使用基于模型的設(shè)計開發(fā)側(cè)翻穩(wěn)定性控制系統(tǒng)

汽車電子領(lǐng)域內(nèi)整合主動安全機制的趨勢愈演愈烈，迫使汽車制造廠商將防側(cè)翻功能整合到傳統(tǒng)汽車底盤控制系統(tǒng)之中，例如，制動防抱死系統(tǒng)和牽引力控制系統(tǒng)如今均已得到增強，整合了防側(cè)翻功能。美國國家公路交通安全管理局（NHTSA）進一步推進了這種趨勢，強制要求所有 2011 年款汽車和更新的款式必須配備防側(cè)翻控制器。這項要求以 NHTSA 對于側(cè)翻碰撞的事故數(shù)據(jù)分析為依據(jù)。例如，根據(jù) NHTSA 的國家統(tǒng)計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%。實施主動安全機制可降低車輛側(cè)翻的風(fēng)險，從而減少潛在傷亡。降低側(cè)翻風(fēng)險的方法之一就是實現(xiàn)電子穩(wěn)定性控制（ESC），根據(jù)測量和預(yù)計的車輛狀態(tài)來應(yīng)用差動制動。本文主要介紹使用基于模型的設(shè)計，為運動型多功能車（SUV）開發(fā)和自動優(yōu)化 ESC。
汽車和控制器模型
在基于模型的設(shè)計中，核心概念是可執(zhí)行的規(guī)范或模型，它描述了系統(tǒng)的動態(tài)行為?？梢岳媒?jīng)過驗證的汽車模型（本例中為高保真度的 SUV 模型），顯著降低與控制器設(shè)計相關(guān)的開發(fā)成本和時間。可利用模型的數(shù)字仿真來研究車輛對不同轉(zhuǎn)向操控實驗的反應(yīng)，并且此類測試可輕而易舉地在不同的路面、輪胎型號和車輛屬性等參數(shù)下重復(fù)執(zhí)行。此外，還可以在嵌入式控制系統(tǒng)的開發(fā)與驗證中使用模型。
本文所用的汽車是典型的中型 SUV。車輛模型可在 CarSim® 中找到，這是一款現(xiàn)成的商業(yè)汽車動態(tài)仿真工具。車輛模型的性能根據(jù)測試數(shù)據(jù)進行驗證，適合仿真車輛在嚴重側(cè)傾運動下的反應(yīng)。車輛模型具有兩個獨立前端懸架、一個用于支持簧載質(zhì)量的實心后軸。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)和制動系統(tǒng)提供自由度。車輛模型可使用不同的車輛參數(shù)以及路面和環(huán)境條件進行自定義。

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

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