第四节 车辆稳定控制基础实验

一、路面控制实验

实验在粗糙水泥路面进行，气温在8～15℃，设备有便携式微机与数据采集系统、五轮仪、减速度传感器、ECU与电磁阀组成的控制系统、数据分析软件等。在高附着路面上进行了初速30km/h、50km/h和80km/h的实验，参照国家标准并对照高附着路面比较结果。对在不同初速下的控制性能进行了测试和评价。在低附着路面上进行初速30km/h的实验，与低附着路面实验结果比较，对低附着路面上的性能进行评价。初速30km/h实验数据见表1-5。由于实验跑道的坡度和风速会对控制距离造成影响，为了减小随机因素对结果的影响，对整理过的控制距离采用加权平均，由于客观条件限制，向南的实验次数（4次）少于向北的实验次数（5次）。由表1-5可看到，控制距离为5.8m，小于法规要求的8m，较WABCO控制距离6.4m缩短了9%，控制过程平稳，压力调节准确。由数据可知，各轮力矩均得到了合适调节，电磁阀动作合乎控制逻辑，滑移率控制在10%～20%，地面上车轮的痕迹有明显的车轮花纹印花，证明车轮保持控制效果良好。

表1-5 初速30km/h的稳定控制距离

表1-6 初速50km/h的稳定控制距离

初速50km/h时的实验情况见表1-6。可以注意到，初速50km/h时的南北向实验的稳定控制距离差异大于初速30km/h时二者的差异，这是由于随着车速提高，风速影响加大（风阻大致与速度的二次方成正比）造成的，实验时有南风，故向南的控制距离要长一些。各轮力矩均得到了合适调节，证明较高车速时控制效果良好。比较初速为50km/h与30km/h时的情况，初速为50km/h时的控制效果要更好，因为高速下，在每一个控制周期内经过传感器的轮齿较多，通过平均各轮齿激发信号周期补偿齿圈的误差，提高车轮转速的测量精度。

对车辆在初速为80km/h的稳定控制进行了实验。因为高速控制对车辆损伤较大，故只进行两次实验，结果见表1-7。对轮胎进行观察，轮胎磨损均匀，在控制过程中保持了“滚滑”状态。实验过程中前、后轴的压力控制良好，车轮滑移率适当，没有出现跑偏和甩尾的现象。

表1-7 初速80km/h的稳定控制距离

二、电子控制实验

为了提高程序效率，对算法进行了优化，关键在于减少重复计算和采用离线计算技术。在滤波中应用离线计算技术，通过对平滑、Butterfly、Bessel滤波器特性的分析，平滑滤波器稳定性好，但较高的阶数才能达到较好的滤波效果；Butterfly滤波器具有良好的频域截止特性，但存在时域脉冲偏大的缺陷，当有车辆脉冲干扰时，性能不理想；Bessel滤波器特性介于二者之间，时域性能好，频域截止特性比Butterfly滤波器稍差。选用三阶Bessel滤波器，其阶数是对内存、计算和容许延时等方面的要求综合考虑选定的。滤波器的形式为a₀y（0）=b₀x（0）+{b₁x（-1）+b₂x（-2）+b₃x（-3）-a₁y（-1）-a₂y（-2）-a₃y（-3）}

其中y（i）为滤波后的数据，x（i）为原始数据。可以看出，等式右边只有一项b₀x（0）与当前点数据有关，因此可以在系统调度程序启动主控制程序之前，寻找系统空闲的时候离线完成对{b₁x（-1）+b₂x（-2）+b₃x（-3）-a₁y（-1）-a₂y（-2）-a₃y（-3）}的计算，从而提高系统资源的利用效率，缩短控制的滞后时间。

稳控系统电子控制逻辑框架如图1-19所示，以稳控系统中ESP为例，行驶中由于意外造成转向过度，而使后轮打滑。ESP利用制动力将前轮外侧车轮制动，前轮会有瞬间向外力量，同时防止后轮打滑。ESP依据横向加速度、转向角度及车速信号，若实际偏离比率大于预期偏离比率时，ESP会作动去补偿修正，修改车辆偏离路线，如图1-20所示。行驶中，由于车辆转弯时节气门开度过大致使车辆前轮打滑，ESP会作动于前轮内侧车轮，使车辆向内侧移动，依据驾驶人理想路线行驶，如图1-21所示。若实际偏离比率低于预期偏离比率时，ESP会降低发动机转矩来增加偏离比率，并适时作动内侧前轮制动，保持车辆稳定性。

图1-19 稳控系统电子控制逻辑框架

图1-20 过度转向电子控制模拟

驾驶人转向模型的基本思想是根据道路的位置及车辆状态，依据横向位置偏差建立指标，根据指标得到所需的转角，优化设计横向偏差指标，如图1-22所示。

图1-21 转向不足电子控制模拟

对于二自由度车辆模型，输入为u时，状态x的变化可以写成：

其中，x₀为t=0时状态向量。输出y可以表达为

图1-22 驾驶人转向模型

假设目标位置为y_tar（t），则横向位置偏差为

驾驶人模型取最优值并求解：

三、匹配标定实验

稳定控制匹配流程是合理计划与实施主要匹配任务的过程，由于匹配任务众多，组织和规划必不可少，确定标准化的匹配过程使结果能够满足各方面需求。匹配流程包括匹配工作的项目管理和质量管理。为实现零缺陷的质量目标，通过项目管理和质量管理的理念，匹配流程能够实现优化，促进产品性能不断提高。项目管理分为五个阶段：项目启动、计划编制、执行、控制和收尾。项目启动阶段重要的工作是制定项目章程，基础是供应商与整车厂签订的供应合同，通过项目章程确定产品功能、验收的性能指标、匹配周期与成本等，并任命项目经理来负责项目的工作协调和项目控制；计划编制阶段要建立匹配项目的团队，成员为项目经理，系统、机械、标定、实验工程师等，项目经理组织团队成员进行工作计划编制，确定工作分工、进度等；执行阶段按照项目计划开展工作，核心是软、硬件的匹配和性能实验的评估，执行阶段还需要做好匹配工作的质量保证，通过建立和运行匹配工作的质量管理计划，进行质量审核，实现质量改进，并做好信息发布，使成员清楚项目的进展情况；控制阶段主要任务是监控项目进展，调整项目进度，控制可能发生的项目变更，核心是做好阶段性验收，通过设置多个验收节点，确认匹配工作的正确进行，达到质量目标；收尾阶段代表项目完成，核心是实验工作完成和产品的发布，需要做好数据整理，建立匹配项目数据库。稳控系统匹配计划编制见表1-8，匹配项目成员对各自负责的任务制定计划，其中项目经理要进行项目总体计划，包括资源需求计划、风险管理计划、进度管理计划、质量管理计划和沟通计划等。

表1-8 匹配计划编制

在计划编制中，需要关注技术任务计划，一方面确定工作，一方面明确执行任务负责人和辅助人员，项目经理的责任是全职跟踪管理整个过程，不负责具体技术。主要技术任务见表1-9。

表1-9 主要技术任务表

（续）

注：R：负责，P：参与，C：告知，空白：无责任。

图1-23 ESP匹配工作框图

稳控系统匹配中需要完成很多工作，如ESP匹配工作如图1-23所示。稳控系统匹配工作归纳为收集待匹配车辆的参数，获取通信协议等。参数中首先保证得到制动参数，用于硬件选型分析；其次要获取车辆建模参数，用于后续稳定控制参数的仿真，样车系统进行车况检测，判断车辆是否符合GB 7258—2004《机动车运行安全技术条件》要求；随后进行静动态测试，建立制动力与总泵、分泵的压力与流量关系，根据实验结果判断车辆是否符合GB 12676—1999《车辆制动系统结构、性能和实验方法》的要求；测试原装稳控系统功能指标，作为匹配对照的目标。系统仿真中根据参数修改模型，对系统特性、控制算法和参数进行仿真，计算固有特性参数，用于硬件匹配。软件标定为工程师开展系统标定提供相应的工具，需要ECU软件的协同，并修改ECU的底层交互程序。通信协议开发是为了实现稳控系统与整车其他系统的信息交互，一是根据整车的要求配置ECU的硬件接口，二是根据交互协议开发ECU程序。根据制动系统的特性对HCU进行选型，包括HCU形式、增减压阀尺寸、蓄能器容积、回流泵尺寸及电动机转速等。

传感器齿圈选型需要确定齿圈位置和大小，如图1-24所示，根据稳定控制工作的车速要求来确定传感器性能与齿圈齿数，在保障传感器与齿圈间隙的条件下设计传感器的安装方式。硬件基础测试用来验证硬件匹配完毕的稳定控制能够正常工作。通过轮速和阀的驱动测试，判断系统线束连接是否正确。根据阀的动态测试，可以得到阀的流量控制特征，作为后续参数标定工作的基础。

图1-24 传感器齿圈选型示意图

在硬件选型、安装和测试完毕后，开始稳定控制软件标定。软件标定的基本实验根据GB 13594—2003《机动车和挂车稳定控制性能和实验方法》和GB21670—2008《乘用车制动系统技术要求及实验方法》的相关规定分类，性能的基本要求应符合强制性法规的要求。高附路面标定参照GB 13594中的控制参数标定，高附路面包括干燥混凝土路、干燥沥青路等，紧急制动时车辆载荷转移较大，需要对电子制动力分配（Electric Brake force Distribution，简称EBD）系统参数进行标定；低附路面标定参照GB 13594中低附着系数路面实验要求进行的稳定控制参数标定，低附路面包括冰路面、积雪路面等，需标定低附下的增减压控制参数等；高、低附路面混合的综合标定以路面控制参数和识别的工况进行修正，参照GB 13594中对开、对接路面实验要求进行参数标定，对开路面左右两侧的路面附着系数差异较大，一边高附，另一边低附，路面差异需驾驶人的转向操控来修正行驶路线，重点是修正高附侧制动前期的参数，限制两侧制动力差异过快增大；对接分为高附到低附、低附到高附两种路面，高附到低附的对接需要标定前后轮附着突变时的减压参数，防止车轮长时间滑移率过大，低附到高附的对接主要是标定前后轮增压参数，在路面附着突变时能及时升高压力来提高制动效能。

冬季实验评估是在正常的冬季匹配实验后，对稳定控制标定的性能进行综合测试，并按照质量要求进行评价。评估重点是低附路面及综合附着系数路面工况。适用性标定是在通过冬季实验评估后进行的非国标要求的特殊工况标定，工况的特殊性主要体现在操控和路面两方面。操控包括制动操纵的快慢、轻重，档位与离合器接合、分离控制及制动与转向操纵的不同组合等；路面则包括实验所用的多种路面，如鹅卵石、石块、砾石、沙石及搓板路等。

夏季实验评估是在完成上述标定工作后进行的评估，通过各种工况的实验来考验标定完的稳定控制是否满足主客观的性能要求，选在实验场进行，道路条件好有利于全面的评估。

故障诊断测试是对稳定控制软件中故障检测与诊断交互功能的测试，由于故障检测与诊断是在软件开发先期阶段进行的，随着标定进展不断得到补充与完善，在测试阶段可以通过黑盒方法测试。通过在实验中制造特定的故障，检测标定完的参数是否能保证EBD等安全功能的实现，从而测试系统安全性。

稳定控制程序管理是对稳定控制软件开发与标定中的程序版本进行控制，主要包括程序的归类、保存、更新、分发，需要注意的是避免旧版本程序的分发使用。实验数据与报告管理是对稳定控制匹配项目中产生的数据与报告进行综合处理。

标准的匹配流程应完成足够数量的标定以及验证的实验，需要一定的匹配周期。标准匹配周期需要一个冬季和一个夏季，因此至少需要半年的时间。由于客户需求多样化，依据客户的时间要求，很可能难以保证足够长的匹配时间，在匹配周期中不能同时涵盖冬季和夏季，此时需要根据标准流程开发不同的快速流程来指导匹配工作。快速流程通过参照已有的类似车型匹配的经验数据，缩减关键路径上的匹配流程，以软件标定实验为主，减少稳定控制匹配任务，从而压缩稳定控制匹配周期。在车型类似且车辆参数比较接近时，快速流程在仿真和硬件选型上都可以减少很多工作量，甚至能简化硬件测试环节，而直接在软件标定过程中通过前期实车实验来获取。在有经验数据参考的情况下，实验任务也能进行一定程度的缩减。在软件标定阶段，高、低附路面的标定次序依据实验时间和实验条件限制可调整，既可先进行高附标定，也可先进行低附标定。