汽车稳定性控制系统性能试验与数据处理方法

2011年5月

农业机械学报

第42卷第5期

张小龙

1, 2

＊

　李　亮　宋　健　吴凯辉　李红志

2222

(1. 安徽农业大学工学院, 合肥230036; 2. 清华大学汽车安全与节能国家重点实验室, 北京100084) 　　【摘要】　对美国汽车稳定性控制系统(E S C ) 性能试验法规F M V S S 126确定的E S C 功能、过度转向特性和横向响应能力的客观测试和评价方法进行了系统分析。构建了先进的汽车道路试验系统, 阐述了试验系统核心设备转向机器人的性能要求和结构, 进行了系统的道路试验。采用小波降噪方法对试验数据进行了滤波处理, 小波滤波无相位延时, 且信号的局部特征都得到很好的保留, 相比法规推荐的频域滤波方法, 此方法更为精确。对D G P S 方法和加速度方法处理得到的横向位移数据进行了对比, 两种方法在转向开始后2s 内测试结果接近, 误差小于5%,法规推荐采用加速度方法测量转向开始后1. 07s 时车身横向位移是可行的。对3组具有区别意义的试验结果进行了分析, 结果表明法规基于横摆角速度信息对汽车稳定性程度进行评价是可行的, 但汽车接近失稳和失稳时的稳定性需要依据横摆角速度和质心侧偏角信息共同表征。

关键词:汽车　稳定性控制　评价　道路试验　数据处理方法中图分类号:U461. 6; U 467. 1+1

文献标识码:A

文章编号:1000-1298(2011) 05-0001-06

P e r f o r m a n c e T e s t a n dD a t a P r o c e s s i n g Me t h o d f o r V e h i c l e E l e c t r o n i c S t a b i l i t y C o n t r o l S y s t e m

Z h a n g X i a o l o n g 　Li L i a n g 　So n g J i a n 　Wu K a i h u i 　Li H o n g z h i

(1. S c h o o l o f E n g i n e e r i n g , A n h u i A g r i c u l t u r a l U n i v e r s i t y , H e f e i 230036, C h i n a

2. S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f A u t o m o t i v e S a f e t ya n dE n e r g y , T s i n g h u aU n i v e r s i t y , B e i j i n g 100084, C h i n a )

1, 2

A b s t r a c t

A c c o r d i n g t o F M V S S 126, t h ed e f i n i t i o no f E S C , t h eo b j e c t i v ep e r f o r m a n c et e s t a n de v a l u a t i o n m e t h o d s f o ro v e r -s t e e r c h a r a c t e r i s t i ca n dl a t e r a l r e s p o n d i n ga b i l i t yw e r ea n a l y z e dr e s p e c t i v e l y .T h e a d v a n c e dv e h i c l er o a d w a y t e s t s y s t e m w a sd e v e l o p e d , i n w h i c h t h ek e ys t e e rr o b o t d e v i c ew a s

c o m p r e h e n s i v e l y i n t r o d u c e d f o r i t s p e r f o r m a n c e r e q u i r e m e n t a n d o p e r a t i n g p r i n c i p l e , t h e n t h e s y s t e m a t i c a l r o a d w a y t e s t s w e r e c o n d u c t e d . T h e w a v e l e t f i l t e r i n g m e t h o d w a s e m p l o y e d t o r e d u c e t h e n o i s e i n c l u d e d i n t h e i n i t i a l s e n s o r s i g n a l . C o m p a r e dw i t h t h e f r e q u e n c y -d o m a i n f i l t e r m e t h o ds u g g e s t e d b y F M V S S 126, t h e w a v e l e t f i l t e r i n gw a s m o r ep r e c i s ef o r i t s z e r op h r a s e d e l a y a n dg o o dr e s e r v a t i o no f s i g n a l s l o c a l s p e c i f i c i t y . V e h i c l el a t e r a l d i s p l a c e m e n t w a so b t a i n e dr e s p e c t i v e l yf r o m d i f f e r e n t i a l G P Sm e t h o da n d a c c e l e r a t i o n m e t h o d . D u r i n g 2s a f t e r t h e b e g i n n i n g o f s t e e r i n g , t h e r e s u l t s w e r e a l m o s t i d e n t i c a l a n d t h e e r r o r w a s l e s s t h a n 5%.So t h ea c c e l e r a t i o nm e t h o d s u g g e s t e db yF M V S S 126w a s f e a s i b l e t o t e s t t h e l a t e r a l d i s p l a c e m e n t a t 1. 07s a f t e r t h e b e g i n n i n go f s t e e r i n g . F i n a l l y , t h e r e s u l t s o f t h r e eg r o u pt e s t s s h o w e d t h a t i t w a s f e a s i b l e t o e v a l u a t e t h e v e h i c l e s t a b i l i t y w i t h y a wr a t e i n f o r m a t i o n w h e n v e h i c l e d i d n o t l o s e i t s s t a b i l i t y , b u t w h e nv e h i c l e w a s a p p r o a c h i n g i n s t a b i l i t y o r t h e s t a b i l i t y w a s l o s t , t h e v e h i c l e s l i p a n g l e i n f o r m a t i o n s h o u l d b e a d d e d t o e v a l u a t e t h e v e h i c l e s t a b i l i t y .

K e yw o r d s 　V e h i c l e , E l e c t r o n i cs t a b i l i t yc o n t r o l , E v a l u a t i o n , R o a d w a yt e s t , D a t ap r o c e s s i n g

m e t h o d

收稿日期:2010-07-04　修回日期:2010-09-03

＊国家自然科学基金资助项目(50905092) 和清华大学汽车安全与节能国家重点实验室开放基金资助项目(K F 09122) 作者简介:张小龙, 副教授, 清华大学博士后, 主要从事汽车测试技术研究, E -m a i l :su n s h i n e . l z h @gm a i l . c o m 通讯作者:宋健, 教授, 博士生导师, 主要从事汽车动力学与控制研究, E -m a i l :d a e s j @ts i n g h u a . e d u . c n

2农　业　机　械　学　报　　　　　　　　　　　　　　　　　2011年

　　引言

汽车稳定性控制(e l e c t r o n i c s t a b i l i t y c o n t r o l , 简称E S C ) 系统能有效预防汽车进入失隐区域, 提高

[1～3]

汽车在极限非失稳工况下的稳定性和操纵性, 该技术已被发达国家汽车行业广泛采用。目前, 各汽车厂家或组织对汽车E S C 的功能定义和性能评价方法还未形成共识, 如美国F M V S S 126法规确定的汽车E S C 是基于轮胎制动力调节的系统, 并制定测试程序和评价指标对系统性能进行客观评价

[4]

法规确定的测试程序包括:轮胎充气、指示灯检

查、“E S CO f f ”控制功能检查、制动系统调试、轮胎调试、慢速增长转向速率测试、轮胎调试、转向过度干涉和响应能力测试、ES C 故障识别、数据后处理和性能计算。

图1所示是法规确定的测试转向盘输入历程(图1a ) 和基于车身横摆角速度的评价参数确定(图1b ) 示意图。图1a 确定的转向盘输入曲线是将频率为0. 7H z 的正弦曲线的第2个峰值处以后的部分延时500m s 得到, 该曲线初始相位为0, 周期约为1. 93s , 峰值δ基于参考值A 逐渐增大, A 值依据具体车型根据测试程序测试得到。

;

D e l p h i 公司主张通过主动转向等技术来实现汽车稳定性控制的目标; B o s c h 公司倾向于采用汽车驾驶

主观感受对E S C 系统性能进行评价。

本文以F M V S S 126法规为基础, 构建道路试验系统对汽车E S C 系统性能试验和数据处理方法进行试验研究, 为E S C 控制策略的确定和验证提供客观依据。

1　美国E S C 法规F MV S S 126

美国交通安全管理局2007年6月颁布了F M V S S 126法规, 确定了E S C 系统性能及对组件和测试设备的基本要求, 目的是减少因驾驶员失去对汽车方向控制导致的碰撞和侧翻事故中的伤亡数量。法规要求2011年9月以后生产总质量4536k g 及以下的新车, 包括乘用车、MP V 、卡车和公交车, 都必须装备符合法规要求的E S C 系统。

法规确定的E S C 系统是基于制动力调节的稳定性控制系统, 虽然许多汽车厂家和组织表示可以通过其他方式调节来实现法规的性能要求, 但法规认为除了发动机控制外, 所有其他E S C 相关的技术缺少数据来评估它们的有效性和确定是否满足安全性需要。并定义了E S C 应具备以下所有特征:通过对各车轮制动力距的独立调节以产生合适的横摆力距来提高汽车行驶方向稳定性; 使用闭环控制算法来限制汽车过度和不足转向的计算机控制系统; 有方法来确定汽车的横摆角速度, 和估计汽车侧偏角或侧偏角速度; 有方法监控驾驶员的转向输入; 有算法判断是否有必要对发动机输出扭矩进行调节, 如果需要, 有方法对发动机扭矩实施调节, 以辅助驾驶员维持对汽车的控制能力; 除车速低于15k m /h和倒车外, 在汽车全速范围内都起作用。

法规要求试验在峰值附着系数为0. 9以上的干燥、平整、坚实的路面上进行, 测试设备和配重总质量为168k g , 燃油装满燃油箱体积75%以上, 轮胎要求全新, 环境温度为7～40℃,风速对于乘用车小于

图1　ES C 性能测试与评价方法

F i g . 1　Te s t a n d e v a l u a t i o nm e t h o d f o r E S Cp e r f o r m a n c e

1. 1　慢速增长转向速率测试

试验分两组, 一组转向盘顺时针转向, 另一组转向盘逆时针转向。在车速直线滑行到(80±2) k m /h

时以13. 5(°) /s的速率转动转向盘, 直到侧向加速度达到0. 5g 。每组试验重复3次, 对6次试验数据分别回归插值得到侧向加速度为0. 3g 时的转向盘转角, 并进行平均, 最后得到A 值, 精确到0. 1°。每次试验时间间隔不超过5m i n 。

A 值的确定方法消除了不同车型及其转向系统的差异, 得到的是归一化的转向盘转角的参考基准值。统计表明, 归一化5. 0A 的平均转向盘转角约为乘用车147°、SU V 车195°、皮卡车230°。

1. 2　转向过度干涉和响应能力测试

测试方法名称为S i n e w i t hD w e l l T e s t 。首次测试, 应在确定A 值试验之后2h 内进行。单次试验后汽车应静止90～300s 进行制动系统冷却。试验分两组进行, 一组前半周期转向盘顺时针转向, 另一组前半周期转向盘逆时针转向。转向操作在汽车挂高挡直线滑行至(80±2) k m /h时开始。每组试验中, 各次试验转向盘转角幅度按0. 5A 逐次

第5期　　　　　　　　　　　　张小龙等:汽车稳定性控制系统性能试验与数据处理方法3

300°, 则最终试验转向盘转角幅度应大于6. 5A 或270°。如果计算得到的6. 5A 已经超过300°, 则最终试验转向盘转角幅度应取300°。

1. 3　客观评价方法

法规基于横摆角速度和车身横向位移两个参数对E S C 系统转向过度干涉和响应能力进行评价。

设转向开始时刻t =0s , 则转向结束时刻t ≈1. 93s , 并记转向盘转向变方向后的横摆角速度峰值为ψp e a k , 横向位移为Y d i s p 。从横摆角速度方面评价, 在转向结束后1s , 即t ≈2. 93s 时其横摆角速度ω(2. 93) ≤0. 35ψ在转向结束后1. 75s , 即t ≈r p e a k ; 3. 68s 时其横摆角速度ω(3. 68) ≤0. 20ψ。从横r p e a k 向位移方面评价要在δ≥5. 0A 时进行, 在δ≥5. 0A 时, 取t =1. 07s 时的横向位移, 应该Y 1. 07) >d i s p (1. 83m (汽车的总质量小于等于3500k g ) 或Y 1. 07) >1. 52m(汽车总质量大于3500k g ) 。d i s p (在S i n e w i t hD w e l l T e s t 中, 所有各次试验均符合上面的限值要求, E S C 系统性能通过。

图2　ES C 道路试验系统结构框图

2　ES C 试验系统

F i g . 2　Bl o c kd i a g r a m f o r E S Cr o a dw a y t e s t s y s t e m

2. 1　试验系统结构

图2所示是面向E S C 试验的道路试验系统。图中上方两个虚线框表示基于高精度G P S 实现对车身位置和侧偏角的精确测量

[6]

[5]

由转向机器人控制。转向电动机为直流有刷型, 其主要性能参数如表1所示

[9]

。

。图中下方左侧

虚线框是基于德国B+S 的车载道路数据采集系统, 完成对E S C 配置传感器、自行开发的E S C 控制器和转向机器人S R 30等的数据采集。转向机器人系统用于实现对转向输入的精确控制; V B O XⅢ+I M U 02主要用于对转向机器人提供车身速度信息, 另外, 对其数据后处理可得到车身侧倾角等信息。各测试系统间的数据同步处理参考文献[7]。

V B O XⅢ和I M U 02均是英国R a c e l o g i c 公司开发的测试设备, 其中I M U 02是6测量自由度惯性测量单元, V B O XⅢ集成了G P S 引擎、CA N 、模拟和数字输出、模拟输入采集等功能, 水平速度测量精度为0. 1k m /h。

转向机器人是试验系统中核心执行机构, 其结构原理如图3所示

[9]

[8]

图3　SR 30转向机器人结构原理图F i g . 3　Bl o c k d i a g r a mo f S R 30s t e e r r o b o t 表1　SR 30转向电动机性能参数T a b . 1　Pa r a m e t e r s o f S R 30e l e c t r i ce n g i n e

参数

最大输出扭矩T /N·m((°) /s) m a x

最大连续输出扭矩T /N·m((°) /s) m a x -1最大转速n /(°) ·s(N ·m) m a x

数值33(850) 30(1000) 2350(7) 10

。控制器根据转向角度传感器

信号实现转向位置反馈控制, 并提供转向力矩信号输出(由两路拉压力传感器换算得到) 。P C 机通过

U S B 与控制器相连, 根据试验要求完成对控制器的设置, 并在试验过程中实时采集、显示设定信息。电源模块由12V 电池供电, 并经由其内部电路逆变成60～65V 给电动机供电。为提高试验的安全性和

, 质量m/kg

2. 2　测试参数

法规中推荐的E S C 性能测试试验中测试参数:、、

4农　业　机　械　学　报　　　　　　　　　　　　　　　　　2011年

度、车身侧倾角和车速等。

车身侧倾角法规采用超声距离传感器测量车身左、右侧的测量位置处的离地高度来间接计算得到。本文没有采用这一方法, 而是通过V B O X Ⅲ+

[10]

I M U 02组合测量数据离线解算得到。这种方式的优点是测试参数多, 系统简单, 现场调试方便, 同时避免了法规推荐方法中地面不平干扰的影响。另外, 如果将I M U 02的测量坐标系和汽车坐标系重合, 则I M U 02可直接测量得到汽车纵向、侧向和垂向3个方向的线加速度和角速度。

法规推荐采用实际测量的侧向加速度二次积分计算车身横向位移评价指标, 这种方法虽然工程实现简单, 但测试精度受车身姿态和航向变化的影响。为了量化这种测试误差, 本文选用高精度D G P S 方法测量车身的位置(精度为2c m 1σ) , 并对测试结果进行对比分析。

测试试验在特定车速下进行, V B O XⅢ提供汽车的水平速度信息, 并通过一路模拟输出端子将车速信号v x 输送到转向机器人控制器。转向机器人控制器所需的车身侧向加速度a , 由E S C 组合传感y 器经自行开发的E S C 控制器C A N /DA 转换后提供。车身速度由D G P S 系统测量得到, 转向盘转角由E S C 转向盘转角传感器信号经B +S 采样得到。

部特征得到很好的保留。图4是一组试验中侧向加

速度两种滤波方法的效果对比。

图4　侧向加速度滤波效果对比(δ>150°) F i g . 4　Fi l t e r i n g r e s u l t s c o m p a r i s o n f o r l a t e r a l

a c c e l e r a t i o n (δ>150°)

(a ) 完整曲线　(b ) 局部放大曲线

法规中评价指标的确定基准是转向开始时刻,

转向开始时刻是“零区间”结束后转向角首次达到5°(初始顺时针转向) 或-5°(初始逆时针转向) 的

时刻。“零区间”结束点须满足两个条件:转向盘转向速率超过75(°) /s, 且后续大于75(°) /s的时间至少持续200m s 。如果第2个条件不满足, 继续搜寻。“零区间”开始点为“零区间”结束点前1s 。在确定转向开始时刻之前, 需要对转向角信号进行滤波和偏置消除。3. 2　试验车A 值

慢速增长转向速率测试中, 保持车速80k m /h左右, 转向盘转向速率13. 5(°) /s, 对应侧向加速度为0. 3g 时的转向盘转角数据即为A 值, 一次试验曲线如图5所示。3次转向盘左转试验A 值分别为29. 84°、27. 33°和33. 78°, 3次转向盘右转试验A 值分别是-32. 10°、-30. 51°和-31. 36°。试验车6次试验的A 值平均值约为30. 8°。

3　实车试验与数据处理

2010年初在辽宁某军用机场进行了系统测试

试验, 试验车为国产未匹配E S C 的轿车。采用图2所示的试验系统, 路面附着、装载和环境等符合法规基本要求。3. 1　数据滤波方法和转向开始时刻

性能评价所依据的主要测试变量, 如转向盘转角、侧向加速度和横摆角速度等均含有一定的噪声。本文采用小波滤波的方法对这些原始信号进行降噪处理, 利用M a t l a b 中的函数w d e n 编程实现。经调试采用下面的设定:小波函数为d b 5, 进行5层分解, 降噪阈值函数选为h e u r s u r e , 为最优预测变量阈值, 阈值调整函数参数选为m l n , 表示对各层噪声分别进行估计、调整。小波滤波首先对原始信号进行小波分解, 然后对分解得到的高频信号小波系数采用阈值限定等方法进行抑制, 最后利用处理后的小波系数实现信号重构。

汽车垂向具有一定的角刚度和阻尼, 经转向盘输入激励后车身横摆和侧向运动均具有一定的相位滞后。经调试发现小波降噪方法和法规推荐的基于频域的滤波器方法(如12极点b u t t e r w o r t h 滤波器,

, , 图5　一组A 值确定的试验曲线

F i g . 5x l e t e s t c u r v e s f o ' t e r m i n a t

第5期　　　　　　　　　　　　张小龙等:汽车稳定性控制系统性能试验与数据处理方法5

3. 3　横向位移测试方法比较

(1) 基于加速度的方法

基本原理是对经车身侧倾角和安装位置修正后的侧向加速度进行二次积分得到, 积分开始时刻为有效转向开始时刻, 设为0s , 积分结束时刻为转向开始后的1. 07s , 计算公式为

1. 070

[4]

的2×2矩阵为x O y 系向x y π/2-θ) 角1O 1系旋转(

度的旋转矩阵。

(3) 试验数据对比

表2是一组转向盘右转测试试验中的车身横向位移两种测试方法结果对比。试验车没有装备E S C 系统, 在5A 时汽车已经侧滑失稳。加速度方法积分

(1) (2)

采用梯形积分法。

表2　横向位移测试方法比较

T a b . 2　Co m p a r i s o no f l a t e r a l d i s p l a c e m e n t t e s t m e t h o d s

转向盘转角峰值δ/(°)

1. 5A 2. 0A 2. 5A 3. 0A 3. 5A 4. 0A 4. 5A 5. 0A

加速度方法

s /my a 1. 371. 752. 012. 232. 502. 763. 163. 21

G P S 方法s /my g 1. 301. 651. 982. 142. 592. 793. 013. 22

差值Δs /m0. 070. 100. 030. 09-0. 09-0. 030. 15-0. 01

s y a =

a t y C G

·s i n 其中a +d ωΔx y a y m r

C G c o 式中　s——车身横向位移, m y a —

a ——计算得到的汽车质心处的横向加速y —C G 度(指与汽车纵轴正交并且平行于

路面的汽车加速度矢量的分量) , g

a ——由与车身固联的加速度计测量得到y m —

的汽车侧向加速度, g ———车身相对地面的侧倾角, (°)

ω———横摆角加速度, (°) /sr Δx ———加速度计和汽车质心间纵向距离, m

-3

d ———单位转换系数, 取1. 78×10(2) 基于G P S 的方法

　　从表中可以看出:两种测试方法结果较为接近, 随着转向盘转角峰值的增加, 横向位移也增加; 在

4. 5A 时两种方法结果相差较大, 加速度方法测量值相对G P S 方法偏差达5%。

图7是转向盘转角峰值为4. 5A 时的横向位移两种测试方法计算结果对比曲线。由图中可以看出, 在转向开始后2s 内, 两种测试方法结果很接近, 随时间增长, 两种测试结果偏差越来越大。说明加速度方法测量横向位移在转向开始后2s 以内测量精度能够得到保证。

图6是基于D G P S 直接测量的汽车车身位置信

息经坐标旋转计算得到汽车横向位移方法示意图。直角坐标系x

y O y 逆时针旋转1O 1是由直角坐标系x (π/2-θ) 角度得到。图中, O x 表示正东方向, O y 表示正北方向, O x 1表示试验车试验前的直线行驶方向, 试验转向开始后的1. 07s 汽车质心相对于O x 1轴的垂直距离即为横向位移。

图6　基于D G P S 位置数据确定横向位移方法

F i g . 6　DG P S b a s e d l a t e r a l d i s p l a c e m e n t

d e t e r m i n a t i o n m e t h o d

由G P S 接收机直接测量得到的是用经度和纬度表示的车身位置信息, 需经高斯平面投影转换到

[10]

原点在试验场附近确定点的局部坐标系x O y 中。“零区间”中汽车保持直线平稳行驶, 车身方向和其水平速度矢量方向θ一致, 而θ可由G P S 接收机直接测量得到。为了提高车身方向的测量精度, 可取“零区间”采样得到h 值进行平均。

坐标转换

3) 图7　侧向加速度和横向位移测试方法对比曲线(δ=4. 5A )

F i g . 7　Co m p a r i s o nc u r v e s o f l a t e r a l d i s p l a c e m e n t

t e s t m e t h o d s (δ=4. 5A )

(a ) 侧向加速度　(b ) 横向位移

6农　业　机　械　学　报　　　　　　　　　　　　　　　　　2011年

3. 4　典型试验与评价信息提取

横向位移测试结果如表2所示, 图8给出了没有E S C 控制时转向盘转角分别为3. 0A 、4. 5A 和5. 0A 时3组试验曲线。其中3. 0A 时汽车行驶稳定, 4. 5A 时汽车接近侧向附着极限, 5. 0A 时汽车失稳, 3组曲线的起始点均为转向开始点。图8b 曲线中的`＊'号为法规确定的测量点, 分别为最大横摆角速度、转向结束后1s 和1. 75s 时的横摆角速度。4. 5A 转向试验中, ω(2. 93) /ψ和ω(3. 68) /ψr p e a k r p e a k 分别为61. 03%和10. 66

%。

　　由图中可以看出, 在转向盘转角较小时, 横摆角

速度和质心侧偏角变化趋势一致; 在汽车接近失稳时, 质心侧偏角的收敛速度慢于横摆角速度; 在汽车失稳时, 质心侧偏角的发散速度明显大于横摆角速度。所以汽车在接近失稳和失稳后的稳定性需要横摆角速度和质心侧偏角信息共同表征。

4　结论

(1) 美国F M V S S 126法规确定了E S C 系统的功能、过度转向特性和横向响应能力的测试和评价方法。对不足转向特性提出了定性的要求, 但具体测试和评价方法需要进一步完善。(2) 搭建了先进汽车道路试验系统, 除法规要求的核心设备转向机器人外, 还增加了基于G P S 的汽车位置姿态测试设备、基于V B O XⅢ+I M U 02的汽车姿态测量设备, 以及自行开发的E S C 控制器等, 实车试验验证了系统工作的可靠性。

(3) 采用D G P S 方法和加速度方法对横向位移测试数据进行了对比分析, 结果表明:在转向开始后2s 内两种方法测试结果接近, 在转向开始后1. 07s 时的测试结果偏差小于5%;随着时间增长, 加速度方法受车身姿态变化影响测试误差逐渐增大; G P S 方法在测试过程中的精度(2c m 1σ) 均可得到保证, 是一种理想的测试方法。

(4) 设计了小波滤波器对试验原始数据进行了滤波处理, 对法规规定的转向开始时刻确定方法进行了验证。小波滤波无相位延时, 且信号的局部特征都得到很好的保留, 相比法规推荐的频域滤波方法, 此方法更为精确。3组具有区别意义的试验曲线表明, 汽车在接近失稳和失稳后的稳定性需要横摆角速度和质心侧偏角信息共同表征。

图8　横摆角速度和侧偏角试验曲线对比F i g . 8　Co m p a r i s o no f y a wr a t e s a n d s i d e s l i p a n g l e c u r v e s

(a ) 转向盘转角　(b ) 横摆角速度　(c ) 质心侧偏角

参考文献

1　Va nZ a n t e nAT .B o s c hE S Ps y s t e m :5y e a r s o f e x p e r i e n c e [C ].S A EP a p e r 2000-01-1633, 2000.

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(下转第页)

34农　业　机　械　学　报　　　　　　　　　　　　　　　　　2011年

各液压缸的流量比值关系。功率消耗随着平推作业的进行而增大, 且负载力最大时为最大功率消耗处,

参

考

其最大功率消耗值为300k W 。

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(上接第6页)

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2011年5月

农业机械学报

第42卷第5期

汽车稳定性控制系统性能试验与数据处理方法

张小龙

1, 2

＊

　李　亮　宋　健　吴凯辉　李红志

2222

关键词:汽车　稳定性控制　评价　道路试验　数据处理方法中图分类号:U461. 6; U 467. 1+1

文献标识码:A

文章编号:1000-1298(2011) 05-0001-06

P e r f o r m a n c e T e s t a n dD a t a P r o c e s s i n g Me t h o d f o r V e h i c l e E l e c t r o n i c S t a b i l i t y C o n t r o l S y s t e m

Z h a n g X i a o l o n g 　Li L i a n g 　So n g J i a n 　Wu K a i h u i 　Li H o n g z h i

(1. S c h o o l o f E n g i n e e r i n g , A n h u i A g r i c u l t u r a l U n i v e r s i t y , H e f e i 230036, C h i n a

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1, 2

A b s t r a c t

K e yw o r d s 　V e h i c l e , E l e c t r o n i cs t a b i l i t yc o n t r o l , E v a l u a t i o n , R o a d w a yt e s t , D a t ap r o c e s s i n g

m e t h o d

收稿日期:2010-07-04　修回日期:2010-09-03

2农　业　机　械　学　报　　　　　　　　　　　　　　　　　2011年

　　引言

汽车稳定性控制(e l e c t r o n i c s t a b i l i t y c o n t r o l , 简称E S C ) 系统能有效预防汽车进入失隐区域, 提高

[1～3]

[4]

法规确定的测试程序包括:轮胎充气、指示灯检

;

D e l p h i 公司主张通过主动转向等技术来实现汽车稳定性控制的目标; B o s c h 公司倾向于采用汽车驾驶

主观感受对E S C 系统性能进行评价。

本文以F M V S S 126法规为基础, 构建道路试验系统对汽车E S C 系统性能试验和数据处理方法进行试验研究, 为E S C 控制策略的确定和验证提供客观依据。

1　美国E S C 法规F MV S S 126

图1　ES C 性能测试与评价方法

F i g . 1　Te s t a n d e v a l u a t i o nm e t h o d f o r E S Cp e r f o r m a n c e

1. 1　慢速增长转向速率测试

试验分两组, 一组转向盘顺时针转向, 另一组转向盘逆时针转向。在车速直线滑行到(80±2) k m /h

1. 2　转向过度干涉和响应能力测试

第5期　　　　　　　　　　　　张小龙等:汽车稳定性控制系统性能试验与数据处理方法3

300°, 则最终试验转向盘转角幅度应大于6. 5A 或270°。如果计算得到的6. 5A 已经超过300°, 则最终试验转向盘转角幅度应取300°。

1. 3　客观评价方法

法规基于横摆角速度和车身横向位移两个参数对E S C 系统转向过度干涉和响应能力进行评价。

图2　ES C 道路试验系统结构框图

2　ES C 试验系统

F i g . 2　Bl o c kd i a g r a m f o r E S Cr o a dw a y t e s t s y s t e m

2. 1　试验系统结构

图2所示是面向E S C 试验的道路试验系统。图中上方两个虚线框表示基于高精度G P S 实现对车身位置和侧偏角的精确测量

[6]

[5]

由转向机器人控制。转向电动机为直流有刷型, 其主要性能参数如表1所示

[9]

。

。图中下方左侧

转向机器人是试验系统中核心执行机构, 其结构原理如图3所示

[9]

[8]

参数

最大输出扭矩T /N·m((°) /s) m a x

最大连续输出扭矩T /N·m((°) /s) m a x -1最大转速n /(°) ·s(N ·m) m a x

数值33(850) 30(1000) 2350(7) 10

。控制器根据转向角度传感器

信号实现转向位置反馈控制, 并提供转向力矩信号输出(由两路拉压力传感器换算得到) 。P C 机通过

, 质量m/kg

2. 2　测试参数

法规中推荐的E S C 性能测试试验中测试参数:、、

4农　业　机　械　学　报　　　　　　　　　　　　　　　　　2011年

度、车身侧倾角和车速等。

车身侧倾角法规采用超声距离传感器测量车身左、右侧的测量位置处的离地高度来间接计算得到。本文没有采用这一方法, 而是通过V B O X Ⅲ+

[10]

部特征得到很好的保留。图4是一组试验中侧向加

速度两种滤波方法的效果对比。

图4　侧向加速度滤波效果对比(δ>150°) F i g . 4　Fi l t e r i n g r e s u l t s c o m p a r i s o n f o r l a t e r a l

a c c e l e r a t i o n (δ>150°)

(a ) 完整曲线　(b ) 局部放大曲线

法规中评价指标的确定基准是转向开始时刻,

转向开始时刻是“零区间”结束后转向角首次达到5°(初始顺时针转向) 或-5°(初始逆时针转向) 的

3　实车试验与数据处理

2010年初在辽宁某军用机场进行了系统测试

试验, 试验车为国产未匹配E S C 的轿车。采用图2所示的试验系统, 路面附着、装载和环境等符合法规基本要求。3. 1　数据滤波方法和转向开始时刻

, , 图5　一组A 值确定的试验曲线

F i g . 5x l e t e s t c u r v e s f o ' t e r m i n a t

第5期　　　　　　　　　　　　张小龙等:汽车稳定性控制系统性能试验与数据处理方法5

3. 3　横向位移测试方法比较

(1) 基于加速度的方法

1. 070

[4]

的2×2矩阵为x O y 系向x y π/2-θ) 角1O 1系旋转(

度的旋转矩阵。

(3) 试验数据对比

表2是一组转向盘右转测试试验中的车身横向位移两种测试方法结果对比。试验车没有装备E S C 系统, 在5A 时汽车已经侧滑失稳。加速度方法积分

(1) (2)

采用梯形积分法。

表2　横向位移测试方法比较

T a b . 2　Co m p a r i s o no f l a t e r a l d i s p l a c e m e n t t e s t m e t h o d s

转向盘转角峰值δ/(°)

1. 5A 2. 0A 2. 5A 3. 0A 3. 5A 4. 0A 4. 5A 5. 0A

加速度方法

s /my a 1. 371. 752. 012. 232. 502. 763. 163. 21

G P S 方法s /my g 1. 301. 651. 982. 142. 592. 793. 013. 22

差值Δs /m0. 070. 100. 030. 09-0. 09-0. 030. 15-0. 01

s y a =

a t y C G

·s i n 其中a +d ωΔx y a y m r

C G c o 式中　s——车身横向位移, m y a —

a ——计算得到的汽车质心处的横向加速y —C G 度(指与汽车纵轴正交并且平行于

路面的汽车加速度矢量的分量) , g

a ——由与车身固联的加速度计测量得到y m —

的汽车侧向加速度, g ———车身相对地面的侧倾角, (°)

ω———横摆角加速度, (°) /sr Δx ———加速度计和汽车质心间纵向距离, m

-3

d ———单位转换系数, 取1. 78×10(2) 基于G P S 的方法

　　从表中可以看出:两种测试方法结果较为接近, 随着转向盘转角峰值的增加, 横向位移也增加; 在

4. 5A 时两种方法结果相差较大, 加速度方法测量值相对G P S 方法偏差达5%。

图6是基于D G P S 直接测量的汽车车身位置信

息经坐标旋转计算得到汽车横向位移方法示意图。直角坐标系x

图6　基于D G P S 位置数据确定横向位移方法

F i g . 6　DG P S b a s e d l a t e r a l d i s p l a c e m e n t

d e t e r m i n a t i o n m e t h o d

由G P S 接收机直接测量得到的是用经度和纬度表示的车身位置信息, 需经高斯平面投影转换到

[10]

坐标转换

3) 图7　侧向加速度和横向位移测试方法对比曲线(δ=4. 5A )

F i g . 7　Co m p a r i s o nc u r v e s o f l a t e r a l d i s p l a c e m e n t

t e s t m e t h o d s (δ=4. 5A )

(a ) 侧向加速度　(b ) 横向位移

6农　业　机　械　学　报　　　　　　　　　　　　　　　　　2011年

3. 4　典型试验与评价信息提取

%。

　　由图中可以看出, 在转向盘转角较小时, 横摆角

4　结论

图8　横摆角速度和侧偏角试验曲线对比F i g . 8　Co m p a r i s o no f y a wr a t e s a n d s i d e s l i p a n g l e c u r v e s

(a ) 转向盘转角　(b ) 横摆角速度　(c ) 质心侧偏角

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34农　业　机　械　学　报　　　　　　　　　　　　　　　　　2011年

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其最大功率消耗值为300k W 。

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汽车稳定性控制系统性能试验与数据处理方法

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