基于GTR.8和FMVSS 126的ESC测评方法研究*

梁荣亮，高明秋，郭魁元，许志光，谢晋中，徐军辉

(中国汽车技术研究中心，天津 300162)

前言

电子稳定性控制系统(ESC)的问世是继车辆防抱死制动系统(ABS)和牵引力控制系统(TCS)之后车辆主动安全控制技术方面的一次里程碑式的跨越提升，它保证车辆在极限工况下具有良好的侧向稳定性及转向响应性，在提高道路安全方面的有效性和巨大潜力受到全球汽车行业的密切关注，新车配置率逐步提高。根据美国高速公路交通安全局(NHTSA)统计，ESC系统使乘用车和SUV单车的碰撞事故分别减少了34%和59%；还可有效预防71%的乘用车和84%的SUV车发生翻车事故[1]。常见的汽车稳定性控制系统有电子稳定程序(electronic stability program, ESP)、电子稳定控制(electronic stability contro1, ESC)和动力学稳定控制(dynamics stability contro1, DSC)等，目前ESC是欧美官方最常用的专业术语。

自ESC问世以来，全球对ESC系统的测评方法也在不断更新完善，但各整车厂和ESC研发机构都按照自定测评规程在匹配试验的同时进行整车性能评价，缺乏统一的量化评价指标和测试方法；不同测评方法之间的差异给ESC性能完善和功能扩展带来不利的影响。

2006年，美国NHTSA正式颁布了有关ESC系统的新法规FMVSS 126，对ESC功能、效能、费用和安装可行性等因素进行了深入阐述[2]，详细规定了ESC的基本结构、功能和试验方法，并要求2011年9月1日起所有4.5t以下车辆必须强制安装ESC。2008年，WP29按照UN/ECE“1998年协议书”要求完成了GTR.8的制定，等同采用美国FMVSS 126标准的技术内容，对ESC的功能、试验方法和评价指标进行了详细规定[3]，包括美国、欧盟、日本、俄罗斯、澳大利亚和韩国在内的主要国家都已将该项技术法规纳入实施计划。2009年，ECE R13H第二次修订，将ESC及BAS(brake asist system)纳入附录9中，并要求从2011年11月1日起欧盟新车型强制安装ESC，2014年11月1日起所有车型强制安装ESC[4]。

我国在新的挑战下，必须在战略和汽车技术创新方面作出相应的调整和决策，用最快的速度研发、掌握和应用ESC技术。未来ESC技术的发展趋势是满足国际法规和使用者的要求，提高和完善性能，扩展功能和降低成本。

1 ESC技术原理和控制方案

ESC系统利用各种传感器对车辆的动态状况和驾驶员指令进行监控，评价车辆实际行驶状态与驾驶员意图的误差，根据评价结果发出调整指令，通过脉冲调整车轮制动力和发动机输出转矩对车辆由于转向过多或转向不足导致的车辆失控工况进行自动干预，对车辆横摆力矩进行适当调整，使车辆按照驾驶员的意图行驶，改善车辆的侧向稳定性和转向响应性，要求ESC具有如下功能：

(1) 在对车辆实际状态和驾驶员希望实现的车辆状态进行对比评价的基础上，自动对各车轴或各车桥组中的某个车轴左、右两侧车轮的制动力矩进行单独控制，使车辆产生横摆力矩以改善车辆的方向稳定性；

(2) 在对车辆实际状态与驾驶员希望达到的车辆状态进行对比评估的基础上，通过计算机闭环控制来限制车辆过度转向和不足转向；

(3) 直接测定车辆横摆角速度，并估算侧向加速度或侧向位移；

(4) 监控驾驶员的转向输入；

(5) 其算法应能判断是否需要并能在必要时调整车辆驱动力矩，辅助驾驶员保持对车辆的控制；

(6) 能在汽车的全部车速范围内起作用(车速低于15km/h或倒车例外)，在各种工况下良好工作，包括加速、减速、制动、滑行，即使在防抱死制动系统(ABS)或牵引控制系统(TCS)作用期间也能正常工作。

NHTSA除了在FMVSS 126中对ESC系统状况的监控、显示和故障诊断作了详细规定外，还修订了FMVSS 101关于控制器和显示器的规定，配置ESC系统的车辆应在仪表板上增加相应的信号图形符号或缩写字母符号和控制器标识[5]，见表1。

表1 ESC系统响应的信号指示符号及控制器标识

2 ESC试验评价体系

FMVSS 126为ESC的研究和评价提供了统一的规范；欧盟新车安全评价组织Euro NCAP正式将后撞颈伤测试(Whiplash)、ESC和限速装置纳入新的整车安全性评级体系，并采用Fishhook试验来评价ESC对汽车动态翻滚倾向性的影响；同时，汽车行业协会和标准化组织也致力于采用ISO 7401 J-turn试验、ISO 3888-1:1999 Double Lane-change双移线试验、ISO 3888-2:2002 Obstacle Avoidance避障试验和ISO 4138:2004稳态回转试验等来研究ESC对整车操纵稳定性的干预。

2.1 ESC试验方法

2004年，NHTSA启动ESC系统对轻型车辆操纵稳定性影响的专项研究，使用12种操纵稳定性试验方法，并进行ESC开启和关闭的比对试验，对配置ESC系统的5种车型进行验证测试，在用最小转向盘转角致使车辆快速进入操稳极限工况，保证良好的侧向稳定性和转向响应性的前提下，最终确定以转角缓增转向(slowly increasing steer, SIS)试验和带停顿的正弦(sine with dwell, SWD)输入转向试验(下简称正弦—停顿转向试验)的组合作为整车ESC的标准测试方法[6]，并被GTR.8等效采用。

2.1.1 ESC试验准备

正弦—停顿转向试验要求转向盘最大转向速率在1 200°/s时对应的转向力矩维持在40～60N·m，超出人工打轮的物理极限，为保证试验良好的重复性和一致性，必须采用转向机器人来实现，同时为避免正弦—停顿转向试验过程中发生的绊倒性侧翻[7]，保证试验人员人身安全，对于静态稳定系数(SSF)≤1.25的试验车辆须考虑安装防翻滚支架的可行性和必要性。按照试验条件进行车辆载荷的配置，测试设备的架设紧固并按照要求进行制动器和轮胎预热。试验场地为带有满足100km/h直线加速性能的直径不小于150m的VDA动态圆广场，路面峰值制动系数(PBC)为0.9。可选择以下两种方法之一测量峰值制动系数：

(1) 采用美国测试与材料协会(ASTM)的方法E1337-90，使用ASTM/E1136规定的试验轮胎，以64km/h的速度进行测试；

(2) UN ECE R13-H附件6附录2定义的附着系数利用率计算方法。

2.1.2 SIS试验

试验车辆以(80±2)km/h匀速直线行驶时，转向盘转角以13.5°/s的速度线性增加直至产生0.5g侧向加速度的转向盘转角δ0.5g，保持2s后回正，记录整个过程的车辆侧向加速度ay，将ay在0.1g～0.4g区间的历程进行线性拟合，根据拟合系数计算出侧向加速度达到0.3g时的转向盘转角δ0.3g。试验共进行6次，顺时针3次，逆时针3次，将6次试验得到的转向盘转角δ0.3g平均并精确到0.1°，记为A值，如表2所示。

表2 转向盘转角缓增转向试验结果

SIS试验时，转向盘转角在线性区域内递增直至侧向加速度达到规定限值，试验车辆甚至会由于侧向加速度过大而产生单侧车轮离地的极限行驶状态，SIS试验过程对车身侧倾角、侧向加速度、横摆角速度等参数的测量对考察车辆的侧向稳定性具有重大意义，但ESC系统本身对车辆的线性区域的稳态转向干预不敏感，带有一定的不完整性和非典型性，在SIS试验中ESC更多的是通过减少发动机驱动转矩来保持车辆线性转向的稳定性，没有体现出对非线性失稳工况下车辆的转向机动性的考察。

2.1.3 正弦—停顿转向试验

试验车辆以(80±2)km/h的速度匀速直线行驶，待车速稳定后转向机器人启动工作程序，以0.7Hz的频率以正弦—停顿模式进行转向输入，在第2个波峰处(严格说应是第1个波谷，即270°时)保持500ms停顿后回正，如图1所示。初次正弦—停顿试验的转向盘转角幅值为1.5A，并以0.5A幅值梯度逐次增加试验次数直至转向盘转角幅值为6.5A。如果6.5A<270°时，最后一次正弦—停顿试验的转向盘转角幅值为270°；如果6.5A>300°时，最后一次正弦—停顿试验的转向盘转角幅值取300°，试验分顺时针方向和逆时针方向两组进行。

NHTSA法规正式采用Fishhook、J-Turn及Sine with Dwell试验对车辆在非线性转向失稳状态下的转向机动性、路径偏离和车辆响应性进行考核，由图1～图3可以发现，Fishhook及J-Turn试验工况中转向盘转角过渡瞬态多变且幅值均存在停顿现象，高车速极易诱发绊倒性侧翻，对于考核失稳工况下高侧向加速度与侧翻率的响应具有重要意义[2]，但ESC效能测试主要针对车辆的横摆运动，尤其是在高附着系数路面上对过度转向的抑制作用，因而NHTSA最终选用正弦—停顿转向试验考核车辆在高速转向失稳状态下的转向机动性。

2.2 ESC评价方法

FMVSS 126规定以SIS试验与SWD试验组合作为整车ESC的标准测试方法，并把SWD分为两部分进行分析，以车辆横摆角速度和侧向位移作为考核ESC对侧向稳定性和转向响应性的评价指标，分别考核车辆对可能发生的过度转向的控制能力和车辆躲避前方障碍的能力。

2.2.1 侧向稳定性评价

FMVSS 126规定以转向盘输入结束(completion of steer, COS)后车辆横摆角速度衰变率(yaw rate ratio, YRR)来评价ESC对侧向稳定性的影响。要求SWD试验COS后1s及1.75s的车辆横摆角速度不能大于反向输入开始后产生的横摆角速度峰值的35%和20%，如图4所示，对应的公式为

(1)

(2)

值；t0为SWD转向盘输入结束时刻。

NHTSA定义COS后4s，车辆纵向方向与初始纵向方向之间的夹角大于90°即为严重过度转向，称之为激转现象(spinout)。图5对法规中YRR参数限值的选取有重要意义，利用SAS衰退模型及卡方分布分析计算发生激转现象的可能性。Ⅰ区表示发生激转的统计概率小于5%，置信区间的两侧边界均小于95%置信度；Ⅱ区表示发生激转的统计概率小于5%，但至少有一个置信区间的边界在95%置信度外；Ⅲ区表示统计学概率大于5%，置信区间的边界已都在50%的左侧或右侧；Ⅳ区和Ⅴ区与Ⅱ区和Ⅰ区统计学意义相同，但对应的实际意义相反，因此将Ⅰ区与Ⅱ区之间的边界认定为判断车辆满足侧向稳定性要求的标志线。

NHTSA选用24辆轻型车在ESC开启及关闭的状态下分别进行Sine with Dwell测试。ESC工作状态下车辆的YRR在COS后1.5s和1.75s与ESC关闭状态下相比最容易区分，为在两者之间做出更加客观、公正的选择，NHTSA选用62辆轻型车进一步扩大测试范围，最终选用在COS后1.75s时刻计算YRR，最能区分该车辆是否配置ESC系统。NHTSA同时认为COS后1.75s离COS时间过长，仅凭单一阈值进行判断不够严谨和客观，故增补另一阈值以进行组合考核非常必要，该阈值的选取要尽可能接近COS，同时也要有足够的时间间隔可以判别是否装有ESC系统，最后选定COS后1s时刻作为判断的标准[9]。

2.2.2 转向响应性评价

由上述分析可知，ESC系统能够显著改善车辆侧向稳定性，如果在高速工况下驾驶员为规避前方障碍而猛打转向盘，ESC采用脉冲制动短暂地使前轴车轮不能偏转，使车辆失去转向能力而继续沿原方向前进，也必然不会出现激转或侧翻，但这并不能保证车辆的安全，所以NHTSA认为在极端工况下提升侧向稳定性不应以牺牲转向响应性为前提，FMVSS 126规定采用转向机动性来评定ESC系统在非线性过度转向工况下试验车辆对于转向盘转向输入的反应能力，作为对侧向稳定性考核的补充。

标准参数采用从转向盘转向输入开始停顿(begin of steer, BOS)时刻至转向输入开始停顿时刻(即BOS至BOS后1.07s)的车辆质心偏离初始纵向行驶方向的侧向位移(lateral displacement, LD)必须大于规定限值，以规避前方可能存在的障碍。

(1) 对于最大设计总质量≤3.5t的试验车辆，侧向位移LD≥1.83m。

(2) 对于最大设计总质量>3.5t的试验车辆，侧向位移LD≥1.52m。

(3)

式中：BOS为正弦—停顿试验中转向盘转角输入开始时刻；ayc为根据侧翻角校正之后车辆质心侧向加速度。

侧向位移、侧向速度、侧向加速度和质心偏移等车辆动力学参数均可对车辆的转向响应性进行判断，但基于直观性、客观性、便捷性且能直接反映车辆紧急避障能力，NHTSA最终选用侧向位移。对于侧向位移对应时刻的选取，NHTSA重点分别对最大侧向位移时刻、COS后1s、COS后1.75s、转向盘输入首个峰值时刻、转向停顿开始时刻进行分析研究。

(1) NHTSA认为，车辆在尽可能短的纵向距离内达到最大侧向位移无疑具有良好的转向响应性，但难以确定发生侧向位移时刻车辆的纵向位置。

(2) 根据多次Sine with Dwell试验分析，最大侧向位移出现时刻早于COS后1s和1.75s，并且转向响应性主要针对车辆在转向输入过程中的避障能力，而非在紧急转向后的恢复阶段。

(3) FMVSS 126选用0.7Hz的Sine with Dwell转向输入，首个转向盘输入峰值对应时刻为BOS后的357ms，NHTSA判定在如此短的时间内难以保证车辆产生显著的易于观测的侧向位移。

(4) Sine with Dwell转向输入最大侧向位移通常出现在500ms停顿期内或停顿结束时刻，而转向停顿开始时刻足够接近该时间点，NHTSA认为此点所测定的数据更具有实际价值，如图6所示。

NHTSA初期研究中采用高精度的GPS并对原始数据进行差分处理并同步优化计算侧向位移，需多台测试设备同时启动并要求保持一致的时间响应性，此方法操作难度大。从便捷性角度考虑，ESC测试直接对侧向加速度进行二重积分计算侧向位移，但却存在初始值零点漂移造成测量误差，NHTSA就此进行GPS方法与二重积分方法的侧向位移对比试验，如图7所示。从图中可以得出如下结论：在Sine with Dwell整个输入过程的2s内，GPS方法与二重积分方法在计算侧向位移的计量方面具有良好的一致性，随着BOS时刻的延迟，一致性逐渐降低，但在BOS时刻至转向输入停顿开始时刻(BOS后1.07s)，二者高度重合且相互收敛，所以可以采用二重积分方法进行BOS至BOS后1.07s的侧向位移的计算，技术内容等效于GPS方法进而考核车辆转向机动性。

3 ESC道路试验验证

目前，国内能满足ESC测试要求的高附着试验场地仅有海南汽车试验场和博世吴江试验场的VDA广场，参考直径大于150m，满足SIS试验中为获取A值而引起的车辆横向偏移和SWD试验的侧向位移要求。选用某国产B级乘用车，按照FMVSS 126要求进行整车ESC道路试验验证，整车参数见表3。试验前，保证车辆轮胎、制动、转向系统良好，拆除驾驶员转向盘安全气囊并安装转向机器人，从安全角度考虑拆卸掉前、后保险杆并安装防翻滚支架。

表3 试验车辆参数

为保证试验重复性和精确度，所有转向盘转向输入均由机器人自动完成，验证结果见表4和表5。

采用自动转向机器人进行转向盘转角输入，保证试验数据具有非常良好的重复性和一致性，由SIS试验获取该试验样车A值为31.4°，初次正弦—停顿试验时转向盘转角峰值为1.5A(47°)，以0.5A幅值增量逐次试验，直至转向盘转角幅值为270°，累计进行16次频率为0.7Hz的正弦—停顿转向盘转向输入。随着每次试验中转向盘转角峰值的逐次叠加，所产生的基于时间历程的车辆横摆角速度和横摆角速度峰值也相应增加，但每次试验中COS后1s和1.75s的车辆横摆角速度均小于转向盘反向输入开始后产生的横摆角速度峰值的35%及20%，车辆横摆角速度衰退速率YRR满足侧向稳定性指标要求。

表4 初始左向正弦—停顿转向试验

表5 初始右向正弦—停顿转向试验

由表5可知，从第8次至最后一次正弦—停顿试验中，在转向盘转向输入期间侧向加速度和侧向位移的响应相当一致，每次试验增加0.5A的转向盘转角峰值并没有使侧向加速度和侧向位移产生明显的波动和漂移，每次BOS后1.07s时刻，车辆质心相对初始直线行驶轨迹的横向偏移(转向盘转角为5A及以上的试验)均满足大于6ft(1.83m)的转向机动性限值要求。

在高附着路面上，ESC对过度转向的干预控制效果非常显著，但ESC对高附着路面上的不足转向的干预却非常谨慎，尤其是对于车辆悬架系统阻尼较小、质心位置较高的SUV、MPV车型，转向系统所固有的不足转向特性致使ESC测试中必然增加转向盘转角输入幅值来满足SIS试验中A值的要求，这本身与其侧向稳定性相矛盾。

4 结论

(1) 介绍ESC技术原理、控制方案及全球ESC相关标准，重点分析研究NHTSA针对ESC系统的测试评价体系，最终选定SIS试验与正弦—停顿转向试验的组合作为ESC系统标准测试方法，选用COS后1s及1.75s的车辆YRR评价ESC系统对车辆侧向稳定性的干预，选用BOS后1.07s时刻的侧向位移评价ESC系统对车辆转向机动性的控制。

(2) 建立整车ESC测评试验流程和试验能力并完成道路试验验证，为国内ESC系统的开发和ESC测评国家标准的制定奠定了基础。

(3) 研究ESC系统在高附着路面对过度转向的干预控制只是研究ESC性能评价体系的第一步，后续的研究应重点关注ESC在高、低附着路面上对转向不足控制的必要性和可行性，同时应加强对ESC失效模式的重点分析。

[1] FMVSS 126. Electronic Stability Control Systems[S]. National Highway Traffic Safety Administration(NHTSA), DOT. Washington, DC,2007.

[2] Proposed FMVSS No. 126 Electronic Stability Control Systems.Office of Regulatory Analysis and Evaluation National Center for Statistics and Analysis[R].2006-08.

[3] Global Technical Regulation No. 8. Electronic Stability Control Systems[S]. UN/ECE. Geneva,26 June 2008.

[4] ECE R13-H. Uniform Provisions Concerning the Approval of Passenger Cars with Regard to Braking[S]. UN/ECE.Geneva,4 October 2011.

[5] FMVSS 101. Controls, Telltales and Indicators[S]. National Highway Traffic Safety Administration(NHTSA), DOT. Washington, DC,2005.

[6] Garrick J Forkenbrock, Devin Elsasser, Bryan O’Harra. NHTSA’s Light Vehicle Handling and ESE Effectiveness Research Program[J]. Transportation Research Center, Inc.United States.05-0221.

[7] Patrick L Boyd. NHTSA’s Ncap Rollover Resistance Rating System[J]. National Highway Traffic Safety Administration United States.05-0450.

[8] Klaus Weimert. Fishhook Test by Corrsys-datron Sensor System GmbH[R]. http://www.corrsys-datron.com/Support/Applications/cds_r_fishhook_test.pdf.

[9] Garrick J Forkenbrock, Patrick L Boyd. Light Vehicle ESE Performance Test Development[J]. NHTSA United States.07-0456.