基于Carsim与Simulink的微型客车防侧翻控制联合仿真研究

李胜琴，杨 庆

(东北林业大学 交通学院，哈尔滨 150040)



基于Carsim与Simulink的微型客车防侧翻控制联合仿真研究

李胜琴，杨 庆

(东北林业大学 交通学院，哈尔滨 150040)

目前汽车稳定性控制已成为汽车主动安全领域的研究热点，配有主动安全控制系统的车辆能够根据行驶条件和车辆运行状态对汽车进行实时控制，有效地控制车身姿态，提高汽车的侧翻稳定性和行驶安全性。本文主要针对微型客车在高速转弯过程的侧翻稳定性进行研究，利用Carsim软件建立某微型客车参数化模型，在Simulink环境下进行防侧翻控制策略研究。设置车辆横向载荷转移率为侧翻触发门限，利用差动制动方法，提出控制目标及控制策略，并通过仿真试验对所提出的控制策略加以验证。结果表明，本文所提出的控制策略能够比较有效地控制车辆的侧翻姿态，改善微型客车的侧翻稳定性。

微型客车；侧翻稳定性；Carsim；联合仿真；控制

0 引 言

美国高速公路安全局(NHTSA)研究报告显示，侧翻事故在非碰撞导致的第一类有害致命交通事故中大约占90%的比例，非碰撞导致的车辆侧翻事故占美国所有车辆交通事故的2.3%，但却大约占全美恶性交通事故的11%[1]。近年来随着我国交通运输业的迅猛发展，汽车侧翻引起的重大事故也在不断增加，造成了严重的人员伤亡和巨大的经济损失，已经成为了全世界瞩目的安全问题。因此，对汽车的侧翻问题进行分析研究，提高汽车的防侧翻能力，减少侧翻事故的发生，已逐渐成为当今汽车工程领域研究的焦点。

微型客车具有较高的质心高度以及相对较小的悬架刚度，因此在转向时容易产生较大的车身侧倾角以及侧向载荷转移，当车身侧倾角的大小超过轮胎侧向载荷转移所能补偿的极限时，车辆就可能发生侧翻[2-5]。目前对大客车及乘用车防侧翻稳定性研究相对成熟，但对于微型客车的防侧翻稳定性研究，则相对较少。鉴于目前城市及城郊地区大部分校车仍采用微型客车，且综合分析近几年所发生的校车交通事故中，大多数为微型客车的侧翻，且常常会带来严重的后果，有必要进行微型客车防侧翻稳定研究[6-8]。

本文以某微型客车为参考原型[11-14]，建立车辆侧倾联合仿真模型，在此基础上对防侧翻控制策略进行研究，最后分别针对鱼钩试验及双移线试验两个典型的工况进行仿真，对本文所提出的控制策略加以验证。

1 参数模型

本文在Carsim软件环境下，基于某微型客车相关技术参数，建立参数化模型，根据需要，对车辆的各个子系统参数进行设置和调整，其中包括车体、转向系统、制动系统、轮胎、车桥和悬架系统等，所选车辆的部分参数配置见表1。

表1 某微型客车的参数配置Tab.1 Tab.1 the parameters of minivan

为了验证所建立的整车参数化模型是否正确、有效，进行干路面工况下的车辆转向稳定性的一系列仿真试验，并与实车路上试验数据进行对比。

图1为干路面工况下双移线的试验值及模拟值的比较，档位为三档、车速为40 km/h，仿真时间7 s，步长0.01 s，μ=0.8；图2为三档档位、车速40 km/h，仿真时间12 s，步长0.01 s时在干路面工况下蛇形绕障试验的试验值与模拟值比较，μ=0.8。

从图中可以看出，所建立的整车参数化模型的仿真结果与试验结果吻合较好，认为所建模型准确，可以用来进行整车动力学性能的仿真分析，两者之间未能完全重合可能是由于建立模型时对各系统进行了相应的简化造成的。

图1 双移线试验车辆横摆角速度对比Fig.1 Comparison of vehicle yaw velocities in double lane test and simulation

图2 蛇形试验车辆横摆角速度对比Fig.2 Comparison of vehicle yaw velocities in snake lane test and simulation

2 控制策略

首先设置车辆侧翻状态触发器，然后对车辆的运动状态进行监测，判断车辆是否处于侧翻边缘，如果即将发生侧翻，则触发控制器开始实施控制。

首先从CarSim模型输出信号，包括各个车轮的垂向力、车辆侧向加速度和车身侧倾角。由车轮垂向力计算出车辆的横向载荷转移率LTR，并根据LTR判断是否触发控制系统。当控制系统被触发时，对车辆前外轮制动，从而使车辆产生一个与侧翻方向相反的横摆力矩，减小或消除侧翻趋势，从而抑制侧翻的发生[15]。在新的状态下重新计算LTR，判断是否需要继续控制，如果LTR降到安全范围内，则停止控制。

2.1 触发指标和触发条件

车辆的横向载荷转移率在评价车辆侧翻危度时是一个非常有效的指标，定义为左、右侧车轮垂直载荷之差与总的轮胎载荷之比[16-17]。

(1)

式中：FL、FR分别为左、右侧车轮的垂直载荷。LTR的取值范围是-1～1，大于零说明车辆发生右转，小于零说明车辆发生左转。当汽车直线稳定行驶时，如果载荷对称的话，左、右车轮的垂直载荷相等，则LTR=0；当汽车有侧倾运动时，汽车左、右轮胎载荷会有所变化，此时LTR不等于0；当一侧车轮离开地面，即汽车发生侧翻时，离地车轮的垂直载荷变成0，FL=0或者FR=0，此时LTR的绝对值变成1。因此LTR的绝对值变化范围为|LTR|∈[0，1]，由此可知，当|LTR|<1时，汽车所有车轮都保持接地状态，没有发生侧翻危险，处于稳定状态，当|LTR|=1时，汽车内侧车轮离开地面，车辆即将发生侧倾失稳，LTR的绝对值越大，发生侧倾的可能性越大。

无论汽车左转还是右转都有可能出现侧翻危险，所以本文以LTR的绝对值作为控制系统的触发条件。为保证汽车行驶的安全性和控制系统起作用的及时性，设定|LTR|=0.8为触发门限值。当LTR绝对值大于等于0.8时，说明汽车有发生侧翻的危险，此时控制系统开始起作用，对车辆进行防侧翻控制。

2.2 车轮制动方案

差动制动是指汽车行驶过程中对某一个车轮或者几个车轮分别施加相应的制动力，以调整车辆的运行状态，使其保持良好的操纵稳定性，是抑制汽车发生侧翻的一种有效途径。采用差动制动的方法不仅能够改变车辆的侧向运动情况，还可以对横摆和侧倾运动进行相应的调整，从而有效地抑制汽车的侧倾趋势，达到防侧翻控制目的[18-19]。对车辆各个车轮分别实施制动时，所产生的横摆力矩对汽车的影响是不一样的。图3所示为干路面附着条件下对车辆各个车轮分别施加制动力时，对车辆横摆运动产生的效果。

很明显可以看出，当对后内轮施加制动力时产生的横摆力矩增加最为明显，其次是对前外轮制动，而对前外轮制动所产生的横摆力矩和转弯方向相反，能够起到增加汽车不足转向能力的作用，因此，在汽车过度转向时，如果对前外轮进行制动，能够最有效的减小汽车过度转向趋势。同样的道理，对后内轮施加制动所产生的横摆力矩和转弯方向相同，可以起到增加汽车过度转向能力的作用，在汽车不足转向严重时，如果对后内轮进行制动，能够最有效的增加过度转向趋势。对另外两个车轮进行制动时，由于由制动力产生的横摆力矩方向不固定，并且开始时效率较低，所以能起到的效果比较有限。

图3 各车轮制动力和车辆横摆力矩关系图Fig.3 Relationship between dynamic force and yaw moment of each wheel

有侧翻趋势时，需要对车辆施加横摆力矩，以削弱车辆过度转向趋势，增加不足转向能力，因此，本文选择最有效的外前轮制动进行主动防侧翻控制。所以只需设计一个控制器，在汽车有侧翻趋势时对前外轮实施制动，就可以达到抑制侧翻的目的。控制的目标车轮有两个，分别是左右前轮。当汽车向右转有侧翻危险时就对左前轮进行单独制动，当汽车向左转有侧翻危险时就对右前轮进行单独制动。

2.3 控制方法

模糊控制策略利用模糊逻辑以及近似推理，输出所需要的控制量，对目标进行有效的控制。本文所建立模糊控制器的控 制 过 程如图4所示，其中虚线框内表示的就是模糊控制器，e为输入，u为输出。

图4 控制流程图Fig.4 The fuzzy control process

本文的模糊控制器选择标准的二维控制结构，把车辆的侧向加速度误差e与误差的变化率ec做为输入，输出为目标车轮制动力u，e、ec和u分别对应的模糊量以E、EC、U表示。确定各变量的模糊子集，E的模糊集为{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}，EC的模糊集为{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}，U的模糊集为{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}。各个模糊量意义如下：NB-负大，NM-负中，NS-负小，Z-几乎为零，PS-正小，PM-正中，PB-正大。

把误差E、误差变化率EC和控制量U的论域均设置为{-1，-0.8，-0.6，-0.4，-0.2，0，0.2，0.4，0.6，0.8，1}，E、EC、U的隶属函数均为7个，它们的隶属函数曲线分别如图5～7所示。

图5 侧向加速度误差隶属函数Fig. 5 Membership function of lateral acceleration error

图6 误差变化率隶属度函数Fig.6 Membership function of error rate

图7 制动力隶属度函数Fig.7 Membership function of braking force

由于输入e、ec包含的模糊语言变量均为7个，需要制定49条模糊规则，模糊规则根据经验进行制定。表2为模糊规则表。

2.4 联合仿真

本文拟利用CarSim软件所建立的车辆模型，在Simulink环境下进行防侧翻控制策略研究。所建立的Carsim模块的输入变量有两个，分别是左右前轮制动力，同时也是Simulink的输出变量。CarSim模块的输出变量有7个，分别是4个车轮垂直载荷、车辆的侧向加速度、质心侧偏角以及横摆角速度。

表2 模糊规则表Tab.2 The fuzzy rule table

把在CarSim中完成的模型输入到Simulink，根据控制的需要所建立的控制模型如图8所示。

图8 控制模型Fig.8 Control model

其中LTRCalculator是横向载荷转移率的计算器，如图9所示，输入信号1～4依次分别代表左前、左后、右前、右后4个车轮的垂向载荷。

Trigger of Controller为控制器触发模块，其触发阈值设为0.8，当输入信号LTR的绝对值大于等于0.8时触发控制器。其结构图10所示。

Controller是控制器，本文采用模糊控制，模糊控制器如图11所示。输入变量为侧向加速度误差e和误差变化率ec，输出均为目标车轮制动力。

图9 LTR计算模块Fig.9 LTR Calculator

图10 触发器结构图Fig.10 Trigger of Controller

图11 控制器Fig.11 Controller

3 控制策略验证

为了验证控制策略的有效性，分别进行鱼钩试验和双移线试验，通过监测试验过程中车辆的侧向加速度和车身侧倾角来判断车辆的运行姿态变化。

3.1 鱼钩试验

选取容易发生侧翻的高附着路面进行控制仿真试验。仿真时所设置的起始车速为80 km/h，路面摩擦系数设为0.8。设置前轮输入采用美国高速公路安全局(NHTSA)所设计的鱼钩试验标准。

图12为试验所得车辆侧向加速度对比曲线，图13为车身侧倾角曲线。从曲线图可以看出，在没有施加控制的情况下，车辆侧向加速度及车身侧倾角均处于反复震荡的过程，侧向加速度和车身侧倾角的幅值都比较大。施加控制后，侧向加速度有一定程度的下降，波动幅度减小；车身侧倾角幅值明显减小，从最大9°左右最后稳定在4°左右，且震荡程度减小，说明本文所设计施加的制动力控制起到了抑制侧翻的效果。

3.2 双移线试验

在双移线工况下，汽车车速越高，就越容易发生侧翻。本文选取80 km/h的双移线工况进行模拟仿真，路面附着系数0.8。

图12 鱼钩试验下侧向加速度对比曲线Fig.12 Lateral acceleration contrast curve

图13 鱼钩试验下车身侧倾角对比曲线Fig.13 Body roll angle contrast curve in fish hook

图14为双移线试验所测得车辆侧向加速度曲线，

图14 双移线下侧向加速度对比曲线Fig.14 Contrast curve of lateral acceleration

图15为车身侧倾角曲线。从图中可以看出，施加控制后，大约在3.5 s时控制器开始工作，最大侧向加速度快速降低，由原来的0.8 g降低到0.6 g。最大车身侧倾角值也由原来的5°左右降低到4°左右，在一定程度上抑制了侧翻的发生。

图15 双移线下车身侧倾角对比曲线Fig.15 Contrast curve of body roll angle in double lane

4 结 论

(1)采用差动制动的控制策略，根据4个车轮单独制动时对汽车横摆运动产生的影响，选取效果最明显的前外轮轮缸压力为控制对象。以车辆行驶过程中的横向载荷转移率LTR为依据，判断行驶车辆是否将要发生侧翻，设计侧翻控制触发器，当LTR的绝对值超过0.8时，触发器就会被触发，控制器开始起作用。

(2)基于侧向加速度的反馈，采用模糊控制方法，建立防侧翻控制器，用于车辆防侧翻控制。为了验证本文所设计的控制器的有效性，利用CarSim软件和MATLAB/Simulink软件，建立了微型客车的联合仿真模型，将CarSim环境下的整车参数模型导入到Simulink环境中，添加控制系统模型，实施联合仿真。

(3)依据相关试验标准，选取鱼钩试验工况、双移线工况进行模拟仿真，对本文所提出的控制策略进行验证。对比施加控制的车辆与没有控制的车辆在行驶过程中的车身侧倾角和侧向加速度等参变化，结果表明本文设计的控制系统可以有效提高汽车侧翻稳定性，抑制侧翻的发生。

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Co-simulation Study of Minivan RolloverBased on Carsim and Simulink

Li Shengqin，Yang Qing

(Traffic College，Northeast Forest University Harbin，150040)

At the present，the vehicle stability control has become a research hotspot in the field of vehicle active safety.Vehicle with active safety control system can control the car body in the real-time according to the driving conditions and running state.Effectively control of the vehicle attitude improves the vehicle rollover stability and driving safety.This paper investigated the rollover stability mainly of the minivan at high speed in the process of turning.A parametric model of the vehicle was established using Carsim software.The proposed control strategy to prevent rollover was studied through Simulink simulation experiment.The transfer rate of vehicle lateral load was set as rollover trigger threshold，and the control objectives and control strategy were proposed using the method of differential braking.The proposed control strategy was verified through the simulation tests.The results demonstrated that the proposed control strategy could effectively control the vehicle rollover posture and could improve the rollover stability of minivan.

Minivan；rollover stability；CarSim；co-simulation；control

2016-05-24

黑龙江省科学基金项目(E2016003)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(DL13CB07)

李胜琴，博士，副教授。研究方向：车辆动力学及控制。E-mail：lishengqin@126.com

李胜琴，杨 庆.基于Carsim与Simulink的微型客车防侧翻控制联合仿真研究[J].森林工程，2016，32(6)：44-49.

U 461.6

A

1001-005X(2016)06-0044-06