一种半挂汽车横摆稳定性控制方法
技术领域
本发明涉及一种商用车横摆稳定性控制领域，特别涉及一种半挂汽车横摆稳定性控制方法。
背景技术
半挂汽车是牵引车与半挂车通过鞍座组合连接，牵引车起到牵引以及承担半挂车部分载荷的功能。近年来，由于运输效率与行驶车速不断提升，导致半挂汽车引发的交通事故也频频增多。其中半挂汽车横摆失稳现象也是导致交通事故的主要原因之一。半挂汽车横摆失稳现象是由于轮胎的非线性特性，使轮胎侧向力在制动工况、驱动工况、侧偏角较大工况以及轴荷转移过大的工况下更易达到路面附着极限。由于车辆转向时会导致左右轮胎垂向载荷发生变化，介于各悬架特性的不同，从而使得各车轴左右车轮载荷转移并不相同，受到的侧向力也会产生较大的变化，导致横摆力矩不均衡，车辆发生横摆失稳现象。因此需要有效的控制方法抑制半挂汽车的横摆失稳现象，以改善半挂汽车的安全性与行驶稳定性。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种半挂汽车横摆稳定性控制方法，包括以下控制步骤：
步骤1、电子控制单元(ECU)根据车辆所处工况，判断半挂汽车横摆稳定性控制干预是否介入：首先判断车辆是否已经发生侧翻，若车辆已经发生侧翻，则不进行半挂汽车横摆稳定性的控制干预；若车辆未发生侧翻，则判断车辆是否已经发生横摆，若已经发生横摆，则直接减小发动机输出扭矩和实施主动制动，并返回步骤1，若未发生横摆，则进入步骤2；
步骤2、电子控制单元根据车载传感器所收集的数据信号作为系统输入，利用侧向加速度对路面附着系数进行估算；
步骤3、电子控制单元根据车载传感器所收集的数据信号作为系统输入，利用侧向加速度、方向盘转向角、车轮轮速以及所估算的路面附着系数计算出理想横摆角速度；
步骤4、电子控制单元求解传感器测得的实际车辆横摆角速度与理想横摆角速度的差值，作为横摆稳定性控制的依据，判断车辆转向特性，从而确定横摆稳定性控制干预方案，减小发动机输出扭矩和主动制动，将相应电信号传输于气压控制单元(PCU)；所述气压控制单元根据电子控制单元传输的电信号，以及制动气室压力传感器采集的当前制动气室的压力大小，确定车辆制动程度，并根据需要进行制动气室压力调节，且根据节气门开度传感器采集的当前发动机所处工况，进行发动机扭矩的调节控制。
进一步的，步骤2中，在汽车转向行驶工况下，路面附着系数采用侧向加速度进行估算：
式中，μe为路面附着系数，ay为侧向加速度传感器测量值；aymax为高附着路面下汽车行驶最大侧向加速度；Kμ为估算常数。
进一步的，步骤3中，计算理想的横摆角速度方法如下：
步骤3.1、基于整车的侧向运动、横摆运动与车轮绕各自轴线的旋转运动，建立线性二自由度模型，线性二自由度车辆运动方程为：
式中，m1为牵引车质量；u为牵引车纵向车速；β为质心侧偏角；Fy1、Fy2为牵引车前、后车轮受到的侧向力；Iz1为牵引车绕第五轮的转动惯量；ωr为横摆角速度；a、b为牵引车质心到其前、后车轮轴的距离；
步骤3.2、基于汽车在良好路面上行驶时，轮胎侧偏角较小，汽车在线性范围内运动，轮胎侧向力与侧偏角成线性关系，建立轮胎模型，并转化为传递函数形式，分别如下：
式中，K1、K2为牵引车前、后轴轮胎侧偏刚度，K3为半挂车轴轮胎侧偏刚度；Fy3为半挂车车轮受到的侧向力；v为牵引车侧向车速；δf为牵引车前轮转向角；c、d为牵引车和半挂车质心到铰接点的距离；e为半挂车质心到车轴的距离；u为牵引车的纵向车速；q为折叠角度速；γ为折叠角；K为车辆稳定性因数，其中车辆稳定性因数为
步骤3.3、根据线性二自由度车辆运动方程及轮胎模型传递函数，得到理想的车辆运动参考模型，从而得到理想的横摆角速度ωd为：
ωd＝Grδf
式中，Gr为稳态横摆角速度增益，且并且理想的横摆角速度ωd由于路面附着系数的限制，得到其约束条件为：
式中，g为重力加速度；
步骤3.4、根据约束条件获得修正后的理想横摆角速度为：
进一步的，步骤4中，电子控制单元求解实际车辆横摆角速度测量值ωm与理想横摆角速度值ωd的差值eω＝ωm-ωd，通过差值与预先设定的门限值上限Δωth+和门限值下限Δωth-进行比较，判断车辆转向特性，从而确定横摆稳定性控制干预方案，若eω＜0且eω＜Δωth-，此时认定车辆为不足转向，则进入步骤4.1；若eω＞0且eω＞Δωth+，此时认定车辆为过度转向，则进入步骤4.2；若Δωth-＜eω＜Δωth+，认为车辆处于适当的中性转向，则不进行半挂汽车横摆稳定性控制干预；
步骤4.1、认定车辆为不足转向时，电子控制单元控制发动机降低输出扭矩并向气压控制单元发送指定车轮制动信号，气压控制单元对牵引车内侧车轮制动气室进行压力调节，对牵引车内侧车轮进行制动，随后进入步骤5；
步骤4.2、认定车辆为过度转向时，电子控制单元控制发动机降低输出扭矩并向气压控制单元发送指定车轮制动信号，气压控制单元对牵引车转向外轮制动气室以及半挂车左右车轮制动气室进行压力调节，对牵引车转向外轮进行制动，且对半挂车左右车轮同时进行制动，随后进入步骤5；
步骤5、电子控制单元再次对差值eω与预设门限值上限Δωth+和门限值下限Δωth-进行比较，若eω＜0且eω＜Δωth-，认为是不足转向，则返回步骤4.1；若eω＞0且eω＞Δωth+，认为是过度转向，则返回步骤4.2；若Δωth-＜eω＜Δωth+，认为车辆处于适当的中性转向，则退出半挂汽车横摆稳定性控制干预。
所述的电子控制单元(ECU)、车载传感器、气压控制单元(PCU)和发动机均为现有设备，电子控制单元分别与车载传感器、气压控制单元和发动机相连，气压控制单元与制动气室相连，所述的车载传感器包括折叠角传感器、轮速传感器、横摆角速度传感器、侧倾角速度传感器、侧向加速度传感器、方向盘转角传感器、空气弹簧压力传感器、节气门开度传感器和制动气室压力传感器，分别测量车辆的折叠角、车轮转速、横摆角速度、侧倾角速度、侧向加速度、方向盘转角、垂向载荷、发动机所处工况和制动气室压力，并将数据信号传递给电子控制单元。
本发明的有益效果：
本发明提供的一种半挂汽车横摆稳定性控制方法通过各传感器收集的信号作为系统输入，利用侧向加速度对路面附着系数进行估算，再利用侧向加速度、方向盘转向角、车轮轮速以及所估算的路面附着系数计算出理想的横摆角速度，将横摆角速度传感器测得的实际车辆横摆角速度和理想横摆角速度的差值，与预设门限值作比较，从而作为横摆稳定性控制的依据，能够适应不同路面，使控制系统的控制指令更准确，稳定性控制效果更好；
本发明通过减小发动机输出扭矩，结合不同工况下的横摆稳定性控制干预方案实施主动制动联合干预，实现对半挂汽车横摆稳定性的精确控制；
本发明采用分层控制模式，可降低系统复杂耦合的程度，使每层执行不同功能，通过参数接口实现参数传递，使结构逻辑关系分明，便于控制系统功能实现与后期功能的扩展。
附图说明
图1为本发明半挂汽车横摆稳定性控制方法的分层控制结构框图。
具体实施方式
驾驶员通过转动方向盘或踩下加速/制动踏板传达驾驶员意图；折叠角传感器、轮速传感器、横摆角速度传感器、侧倾角速度传感器、侧向加速度传感器、方向盘转角传感器、空气弹簧压力传感器、节气门开度传感器和制动气室压力传感器分别测量车辆的折叠角、车轮转速、横摆角速度、侧倾角速度、侧向加速度、方向盘转角、垂向载荷、发动机所处工况和制动气室压力，并将数据信号传递给电子控制单元(ECU)。
本发明提供的一种半挂汽车横摆稳定性控制方法包括以下控制步骤：
步骤1、电子控制单元根据车辆所处工况，判断半挂汽车横摆稳定性控制干预是否介入：首先判断车辆是否已经发生侧翻，若车辆已经发生侧翻，则不进行半挂汽车横摆稳定性的控制干预；若车辆未发生侧翻，则判断车辆是否已经发生横摆，若已经发生横摆，则直接减小发动机输出扭矩和实施主动制动，并返回步骤1，若未发生横摆，则进入步骤2；
步骤2、电子控制单元根据车载传感器所收集的数据信号作为系统输入，在汽车转向行驶工况下，利用侧向加速度对路面附着系数进行估算：
式中，μe为路面附着系数，ay为侧向加速度传感器测量值；aymax为高附着路面下汽车行驶最大侧向加速度；Kμ为估算常数，一般取值范围为1～1.1。
步骤3、电子控制单元根据车载传感器所收集的数据信号作为系统输入，利用侧向加速度、方向盘转向角、车轮轮速以及所估算的路面附着系数计算出理想横摆角速度，方法如下：
步骤3.1、基于整车的侧向运动、横摆运动与车轮绕各自轴线的旋转运动，建立线性二自由度模型，线性二自由度车辆运动方程为：
式中，m1为牵引车质量；u为牵引车纵向车速；β为质心侧偏角；Fy1、Fy2为牵引车前、后车轮受到的侧向力；Iz1为牵引车绕第五轮的转动惯量；ωr为横摆角速度；a、b为牵引车质心到其前、后车轮轴的距离；
步骤3.2、基于汽车在良好路面上行驶时，轮胎侧偏角较小，汽车在线性范围内运动，轮胎侧向力与侧偏角成线性关系，建立轮胎模型，并转化为传递函数形式，分别如下：
式中，K1、K2为牵引车前、后轴轮胎侧偏刚度，K3为半挂车轴轮胎侧偏刚度；Fy3为半挂车车轮受到的侧向力；v为牵引车侧向车速；δf为牵引车前轮转向角；c、d为牵引车和半挂车质心到铰接点的距离；e为半挂车质心到车轴的距离；u为牵引车的纵向车速；q为折叠角度速；γ为折叠角；K为车辆稳定性因数，其中车辆稳定性因数为
步骤3.3、根据线性二自由度车辆运动方程及轮胎模型传递函数，得到理想的车辆运动参考模型，从而得到理想的横摆角速度ωd为：
ωd＝Grδf
式中，Gr为稳态横摆角速度增益，且并且理想的横摆角速度ωd由于路面附着系数的限制，得到其约束条件为：
式中，g为重力加速度；
步骤3.4、根据约束条件获得修正后的理想横摆角速度为：
步骤4、电子控制单元求解实际车辆横摆角速度测量值ωm与理想横摆角速度值ωd的差值eω＝ωm-ωd，作为横摆稳定性控制的依据，通过差值与预先设定的门限值上限Δωth+和门限值下限Δωth-进行比较，判断车辆转向特性，从而确定横摆稳定性控制干预方案，将相应电信号传输于气压控制单元(PCU)：
若eω＜0且eω＜Δωth-，此时认定车辆为不足转向，则进入步骤4.1；若eω＞0且eω＞Δωth+，此时认定车辆为过度转向，则进入步骤4.2；若Δωth-＜eω＜Δωth+，认为车辆处于适当的中性转向，则不进行半挂汽车横摆稳定性控制干预；所述气压控制单元根据电子控制单元传输的电信号，以及制动气室压力传感器采集的当前制动气室的压力大小，确定车辆制动程度，并根据需要进行制动气室压力调节，且根据节气门开度传感器采集的当前发动机所处工况，进行发动机扭矩的调节控制。
步骤4.1、认定车辆为不足转向时，电子控制单元控制发动机降低输出扭矩并向气压控制单元发送指定车轮制动信号，气压控制单元对牵引车内侧车轮制动气室进行压力调节，对牵引车内侧车轮进行制动，随后进入步骤5；
步骤4.2、认定车辆为过度转向时，电子控制单元控制发动机降低输出扭矩并向气压控制单元发送指定车轮制动信号，气压控制单元对牵引车转向外轮制动气室以及半挂车左右车轮制动气室进行压力调节，对牵引车转向外轮进行制动，且对半挂车左右车轮同时进行制动，随后进入步骤5；
步骤5、电子控制单元再次对差值eω与预设门限值上限Δωth+和门限值下限Δωth-进行比较，若eω＜0且eω＜Δωth-，认为是不足转向，则返回步骤4.1；若eω＞0且eω＞Δωth+，认为是过度转向，则返回步骤4.2；若Δωth-＜eω＜Δωth+，认为车辆处于适当的中性转向，则退出半挂汽车横摆稳定性控制干预。
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