基于独立脉冲转向系统车辆稳定性控制

张宝珍+谢晖+黄晶+阿米尔

摘 要：为了提高车辆操纵稳定性，本文集成独立转向和主动脉冲转向提出了一种主动后轮独立脉冲转向（ARIPS）控制策略，并对此进行理论分析和试验研究.通过建立ARIPS系统仿真动力学模型，研究此系统的运行对悬架性能的影响并分析不同转向脉冲控制参数对车辆稳定性的影响.依据仿真分析和频率分析方法确定最优脉冲参数.设计ARIPS控制器及脉冲转角分配模块，基于CarSim 和Simulink进行联合仿真分析，验证ARIPS的控制性能. 研制并安装主动脉冲转向系统，基于试验Lexus车辆进行整车试验研究，验证ARIPS系统的实用性.仿真和试验结果表明：验证了ARIPS系统的可行性和经济性，ARIPS控制能有效提高车辆的操纵稳定性，比主动后轮转向（ARS）和主动后轮脉冲转向（ARPS）具有更好的控制效果，对改进四轮转向（4WS）系统的性能提供了一个新的研究方向和试验基础.

关键词：车辆动力学；四轮转向；独立转向；脉冲控制；稳定性；整车试验

中图分类号：U467.1 文献标志码：A

Research on Vehicle Stability Control Based on IndependentPulsed Steering

ZHANG Baozhen 1， XIE Hui1， HUNAG Jing 1， AMIR K1，2

（1. State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body， Hunan University， Changsha 410082，

China；2. Department of Mechanical Engineering，University of Waterloo， Waterloo， N2L 3G1， Canada）

Abstract：In order to improve the vehicle handling stability， an active rear independent pulse steering system（ARIPS）which integrates independent steering and active pulse steering was proposed， and theoretical analysis and experiment study were carried out. The simulation dynamics model equipped with ARIPS system was established to analyze the effects of installation and operation of pulse actuator on the suspension performance. The optimal pulse parameters were determined according to the simulation analysis and frequency analysis method. A control structure and algorithm were designed and a full vehicle model equipped with the steering actuator was built in Carsim and co-simulated with Simulink to verify the proposed system. A hydraulic steering system was designed and assembled for a Lexus to carry out road experiments to assess the applicability of the ARIPS system. Simulation and test results obtained have shown that the proposed system has better performance in terms of improving vehicle handling stability compared with ARS and ARPS system. Meanwhile， the proposed system is economical and feasible，providing a new research space and experimental basis to improve the performance of 4WS system.

Key words：vehicle dynamics； 4WS； independent steering； pulsed control； stability； vehicle experiment

隨着车辆数量的逐年增加和行驶车速的不断提高，车辆交通事故在过去20年已成为一个严重的安全问题[1].通过底盘控制技术来提高车辆操纵稳定性和安全性一直是国内外学者的研究重点[2-4].直接横摆力矩控制（DYC）利用分配不均匀的车轮纵向力产生额外横摆力矩来控制车辆稳定性[5]，但DYC在车轮两侧路面附着系数不同的情况下，效果受到了很大的限制[6].主动转向技术是一种有效的车辆横摆运动和侧向运动的主动控制方法[7]，但是控制转角受到车轮非线性特性和载荷转移的影响[8].鉴于此，新型主动前轮独立转向系统（AIFS）被提出，AIFS系统使垂向载荷大的外侧车轮转动更大的角度，充分利用车轮的侧向力，从而更好地控制车辆的操纵稳定性与安全性能，取得了很好的效果[9-11].在国外一种新颖的主动脉冲转向控制技术，逐渐受到人们的关注，文献[12-14]深入研究了主动脉冲转向（APS）技术对车辆稳定性的影响，验证了APS的实用性.但对这些技术的应用都注重在对车辆前轮的研究，并没有分析作用于后轮的控制效果.endprint

本文基于主动独立转向和脉冲转向，提出新颖的ARIPS系统来提高车辆的稳定性，以试验Lexus车辆为研究对象分析ARIPS系统的运行对悬架系统性能的影响并研究脉冲参数对车辆稳定性能的影响；设计ARIPS控制器及脉沖转角分配模块，运用CarSim和Simulink进行联合仿真，验证所提出的ARIPS系统的有效性与优越性；基于Lexus试验车进行试验研究，验证ARIPS系统的实用性.

1 ARIPS系统工作原理

1.1 传统主动转向系统的缺陷

基于魔术轮胎公式，车轮侧向力与侧偏角在不同车轮垂向载荷作用下的关系曲线，如图1所示.车轮侧向力随着垂向载荷增加而增大，且侧向力线性饱和点的值也随之增大并存在非线性特性[15-16].车辆转向时由于惯性和车身侧倾的影响，内侧车轮垂直载荷会向外侧车轮转移，传统主动转向系统，内外车轮转向角相同，则内侧车轮侧向力很容易达到饱和，但外侧车轮侧向力还有很大上升空间，没有充分利用外侧车轮侧向力，降低了车辆高速行驶时极限转弯能力.ARIPS系统则考虑了内外车轮侧向力饱和区域的差异特性，通过适当增加外侧车轮转角，充分利用车轮所能产生的侧向力，改善传统主动转向系统在转向工况下侧向力不足的缺陷.

1.2 ARIPS系统的结构和实现原理

ARIPS系统左右两侧车轮通过一套齿轮齿条、行星齿轮与转向机构相互连接，如图2所示.太阳轮轴与2个太阳轮固接，齿轮齿条机构的小齿轮与行星轮转向架固接，两个助力伺服电机分别驱动两行星轮机构的外齿圈，当电机转速与转向不同时，可以得到不同的转向脉冲信号，从而实现左右两轮的独立转向.

2 车辆模型

2.1 车辆动力学模型

基于Lexus车辆建立车辆模型，车辆受力及结构参数如图3所示，各自由度微分方程如下[12].

式中：V，r和β分别为车速，横摆角速度和质心侧偏角；a和b分别为质心到前、后轴的距离；Ixx和Izz分别为车辆横摆转动惯量和侧倾转动惯量；K和C为车辆总侧倾刚度和侧倾阻尼；为车辆侧偏角；B为车辆轮距；h为悬挂质量中心到侧倾轴距离.

2.2 ARIPS系统多体动力学模型

为了分析ARIPS系统的运行对悬架性能的影响，建立了基于试验Lexus车辆的带有ARIPS转向装置的多连杆后悬架ADAMS模型，如图4所示.

2.3 ARIPS系统的运行对悬架参数的影响

基于2.2节的ADAMS悬架模型分析ARIPS系统的安装与运行对悬架参数的影响，输入不同的转向位移参数进行仿真分析，记录转向位移的变化对悬架参数的影响，如下表1所示.

如表1所示，侧倾中心的高度和悬架主要参数受转向位移变化的影响非常小.本文中不考虑其影响，即独立脉冲转向装置的运行对车辆的悬架系统的功能没有明显的影响.由此，可以通过控制电机的转速和方向来实现主动后轮独立脉冲转角的预想，同时不影响悬架系统的正常使用功能.

3 ARIPS控制系统

3.1 ARIPS转向理念

ARIPS系统综合内外侧车轮侧向力非线性特性和垂直载荷转移的影响，通过激活不同幅值的脉冲转向信号来提高车辆的稳定性能，最大程度地利用车轮侧向力，如图5所示.类似于ABS制动力控制的工作原理，主动转向角通过脉冲信号来控制.为分析不同脉冲信号参数对车辆动力学的影响，每个脉冲参数被独立地进行研究.

3.2 脉冲参数的分析与优化

脉冲转角包括三个基本的参数：脉冲形式，频率和幅值，本节分析不同脉冲参数对车辆稳定性能的影响，并确定最优脉冲参数值.

3.2.1 脉冲形式的选择

在选择脉冲转向信号过程中，脉冲信号参数必须在仿真和试验过程中是容易调节和控制的，本文中脉冲信号选用标准正弦脉冲信号，其频率和幅值可以方便地通过驱动控制电机的转向和转速来实现，其脉冲方程表达式如下：

δr（t）=A2（1-cos（2πft））（5）

式中：f为脉冲频率；A为脉冲幅值.图6所示的样本脉冲信号，其幅值为2°，频率为3 Hz.

为验证脉冲频率对车辆动力学性能的影响，固定正弦脉冲幅值为A=2°，每次仿真的脉冲频率分别设定为f=1 Hz， 2 Hz， 3 Hz， 4 Hz 和5 Hz.仿真过程中车身侧倾角和质心侧偏角如图8所示.

仿真结果表明，脉冲频率对车辆的侧倾角和质心侧偏角有很大的影响.脉冲频率为1 Hz时，侧倾角的值比不加控制的值更大，表明车辆的侧倾稳定性变坏.通过仔细观察，质心侧偏角和侧倾角在脉冲频率为4 Hz仿真过程中具有最小值，表明4 Hz的脉冲信号能更好地控制车辆的稳定性能，同时4 Hz非常接近图7中的wn值，进一步证明了设定脉冲频率值为wn，能更好地控制车辆的稳定性能.

3.2.3 脉冲幅值分析与优化

为分析脉冲幅值对车辆稳定性能的影响，选定正弦脉冲并固定脉冲频率为4 Hz，每次仿真设定脉冲幅值分别为A= 1.0°， 1.5°， 2.0°， 2.5°和 3.0°.车辆车身侧倾角和质心侧偏角变化曲线如图9所示.

仿真结果表明，增加脉冲幅值，能减少质心侧偏角和车身侧倾角，提高车辆的稳定性能，但是增加脉冲幅值将会需要更大的转向力和转向力矩，需要更大功率的控制电动机.考虑能耗、安装空间和轮胎非线性特征，本文中的脉冲幅值限定为3°.

3.3 ARIPS控制系统的结构

ARIPS控制系统的目标是提高整车稳定性，车辆横摆角速度和质心侧偏角是衡量车辆横向稳定性能的两个重要指标，侧倾系数R是体现车辆侧翻性能的指标[17].侧倾系数可以通过车辆左右轮胎垂向载荷和力矩平衡来计算：

R=Fzr-FzlFzr+Fzlendprint

=2msmB（hR+hcos）+Vr-hg+hsin（8）

式中：Fzl和Fzr分別代表左右两侧车轮垂向载荷，hR代表侧倾轴线到地面的距离.

本文设计了一个 ON/OFF控制器，通过侧倾系数来控制系统的开启或关闭，车辆的横摆角速度和质心侧偏角作为观测变量.侧倾系数R在车辆直线行驶时接近为0；当车辆在转弯或变道的工况时，R在-1到1间变化.如果R接近-1或1，说明车辆某侧轮胎即将或已经脱离地面，车辆将会发生侧翻.考虑车身的惯性和控制器的延迟作用，本文设定R的安全阈值为[-0.8，0.8]，如果R超过了安全阈值，控制器将激活脉冲装置，如果R在安全阈值之内，脉冲控制器将不工作，控制器的工作流程如图10所示.

通过1.1节中对车轮侧向力的分析与3.2节中对脉冲参数的研究，内外侧轮胎的主动脉冲控制信号可由如下公式表达：

δouter=δr+kδc

δinner=δr-kδc（9）

式中：δr为后轮控制脉冲信号；k为内外轮脉冲控制转角转移比例系数；δouter和δinner分别为内外侧车轮脉冲控制转角.

4 仿真验证与结果分析

基于CarSim车辆模型仿真分析，来研究ARIPS 系统的有效性与潜在能力，控制单元通过Simulink建立，图11为联合仿真控制系统框图.CarSim车辆模型是参照试验Lexus车辆内部参数建立的，基本参数如表2所示.

为验证ARIPS系统的实用性与优越性， 主动脉冲转向（ARPS）系统（k=0） 和传统后轮转向（ARS）系统被用来对比分析.具有ARIPS系统， ARPS系统和ARS系统的车辆分别进行仿真和对比分析.

4.1 阶跃转向工况仿真

车速为100 km/h，车轮转角从0°快速变化到某个设定值δf=3.5 °，路面附着系数μ为0.8.仿真结果如图12所示.

从图12可以看出，三种控制策略都降低了车辆的侧倾系数和车身侧倾角，能有效地把车辆的侧翻风险限制在安全阈值范围之内，其中车辆侧倾角降低率约为23.8%.图（e）显示车辆具有明显的过度转向状态，ARIPS控制时横摆角速度和质心侧偏角降低18.2%和2.2°，这能使车辆以最小的轨迹偏差接近于理想路径.然而，三种控制策略表现出来的性能是不一样的，ARIPS 系统能有效增强ARPS系统的性能，这是因为车辆转向过程中，由于载荷从内轮转向外轮，导致了内侧车轮产生的侧向力减少，外侧车轮侧向力相应的增加.仿真结果表明：ARIPS系统和ARPS系统比ARS系统表现出了更好的控制性能.

4.2 双移线工况仿真

双移线工况能准确描述车辆遇到障碍物或超车时紧急避让过程中车辆的性能.车速90 km/h，路面附着系数μ为0.8，仿真结果如图13所示.

从图13可知，车辆的侧倾系数和车身侧倾角在三种控制系统的情况下得到明显降低，车辆的侧翻风险能控制在设定的阈值范围之内；同时车辆的横摆角速度和质心侧偏角都能朝理想值靠近，提高了车辆的横摆稳定性能.ARIPS系统比ARPS系统和ARS系统展现出了更好的控制性能，特别是在转向时刻，ARIPS 系统能更好地适用车辆转弯或超车等极限工况.

5 试验验证与结果分析

本节设计并安装独立脉冲发生器，运用Lexus车辆进行道路试验，进一步验证ARIPS系统在实际工况中的应用性能.液压转向系统的设计和安装如图14所示.采用基于天线的GPS-IMU测量系统对汽车的状态与路面参数进行测量，同时利用传感器与PC机进行数据传递与记录，得到不同工况下的参数指标，如图15所示.

阶跃转向试验工况：车速45 km/h，方向盘转角为180°，持续时间为0.5 s，第4 s到达指定速度，此工况下分别测试ARIPS系统在开启和关闭状态下车辆的横摆角速度和侧向加速度，如图16所示.

试验结果表明：在ARIPS系统开启情况下，车辆横摆和侧向角速度分别降低12.6%和23.1%，同时此车表现出了一定的过度转向的内部特性，横摆角速度的降低能让其更接近理想横摆角速度，提高了车辆的横摆性能和路径跟随性能；侧向加速度的降低提高了车辆的侧向稳定性能.总体来说，ARIPS系统能有效改善车辆的操纵稳定性能.

6 结 论

本文提出了一种主动后轮独立脉冲转向控制方法，并对此做了理论和试验研究.

1） 提出ARIPS系统的概念，并分析了ARIPS运行不会影响悬架正常使用性能.

2） 基于试验Lexus车辆，建立车辆的数学模型，分析不同脉冲信息（频率和振幅）对车辆稳定性的影响并确定了最优的脉冲参数.

3）设计脉冲独立转向控制器，运用CarSim 和Simulink进行联合仿真分析，验证了所提ARIPS系统相比于ARPS系统和ARS系统的有效性与优越性，为车辆主动转向控制提供了一种新的研究方向.

4） 以Lexus试验车为研究对象，安装脉冲转向装置和传感器，进行道路试验，验证了ARIPS系统的可行性和实用性，为ARIPS系统研究提供了试验基础.

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