制器模型
在基于模型的設(shè)計(jì)中，核心概念是可執(zhí)行的規(guī)范或模型，它描述了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為?？梢岳媒?jīng)過(guò)驗(yàn)證的汽車(chē)模型（本例中為高保真度的 SUV 模型），顯著降低與控制器設(shè)計(jì)相關(guān)的開(kāi)發(fā)成本和時(shí)間?？衫媚Ｐ偷臄?shù)字仿真來(lái)研究車(chē)輛對(duì)不同轉(zhuǎn)向操控實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)，并且此類(lèi)測(cè)試可輕而易舉地在不同的路面、輪胎型號(hào)和車(chē)輛屬性等參數(shù)下重復(fù)執(zhí)行。此外，還可以在嵌入式控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與驗(yàn)證中使用模型。
本文所用的汽車(chē)是典型的中型 SUV。車(chē)輛模型可在 CarSim® 中找到，這是一款現(xiàn)成的商業(yè)汽車(chē)動(dòng)態(tài)仿真工具。車(chē)輛模型的性能根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，適合仿真車(chē)輛在嚴(yán)重側(cè)傾運(yùn)動(dòng)下的反應(yīng)。車(chē)輛模型具有兩個(gè)獨(dú)立前端懸架、一個(gè)用于支持簧載質(zhì)量的實(shí)心后軸。非線性數(shù)學(xué)模型可為簧載質(zhì)量、各軸、各輪、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)提供自由度。車(chē)輛模型可使用不同的車(chē)輛參數(shù)以及路面和環(huán)境條件進(jìn)行自定義。

圖 1：使用 CarSim 用戶(hù)界面設(shè)置車(chē)輛參數(shù)。
圖 1 顯示了 CarSim 用戶(hù)界面，以及用于構(gòu)建車(chē)輛模型的部分物理車(chē)輛參數(shù)?？蓮目刂破鲄?shù)中分別修改這些參數(shù)，以便測(cè)試控制器在不同車(chē)輛條件下的行為，例如，一名乘客、多名乘客和高重心的情況。本文所用的車(chē)輛模型應(yīng)用的轉(zhuǎn)向輸入符合 NHTSA fishhook 操控實(shí)驗(yàn)，這種標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)用于評(píng)估動(dòng)態(tài)車(chē)輛穩(wěn)定性。本測(cè)試的設(shè)計(jì)目的是模擬駕駛員在避開(kāi)路面上突然出現(xiàn)的障礙物時(shí)可能采取的行動(dòng)。對(duì)于數(shù)字仿真，我們?yōu)?SUV 模型設(shè)定轉(zhuǎn)向輸入，驗(yàn)證了在沒(méi)有 ESC 的情況下，車(chē)輛將出現(xiàn)側(cè)翻。

控制器開(kāi)發(fā)與優(yōu)化
本文中所實(shí)現(xiàn)的 ESC 避免了駕駛員的操作導(dǎo)致的不安全車(chē)體側(cè)傾和側(cè)滑動(dòng)作。它能對(duì)車(chē)輪應(yīng)用差動(dòng)制動(dòng)，從而調(diào)整車(chē)體側(cè)傾和側(cè)滑率，同時(shí)最小化由控制器自動(dòng)應(yīng)用的電子制動(dòng)所導(dǎo)致的車(chē)輛速度降低。 我們實(shí)現(xiàn)的 ESC 在三種控制模式之間切換。根據(jù)車(chē)輛進(jìn)入車(chē)輪滑移狀態(tài)的三種可能誘因激活控制模式：失去牽引力、側(cè)傾過(guò)度、側(cè)滑過(guò)度。模式切換邏輯控制一組比例-積分-微分（PID）補(bǔ)償器，它們將根據(jù)已測(cè)量和預(yù)計(jì)的參數(shù)調(diào)整駕駛員對(duì)車(chē)輪施加的制動(dòng)壓力。Simulink® 中實(shí)現(xiàn)的控制器設(shè)計(jì)具有六項(xiàng) PID 增益，可為優(yōu)化 ESC 性能而進(jìn)行更改。
在此模型中，我們可以查看車(chē)輪轉(zhuǎn)速、制動(dòng)壓力、車(chē)體側(cè)傾、側(cè)滑率和滑移率。某些車(chē)輛狀態(tài)是通過(guò)可用傳感器數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)的，就像在實(shí)際車(chē)輛控制器中一樣，而其他一些狀態(tài)是通過(guò)已測(cè)量和預(yù)計(jì)參數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系預(yù)測(cè)的。車(chē)輛速度是通過(guò)未制動(dòng)車(chē)輪的車(chē)輪平均轉(zhuǎn)速預(yù)測(cè)得出的。使用低通濾波器來(lái)模擬在已測(cè)量的車(chē)輪轉(zhuǎn)速下車(chē)輛慣性的效果，避免在向四個(gè)車(chē)輪應(yīng)用制動(dòng)壓力時(shí)，車(chē)速測(cè)量值出現(xiàn)不確定值。
如果不使用造價(jià)高昂的傳感器，車(chē)體滑移率將是一個(gè)難以直接測(cè)量的參數(shù)。我們實(shí)現(xiàn)的 ESC 將通過(guò)已測(cè)量的側(cè)滑率來(lái)預(yù)測(cè)車(chē)體滑移率。車(chē)體側(cè)傾角是通過(guò)將橫向加速度與車(chē)體側(cè)傾角相關(guān)聯(lián)的傳遞函數(shù)預(yù)測(cè)的。在車(chē)體側(cè)傾角處于指定設(shè)計(jì)限制內(nèi)時(shí)，這個(gè)傳遞函數(shù)是有效的。通過(guò)確保優(yōu)化算法將在預(yù)測(cè)的車(chē)體側(cè)傾角超出設(shè)計(jì)限制時(shí)對(duì)控制器施以嚴(yán)格作用，即可展示出，我們并不需要能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)超出設(shè)計(jì)范圍的車(chē)體側(cè)傾角的預(yù)估算法。因而，我們可以顯著簡(jiǎn)化普通車(chē)輛操作條件下的車(chē)體側(cè)傾角預(yù)估算法。