1、混动商用车防侧翻控制策略研究刘刚，李倩，王红霞，吴启斌，李承斌（河南工学院 车辆与交通工程学院，河南 新乡 ；河南工学院 电缆工程学院，河南 新乡 ；河南工学院 新乡市汽车底盘控制与辅助安全工程技术研究中心，河南 新乡 ）摘要：针对轮毂液压混动商用车行驶安全问题，提出了基于零力矩点预警的防侧翻控制方法。防侧翻系统控制器根据商用车运行状态参数，实时计算下一时刻车辆零力矩点，以此来预测可能发生侧翻的时间。当商用车侧翻预警时间小于门限值时，商用车防侧翻控制策略介入防止发生侧翻。防侧翻策略中的横摆力矩由神经网络 算法计算得到，通过差动制动的方式控制车轮制动，以此达到阻止车辆侧翻的目的。针对所提控制策略
2、，采用了 、和 联合仿真的方式进行验证，选取方向盘阶跃转向作为验证工况，仿真结果表明，所提出的防侧翻控制策略能够有效提高商用车稳定性。关键词：车辆工程；防侧翻控制；差动制动；轮毂液压混合动力；神经网络 中图分类号：文章标识码：文章编号：（）绪论商用车由于质心较高，容易发生侧翻事故。根据美国国家交通管理部门统计数据，美国每年重型商用车侧翻事故 起左右，由于侧翻造成的死亡人数为 人。为防止商用车侧翻，学者 提出了基于侧倾角参数的预警方法，当车辆侧倾角超过门限值时，防侧翻控制策略介入，以防止车辆侧翻。学者 设计了车辆防侧翻控制算法，并利用硬件在环试验验证控制策略的有效性。学者赵健利 用 神 经 网
3、络 算 法，实 现 了 基 于 侧 翻 时 间（，）预警的商用车防侧翻控制。本文以装备轮毂液压混合动力系统的重型商用车为研究对象，首先利用零力矩点（，）进行 侧 翻预 警，然 后 利 用 神 经 网络 算法设计商用车防侧翻控制器，最后利用联合仿真软件，在方向盘阶跃和“预购试验”工况下对本文方法进行验证。商用车混合动力系统构型本文所研究的商用车混动系统构型如图所示，该混动系统是轮毂液压系统，是对传统重型商用车的非驱动轮部分进行了改装而成。改装增加的模块有变量泵模块、高压蓄能器模块、低压蓄能器模块、液压马达模块以及液压电磁阀模块等。当车辆在泥泞、冰雪、砂石等复杂工况下行驶时，整车控制器通过控制液压
4、电磁阀模块将商用车驱动模式切换为全驱模式。在全驱模式下，发动机输出扭矩经过取力器、液压马达模块到达从动轮，可以有效提高商用车在复杂工况下的通过性。当车辆进行制动时，控制器依靠电磁阀模块切换为辅助制动模式，此时中后轮的制动能量传送至变量泵，最终到达低压蓄能器，实现制动能量回收。本文设计的商用车主动防侧翻控制策略如图所示。侧翻预警部分利用三自由度商用车模型和当前车辆状态参数，实时计算当前零力矩点，并作为侧翻指标，当超过门限值时，基于神经网络 防侧翻控制算法介入，计算得到防侧翻所需的主动横摆第 卷第期 年月河南工学院学报 收稿日期：基金项目：基金项目：河南省科技计划项目（）；河南省青年骨干教师项目（
5、）；河南省重点高校重点科研项目（，）；新乡市科技攻关计划项目（）第一作者简介：刘刚（），男，河南新乡人，副教授，博士，主要从事汽车底盘电子控制技术研究。图混动商用车系统构型力矩，将主动横摆力矩按照分配策略分配给前轮轮毂液压泵进行差动制动，从而防止车辆发生侧翻。图车辆稳定性控制策略架构图商用车防侧翻控制器设计 商用车三自由度侧倾模型商用车的侧翻判断参数无法直接通过传感器测量，而多采用估算的方法进行识别，三自由度模型能够准确描述车辆侧向、横摆以及侧倾之间的数学关系，可作为估算方法。模型如图所示。图混动商用车三自由度车辆模型如图所示，商用车在受到外力作用时，侧向运动和绕轴横摆运动的力矩平衡方程表示为
6、：（）商用车侧倾运动和横摆运动的微分方程可以表示为：（?）?（）根据图所示，车辆在侧倾方向受到横摆力矩作用后的力矩平衡方程可以表示为：（）?（）式中，表示商用车质量，表示商用车簧上质量，表示整车的侧向加速度，表示质心和侧倾轴之间的距离，表示商用车簧上质量的侧倾角，和分别表示商用车前后轴侧向力，表示前轮转角，表示侧倾轴方向的转动惯量，为商用车簧上质量等效侧倾角的阻尼系数，表示等效侧倾角的刚度，为横摆力矩。车辆在侧翻状态下，车辆的侧向加速度可以表示为：?（）式中，和分别表示商用车在纵向和侧向的速度。商用车前后轴的轮胎侧偏离在轮胎侧偏角值较小时，可以表示为：（）（）式中，和分别表示商用车前后轴侧偏刚
7、度；和分别表示商用车前后轴侧偏角，可以表示为：（）（）式中，为质心侧偏角，和为商用车前后轴距。商用车侧翻状态识别商用车侧翻是在运动状态中的旋转角度超过其纵向轴线 以上时发生。本文主要研究常见的高速行驶的商用车突然转向时，因车辆侧向加速度较大，车辆内侧车轮离开路面并造成车辆侧翻的情况。侧翻指标是表征商用车实时侧倾情况的量，也是防侧翻控制的基础。选择合适的侧倾指标有助于及时准确掌握车辆运行状态。本文根据文献 中提出的采用零力矩点方法来模拟双足仿生机器人运行过程中可能发生的倾覆，并设计了商用车的侧翻指标。刘刚，等：混动商用车防侧翻控制策略研究零力矩点的计算，主要是针对运动系统中组件的受力情况来计算地
8、面上的合力和合力矩，当合力矩在地面分量为时，则此点为零力矩点位置，如图所示。图商用车零力矩点示意图根据文献 的方法，可将物体的零力矩点力矩表示为：（）（）（）（）（）（）（）式中，表示物体的质量，、分别表示物 体 在 三 个 坐 标 轴 下 的 合 外 力 矩 分 量，、分别表示物体的零力矩点在三个坐标轴上对应的值，、分别表示物体在三轴坐标系下的坐标值。在计算商用车零力矩点时，车辆坐标设置如图（）所示。轴与车辆纵向重合，并设置为正方向；轴与车辆侧向重合；轴则是通过车辆簧下质量质心垂直于轴和轴。在此坐标系下，商用车零力矩点的坐标值表示为（，），商用车簧上质量的质心坐标值表示为（，），商用车簧下质
9、量质心坐标值表示为（，）。针对商用车侧翻情况的判断，需要计算零力矩点坐标中的。将商用车中的质心坐标与零力矩点带入式（）后得到：（）（）在计算 的过程中，商用车横向加速度、横摆角速度、速度依靠双轴加速度传感器以及速度传感器测量观测得到。簧上质量侧偏角、质心侧偏角根据文献 使用观测器得到。考虑到侧翻，还需要设 置 安 全 阈 值。引 入 安 全 系 数 为，（），式中为阈值可调参数，和表示质心到前后轴的距离。图基于零力矩点的商用车侧翻指标示意图 侧翻预警参数对比将本文所采用的零力矩点侧翻预警参数和文献 中所采用的基于侧翻时间（）预警参数进行仿真对比，效果如图和图所示。图所示为 侧翻预警参数，可以看
10、出在 之后 数值一直为，说明仿真中车辆右侧车轮完全悬空，存在侧翻的风险。图为本文算法，可以看出在 后，超出安全范围。从对比可以看出本文所采用方法能够及时预警，且能够通过数值反映车辆侧倾幅度。图基于 侧翻参数预警指标图基于本文的侧翻参数预警指标河南工学院学报 年第期 基于神经网络 的防侧翻控制算法商用车防侧翻主要是利用差动制动，即依靠对商用车各个车轮施加大小不等的制动力，使得车辆产生横摆力矩，以有效防止侧翻。整个策略如图所示。防止侧翻时所需的横摆力矩的计算采用神经网络 控制算法。图基于神经网络 的防侧翻控制策略图 模型如图所示，主要由输入层、隐含层及输出层构成，输入层节点有个，隐含层节点为个，输
11、出节点为个。输入层主要对应的是商用车零力矩点轴坐标值、目标值，以及两者之间的差值。个输出节点分别为 算法对应的比例、积分、微分系数。图 神经网络示意图与传统 算法相比，神经网络 算法根据当前商用车、目标值，以及两者的差值动态调整 算法参数，从而计算出当前商用车防侧翻所需的横摆力矩，神经网络 算法框图如图 所示。图 神经网络 算法框图传统 可以表示为：（）（）（）（）（）（）（）（）（）式中，比例系数、积分系数、微分系数由神经网络算法确定，可表示为：（）（），（），（），（）（）式（）中，（）是由神经网络经过训练后确定的最佳控制率。神经网络输入可以表示为：（）（）（）式（）中，为神经网络输入变量
12、个数，（）。在隐含层，输入和输出关系表示为：（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）式中，；（）表示隐含层中的权值系数；（）表示阈值，值为；（）选择双曲正切函数（）。输出层部分的输入和输出之间的关系为：（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）式（）中，。对应可得 参数：（）（）（）（）（）（）式（）中，（）为输出层对应的权值系数；（）表示阈值，值为；输出层对应的激活函数为：（）。本文选择输出误差的二次方作为指标，可以表示为：（）（）（）采用梯度下降法来修正神经网络的权值系数，修正公式表示为：（）（）（）（）（）（）（）（，）（）（）（）（）（）（）（）（）（）刘刚，等：混动商用车防侧翻控制策略
13、研究对应的隐含层权值系数修正公式为：（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（，）（）以上神经网络算法中对应的上标（）（）（）分别代表神经网络系统的输入层、输出层以及隐含层。防侧翻控制软件联合仿真分析 联合仿真平台搭建联 合 软 件 仿 真 平 台 由 、三个软件构成。软件联合仿真示意如图 所示。负责构建商用车整车动力学模型，主要包括车辆转向、制动、动力传动以及驾驶员模型。负责构建商用车液压传动系统模型。负责构建商用车侧翻控制策略。图 软件联合仿真平台示意图 阶跃转向工况仿真本文选取阶跃转向工况做防侧翻控制策略验证，阶跃转向工况是商用车在时速 的情况下按照图 和图 所示
14、转向，图 所示为阶跃转向工况，图 为鱼钩试验转向工况，路面附着系数设置为 。图 阶跃转向工况下方向盘转角图 和 所示为商用车在阶跃转向工况下的侧倾角、侧倾角速度等数据曲线。仿真数据包括两种类型数据，分别为商用车没有防侧翻控制和具备防侧翻控制策略，以此说明控制策略的有效性。从图中可以看出，没有控制策略的数据在 秒时开始失稳；具备防侧翻控制策略的商用车模型数据曲线在方向盘转动时，数据曲线会逐渐趋于稳态。图“鱼钩试验”工况下方向盘转角图 阶跃转向工况下侧倾角曲线对比图 阶跃转向工况下侧倾角速度曲线对比图 所示为“鱼钩试验”仿真工况下，没有控制策略介入的混动商用车数据和装备本文设计控制策略的数据对比。
15、数据分别为侧向加速度对比、质心侧偏角数据对比以及横摆角速度数据对比。从图中可以看出，没有控制策略介入的车辆，在 秒时开始逐渐失稳，在 秒时发生侧翻，仿真数据停止；另一组装备本文设计控制策略的仿真数据，横摆角速度、侧向加速度、质心侧偏角数据曲线和方向盘转角曲线的变化趋势基本保持一致，并稳定在车辆稳态范围内。图 所示为“鱼钩试验”仿真工况对应的?相平面图。从图中可以看出，无防侧翻控制的曲线轨河南工学院学报 年第期迹没有收敛，而具备防侧翻控制策略的曲线逐渐收敛，说明控制策略有效地确保车辆在阶跃转向工况下没有发生侧翻，提高了混动商用车的侧倾稳定性。图“鱼钩试验”工况下的侧向加速度图“鱼钩试验”工况下的
16、质心侧偏角图“鱼钩试验”工况下的横摆角速度图“鱼钩试验”工况下的相平面图结论（）针对混动商用车在极限工况下高速行驶会出现侧翻的情况，本文设计了基于零力矩点的侧翻预警方法，能够计算出在极限工况下的侧翻预警参数，为混动商用车防侧翻提供侧翻预警信息。（）以商用车三自由度车辆模型为基础，设计了基于神经网络 算法的混动商用车侧翻控制策略，在计算得到防侧翻所需的力矩后，利用差动制动的方式实现商用车的防侧翻控制。（）利用 、软件联合仿真平台，以方向盘阶跃转向试验工况和“鱼钩试验”工况为基础，验证本文所提控制策略的有效性。试验过程中将未装备控制策略的数据和装备本文所提策略的数据进行对比，发现本文所提控制策略能够有效预防商用车侧翻，并减少商用车极限工况下的侧倾角，提高了商用车的稳定性和舒适性。（责任编辑吕春红）参考文献：，（）：，（）：，（）：，（）：赵健，郭俐彤，朱冰，等基于底盘集成控制的轻型汽车防侧翻控制汽车工程，（）：余志生汽车理论北京：清华大学出版社，靳立强，石冠男，于雅静，等基于零力矩点位置和模糊控制的商用车防侧翻控制汽车工程，（）：，（）：，（）：刘刚基于多模型交互的复杂工况下车辆状态估计汽
