ESP车辆模型的测试与分析

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3.0 侯斌 2024-11-19 5 4 1.7MB 54 页 15积分

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摘要

汽车在高速或低附着系数路面上转向行驶或受到侧向干扰时，轮胎与地面的

侧向附着系数很容易达到附着极限而使汽车发生侧滑，从而丧失操纵稳定性，引

发交通事故。ESP（Electronic Stability-Program，电子稳定控制程序）是一种新型

的主动安全控制技术，可改善和提高车辆的机动灵活功能、操纵性能和稳定性能，

对于预防事故的发生有着非常重要的意义。

本文以整车为研究对象，在借鉴国外研究成果的基础上，就汽车稳定性控制

系统建模、车辆操纵稳定性评价方法以及控制效果测试等方面进行了详细论述。

首先，依据有关建模理论建立汽车稳定性控制数学模型，并根据模型输入输

出参数要求以及硬件设备的端口设置，设计车辆模型与硬件通讯的协议，建立相

应的通讯模型。

其次，通过分析车辆操纵稳定性评价的相关理论知识，总结出一系列进行车

辆操纵稳定性评价的方法，为实现ESP车辆模型的操纵稳定性测试奠定基础。

最后，根据国家对车辆操纵稳定性评价的试验标准，进行了三个相应的仿真

试验。即蛇行试验、转向盘角脉冲输入试验和稳态回转试验。通过仿真工具

MATLAB/Simulink输出的图形和曲线，来测试ESP对车辆的操纵稳定性控制效果。

关键词：电子稳定控制程序、操纵稳定性、仿真测试、评价指标

ABSTRACT

When the car steers on the high friction factor of the road at high speed or on the

low friction factor of road surface, it is easy to reach the physical limit of adhesion

between the tires and the road, and leads to accidents.ESP (Electronic Stability-Program)

is a newly created control technology for active safety. It will improve the performance

of handling and stability, and has important effect for avoiding traffic accidents.

The whole vehicle is the research object in this paper.Based on the abroad

achievements in this field ，the following issues are discussed: modeling of vehicle

stability control system, the appraising method of the vehicle about the handing stability,

the testing of control effect.

Firstly, According to modeling theory, a model of vehicle stability control is set up,

which provides a good model for evaluating vehicle handling stability. And based on

I/O parameters desire for model and ports setting for hardware equipment, communicate

protocol between vehicle model and hardware is designed, and corresponding

communication model is set up.

Secondly, based on the analysis of the vehicle handling stability appraising theroy,

a series appraising method is generalized, and then the base for the vehicle ESP model

handling stability implement is established.

Lastly, according to the state testing criterion about appraise the vehicle handling

stability; three relevant simulating tests are done: Pylon course slalom test, Steering

wheel angle pulse input and Steady static circular test procedure. These three

behaviours’s results of image and curve are drawn by MATLAB/Simulink simulation

tools, so we can test the control effect of the vehicle handling stability based on ESP.

Key Word：

ESP、

handling stability、

emulational testing、

Evaluation

index

摘要 .......................................................................................................................1

ABSTRACT .............................................................................................................6

目录 .......................................................................................................................7

第一章绪论 ...................................................................................................... 1

§1.1 前言 ..........................................................................................................1

§1.2 ESP 技术的研究与发展 ...........................................................................1

§1.2.1 ESP 技术简介 ................................................................................1

§1.2.2 ESP 技术发展现状 ........................................................................2

§1.3 汽车操纵稳定性评价的研究现状 ...........................................................3

§1.4 本课题研究的主要内容 ..........................................................................5

§1.4.1 课题背景 ........................................................................................5

§1.4.2 工作内容 .......................................................................................5

第二章 Matlab/Simulink 软件及仿真系统设计 ................................................ 6

§2.1 Matlab/Simulink 软件介绍 ...................................................................... 6

§2.2 S-函数 ....................................................................................................... 7

§2.2.1 S-函数概述 .................................................................................... 7

§2.2.2 S-函数的使用 ................................................................................ 7

§2.3 系统的系统规划 ......................................................................................8

第三章基于 ESP 的车辆仿真模型 ...................................................................10

§3.1 系统的建模和仿真 ................................................................................10

§3.1.1 系统建模和仿真的一般过程 .....................................................10

§3.1.2 模型的数学语言描述 .................................................................11

§3.2 系统仿真的一般过程 ............................................................................13

§3.3 车辆 simulink 模型的整体组成 .............................................................14

§3.3.1 发动机模型 ..................................................................................14

§3.3.2 车辆系统模型 ..............................................................................15

§3.3.3 轮胎模型 ......................................................................................15

§3.4 车辆 simulink 模型与硬件的通讯 .........................................................16

§3.4.1 车辆 simulink 模型与板卡的通讯 .............................................16

§3.4.2 车辆 simulink 模型与适配器的通讯 ..........................................17

第四章车辆操纵稳定性的评价方法 ................................................................ 21

§4.1 操纵稳定性评价的主要内容 .................................................................21

§4.2 车辆操纵稳定性的评价方法 .................................................................22

§4.2.1 前轮角阶跃输入下进入的汽车稳态响应 ..................................23

§4.2.2 前轮角阶跃输入下的瞬态响应 ..................................................27

§4.2.3 横摆角速度频率响应特性 ..........................................................28

§4.2.4 车辆操纵稳定与车身侧倾角的关系 ..........................................30

第五章 ESP 车辆模型的操纵稳定性测试 ........................................................ 34

§5.1 蛇行试验 ................................................................................................34

§5.2 转向盘角脉冲输入试验 .........................................................................39

§5.3 稳态回转试验 .........................................................................................43

第六章总结与展望 ............................................................................................ 47

参考文献 .................................................................................................................48

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .................................... 51

致谢 .....................................................................................................................52

第一章绪论

§1.1 前言

随着经济的迅速发展和人民生活水平的日益提高，汽车已经逐渐步入普通家

庭当中，并成为人们日常生活中的一种重要交通工具。伴随着汽车的普及，公路

交通呈现出行驶高速化、车流密集化和驾驶员非职业化的趋势，交通事故的发生

率有增无减。因此汽车的行驶安全性问题一直为人们所关心。由于汽车的操纵稳

定性直接关系到行驶的安全性，而且影响汽车操纵稳定性的因素又比较复杂，因

此人们对操纵稳定性的研究自汽车出现以来就没有停止过。同时对汽车安全性能

的提升也成为汽车业界不断的追求，秉承这一理念，ABS在经过普及阶段以后，

目前已进入了产品升级阶段。业界的一致共识是ABS（防抱死制动系统）将向ESP

（电子稳定性控制程序）演化。

汽车操纵稳定性的评估方法主要有计算机模拟仿真和真车的道路试验。利用

计算机仿真，可以缩短产品开发周期，有效分析各种因素对操纵稳定的影响，对

于一些在试验中难以获得的极限行驶状况下的操纵稳定性进行仿真，可以避免一

些不必要的危险。由于汽车本身是一个复杂的多体系统集合，外界载荷的作用更

加复杂、多变，还包括人、车、环境三位一体的相互作用。所以，在操纵稳定性

仿真计算的基础上，对汽车进行道路试验也是必须的。计算机仿真分析操纵稳定

性是在计算机上建立简化到一定程度的模型输人驾驶员对汽车的各种操纵信号，

解算出系统的时域响应和频域响应，以此来分析汽车的操纵稳定性能。由于仿真

分析花费时间短，可在计算机上重复进行，对各种设计方案进行快速优化对比，

并且可实现试验条件下不能进行的严酷工况分析，因此该方法被人们广泛采用。

§1.2 ESP 技术的研究与发展

§1.2.1 ESP 技术简介

ESP是汽车电子稳定控制程序（Electronic Stability Program）的简写，由德国

博世公司（BOSCH）和梅赛德斯-奔驰（MERCEDES-BENZ）公司联合研制[1]，它

集成了防抱死制动系统（ABS）和驱动防滑控制系统（TCS）的基本功能。能够在

极短的时间内，识别出汽车不稳定的行驶趋势并加以控制，比如，由于人为或环

ESP 车辆模型的测试与分析

境的干扰，轿车可能进入不稳定的行驶状态，而出现偏离预定行驶路线或翻转趋

势等危险情况[2]。ESP系统通过智能化的电子控制方案，让汽车传动或制动系统产

生所期望的准确响应，从而及时恰当地消除这些不稳定行驶趋势，使汽车保持在

所期望的行驶路线上行驶。

§1.2.2 ESP 技术发展现状

在国外，早期的汽车稳定性控制是基于ABS和TCS，在算法上加以改进，使其

能在一定程度上解决汽车的操纵稳定性问题，但着还不能够称为汽车稳定性控制

系统。直至上世纪90年代初，人们对车辆操纵稳定性的进行理论性的分析，提出

了对汽车横摆运动进行控制的设想，通过采集方向盘转角的信息来判断驾驶员的

转向意图，并通过制动力或驱动力在各个轮子上的分配来调整汽车的横摆运动，

以控制汽车的操纵稳定性[3-5]。由于降低系统的开发成本，起初出现的操纵稳定性

控制系统采用的传感器相对较少，车辆的横摆角速度通常是计算内外车轮的转速

差而得到的，因此在复杂工况下，很难保证系统控制的精度性与可靠性。1995年

之后，随着Bosch、BMW等公司先后推出了使用横摆角速度和侧向加速度传感器

的新一代汽车操纵稳定性控制系统，汽车操纵稳定性控制的大致形式也已基本形

成[6-7]。其中Bosch的VDC是比较具有代表性的控制方法之一，它采用车辆实际行驶

状态与汽车理想行驶状态的误差反馈来控制车辆的横摆力矩，并通过对发动机的

控制来实现对车辆横摆的调整[8-10]，在现在汽车操纵稳定性控制中这个方法也成为

比较常用的方法。由于在汽车操纵稳定性控制中所需要的车辆行驶状态不能由传

感器全部测得，因此如何通过传感器测量的车辆状态信息来推出那些不易被测量

到的车辆状态一直是近几年汽车操纵稳定性控制的研究热点，近几年来，也已经

出现了一些状态估计的方法，在一定程度上提供了车辆操纵稳定性控制系统的可

靠性。与此同时，有一些研究人员开始尝试利用现代控制理论中的一些控制方法

对汽车操纵稳定性控制进行改善，并取得了一定的成果[11-12]。随着车辆动力学控

制的不断发展，集成控制已经成为以后发展的必然趋势，汽车操纵稳定性控制将

对制动系统、悬架系统和转向系统的协调控制进行综合考虑，并充分利用传感器

所得信号，进一步提高控制效果。

国内对汽车操纵稳定性控制系统的应用与研究起步较晚，到目前为止，只有

极少数汽车安装了汽车操纵稳定性控制系统，而且自己在缺少试验条件的情况下

也没有实际的研发能力。现在吉林大学、清华大学等高校也已经开展了这一方面

的研究工作。而且大多数学者只是基于理论研究，郭孔辉采用纵滑—侧偏联合工

况的稳态轮胎模型为基础，分析车辆在极限转向条件下制动力作用于不同车轮时

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摘要汽车在高速或低附着系数路面上转向行驶或受到侧向干扰时，轮胎与地面的侧向附着系数很容易达到附着极限而使汽车发生侧滑，从而丧失操纵稳定性，引发交通事故。ESP（ElectronicStability-Program，电子稳定控制程序）是一种新型的主动安全控制技术，可改善和提高车辆的机动灵活功能、操纵性能和稳定性能，对于预防事故的发生有着非常重要的意义。本文以整车为研究对象，在借鉴国外研究成果的基础上，就汽车稳定性控制系统建模、车辆操纵稳定性评价方法以及控制效果测试等方面进行了详细论述。首先，依据有关建模理论建立汽车稳定性控制数学模型，并根据模型输入输出参数要求以及硬件设备的端口设置，设计车辆模...

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