基于动态稳定域的车辆横纵向稳定性协同控制

doi:10.19562/j.chinasae.qcgc.2022.06.012

摘要/Abstract

摘要：

车辆底盘横纵向稳定性控制是车辆安全的重要方面之一。针对车辆在稳定区域内横纵向参数特征，基于动态区域的稳定性分析和相应的稳定性控制器设计了横纵向协同稳定控制方法。首先，基于车辆传统基础稳定域建立了稳定性分析方法；其次，构建了适用于不同车辆工况的动态稳定域，使得稳定域无需针对不同的转向角和车速等重新估计；在此基础上，设计了稳定限幅控制；最后，以滑模面为稳定域边界设计了一种动态滑模控制器，使车辆状态始终维持稳定状态。通过Matlab/Simulink与CarSim的联合仿真，在高速转向和双车道变道场景中验证所提出的横纵向稳定控制方法的有效性。

关键词: 横纵向协同, 动态稳定域, 车辆稳定性控制, 滑模控制

Abstract:

The transverse and longitudinal stability control of chassis is one of the important aspects of vehicle safety. According to the transverse and longitudinal parameter characteristics of the vehicle in the stability region， based on the stability analysis of dynamic region and the corresponding stability controller， a transverse and longitudinal cooperative stability control method is designed. Firstly， the stability analysis method is established based on the traditional vehicle foundation stability region； secondly， a dynamic stability region suitable for different vehicle working conditions is constructed， so that the stability region does not need to be re-estimated for different steering angles and vehicle speeds； on this basis， a stable amplitude limiting control algorithm is designed； finally， taking the sliding mode surface as the boundary of the stability region， a dynamic sliding mode controller is designed to keep the vehicle state stable all the time. Through the joint simulation of Matlab/Simulink and CarSim， the effectiveness of the transverse and longitudinal stability control method is verified in the high-speed steering scene and double line shifting scene.

Key words: horizontal and vertical coordination, dynamic stability region, vehicle stability control, sliding mode control

丛森森,高峰,许述财. 基于动态稳定域的车辆横纵向稳定性协同控制[J]. 汽车工程, 2022, 44(6): 900-908.

Sensen Cong,Feng Gao,Shucai Xu. Cooperative Control of Vehicle Lateral and Longitudinal Stability Based on Dynamic Stability Region[J]. Automotive Engineering, 2022, 44(6): 900-908.

图/表 15

图1

图2

图3

图4

表1

基于稳定域的车辆失稳判断方法"

前提	条件	状态
$V y ≥ 0$	$r ≥ f 1 V y \| \| r < f 2 V y$	失稳状态
$V y ≥ 0$	$f 2 V y ≤ r < f 1 V y$	稳定状态
$V y < 0$	$r ≥ - f 2 - V y \| \| r < - f 1 - V y$	失稳状态
$V y < 0$	$- f 1 - V y ≤ r < - f 2 - V y$	稳定状态

表1

图5

图6

图7

表2

车辆和LuGre轮胎模型关键参数"

变量	含义	数值	变量	含义	数值
$m$ /kg	整车质量	1 270	$L y$	轮胎参数	0.182
$g$ /（ $m ? s - 2$ ）	重力常数	9.8	$μ c x$		0.35
$I z$ /（ $k g ? s 2$ ）	偏航惯性力矩	1 624.2	$μ c y$		0.26
$μ$	路面附着系数	1	$μ s x$		1.5
$l f$ /m	质心至前轴距离	1.02	$μ s y$		1.5
$l r$ /m	质心至后轴距离	1.89	$σ 0 y$		211.8
$l s$ /m	轮距的1/2	0.96	$σ 2 y$		0.006 9
$h g$ /m	车辆质心高度	0.54	$v s x$		10.5
$ζ R y$	轮胎参数	0.091	$v s y$		7.4
$ζ L y$	轮胎参数	0.064

表2

图8

图9

图10

图11

图12

图13

参考文献 26

1	PARKINSON S， WARD P， WOLSON K， et al. Cyber threats facing autonomous and connected vehicles： future challenges ［J］. IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems， 2017， 18（11）： 1-18.
2	TAEIHAGH A， LIM H S M. Governing autonomous vehicles： emerging responses for safety， liability， privacy， cybersecurity， and industry risks［J］. Transport Reviews， 2019， 39（1）： 103-128.
3	KONG J， PFEIFFER M， SCHILDBACH G， et al. Kinematic and dynamic vehicle models for autonomous driving control design［C］. IEEE Intelligent Vehicles Symposium. IEEE， 2015：1094-1099.
4	YANG Y， QIN X F， XU Y K， et al. Study of vehicle crosswind stability control based on AFS and DYC［J］. Hunan Daxue Xuebao/Journal of Hunan University Natural Sciences， 2014， 41（5）：14-19.
5	CUI G， SHANG X， LI Z， et al. Lateral stability control of four-wheel steering vehicles［C］. 2019 3rd Conference on Vehicle Control and Intelligence （CVCI）. IEEE， 2020.
6	CHEN S， YIN G， JIN X. Study on the active steering system with direct yaw-moment control for electric vehicle with electric motored wheels［C］. Control Conference. IEEE， 2016.
7	JIN L， SONG C， LI J. Control algorithm of combination with logic gate and PID control for vehicle electronic stability control［C］. 2010 2nd International Conference on Advanced Computer Control， 2010.
8	WANG F， CHEN Y. Vehicle rollover propensity detection based on a mass-center-position metric： a continuous and completed method［J］. IEEE Transactions on Vehicular Technology， 2019， 68（9）： 8652-8662.
9	BOBIER C G， GERDES J C. Staying within the nullcline boundary for vehicle envelope control using a sliding surface［J］. Vehicle System Dynamics， 2013， 51（2）： 199-217.
10	JOHNSON D， HUSTON J. Nonlinear lateral stability analysis of road vehicles using liapunov's second method［C］. SAE Paper 841057.
11	SADRI S， WU C. Stability analysis of a nonlinear vehicle model in plane motion using the concept of lyapunov exponents ［J］. Vehicle System Dynamics， 2013， 51（6）： 906-924.
12	SAMSUNDAR J， HUSTON J. Estimating lateral stability region of a nonlinear 2 degree-of-freedom vehicle［J］. SAE Transactions， 1998， 107： 1791-1797.
13	INAGAKI S， KUSHIRO I， YAMAMOTO M. Analysis on vehicle stability in critical cornering using phase-plane method［J］. JSAE Review， 1995， 16（2）： 216.
14	SAIKIA A， MAHANTA C. Vehicle stability enhancement using sliding mode based active front steering and direct yaw moment control［C］. Control Conference. IEEE， 2017： 378-384.
15	WANG J， CHEN N， YIN G. Multi-agent based vehicle integrated control framework for coordination of active steering， driveline and braking systems［C］. International Conference on Computer Science & Software Engineering. IEEE Computer Society， 2008.
16	ERLIEN S M， FUJITA S， GERDES J C. Shared steering control using safe envelopes for obstacle avoidance and vehicle stability［J］. IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems， 2016， 17（2）： 441-451.
17	ALRIFAEE B， MACZIJEWSKI J， ABEL D. Sequential convex programming MPC for dynamic vehicle collision avoidance［C］. 2017 IEEE Conference on Control Technology and Applications （CCTA）. IEEE， 2017.
18	DAHER A M， BARDAWIL C R， DAHER N A. Vehicle stability based on gg diagram through braking and driveline［C］. American Control Conference. IEEE， 2017： 309-314.
19	NI J， HU J， XIANG C. Envelope control for four-wheel independently actuated autonomous ground vehicle through AFS/DYC integrated control ［J］. IEEE Transactions on Vehicular Technology， 2017， 66（11）： 9712-9726.
20	HUANG Y， LIANG W， CHEN Y. Stability regions of vehicle lateral dynamics： estimation and analysis［J］. Journal of Dynamic Systems， Measurement and Control， 2021， 143（5）： 663-672.
21	LIANG W， MEDANIC J， RUHL R. Analytical dynamic tire model ［J］. Vehicle System Dynamics， 2008， 46（3）： 197-227.
22	PACEJKA H B， BAKKER E. The magic formula tyre model［J］. Vehicle System Dynamics， 1992， 21（1）： 1-18.
23	CHEN Y， WANG J. Adaptive vehicle speed control with input injections for longitudinal motion independent road frictional condition estimation［J］. IEEE Transactions on Vehicular Technology， 2011， 60（3）： 839-848.
24	KHALEGHIAN S， EMAMI A， TAHERI S. A technical survey on tire-road friction estimation［J］. Friction， 2017， 5（2）： 123-146.
25	HUANG Y， LLIANG W， CHEN Y. Estimation and analysis of vehicle lateral stability region［C］. American Control Conference. IEEE， 2017.
26	ONO E， HOSOE S， TUAN H D， et al. Bifurcation in vehicle dynamics and robust front wheel steering control［J］. IEEE Transactions on Control Systems Technology， 1998， 6（3）： 412-420.

[1]	邓斌, 李维汉, 吴迪, 张冰战, 赵韩. 基于KFESO的四轮主动转向积分滑模控制[J]. 汽车工程, 2024, 46(1): 100-108.
[2]	贺林,徐子昂,黄春荣,龚超,李书华,石琴. 线控转向系统转角预测滑模控制算法研究[J]. 汽车工程, 2023, 45(12): 2200-2208.
[3]	谈东奎,胡港君,朱波,金来,张捷. 考虑预期功能安全的智能汽车自动紧急制动系统[J]. 汽车工程, 2022, 44(6): 799-808.
[4]	江浩斌,冯张棋,洪阳珂,韦奇志,皮健. 应用于车辆纵向控制的无模型自适应滑模预测控制方法[J]. 汽车工程, 2022, 44(3): 319-329.
[5]	赵健,杜金朋,朱冰,王志伟,陈志成,陶晓文. 基于自适应动态滑模控制的智能汽车纵向巡航控制[J]. 汽车工程, 2022, 44(1): 8-16.
[6]	刘晓辉,于良耀,郑晟,卢正弘,宋健. 基于电子助力器的冗余防抱死制动算法研究[J]. 汽车工程, 2022, 44(1): 82-93.
[7]	郭祥靖,孙攀,邓杰,刘勇,刘壮,刘双平. 基于BP神经网络算法预测的重型半挂汽车列车AEB控制策略研究[J]. 汽车工程, 2021, 43(9): 1350-1359.
[8]	耿国庆,李浩,江浩斌,陈杰,唐斌. 商用车电液耦合转向系统主动回正控制研究[J]. 汽车工程, 2021, 43(6): 899-908.
[9]	任玥,冀杰,赵颖,梁艺潇,郑玲. 基于最小模型误差估计的智能汽车路径跟踪控制[J]. 汽车工程, 2021, 43(4): 580-587.
[10]	石求军, 李静. 基于非线性扰动估计的客车防侧翻控制^*[J]. 汽车工程, 2020, 42(9): 1224-1231.
[11]	石求军, 李静, 刘鹏. 基于非线性扰动观测的商用车ESC自适应滑模控制研究^*[J]. 汽车工程, 2020, 42(6): 801-807.
[12]	蔡英凤, 窦磊, 陈龙, 施德华, 汪少华, 朱镇. 基于补偿滑模控制的混合动力汽车协调控制^*[J]. 汽车工程, 2020, 42(4): 431-438.
[13]	马瑞海, 王丽芳, 张俊智, 何承坤. 基于滑模自抗扰的电制动系统动态负载模拟^*[J]. 汽车工程, 2020, 42(2): 141-148.
[14]	陈松, 张红党, 吴海东, 张凤娇, 江晓莹. 基于主动横向稳定杆与差动制动联合控制的车辆防侧翻研究^*[J]. 汽车工程, 2019, 41(9): 1043-1049.
[15]	刘志强, 刘广. 分布式驱动电动汽车稳定性控制仿真与试验[J]. 汽车工程, 2019, 41(7): 792-799.