一種車輛行駛穩定性區域的確定方法
【專利摘要】本發明公開了一種車輛穩定性區域的確定方法，主要包含以下步驟：步驟一、建立完整的車輛側向動力學模型；步驟二、繪制車輛的質心側偏角速度?質心側偏角相軌跡曲線族；步驟三、確定出穩定邊界相軌跡；步驟四、直線形式擬合穩定邊界；步驟五、制作穩定邊界斜率和截距關于車速和路面附著系數的三維map。本發明定量的表征出了車輛行駛穩定性區域，建模簡單，具有一定的實時性和有效性。
【專利說明】
一種車輛行駛穩定性區域的確定方法
技術領域
[0001] 本發明涉及一種車輛行駛穩定性區域的確定方法，尤其涉及一種通過質心側偏角 相平面穩定邊界三維map的處理進行車輛行駛穩定性區域確定的方法。
【背景技術】
[0002] 相平面是一種針對非線性系統運動軌跡的圖形解法，不必對非線性方程進行具體 求解，通過在相平面上繪制系統的運動軌跡，可以直觀準確的觀察出相關變量之間的關系， 從而確定系統在不同初始條件下解的運動形式。對于車輛這種處于高度非線性狀態的系統 來說，相平面分析法是表征其特性的一種全面、直觀而且有效的方法。目前針對車輛穩定性 的相平面主要包含兩種，一種是直接基于車輛狀態的相平面軌跡，另一種是將車輛狀態進 行一定意義的變形，從而形成的能量相平面軌跡。其中車輛的質心側偏角速度-質心側偏角 相平面直接的反映了車輛對于期望軌跡的跟隨行駛能力，對于車輛的穩定性來說具有重要 的研究意義。但是，目前對于該相平面的研究十分有限，并沒有系統性的描述相平面的穩定 性區域和非穩定性區域，通用性很差，因此也不能被很好的用來分析、控制和評價車輛的穩 定性特性。在這種研究背景之下，對于質心側偏角速度-質心側偏角相平面的穩定性區域的 描述和研究變得尤為重要。
【發明內容】
[0003] 本發明的目的是針對質心側偏角速度-質心側偏角相圖，提出一種新型的車輛行 駛穩定性區域的處理方法，并確定出車輛側向穩定性邊界的三維map。
[0004] 本發明的目的是通過以下技術方案實現的，
[0005] -種車輛行駛穩定性區域的確定方法，包括以下步驟：
[0006] 步驟一、結合車輛側向運動機理和Uni tire統一輪胎模型，建立完整的車輛側向動 力學模型；
[0007] 步驟二、根據步驟一建立的車輛側向動力學模型，通過參數形式傳遞車輛狀態初 值，包括質心側偏角和質心側偏角速度，通過參數賦值輸入駕駛員意圖和路面情況，即車速 和路面附著系數，在不同的初始狀態下，繪制車輛不同工況下的質心側偏角速度-質心側偏 角相軌跡曲線族；
[0008] 步驟三、根據步驟二中得到的車輛不同工況下的質心側偏角速度-質心側偏角相 圖，利用插值方法確定出每種工況下穩定邊界的相軌跡；
[0009] 步驟四、將步驟三中得到的穩定邊界的相軌跡進行線性擬合，用直線的形式對質 心側偏角速度-質心側偏角相平面的穩定邊界進行描述，得到不同工況下的穩定邊界直線；
[0010] 步驟五、對步驟四中不同工況下的穩定邊界直線的斜率和截距進行匯總，并制作 穩定邊界斜率和截距關于車速和路面附著系數的三維map，從而確定出車輛的穩定性區域。
[0011] 本發明由于采用了上述的技術方案，本發明具有以下積極效果：
[0012] 1.本發明基于數據進行車輛側向動力學建模，建模過程簡單實用，能夠完整的反 應車輛的動力學特性；
[0013] 2.本發明采用直線擬合的方法對邊界軌跡進行擬合，減少了運算量，通用性強；
[0014] 3.利用本發明得出的穩定邊界三維map，能夠快速的規劃出車輛的穩定性區域，對 應用于實車上的實時性和精確性有可靠的保障；
[0015] 4.本發明算法簡捷，可靠性強，節約了大量的資源和成本，為車輛穩定性的控制和 評價打下了堅實的基礎。
【附圖說明】
[0016] 圖1為雙軌車輛模型示意圖；
[0017] 圖2為車輛/)-/_?相軌跡曲線示意圖；
[0018] 圖3(a)為摩擦系數為0.8,車速為10m/s的相平面曲線圖
[0019] 圖3(b)為摩擦系數為0.8,車速為20m/s的相平面曲線圖
[0020] 圖3(c)為摩擦系數為0.8,車速為25m/s的相平面曲線圖
[0021] 圖3(d)為摩擦系數為0.8,車速為35m/s的相平面曲線圖 [0022]圖4(a)為車速為30m/s，摩擦系數為0.1的相平面曲線圖
[0023] 圖4(b)為車速為30m/s，摩擦系數為0.3的相平面曲線圖
[0024] 圖4(c)為車速為30m/s，摩擦系數為0.5的相平面曲線圖
[0025] 圖4(d)為車速為30m/s，摩擦系數為0.7的相平面曲線圖 [0026] 圖5為穩定邊界斜率k三維map
[0027] 圖6為穩定邊界截距b三維map
【具體實施方式】
[0028] 下面結合附圖，對發明所提出的技術方案進行進一步闡述和說明。
[0029] 本發明提供一種車輛穩定性區域的確定方法，該方法包括以下步驟：
[0030] 1.結合車輛側向運動機理和Unitire統一輪胎模型，建立完整的車輛側向動力學 模型
[0031] 為了獲取車輛的質心側偏角速度-質心側偏角相圖，本發明針對車輛的橫擺運動 和側向運動建立完整的車輛動力學模型，首先做出如下假設：
[0032] >不考慮車輛轉向系統的影響，把前輪轉角作為系統的輸入；
[0033] >忽略懸架的作用，認為汽車沿ζ軸的位移，繞X軸的側傾角與繞y軸的俯仰角均為 零；
[0034] >不考慮輪胎載荷的變化和地面切向力對輪胎側偏特性的影響；
[0035] >忽略空氣動力的作用，驅動力不大；
[0036] >汽車沿X軸的縱向速度不變。
[0037] 本發明采用ISO標準車輛坐標系，坐標原點設在車輛的質心處，車輛沿車頭向前行 駛的方向設為X軸正方向，水平向左為y軸的正方向，Z軸正方向垂直于X軸、y軸組成的平面， 方向由右手螺旋定則確定。根據達朗貝爾定理，車輛所受到的慣性力矩和慣性力引起的力 矩和與車輛所受到的所有外力矩之和相等，從而得到車輛的運動平衡方程。
[0038]車輛沿y軸的側向合力Σ Fy:
[0039]
(1)
[0040] 整車質量圍繞z軸產生的橫擺力矩之和ΣΜΖ:
[0041]
(2)
[0042] 在這里僅考慮車輛的側偏運動，忽略車輛的縱向滑移，由于設定縱向車速Vx不變， 則質心側偏角β及其變化率#可近似的表示為：
[0043]
(3)
[0044] 整理公式（1)-(3)，最終得到車輛關于橫擺角速度r和質心側偏角β的表達式如下 式(4)所示：
[0045]
(4)
[0046]根據圖1所示的簡化雙軌車輛模型，綜合四個輪胎的受力分析，側向合力EFy與合 力矩ΣΜΖ可以由公式(5)表示：
[0047]
[0048] 其中:m為整車質量，Ιζ是車輛繞ζ軸的轉動慣量，Lf和Lr分別是車輛質心到前后軸 的軸距，di代表車輛的前輪距，v x和vy分別代表車輛的縱向和側向車速，β代表質心側偏角，r 代表橫擺角速度，δ?代表前輪轉角，Fyn、Fyfr、Fyri、F yrr分別表示車輛左前輪、右前輪、左后輪 以及右后輪的輪胎側向力。
[0049] 為了更為精確的反應車輛的非線性特性，對車輛關于質心側偏角的聲-/?相平面進 行研究，在這里引入非線性輪胎模型對輪胎的側向力進行描述。由于車速、摩擦系數和方向 盤轉角等外界因素均能夠導致輪胎離開線性區域進入飽和區域，所以在進行相平面穩定區 域分析時，對于輪胎模型選取的合適與否是決定車輛相平面準確性的關鍵因素。在各個經 典的輪胎模型中，郭孔輝院士提出的'統一指數輪胎模型'是基于對大量的輪胎試驗結果和 輪胎力學機理分析所建立的，能夠充分體現不同因素影響下車輛輪胎的非線性特性，是進 行車輛穩定性分析的較為理想的輪胎模型，因此在相平面的研究中，本發明選用'統一指 數'Unitire統一輪胎模型。
[0050] 因為在對車輛相平面的分析中僅考慮車輛的側偏運動，忽略車輛的縱向滑移，因 此對Unitire輪胎模型進行一系列的簡化，最終得到四個車輪的側向力F yl表達式如下式(6) 所示：
[0051]
(6)
[0052] 其中，
[0053] 上式中，丨=^1，打3，^}，分別代表左前輪、右前輪、左后輪以及右后輪，下同4 為路面摩擦系數，E為輪胎的結構參數，Kyi為輪胎的側偏剛度。
[0054] 在縱向車速Vx不變，縱向加速度ax為零的前提下，考慮車輛在車身質量m、側向加速 度a y的作用下，各個輪胎的垂直載荷FZ1表達式如下式(7)所示：
[0055]
(7)
[0050]上式中，h為汽車質心高度，d為前后輪平均輪距，g為重力加速度。
[0057]車輛的側向加速度ay的表達式為：
[0058] =ν\Γ+β) (.8):
[0059] 相應地，車輛每個輪胎的側偏角cti可以具體由公式(9)描述如下：
[0060]
[00611綜合公式(4)-(9)，匹配車輛系統結構參數，并利用matlab/simulink模塊搭建反 應車輛側向穩定性的完整車輛動力學模型。
[0062] 2.繪制/)-/;相軌跡曲線
[0063] 由于質心側偏角相圖能夠真實的反應車輛的穩定性狀態，其穩定區域隨著外界條 件的變化而變化，包括車速、路面摩擦系數、駕駛員的轉向操作以及控制系統施加的附加橫 擺力矩等。由于在車輛穩定性系統的控制過程中，方向盤轉角的變化要頻繁于車速和路面 摩擦系數的變化，且通過理論分析合理的施加附加的橫擺力矩會增加穩定區域，因此本發 明只考慮車速和路面摩擦系數對質心側偏角相平面穩定區域的影響。
[0064]根據步驟一中建立的完整車輛動力學模型，首先利用m函數設定工況，包括車速和 路面摩擦系數，通過輸入車輛狀態初值即質心側偏角和質心側偏角速度(爲，爲），經過運行 仿真模型，即可得到車輛的一條相軌跡曲線，改變狀態初值，即可得到一種工況下車輛關于 質心側偏角的/)-/?相軌跡曲線族。本發明通過運行多組仿真實驗，最終得到路面摩擦系數 為〇.1-1(間隔為〇.1)，車速為1〇111/ 8-35111/8(間隔為5111/8)的直線工況下的60組#-#相平面 圖。
[0065] 3.確定穩定邊界相軌跡
[0066] 上述步驟2中繪制了多組車輛的彡-夕相軌跡曲線，本步驟以vx=20m/s，μ = 0.1工 況下得出的車輛相軌跡曲線為例（如圖2所示)對確定/?穩定邊界相軌跡以及區分 穩定區域和不穩定區域的方法進行說明。
[0067] 從圖2中可以看出，零點為系統穩定的焦點，如果相軌跡最終收斂到穩定焦點，說 明車輛最終恢復到穩定狀態，該相軌跡處于車輛的穩定區域內，如果相軌跡不能回到穩定 焦點，說明該相軌跡處于車輛的不穩定區域內。當車輛質心側偏角狀態位于一三象限時，其 相軌跡多數處于發散狀態，而位于二四象限的相軌跡由于質心側偏角的變化率與質心側偏 角的方向相反，使質心側偏角有減小的趨勢，所以多數屬于穩定區域。利用插值的方法確定 圖中所示的兩條相軌跡曲線1:和1 2即為該相平面的理論穩定邊界相軌跡。這兩條曲線將相 平面分為兩個區域，即穩定區域和不穩定區域。凡是初始狀態位于穩定區域內，車輛的相平 面曲線最終都能夠通過自身動力學特性收斂到穩定焦點，隨時間變換的運動軌跡會一直朝 著使質心側偏角和質心側偏角變化率的絕對值不斷變小的趨勢變化，區域內的車輛均處于 穩定狀態。而初始狀態位于不穩定區域內的相軌跡運動曲線會發散至無窮大，不能收斂到 相對穩定的焦點，相軌跡有使質心側偏角和質心側偏角變化率絕對值增大的趨勢，或者需 要經歷很長一段時間才能恢復到穩定的狀態，此時界定車輛已處于失穩狀態。
[0068] 由于相平面軌跡具有對稱性質，邊界相軌跡曲線ldPl2關于原點對稱。因此通過確 定穩定邊界相軌跡ll，即可利用對稱性質確定片-#穩定邊界相軌跡12。利用該方法，本 發明針對步驟二中得出的60組戶-於相平面圖確定出每組相平面穩定邊界相軌跡lu
[0069] 4.直線擬合穩定邊界
[0070] 步驟3利用插值的方法確定了聲-y?相平面穩定邊界相軌跡，為了更為簡單而精確 的對質心側偏角相平面的穩定邊界進行描述，在本步驟中，根據保守性確定方法，以直線的 形式對理論穩定邊界軌跡li進行擬合。選取邊界相軌跡上的特征點如A(xi，yi)，B(X2，y2)，并 以形式如/)=々__/?+/;的直線1^對穩定邊界軌跡^進行描述，其中斜率& = 截距 ，最終將Ll作為理論的穩定邊界下限。由于相軌跡具有對稱的性質，則對 Λ,, -Λ, /i-多相平面的對稱穩定邊界相軌跡ι2進行直線擬合得到的穩定邊界上限L2s/)=h/?-0，兩 條直線之間的區域即為穩定區域，可以描述為兩條直線以外的區域為不穩定區 域，被描述為
[0071] 利用該方法對步驟3中不同車速和路面摩擦系數下的相平面的穩定邊界相軌跡h 進行擬合，并確定出相應的k和b的值。
[0072] 圖3和圖4分別給出了不同車速和路面摩擦系數條件下的車輛聲-於相軌跡圖，并指 出了穩定邊界相軌跡h和擬合后的穩定邊界U。從圖中可以看出，在其他條件相同的情況 下，/)-/〗穩定區域范圍會隨著車速的增加以及路面摩擦系數的減小而縮小，穩定邊界相軌 跡與橫軸的交點會向右移動，穩定區域也會隨之減小。
[0073] 5.制作穩定邊界斜率與截距三維map
[0074] 綜合步驟2、3、4，針對路面摩擦系數為0.1-1 (間隔為0.1)，車速為10m/s-35m/s(間 隔為5m/s)的直線工況下的60組彥-多相平面圖，得到60組不同νχ、μ下穩定邊界U的斜率k和 截距b的值，如表1、表2所示。
[0075] 表1斜率k與νχ、μ的對應關系表 [0076]
[0077] 表2截距b與νχ、μ的對應關系表
[0078]
[0079] 利用線性插值的方法分別做出X軸為車速Vx，y軸為路面摩擦系數μ，ζ軸為直線斜 率k和X軸為車速v x，y軸為路面摩擦系數μ，ζ軸為直線截距b的三維map，如圖5和圖6所示。這 樣即可通過查找map找到車輛關于質心側偏角的身相平面穩定邊界下限的斜率k和截距 b，從而確定車輛穩定性區域為多-
【主權項】
1. 一種車輛行駛穩定性區域的確定方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟一、結合車輛側向運動機理和Unitire統一輪胎模型，建立完整的車輛側向動力學 豐旲型； 步驟二、根據步驟一建立的車輛側向動力學模型，通過參數形式傳遞車輛狀態初值，包 括質心側偏角和質心側偏角速度，通過參數賦值輸入駕駛員意圖和路面情況，即車速和路 面附著系數，在不同的初始狀態下，繪制車輛不同工況下的質心側偏角速度-質心側偏角相 軌跡曲線族； 步驟三、根據步驟二中得到的車輛不同工況下的質心側偏角速度-質心側偏角相圖，利 用插值方法確定出每種工況下穩定邊界的相軌跡； 步驟四、將步驟三中得到的穩定邊界的相軌跡進行線性擬合，用直線的形式對質心側 偏角速度-質心側偏角相平面的穩定邊界進行描述，得到不同工況下的穩定邊界直線； 步驟五、對步驟四中不同工況下的穩定邊界直線的斜率和截距進行匯總，并制作穩定 邊界斜率和截距關于車速和路面附著系數的三維map，從而確定出車輛的穩定性區域。2. 如權利要求1所述的一種車輛行駛穩定性區域的確定方法，其特征在于，所述步驟一 建立完整的車輛側向動力學模型的過程包括： 車輛關于橫擺角速度r和質心側偏角邱勺表達式為：綜合四個輪胎的受力分析，側向合力EFy與合力矩ΣΜΖ表示為： V JV J 其中：m為整車質量，Ιζ是車輛繞ζ軸的轉動慣量，Lf和Lr分別是車輛質心到前后軸的軸 距，di代表車輛的前輪距，vx和vy分別代表車輛的縱向和側向車速，β代表質心側偏角，r代表 橫擺角速度，心代表前輪轉角，？#1、?啦$:1$::分別表示車輛左前輪、右前輪、左后輪以及 右后輪的輪胎側向力； 對Unitire統一輪胎模型進行化，最終得到四個車輪的側向力Fyi表示為：上式中，1 = ^1，作3，^}，分別代表左前輪、右前輪、左后輪以及右后輪#為路面摩 擦系數;E為輪胎的結構參數;Kyi為輪胎的側偏剛度； 在縱向車速νχ不變，縱向加速度ax為零的前提下，考慮車輛在車身質量m、側向加速度ay 的作用下，各個輪胎的垂直載荷FZ1表達式如下式所示：式中，h為汽車質心高度，d為前后輪平均輪距，g為重力加速度； 車輛的側向加速度ay的表達式為： a t =v, \r+fi) 相應地，車輛每個輪胎的側偏角cu可以具體由下式表達：綜合以上各公式，匹配車輛系統結構參數，搭建反應車輛側向穩定性的完整車輛側向 動力學模型。
【文檔編號】G06F17/50GK105946863SQ201610462975
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年6月23日
【發明人】郭洪艷, 宋林桓, 劉風
【申請人】吉林大學