本發(fā)明涉及車輛穩(wěn)定性控制領域，尤其是涉及一種新型的相平面車輛穩(wěn)定性判斷方法。

背景技術：

隨著汽車保有量的不斷增加，道路交通事故、環(huán)境污染和噪聲等問題日益突出。如何減少交通事故給社會帶來的損失是目前亟待解決的問題。非人為的交通事故與其失去穩(wěn)定性緊密相關；且汽車失穩(wěn)導致的交通事故隨著車速的增大而不斷增長。汽車電子穩(wěn)定程序(esp)作為汽車中一項重要的主動安全技術，通過控制車輛的橫擺運動，能夠有效的改善行車穩(wěn)定性。車輛行駛的穩(wěn)定性判據(jù)是其控制介入的基礎，因此開展車輛穩(wěn)定性判據(jù)對于提高esp的控制性能具有重要的意義。

目前國內(nèi)外的方法主要有以下幾種：1、橫擺角速度和側向速度相平面法，這種方法側向速度獲取難度較大，而且在側滑的時候不能充分表征車輛狀態(tài)；2、質心側偏角-質心側偏角角速度相平面法，這種方法穩(wěn)定區(qū)域邊界劃分簡單，但是在非極限工況下實用性有待考證；3、橫擺角速度-質心側偏角相平面法，這種方法能充分表征車輛全工況穩(wěn)定特性，但是目前沒有學者深入研究車速路面附著系數(shù)和前輪轉角對穩(wěn)定區(qū)域類型的影響；前面兩種方法沒有同時考慮橫擺角速度和質心側偏角兩個狀態(tài)量，不能充分表征全工況車輛穩(wěn)定性狀態(tài)。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術問題是為了克服上述現(xiàn)有技術存在的缺陷而提供一種新型的相平面車輛穩(wěn)定性判斷方法，能更充分表征全工況車輛穩(wěn)定性狀態(tài)，為車輛穩(wěn)定性控制的介入和退出提供了準確的判定依據(jù)。

本發(fā)明通過以下技術方案來實現(xiàn)：

一種相平面車輛穩(wěn)定性判斷方法，其特征在于包括以下步驟：1)首先根據(jù)行車工況輸入?yún)?shù)建立二自由度車輛分析模型，利用車輛二自由度模型繪制全工況車輛穩(wěn)定性相平面圖；相平面圖為車輛質心側偏角-橫擺角速度相平面圖，以橫擺角速度為縱坐標，以質心側偏角為橫坐標；2)然后依據(jù)行車工況判定車輛所處的穩(wěn)定域類型；3)根據(jù)行車工況利用穩(wěn)定域類型數(shù)據(jù)庫獲得車輛穩(wěn)定域；4)通過判斷車輛行駛狀態(tài)點是否在穩(wěn)定域外判定車輛是否失穩(wěn)。

進一步的，步驟1)行車工況輸入?yún)?shù)包括前輪轉角、路面附著系數(shù)和車速。

進一步的，步驟2)判定車輛所處的穩(wěn)定域類型具體步驟為：

利用拓撲分析，依據(jù)穩(wěn)定域特征，相平面穩(wěn)定域被劃分為曲線型和菱型兩種類型，曲線型對應穩(wěn)定域類型一，菱形對應穩(wěn)定域類型二；以前輪轉角和車速為自變量，路面附著系數(shù)為因變量，做出三維曲面圖，根據(jù)三維曲面圖判斷相平面圖對應的穩(wěn)定域類型；穩(wěn)定域類型處于臨界狀態(tài)時，車輛所處的工況對應的坐標值在三維曲面上側時，車輛此時穩(wěn)定狀態(tài)對應穩(wěn)定域類型一；當對應的點在三維曲面下側時，車輛此時穩(wěn)定狀態(tài)對應穩(wěn)定域類型二。

進一步的，步驟(2)具體包括：

采用質心側偏角和橫擺角速度作為車輛相平面圖的橫縱坐標，給定不同的車輛初始狀態(tài)，通過多組循環(huán)賦值，得到不同行車工況下的車輛相平面，以此來分析不同前輪轉角δv、車速v和路面附著系數(shù)u對穩(wěn)定域邊界特性的影響；穩(wěn)定平衡點是相平面中軌跡匯集的焦點，而不穩(wěn)定平衡點是相平面中軌跡遠離的點，結合這些點的流型構建相應穩(wěn)定域邊界。

進一步的，步驟3)設計全工況下兩類穩(wěn)定域邊界，建立全工況下兩類穩(wěn)定邊界的三維數(shù)據(jù)庫；車輛所處的工況，當行車工況也即車速、前輪轉角和路面附著系數(shù)對應的坐標值(v0,δv0,μ0)判斷車輛所處的穩(wěn)定域類型；若為類型一，則根據(jù)類型一邊界數(shù)據(jù)庫查得對應邊界函數(shù)從而獲得車輛穩(wěn)定域，否則根據(jù)類型二邊界數(shù)據(jù)庫查得對應邊界函數(shù)從而獲得車輛穩(wěn)定域。

進一步的，步驟(3)中穩(wěn)定域類型一的邊界為兩條曲線間的區(qū)域；穩(wěn)定域類型二邊界采用菱形法設計，菱形內(nèi)的區(qū)域為穩(wěn)定域。

進一步的，步驟4)中根據(jù)設計的兩類穩(wěn)定域邊界，判斷車輛的狀態(tài)點是否位于穩(wěn)定域邊界外，如位于穩(wěn)定域邊界外則視為不穩(wěn)定。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點：

在車輛穩(wěn)定性控制過程中，質心側偏角和橫擺角速度是兩個重要的參數(shù)。本發(fā)明同時考慮橫擺角速度和質心側偏角兩個狀態(tài)量，構建穩(wěn)定域判斷方法，并確定全工況下穩(wěn)定域邊界查找數(shù)據(jù)庫。更能充分表征全工況車輛穩(wěn)定性狀態(tài)，因此以橫擺角速度和質心側偏角作為相平面橫縱坐標具有重要的研究價值。相對此方法進行的穩(wěn)定性判斷也更為準確。為車輛穩(wěn)定性控制的介入和退出提供了準確的判定依據(jù)。

附圖說明

圖1為根據(jù)本發(fā)明實施的新型相平面車輛穩(wěn)定性判據(jù)算法流程框圖；

圖2為非線性二自由度單軌模型示意圖；

圖3為穩(wěn)定域類型一相平面圖；

圖4為穩(wěn)定域類型二相平面圖；

圖5為穩(wěn)定域類型臨界三維圖；

圖6為穩(wěn)定域類型二邊界圖示。

具體實施方式

下面將結合附圖1-6對本發(fā)明進行詳細說明。如圖1所示，一種新型相平面車輛穩(wěn)定性判據(jù)算法，該方法包括如下步驟：

1)根據(jù)行車工況輸入?yún)?shù)：前輪轉角、路面附著系數(shù)、車速，利用車輛二自由度模型繪制全工況車輛穩(wěn)定性相平面圖；

2)利用拓撲分析，依據(jù)穩(wěn)定域特征，相平面穩(wěn)定域被劃分為曲線型和菱型兩種類型。曲線型對應穩(wěn)定域類型一，菱型對應穩(wěn)定域類型二，做出以前輪轉角和車速為自變量，路面附著系數(shù)為因變量的三維曲面圖，根據(jù)三維曲面圖判斷車輛質心側偏角-橫擺角速度相平面圖對應的穩(wěn)定域類型；當車輛所處的工況對應的坐標值在三維曲面上側時，車輛此時穩(wěn)定狀態(tài)對應穩(wěn)定域類型一；當對應的點在三維曲面下側時，車輛此時穩(wěn)定狀態(tài)對應穩(wěn)定域類型二。

3)當車輛處于穩(wěn)定域類型一時，利用類型一邊界數(shù)據(jù)庫查得對應邊界函數(shù)從而獲得車輛處于類型一的穩(wěn)定域，否則根據(jù)類型二邊界數(shù)據(jù)庫查得對應邊界函數(shù)從而獲得車輛處于類型二的穩(wěn)定域；

4)通過判斷狀態(tài)點是否位于穩(wěn)定域外判定車輛是否失穩(wěn)。

本發(fā)明的整體思路：通過簡化的pacejka輪胎模型建立二自由度車輛分析模型，繪制全工況質心側偏角，橫擺角速度相平面圖。分析前輪轉角、路面的附著系數(shù)和車速等因素對側偏角-橫擺角速度相平面穩(wěn)定域的影響，對相平面穩(wěn)定域進行分類。設計了先判定穩(wěn)定域類型，進而由兩類邊界函數(shù)數(shù)據(jù)庫判定車輛穩(wěn)定性的方法。如圖1的流程圖所示：

2、步驟2)具體原理包括：

(2a)二自由度車輛單軌分析模型

如圖2對單軌二自由度車輛進行了受力分析，建立了車輛運動學方程如下：

車輛沿縱向運動方程為：

車輛沿側向運動方程為：

車輛沿平面轉動方程為：

(fxvsinδv+fyvcosδv)lv-fyhlh-jzr＝0

上式中：m表示整車質量，v表示車速，ρ表示車道曲線的曲率半徑，fxv和fxh分別表示前、后車輪所受的切向力，δv表示前輪轉向角，fxv和fyh分別表示前、后車輪所受的切向力，jz整車相對于垂向的轉動慣量，lv和lh分別表示車輛質心到前、后的距離，l表示整車長，β表示質心側偏角，r表示橫擺角速度。

在不考慮縱向加速度和空氣阻力等對車輛的影響，車輛前、后軸載荷可以表示為：

fzv＝mglh/l

fzh＝mglv/l

由于車輛在縱向存在橫擺角速度，導致了前、后軸速度在車輛縱向上的投影不相等，其關系式如下所示：

vhsinαh＝lhr-vsinβ

vvsin(δv-αv)＝lvr+vsinβ

當轉角相對較小時，車速沿y軸的分量遠小于沿x軸的分量，因此，前后輪側偏角αv和αh可以表示為：

在進行車輛穩(wěn)定性控制時，選擇合適的輪胎模型相當關鍵。采用簡化的魔術公式建立輪胎模型：

fyv＝μfzvsin[dvtan^-1(bvαv)]

fyh＝μfzhsin[dhtan^-1(bhαh)]

式中,dv和dh分別表示前、后車輪的形狀因子，bv和bh分別表示前、后車輪的剛度因子。

車道曲線的曲率半徑ρ與航向角(β+ψ)的關系如下：

上式中u表示弧長，由于：

所以向心加速度

整理可得：

(2b)車輛質心側偏角-橫擺角速度相平面分析法

在車輛穩(wěn)定性控制過程中，質心側偏角和橫擺角速度是兩個重要的參數(shù)。質心側偏角直接反映了車輛對預期軌跡的跟蹤能力，一定程度上能表征車輛在不同工況下的穩(wěn)定性。當車輛的質心側偏角相對較小即車輛不處于強烈的非線性區(qū)間時，車輛狀態(tài)主要由汽車橫擺角速度來表征。為此，本發(fā)明采用質心側偏角和橫擺角速度作為車輛相平面圖的橫縱坐標?；趍atlab/simulink建立二自由度車輛非線性分析模型，設定仿真時間為10s。給定不同的車輛初始狀態(tài)(β0，r0)，通過多組循環(huán)賦值，得到不同行車工況下的車輛相平面，以此來分析不同前輪轉角δv、車速v和路面附著系數(shù)μ對穩(wěn)定域邊界特性的影響。

(2c)車輛動力學系統(tǒng)穩(wěn)定域拓撲分析

車輛狀態(tài)方程可以用如下方程表示：

根據(jù)系統(tǒng)平衡點特性，系統(tǒng)的所有平衡點都應滿足系統(tǒng)狀態(tài)變化率為零。當側偏特性處于非線性條件時，此時上述方程組為非線性方程組。在求解非線性方程組時，需要對其平衡點附近進行局部線性化處理。用一階taylor公式展開如下：

fy(α)＝fy(α0)+cα(α-α0)+o(α-α0)ⁿ

其中cα對應輪胎當量側偏剛度，且α→α0，此時ο(α-α0)ⁿ可以忽略不計。因此系統(tǒng)狀態(tài)方程可由一階線性方程組表示為：

其中雅克比矩陣可表示為：

式中，分別表示前后輪在平衡點處的當量側偏剛度。根據(jù)非線性動力學，穩(wěn)定平衡點是相平面中軌跡匯集的焦點，而不穩(wěn)定平衡點(鞍點)是相平面中軌跡遠離的點，結合這些點的流型構建相應穩(wěn)定域邊界。

(2d)穩(wěn)定域類型判據(jù)設計

通過β-r相平面對車輛操縱穩(wěn)定性進行分析(如上，β表示質心側偏角，r表示橫擺角速度)隨著外部工況前輪轉角、車速和路面附著系數(shù)的不同，通過多工況仿真研究可以得到，車輛動力學系統(tǒng)存在兩種穩(wěn)定域類型，分別如圖3和圖4所示：圖3為穩(wěn)定域類型一相圖；圖4為穩(wěn)定域類型二相圖；曲線型對應穩(wěn)定域類型一，菱形對應穩(wěn)定域類型二。

車輛質心側偏角-橫擺角速度相平面圖的穩(wěn)定域類型與行車工況前輪轉角、路面附著系數(shù)和車速密切相關。在對相平面穩(wěn)定域邊界進行設計時，首先要分析車輛所處的穩(wěn)定域類型。為此，需要建立樣工況。由于前輪轉角分別為正值和為負值時，其相平面穩(wěn)定域關于原點對稱，因此，研究了前輪轉角為正值后的特性利用對稱性就可以得到轉角為負值時的相關特性。為了減少計算工作量，本發(fā)明中在建立樣工況時，前輪轉角不取負值。前輪轉角設定0°、1°、3°、5°、7°和9°六個取樣點，車速設定10m/s、15m/s、20m/s、25m/s、30m/s和35m/s六個取樣點，路面附著系數(shù)設定0.2、0.4、0.6、0.8和1五個取樣點。根據(jù)取樣，可得到(6×6×5＝180)個取樣工況?；趍atlab/simulink二自由度車輛非線性模型繪制所有工況下的質心側偏角-橫擺角速度相平面圖，然后根據(jù)相平面軌跡運動趨勢，找出從穩(wěn)定域類型一切換到穩(wěn)定域類型二的臨界行駛工況。做出以前輪轉角和車速為自變量，路面附著系數(shù)為因變量的三維圖。如圖5所示，當行車工況(車速、前輪轉角和路面附著系數(shù))對應的坐標值(v0,δv0,μ0)在三維曲面上側時，車輛此時穩(wěn)定狀態(tài)對應穩(wěn)定域類型一；當對應的點在三維曲面下側時，車輛此時穩(wěn)定狀態(tài)對應穩(wěn)定域類型二。

三維曲面的函數(shù)式表示為：

z＝μ(v,δv)

3、步驟3)具體包括：

(3a)穩(wěn)定域類型一邊界設計

由圖3可以看出，穩(wěn)定域類型一的穩(wěn)定域由兩條穩(wěn)定流型包圍形成。設上方的穩(wěn)定流型為曲線l1，下方的穩(wěn)定流型為曲線l2。本研究采用四次多項式分別對上下穩(wěn)定流型進行擬合：

l1:y1＝a1x⁴+a2x³+a3x²+a4x+a5

l2:y2＝b1x⁴+b2x³+b3x²+b4x+b5

為此，要確定穩(wěn)定域就是分別確定穩(wěn)定流型l1和l2擬合多項式的系數(shù)行向量[a1a2a3a4a5]和[b1b2b3b4b5]。對于一個特定的工況(前輪轉角、路面附著系數(shù)和車速一定)，利用matlab/simulink做出在該工況的相平面圖，做出β-r相平面圖上側的穩(wěn)定流型l1和下側的穩(wěn)定流型l2。在兩條穩(wěn)定流型上分別等間距的取10個點。然后將這10個點的坐標在matlab的曲線擬合工具箱cftool中利用四次多項式進行擬合，求得在該工況下多項式系數(shù)行向量中每一個元素的數(shù)值。然后分別改變前輪轉角、路面附著系數(shù)和車速，重復上述流程，就可以建立全工況下的多項式的系數(shù)行向量[a1a2a3a4a5]和[b1b2b3b4b5]的三維數(shù)據(jù)表，最終查到全工況下穩(wěn)定域類型一的邊界函數(shù)。

(3b)穩(wěn)定域類型二邊界設計

如圖4所示，穩(wěn)定域類型二中所包羅的穩(wěn)定域較復雜，為了后面相平面穩(wěn)定域控制，在設計過程中應該盡量使穩(wěn)定域邊界的構成更加簡單。此外，遵循保守設計思想，應該保證在任何工況下，在設計的邊界內(nèi)部的相軌跡都能收斂到穩(wěn)定平衡點?；谝陨显O計要求，本研究采用菱形法設計穩(wěn)定域類型二的穩(wěn)定區(qū)域。如圖6所示，穩(wěn)定平衡點在菱形內(nèi)部，只要確定菱形四個端點a、b、c和d坐標值就可以得到類型二的穩(wěn)定域邊界。

在設計過程中，設定a點為相平面中的左側鞍點，因此通過拓撲分析對非線性微分方程對其進行局部線性化處理求解得到a點坐標(xa，ya)。以ya為縱坐標，作與橫軸的平行線，在相平面上得到軌跡線收斂和發(fā)散處臨界位置的橫坐標設為xc，因此菱形右端點c點坐標為(xc，ya)。設定通過拓撲分析對非線性微分方程對其進行局部線性化處理求解得到的穩(wěn)定平衡點橫坐標值為xs，經(jīng)過xs做垂直于與橫坐標的直線，在相平面上得到軌跡線收斂和發(fā)散處臨界位置的上端點縱坐標為yb，因此求得菱形上端點(b點)坐標為(xs，yb)。在相平面上得到軌跡線收斂和發(fā)散處臨界位置的下端點(d點)縱坐標為yd，因此求得菱形上端點坐標為(xs，yb)。

因此采用菱形法設計的穩(wěn)定域可以表示為：