1  引言

    隨著(zhù)道路交通條件的改善以及汽車(chē)技術(shù)的進(jìn)步，現代汽車(chē)的行駛車(chē)速得到極大提高。據統計，車(chē)速在80km/h到100km/h之間行駛的汽車(chē)發(fā)生的交通事故中，大約40%是與汽車(chē)側向失穩有關(guān)。車(chē)速越高，由于汽車(chē)失穩引發(fā)的交通事故的比例越大，當車(chē)速超過(guò)160km/h時(shí)，幾乎每一起事故都是由于側向失穩而造成的。如何提高汽車(chē)行駛安全性是現代汽車(chē)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) 和TCS（Traction Control System，牽引力控制系統）控制技術(shù)相結合應用于Mecedes S級轎車(chē)上^[1]。ABS和TCS都只是在加速和減速時(shí)工作，通過(guò)控制縱向滑移率保證汽車(chē)在制動(dòng)和驅動(dòng)時(shí)的縱向動(dòng)力學(xué)性能，防止制動(dòng)時(shí)輪抱死和驅動(dòng)時(shí)輪打轉，同時(shí)達到間接控制在減速和加速時(shí)的側向穩定性。在極限轉向工況下，所受的側向力接近輪胎與地面的附著(zhù)極限或達到飽和而引起的汽車(chē)不足轉向和過(guò)度轉向時(shí)，汽車(chē)將喪失操縱穩定性，ABS和TCS對此無(wú)能為力。因此，汽車(chē)穩定性控制系統不但要有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(chē)側向穩定性，以防止汽車(chē)側滑、甩尾、側翻，這是時(shí)代對汽車(chē)提出的一種新型的主動(dòng)安全要求。

    汽車(chē)穩定性控制一般認為出現在1995年。1995年，Bosch公司提出了VDC的概念^[2]，后稱(chēng)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液壓調節器為基礎進(jìn)行ESC (Electronic Stability Control)的研制與開(kāi)發(fā)^[7]。Bosch 和 Continental Teves是世界汽車(chē)技術(shù)的兩個(gè)最大供應商，也是ESP的主要供應商。

    不同的汽車(chē)生產(chǎn)商對汽車(chē)穩定性控制系統有不同的名稱(chēng)。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，本文統一用ESP。這些汽車(chē)生產(chǎn)商家有的把ESP作為標準配置，有的作為選裝設備。例如，自1999年，Mecedes-Benz 就把ESP作為其生產(chǎn)的轎車(chē)標準配置。

2 ESP的基本原理

    ESP 可分為兩類(lèi)問(wèn)題： 一類(lèi)是軌跡保持問(wèn)題，可由汽車(chē)的質(zhì)心側偏角來(lái)描述；另一類(lèi)是穩定性問(wèn)題，可由汽車(chē)的橫擺角速度來(lái)描述。ESP以橫擺角速度和質(zhì)心側偏角作為被控變量，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，而TOYOTA的VSC以質(zhì)心側偏角β為主要控制目標。
    當汽車(chē)前輪側向力達到附著(zhù)極限時(shí)，會(huì )產(chǎn)生汽車(chē)的“漂移”(Drift-out)現象，在這種情況下，汽車(chē)的轉彎半徑比駕駛員所期望的要大，導致不足轉向(Under Steer)，這時(shí)橫擺角速度γ小于名義橫擺角速度γ_d。當后輪側向力達到附著(zhù)極限時(shí)，會(huì )產(chǎn)生汽車(chē)的“激轉”(Spin-out)現象，轉彎半徑比駕駛員期望的小，導致過(guò)度轉向(Over Steer)，這時(shí)橫擺角速度γ大于名義橫擺角速度γ_d，汽車(chē)產(chǎn)生較大的橫擺角速度和側偏角，駕駛員很難控制汽車(chē)。汽車(chē)不足與過(guò)度轉向如圖1所示。

圖1  不足轉向（Under Steer, γ<γ_d ）與過(guò)度轉向（Over Steer, γ>γ_d）

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

    如果路面附著(zhù)系數足夠高，式(1)這種關(guān)系表現出良好的性能。但是在低附著(zhù)路面上，采用式(1)計算的名義橫擺角速度已不可取。當汽車(chē)的側向加速度不能大于最大的附著(zhù)系數時(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(méi)安裝傳感器直接測量質(zhì)心側偏角β，只能通過(guò)估計算法得到其估計值^[9]。名義側偏角值β_d必須控制在小的可允許的范圍內，如果考慮為0，即為零側偏控制。

    當輪胎側向力接近附著(zhù)極限時(shí)，汽車(chē)將喪失穩定性。但汽車(chē)的中性轉向(Neutral Steer)和稍微轉向不足，就能使汽車(chē)具有操縱穩定性。因此ESP的控制原理為：ESP的ECU（Electronic Control Unit，電子控制單元）根據方向盤(pán)轉角傳感器、制動(dòng)主缸壓力傳感器的信號、油門(mén)踏板位置判斷駕駛員的駕駛意圖，計算出名義的汽車(chē)運行狀態(tài)值。ECU根據檢測得到的實(shí)際汽車(chē)狀態(tài)與名義汽車(chē)狀態(tài)的誤差，通過(guò)控制邏輯計算出穩定橫擺力矩，使汽車(chē)按駕駛員預定的軌跡行駛。

3  穩定橫擺力矩(Stabilizing Yaw Moment)

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

   主動(dòng)轉向系統（如主動(dòng)前輪轉向，主動(dòng)后輪轉向，4WS）：控制前/后輪轉向角；

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

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

   受汽車(chē)本身的限制，前兩種方式不普遍。要通過(guò)控制車(chē)輪轉向角來(lái)實(shí)現控制汽車(chē)的橫擺穩定性，汽車(chē)必須具有主動(dòng)轉向系統。要控制作用在車(chē)輪上的垂直載荷分布，汽車(chē)必須具備可控懸架系統。

    主動(dòng)轉向系統在汽車(chē)的線(xiàn)性范圍內（側偏角和驅動(dòng)/制動(dòng)力較小時(shí)），通過(guò)控制前后輪轉向角能夠影響輪胎的側向力，減小汽車(chē)的側偏角，比較有效的改善汽車(chē)的側向穩定性和操縱性能^[10]。但當汽車(chē)的運動(dòng)處在很大的非線(xiàn)性狀態(tài)時(shí)，如在高速大轉彎、猛烈剎車(chē)或加速時(shí)，車(chē)輪側偏剛度迅速下降。汽車(chē)對轉向己沒(méi)有響應或響應很有限，尤其是當車(chē)輪與路面的作用力達到附著(zhù)極限時(shí)，汽車(chē)就失去轉向能力^[11]。

    可控懸架系統通過(guò)控制前后軸的側傾力矩分布，改變車(chē)輪上的垂直載荷分布，進(jìn)而影響側向力，這樣可產(chǎn)生穩定橫擺力矩改善汽車(chē)操縱穩定性能^[12]。它必須在很大的側向加速度作用下才有效，當側向加速度小于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90年代初，通過(guò)對汽車(chē)穩定性進(jìn)行分析，提出了直接對汽車(chē)橫擺運動(dòng)進(jìn)行控制的概念，即 DYC^[13][14]。它判斷駕駛員的轉向意圖，并通過(guò)制動(dòng)力或驅動(dòng)力在車(chē)輪上的分配來(lái)調節汽車(chē)的橫擺運動(dòng)，來(lái)保障汽車(chē)的穩定性。

    隨著(zhù) ABS 和 TCS 的成熟，汽車(chē)的驅動(dòng)力和制動(dòng)力已經(jīng)比較容易控制。再說(shuō)，驅動(dòng)力和制動(dòng)力的控制對汽車(chē)的具體設計也沒(méi)有特殊要求。即使輪胎側偏力接近飽和，輪胎仍有一定的裕度產(chǎn)生來(lái)產(chǎn)生縱向力。而主動(dòng)轉向系統則不能進(jìn)一步產(chǎn)生足夠的側向力控制汽車(chē)運動(dòng)。因此，當側偏角變得更大，輪胎側向力接近飽和時(shí)，尤其在低附著(zhù)路面上，DYC比主動(dòng)轉向系統有更高的有效性，即在汽車(chē)動(dòng)力學(xué)和輪胎特性的非線(xiàn)性范圍內DYC是更有效的。所以，通過(guò)對驅動(dòng)力和制動(dòng)力的控制實(shí)現穩定橫擺力矩是最通用的方法，也是目前商業(yè)化ESP實(shí)現穩定橫擺力矩的方法。

    由于車(chē)輪位置的不同，通過(guò)制動(dòng)力所產(chǎn)生的穩定橫擺力矩的能力也不一樣。一般來(lái)說(shuō)，前外輪最能提供外向的橫擺力矩，對控制過(guò)度轉向比較有效，而后內輪能最有效地給予內向的橫擺力矩，對控制不足度轉向比較敏感。Bosch和Continental Teves公司的ESP就是利用這個(gè)原理。當不足轉向時(shí)，施加制動(dòng)力于后內輪，當過(guò)度轉向時(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) 防前輪側滑 (b) 防后輪側滑

    一般來(lái)說(shuō)，主要有三種情況ESP 需要對驅動(dòng)力矩進(jìn)行控制。

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

    (2) 在嚴重不足轉向的情況下，因車(chē)速過(guò)快，僅僅用制動(dòng)力控制已超出其極限，這時(shí)，必須通過(guò)降低發(fā)動(dòng)機的驅動(dòng)力矩來(lái)使汽車(chē)減速。這對于前輪驅動(dòng)的汽車(chē)效果更好；

    (3) 在嚴重過(guò)度轉向的情況下，也因車(chē)速過(guò)快，僅僅用制動(dòng)力控制已超出其極限，這時(shí)，必須通過(guò)降低發(fā)動(dòng)機的驅動(dòng)力矩來(lái)使汽車(chē)減速。這對后輪驅動(dòng)的汽車(chē)效果更好。

圖3  集成的底盤(pán)操縱穩定性控制

    既然DYC不能用任何的側向力為控制，它不能直接控制側向運動(dòng)。這樣DYC、主動(dòng)轉向系統和主動(dòng)懸架的集成控制能彌補彼此的缺陷，實(shí)現最有效的底盤(pán)的操縱控制^{[15][16][17][18]}。目前汽車(chē)制造商和供應商己經(jīng)開(kāi)始聯(lián)手研究和開(kāi)發(fā)整體式底盤(pán)控制系統。ESP、懸架控制系統、轉向控制系統集成的底盤(pán)控制系統如圖3所示。

4 ESP的控制邏輯

    典型ESP是基于DYC原理的，它包括：

    (1)  傳統制動(dòng)系統：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(pán)轉角傳感器、側向加速度傳感器、橫擺角速度傳感器、制動(dòng)主缸壓力傳感器；

    (3)  其它：液壓調節器、汽車(chē)穩定控制電子控制單元(ECU)和輔助系統發(fā)動(dòng)機管理系統。

4.1  ESP控制結構

    ABS系統和ESP系統的重要區別是：ABS以車(chē)輪作為被控對象，通過(guò)控制輪速避免輪被抱死；而ESP系統以汽車(chē)作為被控對象，通過(guò)控制汽車(chē)運動(dòng)使其偏離名義運動(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，其結構如圖 4所示。

圖4   ESP控制結構圖

    主回路橫擺力矩控制器，控制整車(chē)的運動(dòng)，它根據汽車(chē)行駛時(shí)的動(dòng)態(tài)變量，計算名義橫擺角速度。如果實(shí)際測量值偏離名義值，主控制器產(chǎn)生穩定橫擺力矩，并將其轉化為副回路的設定值，即名義輪滑移率值。副回路是制動(dòng)和驅動(dòng)滑移率控制器（即ABS和TCS），輸出為執行機構的控制信號，包括輪的制動(dòng)壓力和發(fā)動(dòng)機輸出力矩。這樣通過(guò)控制輪滑移率產(chǎn)生制動(dòng)力和牽引力，獲得汽車(chē)穩定橫擺力矩，使橫擺角速度和側偏角跟蹤其名義值。

    在驅動(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：驅動(dòng)輪的平均驅動(dòng)滑移率、驅動(dòng)輪間名義制動(dòng)力矩差、驅動(dòng)輪間所允許的滑移率差值的名義值。驅動(dòng)滑移率控制器的輸出為驅動(dòng)輪名義制動(dòng)力矩，節氣門(mén)開(kāi)度所調整的發(fā)動(dòng)機名義驅動(dòng)力矩，名義的點(diǎn)火延遲力矩，燃料噴射應該切斷的發(fā)動(dòng)機的油缸數及其切斷時(shí)間。

4.2 控制算法

    大量文獻已經(jīng)闡述針對ABS、TCS、4WS、主動(dòng)懸架、DYC等系統的高級控制算法。但由于汽車(chē)動(dòng)力學(xué)的高度非線(xiàn)性和汽車(chē)參數的不確定性，商業(yè)化的ESP控制邏輯還是主要基于實(shí)驗的知識。許多研究者提出非線(xiàn)性控制設計算法如自適應控制^[10]、滑?？刂?sup>[19]等，及智能控制算法如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )^[21]等?；谶@些算法設計的控制器對于各種操縱工況和路面條件、汽車(chē)參數、輪胎參數的變化具有一定的魯棒性。但在應用這些高級的控制理論到汽車(chē)的穩定性控制時(shí)，是有必要進(jìn)一步的研究與觀(guān)察汽車(chē)的動(dòng)力學(xué)，考慮輪胎側向力、縱向力、垂直載荷和側向力飽和特性之間的非線(xiàn)性關(guān)系。非線(xiàn)性特性的處理將是最重要的問(wèn)題，克服輪胎非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)特性需進(jìn)行大量的挑戰性研究。汽車(chē)側偏角和輪路附著(zhù)系數的估計或測量對于ESP也是關(guān)鍵技術(shù)之一。

5 結語(yǔ)

    只要汽車(chē)繼續存在，汽車(chē)安全就是人類(lèi)須面對的永久課題挑戰。ESP 是繼安全帶與安全氣囊后，又一個(gè)汽車(chē)安全系統的里程碑?，F今ESP已不再是豪華轎車(chē)才有的標準裝備，它也會(huì )像ABS一樣逐漸在各種類(lèi)型的車(chē)輛上得到普及。

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