探究车辆操纵稳定性的半主动控制策略

刘秋影，苗文兴

（汉腾汽车有限公司，江西 上饶 334000）

引言

现代汽车操纵技术相对成熟，在大部分路况条件下都具有良好的稳定性表现，代表汽车安全性良好，但根据长期观察发现，大部分汽车在面对转向行驶、变向行驶操纵指令时，其稳定性大幅下降，且接近标准值，说明汽车在这两种条件下的稳定性薄弱，需要得到改善。就这一问题，现代学者提出了一种半主动控制策略，理论上可以提高汽车在转向行驶、变向行驶时的稳定性，本文为了证实该策略是否有效，展开了相关研究。

1 研究方案以及建模

1.1 研究方案

现代汽车的转向或者变速行驶技术为随动转向，即汽车在转向、变速行驶当中，其后悬架存在侧向力不足的特点，在这一条件下，利用前轮转向时产生的动力使汽车后轴跟随前轮动力，形成被动型的同向四轮转向技术即为随动转向。随动转向技术在大部分汽车产品当中十分普及，且配合四轮主动控制技术，有效提高了汽车转向、变速时的机动性与操纵稳定性，但四轮主动控制技术必须建立在传感器、控制器和转向装置基础上，介于各装置的机械化特点，可能会突然出现故障，代表技术可靠性不足、汽车行驶稳定性不足的问题[1]。

综上，现代学者通过动力学对随动转向车辆进行了分析，认为如果随动转向系统的转向刚度、阻尼参数可以随着车速、载重等因素变化而变化，是可以提高汽车稳定性的。因此本文结合前人研究，着眼于汽车副车架、与车身连接弹性悬置，利用弹性智能元件的纵向变形功能来实现车架转向刚度的可调、并联智能阻尼器实现阻尼可调，由此落实可提高操纵稳定性的半主动控制策略[2]。

1.2 建模

本文建模工作共分两个步骤，即车轮模型建设、控制器模型建设，各步骤具体内容见下文。

（1）车轮模型建设

本文提出的半主动控制系统脱胎于原有控制系统，两者的区别在于：本文控制系统对汽车的减振器-内部运行构件进行了改良，使其实现方案中阻尼可调目标（并联智能阻尼器应用），通过并联智能阻尼器方式，驾驶者可以随时控制汽车阻尼的大小，在连续变速的条件下，可以抑制汽车侧倾幅度。在这一条件下，因为汽车在变速、变向过程当中，其前后车轮的运动状态受随动转向原理影响几乎相同，所以只需要建立一个车轴模型即可。模型表达式见公式（1）。

该模型属于简化模型，代表汽车两侧车轮存在相互对称关系，在这一条件下，不考虑车辆遭遇恶劣行驶条件（即路面颠簸等条件下的行驶状况）进行物理量建模，表达式见公式（2）。

针对公式（2）进行处理，可得车辆运行的状态方程，表达式见公式（3）。

（2）控制器模型建设

假设汽车在行驶过程当中出现了侧倾角，这时汽车物理构件中的两侧车轮弹簧会出现形变，说明侧倾角与弹簧形变情况存在映射关系，因此在控制器模型建设当中，考虑到侧倾角与弹簧形变关系，将弹簧形变情况作为侧倾角考量因子，代表汽车两侧车轮的承载能力，同时介于汽车两侧承载能力与汽车是否侧翻之间的物理关系，可说明汽车操纵状态下的稳定性，就这一点采用线性关系进行表示，控制器需要具备连续控制减振器阻尼的能力，保障弹簧形变量与车辆速度变化之间的线性关系。模型中通过输入车辆行驶速度参数，可以直接影响弹簧形变量，将形变量作为输出量可以判断汽车操纵稳定性。

2 仿真研究

2.1 仿真条件

介于不同车辆的制作工艺差异，不同车辆在仿真研究当中不能一概而论，因此本文将选择品牌某车辆的单轴模型作为仿真车辆条件；该软件可以用于模拟路况，且兼容汽车单轴模型；仿真路况条件有三，即直线路况、转向路况、变速路况。

2.2 仿真测试

仿真测试分为两个步骤，即非半自动控制条件下与半自动控制条件下车辆在不同路况下的参数测试，该步骤将两个条件下的行驶参数进行对比，了解非半自动控制对车辆产生的影响；不同路况下车辆行驶状态稳定性对比。各步骤内容见下文。

（1）非半自动控制条件下与半自动控制条件下车辆在不同路况下的参数测试

采用的是正弦信号作为输入信号，可以有效反映出汽车在转向路况中的运动状况，根据状况参数结合线性关系原理进行分析，可得汽车侧倾角大小、加速度、速度变化。在这一条件下进行了两组测试，即非半自动控制条件下汽车在转向路况的行驶；半自动控制条件下车辆在转向路况的行驶。

（2）不同路况下车辆行驶状态稳定性对比

采用半自动控制条件下车辆的测试模型，将其分别行驶在直线、转向、变速三个路况当中，仿真过程当中以直线路况参数为对照（因直线路况条件下，汽车状态最稳定），对比于转向路况、变速路况条件下的汽车操纵稳定性，如果对比结果显示汽车在转向路况、变速路况条件下的操纵稳定性与直线路况表现差距过大，则说明半自动控制策略较差，相反则有效，差距标准值为0.0005。

2.3 测试结果

测试结果一：根据结果中车辆速度变化曲线来看，两组曲线中汽车在相同行驶条件下的最大倾角从0.2885 降低至0.1045，差值61.3%；侧倾角绝对值从0.0923 降低至0.0342，差值 60.1%；加速度曲线变化从 10.0954rad/s 降低至3.5345rad/s，差值60.8%。综合来看，在本文半自动控制条件下，车辆的稳定性整体提高了35.7%，由此可见半自动控制策略对车辆操纵稳定性有正面影响，有利于行驶安全性。

综合测试结果可见，测试组在行驶过程当中，其最大倾角、侧倾角绝对值、加速度曲线变化的数值表现，比之照组相同的三个指标，差距均未超过标准值0.0005。由此可见，通过本文半自动控制策略，车辆操纵稳定性将大幅度提高，即使面对转向路况、变速路况，也可以成功抑制车辆稳定性下降幅值。

2.4 讨论

根据仿真测试可见，在本文半自动控制条件下，汽车的稳定性因子：加速度、速度以及侧倾角大幅度减小，这代表汽车在大部分行驶状态下，都不会出现过大的晃动、震荡现象，说明汽车驾驶安全系数提高，同时驾驶者可以通过控制系统对汽车的减振器进行调控，进一步优化控制效果，使减振器的阻尼线性变化更加突出，有效抑制侧翻因子的影响。

3 结语

本文车辆操纵稳定性的半主动控制策略进行了研究，研究首先对影响稳定性的因素进行了分析，阐述了各因素与稳定性之间的影响关系，并进行了建模。其次提出了半自动控制方案，并对方案模型进行了建设。最终在模型基础上进行了两组仿真测试，根据测试结果可见，半主动控制策略可使车辆稳定性整体提高，且缩小其在转向、变速路况条件下与直线路况的稳定性表现差距。