客车侧倾与横摆动力学稳定集成控制系统（续1）

客车在急转弯时,侧倾运动对其横向载荷转移率和轮胎垂向受力的改变,不仅会引起侧翻事故,还会对横摆运动产生重要影响。文章综合分析客车侧倾、横摆动力学及其耦合关系,建立耦合动力学模型。采用差动制动和主动式防倾杆等主动控制方法,并基于滑模控制理论设计集成控制系统。仿真结果表明,该系统可提高客车侧倾与横摆动力学稳定性,实现客车防侧翻和防侧滑的综合功能。     

A Research on Anti-Rollover Control for Vehicles with Semi-active Suspension

为利用半主动悬架阻尼连续可调的特性来提高汽车的主动安全性,建立了汽车侧翻预测模型,并以此为基础设计了一种双层结构的连续减振控制器,进行汽车防侧翻控制.上层控制器采用滑模控制方法输出期望侧倾力矩,下层控制器根据这个期望侧倾力矩,利用线性插值方法输出半主动悬架中各减振器的输入电流.利用MATLAB/Simulink对整个系统进行了仿真,结果表明,该控制器能有效提高汽车的防侧翻能力.     

A Research on the Robust Rollover Control Algorithm for Heavy Duty Vehicle Based on LMI

将重型车辆侧翻稳定性控制问题转化为通过状态反馈控制实现鲁棒干扰抑制的问题.在此基础上,以动态横向载荷转移率为控制目标,设计一个基于线性矩阵不等式(LMI)的状态反馈鲁棒控制器.利用商业软件Trucksim中的模型,进行开环和人-车闭环的侧翻稳定性控制对比仿真.结果表明,LMI防侧翻鲁棒控制器可有效提高车辆的侧倾稳定性,并具有较好的抗干扰性和鲁棒性.     

客车预警防侧翻控制研究

客车车辆重心高、轮距窄,在紧急避让或高速超车易发生侧翻事故。建立三自由度名义模型,联立TruckSim非线性整车模型设计了基于横向动态载荷转移率预警系统和防侧翻系统,利用角阶跃工况联合仿真对设计系统进行验证。仿真结果表明:基于模糊PID控制能够有效改善客车行驶稳定性,降低客车侧翻风险。     

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

针对高速行驶的车辆处于大转角、避障等紧急工况下容易出现侧翻的问题,本文中提出了采用差动制动与主动横向稳定杆联合对车辆进行侧翻控制策略。为提高对车辆侧翻的控制效果,一方面通过全轮差动制动来提高车辆的横摆稳定性,防止车辆由于失稳产生绊倒性侧翻,并减小车辆的侧倾;另一方面,考虑到处于紧急工况下车辆的非线性与时变性,采用主动横向稳定杆并设计了2阶滑模超螺旋控制器来动态跟踪车辆的理想侧倾角,实现驾驶员对车辆侧倾姿态的准确判断,防止驾驶员产生误操作,进一步提高了车辆的防侧翻能力。最后,通过硬件在环试验对提出的主动横向稳定杆与差动制动联合控制策略的有效性进行了验证。     

基于Pareto最优均衡理论的商用车路径跟踪与抗侧倾协同控制研究

针对商用车路径跟踪横向控制与抗侧倾控制相互耦合的问题,将横向控制和抗侧倾控制视为动态博弈过程中的参与者,提出一种基于Pareto最优均衡理论的横向-抗侧倾协同控制策略。首先,建立商用车横摆-侧倾耦合模型,并利用车辆的横向位置、航向角和道路预瞄信息将其增广为智能车-道路闭环模型;其次,基于线性二次型最优(LQR)控制理论设计了分散式横向-抗侧倾控制器作为对比,在分散式最优控制器基础上,进一步充分考虑博弈参与者之间的控制交互,设计了一种基于合作式Pareto最优均衡理论的横向-抗侧倾协同控制策略;最后,选取蛇形线工况对两种控制策略进行仿真验证,结果表明,相比于分散式最优控制器,本文中提出的基于Pareto最优均衡理论的协同控制器能在有效提高路径跟踪精度的同时保证较好的侧倾和操纵稳定性。     

一种新型开关式主动横向稳定杆装置的控制研究

针对装有被动横向稳定杆的车辆在高速大转角转向时容易发生侧翻及在直线行驶时乘坐舒适性变差的问题,设计了一种开关式主动横向稳定杆装置。基于整车6自由度模型设计了线性二次型最优控制器对车辆转向时的侧倾进行控制;直线行驶时,主动横向稳定杆处于"OFF"状态,降低悬架刚度,提高车辆舒适性。采用时域与频域仿真验证了该装置的有效性,并通过台架试验对基于粒子群优化的线性二次型最优侧倾控制策略进行了验证。     

基于MPC的独立驱动电动汽车稳定性集成控制

针对独立驱动电动汽车在高附着系数路面高速急转时易发生侧翻事故,在低附着系数路面急转易发生侧滑失稳事故,且单一控制器在不同附着系数路面适应性较差等问题,根据独立驱动电动汽车特点设计了基于分层式结构的稳定性集成控制器。建立了整车动力学模型,并进行了车辆状态参数估计;设计了稳定性集成控制器的控制策略,对车辆的侧倾、横向稳定性状态判定条件和协调策略的制定进行了研究,分别设计了侧倾稳定性控制器和横向稳定性控制器;设置了路面附着系数0.9到0.2的对接路面仿真工况,并在此工况下对所设计的控制器的控制性能进行了仿真测试。结果表明,所设计的稳定性集成控制器相比于单一控制器具有更好的适应性,可有效降低车辆高速行驶过程中的横向载荷转移系数、质心侧偏角等状态量,提高车辆行驶的稳定性和安全性。     

分布式驱动无人车路径跟踪与稳定性协调控制

针对无人车路径跟踪过程中跟踪效果与车辆稳定性这一多目标控制问题,基于分层控制理论提出了一种分布式驱动无人车辆路径跟踪与稳定性协调控制策略。建立了车辆动力学模型和路径跟踪模型,利用滑模控制方法设计了上层控制器,旨在减小路径跟踪过程中的航向偏差和横向偏差的同时确保车辆自身的稳定性。在下层控制器中,设计了一种四轮轮胎力优化分配方法,根据上层控制器需求,结合车辆横摆与侧倾稳定性情况,实现四轮轮胎力的定向控制分配。基于CarSim和Simulink搭建了联合仿真模型并进行仿真实验,结果表明,提出的协调控制策略能够有效地控制车辆路径跟踪中的航向偏差和横向偏差,同时确保车辆的侧倾与横向稳定性。     

液压互联悬架抗侧倾控制研究（双语出版）

针对车辆减少能量消耗与提高抗侧倾能力需求,提出了一种主/被动可切换的液压互联悬架抗侧倾控制方法。基于9自由度车辆动力学模型,考虑蓄能器、液压缸、液压泵三者之间耦合的体积-流量-压力特性,建立液压互联悬架主动控制时域模型;结合"车身侧倾角-车身侧倾角速度"相平面法及车辆侧向加速度,得到车辆侧倾稳定域,并提出液压互联悬架系统侧倾稳定性控制介入与退出判据;在此基础上,采用Backstepping非线性控制算法设计主动液压互联抗侧倾控制器。最后,分析并改进侧倾稳定性评价指标,通过在MATLAB/Simulink环境下进行高速双移线、鱼钩试验等极端工况数值仿真,验证所提出的液压互联悬架主/被动切换控制系统能在减少能量消耗的情况下能否提高车辆抗侧翻的能力。研究结果表明：所提出的控制系统能有效提高车辆抗侧翻能力;当车辆侧倾状态超出设定的侧倾稳定区域介入线时,液压互联悬架系统由被动模式切换为主动抗侧倾模式,控制车辆侧倾状态回到稳定区域,以提高车辆侧倾稳定性;当判定车辆侧倾状态满足主动控制退出条件时,液压互联悬架系统回到被动模式,以减小能量消耗。     

基于三自由度的智能汽车模糊滑模横向运动控制研究

针对智能汽车运动过程中存在的车身姿态变化问题以及运动控制精度问题，设计了一种基于非线性3自由度动力学模型的模糊滑模横向运动控制器。建立了包括侧倾运动的3自由度动力学模型，进行了模型线性化；对基于线性化处理后的动力学模型进行了滑模控制器设计，通过控制前轮转角实现了路径跟踪横向控制，并引入了模糊控制提高控制效果，本控制系统能够在跟踪过程中对车身姿态变化进行观察。仿真结果表明，搭建的基于3自由度动力学模型的模糊滑模控制器能够在考虑侧倾运动的基础上，实现路径跟踪，且构建的模糊滑模控制系统相较于传统滑模控制其横向偏差与方向偏差分别降低了7.28%和1.50%，同时模糊控制也减弱了滑模控制固有的抖振影响。     

非满载液罐半挂汽车列车侧向耦合动力学模型

为方便液罐半挂汽车列车（Tractor Semi-trailer Tank Vehicle,TSTTV）罐-车整体的优化设计匹配,综合提高整车的侧倾稳定性、侧向动力学稳定性及操纵特性,基于Lagrange方法和椭圆规摆等效机械液体晃动模型建立TSTTV的整车侧向耦合动力学模型,其典型特征是实现罐内液体侧向晃动与车辆横摆运动、侧向运动、悬挂质量的侧倾运动及非线性侧向轮胎力的集成一体化建模,贯通液体晃动动力学与车辆侧向动力学稳定性之间的联系。通过开环正弦停滞转向输入操作响应对所建立的模型进行分析评价,考察车辆横摆角速度、质心侧偏角、侧倾角、侧向载荷转移率及液体晃动角等状态量在2种充液比（F_L=40%,80%）及2种罐体椭圆率（Δ=1.0,1.3）下的响应。研究结果表明：所建立的TSTTV模型可以实现液体侧向晃动作用下的车辆侧向耦合动力学仿真分析,能够反映充液比、罐体截面椭圆率等运输条件和罐体几何参数对整车侧倾稳定性、侧向动力学稳定性及操纵特性的影响;基于该模型可以针对液体介质、充液比及道路环境等运输条件因素的影响,研究以提高整车侧向动力学稳定性为目标的TSTTV灌-车整体的优化设计匹配问题,这对提升液罐车的设计性能、提高行驶的安全性和运输效率具有重要意义。     

Roll stabilisation of road vehicles using a variable stiffness suspension system

A variable stiffness architecture is used in the suspension system to counteract the body roll moment, thereby enhancing the roll stability of the vehicle. The variation of stiffness concept uses the ‘reciprocal actuation’ to effectively transfer energy between a vertical traditional strut and a horizontal oscillating control mass, thereby improving the energy dissipation of the overall suspension. The lateral dynamics of the system is developed using a bicycle model. The accompanying roll dynamics are also developed and validated using experimental data. The positions of the left and right control masses are sequentially allocated to reduce the effective body roll and roll rate. Simulation results show that the resulting variable stiffness suspension system has more than 50% improvement in roll response over the traditional constant stiffness counterparts. The simulation scenarios examined is the fishhook manoeuvre.     

Multi-axle/articulated bus dynamics modeling: a reconfigurable approach

This paper proposed a unified model including yaw and roll dynamics for any axle or articulation configuration of buses by using a reconfigurable approach. First, all the possible existing configurations of buses are introduced, including the axle/articulation configuration, powertrain configuration, and active chassis control configuration. Consequently, the research is motivated by a key question: how can we develop a unified model that is inclusive and configurable to all of the above bus configurations? To develop the model, three layers of the modeling process are presented step by step. The magic formula and vertical load transfer are discussed to formulate the tyre model. It is noted that the case of the articulated bus is presented in an independent section but how it is included and unified in a general form is also explained. Finally, a modeling validation of axle or articulation configuration cases is performed and the comparative results to high-fidelity models show the feasibility, efficiency, and convenience of the reconfigurable approach. As the crucial feature, the resulting model can be potentially applied to model-based controller design in any buses without reformulating the model. This will greatly benefit the vehicle dynamics control and also future autonomous buses. Although the focus of this paper is buses, the proposed approach actually covers any multi-axle/articulated vehicles, like trucks, tractor-trailers.     

主动前轮转向客车的操纵稳定性仿真分析

建立某大型客车的含侧向、横摆及侧倾三自由度动力学模型,通过方向盘角阶跃转向仿真结果和试验数据的比较,验证了仿真分析的准确性。采用横摆角速度跟踪主动前轮转向控制策略,结合比例积分控制方法,在考虑作动器动态特性和前轮转角饱和特性的基础上,对主动前轮转向控制前后的车辆进行直线行驶下的侧向风扰动和湿滑路面急转弯情况下的仿真对比分析。结果表明,主动前轮转向控制后的车辆其操纵稳定性和行车安全性都有较大的提高。     

Vehicle dynamic estimation with road bank angle consideration for rollover detection: theoretical and experimental studies

This article describes a method of vehicle dynamics estimation for impending rollover detection. This method is evaluated via a professional vehicle dynamics software and then through experimental results using a real test vehicle equipped with an inertial measurement unit. The vehicle dynamic states are estimated in the presence of the road bank angle (as a disturbance in the vehicle model) using a robust observer. The estimated roll angle and roll rate are used to compute the rollover index which is based on the prediction of the lateral load transfer. In order to anticipate the rollover detection, a new method is proposed in order to compute the time-to-rollover using the load transfer ratio. The used nonlinear model is deduced from the vehicle lateral dynamics and is represented by a Takagi–Sugeno (TS) fuzzy model. This representation is used in order to take into account the nonlinearities of lateral cornering forces. The proposed TS observer is designed with unmeasurable premise variables in order to consider the non-availability of the slip angles measurement. Simulation results show that the proposed observer and rollover detection method exhibit good efficiency.     

An Experimental Study of a Prototype Active Anti-Roll Suspension System

Active roll control is known to offer substantial improvements in ride and handling performance over the most sophisticated passive suspension systems. However although many different active suspension systems have been discussed and analysed through simulation little information regarding experimental performance data from a prototype active roll control system has been published. This study focuses on the design, development, commissioning and experimental evaluation of a roll control suspension based on active anti-roll bar actuation. In tests, the prototype vehicle demonstrated excellent steady state and dynamic roll cancellation within the lateral acceleration range of 0.5g. Subjective assessments of the system confirmed the benefits of a level ride together with the added benefit accrued from the elimination of roll dynamics.     

基于模型预测控制的半挂汽车主动防侧倾控制方法

提出了一种半挂汽车主动防侧倾控制方法。搭建了一个七自由度动力学模型和一个三自由度参考模型;用无迹Kalman滤波的方法,来估计车辆的横向载荷转移率;确定优化目标,运用模型预测控制(MPC)理论进行最优化求解,得到各车轴的主动防侧倾力矩;在Simulink/Trucksim联合仿真环境中,进行仿真对比与分析。结果表明:在本文的MPC控制器和PID控制器作用下,半挂汽车各状态量皆收敛,且横向载荷转移率保持在0.7以内;相比于PID控制,MPC控制所需的防侧倾力矩更小更均衡,各状态量变化也更加平稳。因此,本MPC控制器在提升半挂汽车侧倾稳定性的同时具有较好的鲁棒性。     

车辆系统垂向与横向耦合的侧倾状态估计

为有效解决复杂行驶工况下车辆耦合侧倾运动状态无法精确获取,进而对车辆系统操纵稳定性与乘坐舒适性兼顾优化无法提供准确输入的难题,本文中设计了基于车辆垂向与横向耦合动力学的双非线性状态观测器算法,以实现复杂行驶工况下车辆耦合侧倾运动状态的实时准确估计。首先,建立了路面激励模型与整车系统垂向与横向耦合动力学模型;接着,利用无迹卡尔曼滤波方法(UKF)与非线性模糊观测(T-S)理论,设计了非线性状态观测算法,以在不同路面激励工况下对车辆系统簧载质量与侧倾状态进行联合估计;最后,运用CarSim■动力学软件,对比分析了在标准A级与C级路面上进行J-turn试验工况下,采用联合状态观测器(UKF&T-S)实时估计车辆侧倾角与侧倾率的观测精度。结果表明,本文所设计的UKF&T-S观测器可有效估计车辆侧倾状态,且与CarSim■仿真数据相比识别状态标准偏差不超过10%。