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1  引言

    隨著道路交通條件的改善以及汽車技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)代汽車的行駛車速得到極大提高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，車速在80km/h到100km/h之間行駛的汽車發(fā)生的交通事故中，大約40%是與汽車側(cè)向失穩(wěn)有關(guān)。車速越高，由于汽車失穩(wěn)引發(fā)的交通事故的比例越大，當(dāng)車速超過160km/h時(shí)，幾乎每一起事故都是由于側(cè)向失穩(wěn)而造成的。如何提高汽車行駛安全性是現(xiàn)代汽車研究的重要課題之一。

    1986年12月，Bosch公司第一次將ABS (Anti-lock Braking System，制動(dòng)防抱死系統(tǒng)) 和TCS（Traction Control System，牽引力控制系統(tǒng)）控制技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用于Mecedes S級(jí)轎車上^[1]。ABS和TCS都只是在加速和減速時(shí)工作，通過控制縱向滑移率保證汽車在制動(dòng)和驅(qū)動(dòng)時(shí)的縱向動(dòng)力學(xué)性能，防止制動(dòng)時(shí)輪抱死和驅(qū)動(dòng)時(shí)輪打轉(zhuǎn)，同時(shí)達(dá)到間接控制在減速和加速時(shí)的側(cè)向穩(wěn)定性。在極限轉(zhuǎn)向工況下，所受的側(cè)向力接近輪胎與地面的附著極限或達(dá)到飽和而引起的汽車不足轉(zhuǎn)向和過度轉(zhuǎn)向時(shí)，汽車將喪失操縱穩(wěn)定性，ABS和TCS對(duì)此無能為力。因此，汽車穩(wěn)定性控制系統(tǒng)不但要有ABS與TCS的功能，而且要在所有行駛工況下，能夠自動(dòng)并及時(shí)地幫助駕駛員改善汽車側(cè)向穩(wěn)定性，以防止汽車側(cè)滑、甩尾、側(cè)翻，這是時(shí)代對(duì)汽車提出的一種新型的主動(dòng)安全要求。

    汽車穩(wěn)定性控制一般認(rèn)為出現(xiàn)在1995年。1995年，Bosch公司提出了VDC的概念^[2]，后稱ESP^[3]。TOYOTA公司也提出了VSC的概念^[4][5]。1996年BMW公司和Bosch公司合作推出了DSC3 ^[6]。Continental Teves公司也以MK60液壓調(diào)節(jié)器為基礎(chǔ)進(jìn)行ESC (Electronic Stability Control)的研制與開發(fā)^[7]。Bosch 和 Continental Teves是世界汽車技術(shù)的兩個(gè)最大供應(yīng)商，也是ESP的主要供應(yīng)商。

    不同的汽車生產(chǎn)商對(duì)汽車穩(wěn)定性控制系統(tǒng)有不同的名稱。如：Electronic Stability Program―ESP（Audi, Chrysler, Mecedes, VW），Dynamic Stability Control―DSC（BMW, Mazda），StabiliTrak（BUICK, Cadillac），AdvanceTrac （Ford, LINCOLN），Vehicle Dynamics Control―VDC（NISSAN），Vehicle Stability Control―VSC（TOYOTA, LEXUS）等，但其組成與功能大體一致，本文統(tǒng)一用ESP。這些汽車生產(chǎn)商家有的把ESP作為標(biāo)準(zhǔn)配置，有的作為選裝設(shè)備。例如，自1999年，Mecedes-Benz 就把ESP作為其生產(chǎn)的轎車標(biāo)準(zhǔn)配置。

2 ESP的基本原理

    ESP 可分為兩類問題： 一類是軌跡保持問題，可由汽車的質(zhì)心側(cè)偏角來描述；另一類是穩(wěn)定性問題，可由汽車的橫擺角速度來描述。ESP以橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角作為被控變量，它們之間是互相耦合的。Bosch的ESP以橫擺角速度γ為主要控制目標(biāo)，而TOYOTA的VSC以質(zhì)心側(cè)偏角β為主要控制目標(biāo)。
    當(dāng)汽車前輪側(cè)向力達(dá)到附著極限時(shí)，會(huì)產(chǎn)生汽車的“漂移”(Drift-out)現(xiàn)象，在這種情況下，汽車的轉(zhuǎn)彎半徑比駕駛員所期望的要大，導(dǎo)致不足轉(zhuǎn)向(Under Steer)，這時(shí)橫擺角速度γ小于名義橫擺角速度γ_d。當(dāng)后輪側(cè)向力達(dá)到附著極限時(shí)，會(huì)產(chǎn)生汽車的“激轉(zhuǎn)”(Spin-out)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)彎半徑比駕駛員期望的小，導(dǎo)致過度轉(zhuǎn)向(Over Steer)，這時(shí)橫擺角速度γ大于名義橫擺角速度γ_d，汽車產(chǎn)生較大的橫擺角速度和側(cè)偏角，駕駛員很難控制汽車。汽車不足與過度轉(zhuǎn)向如圖1所示。

圖1  不足轉(zhuǎn)向（Under Steer, γ<γ_d ）與過度轉(zhuǎn)向（Over Steer, γ>γ_d）

    基于駕駛員的轉(zhuǎn)向輸入和汽車速度，名義橫擺角速度可用下式計(jì)算^[2]：
                                                          (1)
    式中  是穩(wěn)定性因數(shù)，l_rC_r-l_fC_f稱作穩(wěn)定裕度，v_x為車輛縱向速度，δ_f為前輪轉(zhuǎn)向角，l為軸距，l_f為汽車重心到前軸的距離，l_r為汽車重心到后軸的距離，C_f、C_r分別代表整個(gè)前軸、后軸的側(cè)偏剛度。

    如果路面附著系數(shù)足夠高，式(1)這種關(guān)系表現(xiàn)出良好的性能。但是在低附著路面上，采用式(1)計(jì)算的名義橫擺角速度已不可取。當(dāng)汽車的側(cè)向加速度不能大于最大的附著系數(shù)時(shí)，名義橫擺角速度可用如下界定^[8]：
                                                          (2)

    為了降低成本，目前商業(yè)化的ESP沒安裝傳感器直接測量質(zhì)心側(cè)偏角β，只能通過估計(jì)算法得到其估計(jì)值^[9]。名義側(cè)偏角值β_d必須控制在小的可允許的范圍內(nèi)，如果考慮為0，即為零側(cè)偏控制。

    當(dāng)輪胎側(cè)向力接近附著極限時(shí)，汽車將喪失穩(wěn)定性。但汽車的中性轉(zhuǎn)向(Neutral Steer)和稍微轉(zhuǎn)向不足，就能使汽車具有操縱穩(wěn)定性。因此ESP的控制原理為：ESP的ECU（Electronic Control Unit，電子控制單元）根據(jù)方向盤轉(zhuǎn)角傳感器、制動(dòng)主缸壓力傳感器的信號(hào)、油門踏板位置判斷駕駛員的駕駛意圖，計(jì)算出名義的汽車運(yùn)行狀態(tài)值。ECU根據(jù)檢測得到的實(shí)際汽車狀態(tài)與名義汽車狀態(tài)的誤差，通過控制邏輯計(jì)算出穩(wěn)定橫擺力矩，使汽車按駕駛員預(yù)定的軌跡行駛。

3  穩(wěn)定橫擺力矩(Stabilizing Yaw Moment)

    通過影響前后軸側(cè)向力的平衡或差動(dòng)制動(dòng)力可產(chǎn)生穩(wěn)定橫擺力矩。通常有如下幾種方案可以實(shí)現(xiàn)：

   主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（如主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向，主動(dòng)后輪轉(zhuǎn)向，4WS）：控制前/后輪轉(zhuǎn)向角；

   可控懸架系統(tǒng)（如主動(dòng)懸架，防側(cè)傾穩(wěn)定桿，可控阻尼減振器）：控制前后軸側(cè)傾力矩的分布；

   DYC (Direct yaw control, 直接橫擺力矩控制)：控制驅(qū)動(dòng)力和制動(dòng)力。

   受汽車本身的限制，前兩種方式不普遍。要通過控制車輪轉(zhuǎn)向角來實(shí)現(xiàn)控制汽車的橫擺穩(wěn)定性，汽車必須具有主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。要控制作用在車輪上的垂直載荷分布，汽車必須具備可控懸架系統(tǒng)。

    主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在汽車的線性范圍內(nèi)（側(cè)偏角和驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)力較小時(shí)），通過控制前后輪轉(zhuǎn)向角能夠影響輪胎的側(cè)向力，減小汽車的側(cè)偏角，比較有效的改善汽車的側(cè)向穩(wěn)定性和操縱性能^[10]。但當(dāng)汽車的運(yùn)動(dòng)處在很大的非線性狀態(tài)時(shí)，如在高速大轉(zhuǎn)彎、猛烈剎車或加速時(shí)，車輪側(cè)偏剛度迅速下降。汽車對(duì)轉(zhuǎn)向己沒有響應(yīng)或響應(yīng)很有限，尤其是當(dāng)車輪與路面的作用力達(dá)到附著極限時(shí)，汽車就失去轉(zhuǎn)向能力^[11]。

    可控懸架系統(tǒng)通過控制前后軸的側(cè)傾力矩分布，改變車輪上的垂直載荷分布，進(jìn)而影響側(cè)向力，這樣可產(chǎn)生穩(wěn)定橫擺力矩改善汽車操縱穩(wěn)定性能^[12]。它必須在很大的側(cè)向加速度作用下才有效，當(dāng)側(cè)向加速度小于0.5g時(shí)，其控制效果不明顯。再者，控制效果也取決于垂直載荷分布。

    在上世紀(jì)90年代初，通過對(duì)汽車穩(wěn)定性進(jìn)行分析，提出了直接對(duì)汽車橫擺運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制的概念，即 DYC^[13][14]。它判斷駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖，并通過制動(dòng)力或驅(qū)動(dòng)力在車輪上的分配來調(diào)節(jié)汽車的橫擺運(yùn)動(dòng)，來保障汽車的穩(wěn)定性。

    隨著 ABS 和 TCS 的成熟，汽車的驅(qū)動(dòng)力和制動(dòng)力已經(jīng)比較容易控制。再說，驅(qū)動(dòng)力和制動(dòng)力的控制對(duì)汽車的具體設(shè)計(jì)也沒有特殊要求。即使輪胎側(cè)偏力接近飽和，輪胎仍有一定的裕度產(chǎn)生來產(chǎn)生縱向力。而主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)則不能進(jìn)一步產(chǎn)生足夠的側(cè)向力控制汽車運(yùn)動(dòng)。因此，當(dāng)側(cè)偏角變得更大，輪胎側(cè)向力接近飽和時(shí)，尤其在低附著路面上，DYC比主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有更高的有效性，即在汽車動(dòng)力學(xué)和輪胎特性的非線性范圍內(nèi)DYC是更有效的。所以，通過對(duì)驅(qū)動(dòng)力和制動(dòng)力的控制實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定橫擺力矩是最通用的方法，也是目前商業(yè)化ESP實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定橫擺力矩的方法。

    由于車輪位置的不同，通過制動(dòng)力所產(chǎn)生的穩(wěn)定橫擺力矩的能力也不一樣。一般來說，前外輪最能提供外向的橫擺力矩，對(duì)控制過度轉(zhuǎn)向比較有效，而后內(nèi)輪能最有效地給予內(nèi)向的橫擺力矩，對(duì)控制不足度轉(zhuǎn)向比較敏感。Bosch和Continental Teves公司的ESP就是利用這個(gè)原理。當(dāng)不足轉(zhuǎn)向時(shí)，施加制動(dòng)力于后內(nèi)輪，當(dāng)過度轉(zhuǎn)向時(shí)，施加制動(dòng)力于前外輪，如圖2所示。

圖2   ESP的橫擺力矩控制 (a) 防前輪側(cè)滑 (b) 防后輪側(cè)滑

    一般來說，主要有三種情況ESP 需要對(duì)驅(qū)動(dòng)力矩進(jìn)行控制。

    (1)  在驅(qū)動(dòng)工況下，為了產(chǎn)生穩(wěn)定橫擺力矩，必須控制驅(qū)動(dòng)輪的平均驅(qū)動(dòng)力矩和所需的驅(qū)動(dòng)輪間的制動(dòng)力矩差（即鎖止力矩差值）；

    (2) 在嚴(yán)重不足轉(zhuǎn)向的情況下，因車速過快，僅僅用制動(dòng)力控制已超出其極限，這時(shí)，必須通過降低發(fā)動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩來使汽車減速。這對(duì)于前輪驅(qū)動(dòng)的汽車效果更好；

    (3) 在嚴(yán)重過度轉(zhuǎn)向的情況下，也因車速過快，僅僅用制動(dòng)力控制已超出其極限，這時(shí)，必須通過降低發(fā)動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩來使汽車減速。這對(duì)后輪驅(qū)動(dòng)的汽車效果更好。

圖3  集成的底盤操縱穩(wěn)定性控制

    既然DYC不能用任何的側(cè)向力為控制，它不能直接控制側(cè)向運(yùn)動(dòng)。這樣DYC、主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和主動(dòng)懸架的集成控制能彌補(bǔ)彼此的缺陷，實(shí)現(xiàn)最有效的底盤的操縱控制^{[15][16][17][18]}。目前汽車制造商和供應(yīng)商己經(jīng)開始聯(lián)手研究和開發(fā)整體式底盤控制系統(tǒng)。ESP、懸架控制系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)集成的底盤控制系統(tǒng)如圖3所示。

4 ESP的控制邏輯

    典型ESP是基于DYC原理的，它包括：

    (1)  傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)：真空助力器、管路和制動(dòng)器；

    (2)  傳感器：4個(gè)輪速傳感器、方向盤轉(zhuǎn)角傳感器、側(cè)向加速度傳感器、橫擺角速度傳感器、制動(dòng)主缸壓力傳感器；

    (3)  其它：液壓調(diào)節(jié)器、汽車穩(wěn)定控制電子控制單元(ECU)和輔助系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)。

4.1  ESP控制結(jié)構(gòu)

    ABS系統(tǒng)和ESP系統(tǒng)的重要區(qū)別是：ABS以車輪作為被控對(duì)象，通過控制輪速避免輪被抱死；而ESP系統(tǒng)以汽車作為被控對(duì)象，通過控制汽車運(yùn)動(dòng)使其偏離名義運(yùn)動(dòng)盡可能小。

    Bosch的ESP是其中比較典型的控制方法之一，采用多回路控制方法(Multi-Loop Control)，分為主回路和副回路，其結(jié)構(gòu)如圖 4所示。

圖4   ESP控制結(jié)構(gòu)圖

    主回路橫擺力矩控制器，控制整車的運(yùn)動(dòng)，它根據(jù)汽車行駛時(shí)的動(dòng)態(tài)變量，計(jì)算名義橫擺角速度。如果實(shí)際測量值偏離名義值，主控制器產(chǎn)生穩(wěn)定橫擺力矩，并將其轉(zhuǎn)化為副回路的設(shè)定值，即名義輪滑移率值。副回路是制動(dòng)和驅(qū)動(dòng)滑移率控制器（即ABS和TCS），輸出為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制信號(hào)，包括輪的制動(dòng)壓力和發(fā)動(dòng)機(jī)輸出力矩。這樣通過控制輪滑移率產(chǎn)生制動(dòng)力和牽引力，獲得汽車穩(wěn)定橫擺力矩，使橫擺角速度和側(cè)偏角跟蹤其名義值。

    在驅(qū)動(dòng)工況下，為了產(chǎn)生所需要的橫擺控制力矩，從橫擺力矩控制器獲得被控變量：驅(qū)動(dòng)輪的平均驅(qū)動(dòng)滑移率、驅(qū)動(dòng)輪間名義制動(dòng)力矩差、驅(qū)動(dòng)輪間所允許的滑移率差值的名義值。驅(qū)動(dòng)滑移率控制器的輸出為驅(qū)動(dòng)輪名義制動(dòng)力矩，節(jié)氣門開度所調(diào)整的發(fā)動(dòng)機(jī)名義驅(qū)動(dòng)力矩，名義的點(diǎn)火延遲力矩，燃料噴射應(yīng)該切斷的發(fā)動(dòng)機(jī)的油缸數(shù)及其切斷時(shí)間。

4.2 控制算法

    大量文獻(xiàn)已經(jīng)闡述針對(duì)ABS、TCS、4WS、主動(dòng)懸架、DYC等系統(tǒng)的高級(jí)控制算法。但由于汽車動(dòng)力學(xué)的高度非線性和汽車參數(shù)的不確定性，商業(yè)化的ESP控制邏輯還是主要基于實(shí)驗(yàn)的知識(shí)。許多研究者提出非線性控制設(shè)計(jì)算法如自適應(yīng)控制^[10]、滑模控制^[19]等，及智能控制算法如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)^[21]等。基于這些算法設(shè)計(jì)的控制器對(duì)于各種操縱工況和路面條件、汽車參數(shù)、輪胎參數(shù)的變化具有一定的魯棒性。但在應(yīng)用這些高級(jí)的控制理論到汽車的穩(wěn)定性控制時(shí)，是有必要進(jìn)一步的研究與觀察汽車的動(dòng)力學(xué)，考慮輪胎側(cè)向力、縱向力、垂直載荷和側(cè)向力飽和特性之間的非線性關(guān)系。非線性特性的處理將是最重要的問題，克服輪胎非線性動(dòng)力學(xué)特性需進(jìn)行大量的挑戰(zhàn)性研究。汽車側(cè)偏角和輪路附著系數(shù)的估計(jì)或測量對(duì)于ESP也是關(guān)鍵技術(shù)之一。

5 結(jié)語

    只要汽車?yán)^續(xù)存在，汽車安全就是人類須面對(duì)的永久課題挑戰(zhàn)。ESP 是繼安全帶與安全氣囊后，又一個(gè)汽車安全系統(tǒng)的里程碑。現(xiàn)今ESP已不再是豪華轎車才有的標(biāo)準(zhǔn)裝備，它也會(huì)像ABS一樣逐漸在各種類型的車輛上得到普及。

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