基于TTR預(yù)警的重型車輛防側(cè)翻控制算法_圖文

1、第39卷增刊2吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版Vol.39Sup.22009年9月Journal of Jilin University (Engineering and Technology Edition Sept.2009收稿日期:2009204225.基金項(xiàng)目:高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金項(xiàng)目(200801830030;“863”國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2006AA110104.基于T TR 預(yù)警的重型車輛防側(cè)翻控制算法于志新1,2,宗長富2,何磊2,王素文3(1.長春工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,長春130012;2.吉林大學(xué)汽車動(dòng)態(tài)模擬國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長春130022;3.長春理工大學(xué)理學(xué)院,長

2、春130022摘要:對建立的重型車輛8DO F 與5DO F 實(shí)時(shí)簡化動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行了比較,優(yōu)選出了能較好預(yù)測未來側(cè)翻危險(xiǎn)程度的5DOF 模型,進(jìn)而研究了基于該模型的實(shí)時(shí)T TR 側(cè)翻預(yù)警算法和基于預(yù)警算法的防側(cè)翻LQ R 最優(yōu)主動(dòng)控制策略。應(yīng)用差動(dòng)制動(dòng)的方法對重型車輛進(jìn)行了主動(dòng)側(cè)傾控制,還選取魚鉤等四種轉(zhuǎn)向工況,以TruckSim 和MatLab 聯(lián)合仿真來驗(yàn)證預(yù)警算法的精度與可靠性。仿真結(jié)果表明,基于差動(dòng)制動(dòng)的L QR 控制方法能有效地降低側(cè)翻指標(biāo)橫向載荷轉(zhuǎn)移率(L TR ,避免側(cè)翻的發(fā)生,顯著提高了重型車輛的側(cè)傾穩(wěn)定性。關(guān)鍵詞:車輛工程;重型車輛;側(cè)翻預(yù)警;差動(dòng)制動(dòng)中圖分類號:U469.

3、5文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:167125497(2009Sup.220251204Algorithms of anti 2rollover control for heavy vehicle based on TTR w arningYU Zhi 2xin 1,2,ZON G Chang 2f u 2,H E Lei 2,WAN G Su 2wen 3(1.S chool of Mechat ronic Engineering ,Changchun Universit y of Technology ,Changchun 130012,China;2.S tate Key L aborator

4、y of A utomotive D y namic S im ulation ,J ilin Universit y ,Changchun 130022,China;3.De partment of Science ,Changchun Universit y of S cience and Technolog y ,Changchun 130022,China Abstract :The models of simplify real 2time dynamic for t he heavy vehicles was compared ,and a 5DO F model of heavy

5、 semi 2trailer was selected out because it can better predict t he f ut ure rollover risk.An algorit hm of real 2time T TR rollover warning based on t he model and optimal active cont rol strategies for anti 2rollover L QR based on t he algorit hm were researched.The heavy vehicles were active cont

6、rolled for rollover wit h differential braking.Accuracy and reliability of warning algorit hms was also verified using TruckSim and MatLab Co 2simulation for fishhook etc.steering sit uation.The result s show t his met hod can reduce rollover performance index of Lateral Load Transfer Ratio effectiv

7、ely and avoid occurred rollover and imp rove t he roll stability of heavy vehicles significantly.K ey w ords :vehicle engineering ;heavy vehicles ;rollover warning ;differential braking自上世紀(jì)90年代起,美、日、法等國都投入巨資開展針對SUV 和重型車輛的側(cè)翻預(yù)警和控制的研究,主要應(yīng)用基于側(cè)向加速度、側(cè)傾角及橫向載荷轉(zhuǎn)移率(L TR 2Lateral Load Transfer Ratio 門限值的警示算法。車

8、輛防側(cè)翻控制系統(tǒng)主要應(yīng)用主動(dòng)懸架、主動(dòng)橫向穩(wěn)定器和差動(dòng)制動(dòng)等來抑制車身側(cè)傾的趨勢,減少側(cè)翻事故的發(fā)生124。我國在汽車預(yù)防側(cè)翻主動(dòng)安全控制方面還處吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版第39卷于起步階段。吉林大學(xué)、南京航空航天大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)針對重型半掛車側(cè)傾穩(wěn)定性問題,通過建立車輛側(cè)翻模型對質(zhì)心側(cè)偏角和橫擺角速度進(jìn)行聯(lián)合控制,并應(yīng)用主動(dòng)懸架和主動(dòng)橫向穩(wěn)定器等方法對防側(cè)翻控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證526。本文提出了一種基于模型的側(cè)翻時(shí)間(T TR2Time To Rollover預(yù)警算法來判斷車輛接近側(cè)翻的程度,再結(jié)合預(yù)警參考模型預(yù)測出車輛側(cè)翻發(fā)生時(shí)間以提高汽車主動(dòng)安全性。并對應(yīng)用線性二次型狀態(tài)調(diào)節(jié)器(L QR2Li

9、near QuadraticRegulator控制算法獲取最優(yōu)附加橫擺力矩,采取差動(dòng)制動(dòng)精確控制相應(yīng)制動(dòng)車輪,降低側(cè)翻危險(xiǎn)。1側(cè)翻預(yù)警算法T TR是指車輛以當(dāng)前時(shí)刻運(yùn)行到一側(cè)車輪離地時(shí)所需的時(shí)間。因?yàn)檐囕嗠x地是車輛側(cè)翻事故即將發(fā)生的信號。側(cè)翻發(fā)生后,真實(shí)的T TR可以反推求出。如圖1所示,一旦車輛側(cè)傾角超過設(shè)定的臨界值,就可以從側(cè)翻時(shí)刻起沿著T TR2時(shí)間曲線中一條斜率為-1的直線進(jìn)行反推并定義事故發(fā)生前一個(gè)0.2s的時(shí)刻使其有0.2s的“真實(shí)T TR”。如果能實(shí)時(shí)預(yù)測重構(gòu)T TR,就可以精確描述和報(bào)告車輛側(cè)翻的危險(xiǎn)程度7 。圖1TTR概念示意圖Fig.1Schematic diagram o

10、f TTR concept本文應(yīng)用吉林大學(xué)汽車動(dòng)態(tài)模擬國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建立的重型半掛車8DO F及簡化5DO F模型做為預(yù)警參考模型來研究側(cè)翻預(yù)警算法5。T TR預(yù)警算法是以側(cè)翻模型來預(yù)測真實(shí)車輛狀態(tài)參數(shù)的響應(yīng),以當(dāng)前狀態(tài)為初始值,步長為T s來計(jì)算模型的側(cè)翻指標(biāo)。側(cè)翻指標(biāo)選取基于模型的L TR(-1+1之間,其絕對值為1則說明車輛開始側(cè)翻。預(yù)設(shè)側(cè)翻預(yù)警門限值為X秒,當(dāng)側(cè)翻指標(biāo)第一次滿足側(cè)翻條件時(shí)記下計(jì)算步數(shù)N,得到預(yù)警時(shí)間T TR=N×T s。若X秒內(nèi)側(cè)翻指標(biāo)不滿足側(cè)翻條件則停止計(jì)算,設(shè)置側(cè)翻預(yù)測時(shí)間為X s,即未來X s內(nèi)不會(huì)側(cè)翻;小于門限值則認(rèn)為存在側(cè)翻風(fēng)險(xiǎn)。T T R值越小則汽

11、車側(cè)翻風(fēng)險(xiǎn)越高,T T R為0即說明汽車正在側(cè)翻。側(cè)翻預(yù)警算法流程如圖2所示 。圖2側(cè)翻預(yù)警算法流程圖Fig.2Flow chart of anti2rollover w arning algorithm2重型車輛側(cè)翻預(yù)警聯(lián)合仿真由于重型半掛車更容易側(cè)翻,所以對其預(yù)警就尤為重要。本文應(yīng)用TruckSim對5DOF、8DO F車輛預(yù)警模型分別在四種(斜坡、階躍、避障和魚鉤轉(zhuǎn)向工況下進(jìn)行6080km/h車速的側(cè)翻預(yù)警仿真。限于篇幅,本文以圖3、圖4為例進(jìn)行魚鉤轉(zhuǎn)向工況70km/h車速時(shí)的T TR預(yù)警和L TR對比結(jié)果說明 。圖370km/h時(shí)TTR預(yù)警對比Fig.3Comparison of TT

12、R w arning at70km/h由對比曲線可知,5DO F和8DO F模型在T TR門限值為3s時(shí)的預(yù)測效果較好,準(zhǔn)確度都很高。再由此5DO F預(yù)警模型與TruckSim模擬252增刊2于志新,等:基于T TR預(yù)警的重型車輛防側(cè)翻控制算法 圖470km/h 時(shí)LTR 預(yù)警對比Fig.4Comparison of LTR w arning at 70km/h的真實(shí)車輛進(jìn)行驗(yàn)證,顯示此模型跟隨性好,側(cè)翻性能指標(biāo)跟蹤效果穩(wěn)定。因此選5DOF 模型作為重型半掛車防側(cè)翻控制算法的預(yù)警參考模型。3防側(cè)翻控制算法與仿真3.1控制器的設(shè)計(jì)以實(shí)時(shí)參考模型為基礎(chǔ),應(yīng)用基于預(yù)警算法的防側(cè)翻L QR 最優(yōu)主動(dòng)控

13、制策略,并以差動(dòng)制動(dòng)(DB 2differential braking 為防側(cè)翻控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)來對重型車輛進(jìn)行主動(dòng)側(cè)傾控制。 線性二次型最優(yōu)控制(L Q 2Linear Quadratic Optimization 是一種普遍采用的最優(yōu)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法,用以控制狀態(tài)空間表達(dá)式給出的線性系統(tǒng),其性能指標(biāo)是系統(tǒng)狀態(tài)與控制輸入的二次型函數(shù)。而線性二次型狀態(tài)調(diào)節(jié)器(LQ R 則適用于無限長時(shí)間、線性時(shí)不變(L TI 2Linear Time 圖5線性二次型調(diào)節(jié)器構(gòu)造框圖Fig.5B lock diagram of Linear Q u adratic R egulatorInvariant二次型最

14、優(yōu)控制問題。本文控制器構(gòu)造如圖5所示。L QR 問題就是在線性系統(tǒng)的約束條件下,選擇控制輸入u (t ,使得二次型性能指標(biāo)J 達(dá)到最小。J =(z T Q z +u T R u d t(1式中:矩陣Q 和R 為設(shè)計(jì)參數(shù),分別代表性能輸出z 和控制輸入u 的相對權(quán)重。對于實(shí)際問題,Q 是半正定,R 是正定的,(A ,B 0可控,(C 1,A 可觀測,則有最優(yōu)反饋矩陣:K FB =R -1B T0S(2唯一的最優(yōu)控制:u (t =-K FB x (t R -1B T0S x (t (3u (t 即為控制器所設(shè)計(jì)出的差動(dòng)制動(dòng)產(chǎn)生的實(shí)時(shí)最優(yōu)橫擺阻力矩,用以糾正車輛的不足轉(zhuǎn)向和過度轉(zhuǎn)向。S 為對稱、半正

15、定矩陣,是Riccati 方程:SA +A TS -SB 0R -1B T 0S +C T1QC 1=0(4的唯一解。閉環(huán)系統(tǒng):x (t =(A -B 0R -1B T0S x (t (5是漸進(jìn)穩(wěn)定的,其解為最優(yōu)軌跡x 3(t 。3.2基于TTR 預(yù)警的防側(cè)翻控制算法如圖6所示,本文防側(cè)翻控制算法以T TR 為觸發(fā)信號,將L QR 決策得到的最優(yōu)附加橫擺力矩以差動(dòng)制動(dòng)方式精確控制相應(yīng)車輪制動(dòng)?？紤]重型半掛車具有后部放大效應(yīng)而使其橫擺和側(cè)翻穩(wěn)定極限降低,選取車輛的穩(wěn)定性控制目標(biāo)為橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角,采用L Q R 最優(yōu)控制產(chǎn)生理想的附加橫擺力矩,再以圖7所示的差動(dòng)圖6側(cè)翻控制算法流程圖Fig

16、.6Flow chart of algorithm for controlrollover圖7差動(dòng)制動(dòng)邏輯判斷框圖Fig.7B lock diagram of logic judgment for DB352吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版第39卷制動(dòng)邏輯控制相應(yīng)的制動(dòng)車輪,最終通過抑制L TR 來防止車輛側(cè)翻。 4仿真結(jié)果分析如圖8所示,以魚鉤轉(zhuǎn)向工況下80km/h 車速進(jìn)行基于差動(dòng)制動(dòng)的牽引車前輪制動(dòng)力矩隨時(shí)間變化的仿真曲線(后輪略為例進(jìn)行分析。 (a 左前輪 (b 右前輪圖8牽引車前輪制動(dòng)力矩Fig.8B raking torque of tractor front wheel牽引車前輪預(yù)警控制時(shí)在

17、12.5s 所需制動(dòng)力矩不到1.5kN m ,而基于連續(xù)控制時(shí)在02.5s 內(nèi)所需制動(dòng)力矩最大達(dá)到2.25kN m ;牽引車右前輪預(yù)警控制時(shí)在36.7s 施加制動(dòng)力矩,4s 后達(dá)到制動(dòng)器飽和值3.5kN m ,而基于連續(xù)制動(dòng)時(shí)在2.56.7s 施加制動(dòng)力矩,在5s 才達(dá)到制動(dòng)器飽和值3.5kN m ?？梢?此控制系統(tǒng)大大節(jié)省了制動(dòng)能量,明顯降低了制動(dòng)強(qiáng)度。由圖9可知,基于T TR 側(cè)翻預(yù)警控制,可將半掛車質(zhì)心側(cè)偏角幅度由控制前的3°減至0°附近。5結(jié)論(1本文對5DO F 和8DOF 重型半掛車預(yù)警模型與TruckSim 模擬的真實(shí)車輛進(jìn)行了驗(yàn)證,選取有更高運(yùn)算速度和超實(shí)時(shí)

18、性的5DO F 模型作為重型車輛防側(cè)翻控制算法的預(yù)警參考模型。圖9半掛車質(zhì)心側(cè)偏角隨時(shí)間變化曲線Fig.9Change curve of side slip angle of semi 2trailer(2在魚鉤轉(zhuǎn)向等工況下,對參考模型進(jìn)行仿真以驗(yàn)證L Q R 防側(cè)翻控制算法。結(jié)果表明:此算法能很好的控制車輛側(cè)翻,防止側(cè)翻事故發(fā)生,具有很好的可靠性、普適性和穩(wěn)定性。參考文獻(xiàn):1L und Y I ,Bernard J E.Analysis of simple rollovermetricsCSA E Paper 950306.2Chen Bo 2chiuan.Warning and contr

19、ol or vehiclerollver prevention D .Department of Mechanical Engineering ,University of Michigan ,2001.3Rakhja S ,Piche A.Development of directional sta 2bility criteria for an early warning safety device C SA E Paper 902265.4Ervin R D ,Winkler C B ,Fancher P S ,et al.Cooper 2ative agreement to foster the development of a heavy vehicle intelligent dynamic stability enhancement systemR .University of Michigan Transportation Research Institute ,1992.5麥莉,宗長富,