基于Carsim与Simulink的微型客车防侧翻控制联合仿真研究

森林工程

FOREST ENGINEERING

Vol. 32 No. 6Nov. , 2016

基于C

arsim

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)

摘要：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。

关键词：微型客车；侧翻稳定性；Carsim;联合仿真；控制中图分类号：U 461. 6

文献标识码：A

文章编号：1001 -005X (2016 ) 06 - 0044 - 06

Co - simulation Study of Minivan Rollover

Based on Carsim and Simulink

Li Shengqin，Yang Qing

(Traffic College, Northeast Forest University Harbin, 150040)

Abstract ： 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.

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

〇引言

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

收稿日期：2016-05 -24

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

第一作者简介：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

引文格式：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 -

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

49.

第6期李胜琴等：基于Carsim与Simulink的微型客车防侧翻控制联合仿真研究

45

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[U_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，X#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，X#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

参数数值

单位

整备质量m1 350kg賛载质量ms1 182kg最大总质G3 000kg

转向系传动比Z15

最大功率p75

kW质心到前轴距离a1 267mm质心到后轴距离b

1 493mm轴距i276mm质心高度h

800mm质心到侧倾中心距离A300mm绕x轴转动惯量4380kg • m2绕z轴转动惯量心

2 240

kg • m2

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, /x =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，弘= 0• 8〇

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。5

ov 4os 3oa

bb3 o2/

ottE1olsS -o«

l

-1ol-2osg

$- o3- o

42 3

4 5 6 7

5

时间/s

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

20

115 11 050

5 |01_ 1 511_ 00^_

7

时

间

1012

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177?,并根据 177?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 iTO,判断是否需要继续控制，如果降到安全 范围内，则停止控制。

46

森林工程

第32卷

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]。

Fl +Fk -2Fr 2Fr fl+fr ~Fl+Fr°(1)

式中：心、心分别为左、右侧车轮的垂直载荷。 177?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177? =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 垂直载荷变成〇,心=〇或者' =〇,此时的 绝对值变成1。因此ira的绝对值变化范围为I e [0, 1],由此可知，当 <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，当丨丨=1时，汽车内侧 车轮离开地面，车辆即将发生侧倾失稳，177?的绝 X#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I =0.8为触发门限值。当i77?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，X#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，X#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为输人，u为输出。

1知识库

I

1

模糊化

推理 H 解模

!__________麵奥輕___________!

------------1车辆系统卜~~|制动器h------------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

第6期李胜琴等：基于Carsim与Simulink的微型客车防侧翻控制联合仿真研究47

为输入，输出为目标车轮制动力a，e、ec和zx分 别对应的模糊量以五、五c、表示。确定各变量的 模糊子集，£的模糊集为！〗VB, AW, 〗VS,PS, PM, PS},

的模糊集为|灿，服，肥，

Z, PS, PM, PS丨，

的模糊集为jyvs,服,

yvs, z, PS, PM, PS丨。各个模糊量意义如下： 灿-负大，服-负中，yvs-负小，几乎为零,

PS-正小，PM-正中，PS-正大。

把误差五、误差变化率五C和控制量的论域 均设置为！ -1, -0.8, -0.6, -0.4, -0.2, 0, 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1|, £、£C、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。

^ NB

NM NS Z

PS PM

PB

§s

-1

-0.5

0

0.5

1

输出变量£

图5侧向加速度误差隶属函数

Fig. 5 Membership function of lateral acceleration error

«凾籁

ffl

-0.5 0 0.5

输出变量五C

图6误差变化率隶属度函数

Fig. 6 Membership function of error rate

NB

NM NS

Z

PS PM

PB

-0.5

0

0.5

输出变量f/

图7制动力隶属度函数

Fig. 7 Membership function of braking force

由于输人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模块的输人变量有两个，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

V

EC \\NBNMNSZPSPMNBNBPBPBPBPBPMZOZONMPBPBPBPBPMZOZONSPMPMPMPMZONSNSZPMPMPSZONSNMNMPSPSPSZONMNMNMNMPMZOZONMNBNBNBNBPB

ZO

ZO

NM

NB

NB

NB

NB

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D

Ini Oull

Turn Right

Signal Selector

图8

控制模型

Fig. 8 Control model

其中177? Cafeufctor是横向载荷转移率的计算 器，如图9所示，输人信号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 Controllei•为控制器触发模块，其触 发阈值设为〇. 8,当输人信号LTR的绝对值大于等 于〇• 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。输人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。

48

森林工程

第32卷

图9 L77?计算模块

Fig. 9 LTR Calculator

Constant5

Inl Swilch3

Constant6

图i〇触发器结构图

Fig. 10 Trigger of Controller

Gain8

Constant9

Out2

2 du/(lt—M _______^

jd

►ain8

Gain7 Derivative^___ I Fuzzy Logic

G)erivativp,2

ConLrollerl

(Inl

jy^图ii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 摩擦系数设为〇. 8。设置前轮输人采用美国高速公 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。

-M5?

«mr單E

^有控制

时间/s

图12鱼钩试验下侧向加速度对比曲线

Fig. 12 Lateral acceleration contrast curve

m

卅

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

第6期李胜琴等：基于Carsim与Simulink的微型客车防侧翻控制联合仿真研究49

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，由原来的〇• 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。

2

了

«)-§/职

Is

養# 卅

时间/s

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177?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 177?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Car- Sim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 模型导人到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，X#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。

【参考文献】

[1 ] Belkin A E, Bukhin B L. Some models and methods of pneumatic

tire mechanics [ J]. Vehicle System Dynamics, 1997,27(1) ：250 - 571

[2] Deur J, Asgari J,Hrovat D. A 3D brush - type dynamic tire friction

model [ J]. Vehicle System Dynamics ,2004,42(3 ) ； 133 - 173[3] 李胜琴，何乐.基于ADAMS的车辆ESP控制模型及方法研究

[J].武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2012,36(6):

1143-1146.

[4 ]张金柱.基于GPS的汽车稳定性控制系统研究[D ].哈尔滨:哈

尔滨工程大学，2012.

[5] Tsiotras P,Yelenis E,Sorine M. A LuGre tire friction model with ex­

act aggregate dynamics [ J ]. Vehicle System Dynamics, 2004,2(3) =195-21.

[6] 岑达希.基于主动转向与差动制动的汽车防侧翻控制研究

[D].杭州:浙江大学，2011.

[7] Sakai H. Theoretical and experiment al studies on the dynamic prop­

erties of tires [ J]. Vehicle Design, 1981,2(3) ；335 -372.

[8] 李海辉.基于差动制动的客车电子稳定系统控制策略研究

[D] •西安:长安大学，2014.

[9] 徐耀耀，翁建生，金智林，等.基于主动转向和差动制动的车辆

防侧翻控制[J].计算机仿真，2011，28(6) :330 -334.

[10] Ding N, Taheri S. A modified Dugoff tire model for combined - slip

forces [ J]. Tire Science and Technology,TSTGA,2010,38 (3 )； 228 - 244

[11] 李志刚，沈明，邹猛，等.基于多体动力学的微型客车急转

弯侧翻倾向性仿真[J] •清华大学学报：自然科学版，2010，50

(8)：1286-12.

[12] Lew J, Piyabongkam D, Yuan Q. Method of identifying predictive

lateral load transfer ratio for vehicle rollover prevention and warn­ing systems ： US Patent 7,873,454 [ P ] ,2011.

[13] 朱夏毅.客车动态抗侧翻稳定性试验仿真研究[D].重庆:重

庆交通大学，2012.

[14] 贺宜，褚端峰，吴超仲，等.路面附着条件对车辆横向稳定性

影响的量化分析[J].武汉理工大学学报:交通科学与工程版，

2014，38 (4) =784-787.

[15] 贾豫东，宋健，孙群.用于电子稳定性程序的汽车模型和

控制策略[J].公路交通科技，2004，21 (5) : 132 -136.

[16] 王家辉.汽车ESP系统半动态测试台架开发[D].上海:上海

、[1

交通大学，2004.

7] Pacejka H, Sharp R. Shear force development by pneumatic tires in

steady state conditions： a review of modelling aspects [J]. Vehicle System Dynamics, 1991,20(3/4) ；121 - 176.

[18] 赵强，何法，王鑫，等.单轨车辆主动悬架模型随机线性

最优控制器设计[J].森林工程，2015，31 (5) :66 -71 •

[19] 陈冉，江焰林，张蒙恩，等.车辆防追尾动态安全车距监控系

统研究[«.林业机械与木工设备，2016,44(7):23 - 25.

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