一种车辆行驶稳定性区域的确定方法
【专利摘要】本发明公开了一种车辆稳定性区域的确定方法，主要包含以下步骤：步骤一、建立完整的车辆侧向动力学模型；步骤二、绘制车辆的质心侧偏角速度?质心侧偏角相轨迹曲线族；步骤三、确定出稳定边界相轨迹；步骤四、直线形式拟合稳定边界；步骤五、制作稳定边界斜率和截距关于车速和路面附着系数的三维map。本发明定量的表征出了车辆行驶稳定性区域，建模简单，具有一定的实时性和有效性。
【专利说明】
一种车辆行驶稳定性区域的确定方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种车辆行驶稳定性区域的确定方法，尤其涉及一种通过质心侧偏角 相平面稳定边界三维map的处理进行车辆行驶稳定性区域确定的方法。
【背景技术】
[0002] 相平面是一种针对非线性系统运动轨迹的图形解法，不必对非线性方程进行具体 求解，通过在相平面上绘制系统的运动轨迹，可以直观准确的观察出相关变量之间的关系， 从而确定系统在不同初始条件下解的运动形式。对于车辆这种处于高度非线性状态的系统 来说，相平面分析法是表征其特性的一种全面、直观而且有效的方法。目前针对车辆稳定性 的相平面主要包含两种，一种是直接基于车辆状态的相平面轨迹，另一种是将车辆状态进 行一定意义的变形，从而形成的能量相平面轨迹。其中车辆的质心侧偏角速度-质心侧偏角 相平面直接的反映了车辆对于期望轨迹的跟随行驶能力，对于车辆的稳定性来说具有重要 的研究意义。但是，目前对于该相平面的研究十分有限，并没有系统性的描述相平面的稳定 性区域和非稳定性区域，通用性很差，因此也不能被很好的用来分析、控制和评价车辆的稳 定性特性。在这种研究背景之下，对于质心侧偏角速度-质心侧偏角相平面的稳定性区域的 描述和研究变得尤为重要。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是针对质心侧偏角速度-质心侧偏角相图，提出一种新型的车辆行 驶稳定性区域的处理方法，并确定出车辆侧向稳定性边界的三维map。
[0004] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的，
[0005] -种车辆行驶稳定性区域的确定方法，包括以下步骤：
[0006] 步骤一、结合车辆侧向运动机理和Uni tire统一轮胎模型，建立完整的车辆侧向动 力学模型；
[0007] 步骤二、根据步骤一建立的车辆侧向动力学模型，通过参数形式传递车辆状态初 值，包括质心侧偏角和质心侧偏角速度，通过参数赋值输入驾驶员意图和路面情况，即车速 和路面附着系数，在不同的初始状态下，绘制车辆不同工况下的质心侧偏角速度-质心侧偏 角相轨迹曲线族；
[0008] 步骤三、根据步骤二中得到的车辆不同工况下的质心侧偏角速度-质心侧偏角相 图，利用插值方法确定出每种工况下稳定边界的相轨迹；
[0009] 步骤四、将步骤三中得到的稳定边界的相轨迹进行线性拟合，用直线的形式对质 心侧偏角速度-质心侧偏角相平面的稳定边界进行描述，得到不同工况下的稳定边界直线；
[0010] 步骤五、对步骤四中不同工况下的稳定边界直线的斜率和截距进行汇总，并制作 稳定边界斜率和截距关于车速和路面附着系数的三维map，从而确定出车辆的稳定性区域。
[0011] 本发明由于采用了上述的技术方案，本发明具有以下积极效果：
[0012] 1.本发明基于数据进行车辆侧向动力学建模，建模过程简单实用，能够完整的反 应车辆的动力学特性；
[0013] 2.本发明采用直线拟合的方法对边界轨迹进行拟合，减少了运算量，通用性强；
[0014] 3.利用本发明得出的稳定边界三维map，能够快速的规划出车辆的稳定性区域，对 应用于实车上的实时性和精确性有可靠的保障；
[0015] 4.本发明算法简捷，可靠性强，节约了大量的资源和成本，为车辆稳定性的控制和 评价打下了坚实的基础。
【附图说明】
[0016] 图1为双轨车辆模型示意图；
[0017] 图2为车辆/)-/_?相轨迹曲线示意图；
[0018] 图3(a)为摩擦系数为0.8,车速为10m/s的相平面曲线图
[0019] 图3(b)为摩擦系数为0.8,车速为20m/s的相平面曲线图
[0020] 图3(c)为摩擦系数为0.8,车速为25m/s的相平面曲线图
[0021] 图3(d)为摩擦系数为0.8,车速为35m/s的相平面曲线图 [0022]图4(a)为车速为30m/s，摩擦系数为0.1的相平面曲线图
[0023] 图4(b)为车速为30m/s，摩擦系数为0.3的相平面曲线图
[0024] 图4(c)为车速为30m/s，摩擦系数为0.5的相平面曲线图
[0025] 图4(d)为车速为30m/s，摩擦系数为0.7的相平面曲线图 [0026] 图5为稳定边界斜率k三维map
[0027] 图6为稳定边界截距b三维map
【具体实施方式】
[0028] 下面结合附图，对发明所提出的技术方案进行进一步阐述和说明。
[0029] 本发明提供一种车辆稳定性区域的确定方法，该方法包括以下步骤：
[0030] 1.结合车辆侧向运动机理和Unitire统一轮胎模型，建立完整的车辆侧向动力学 模型
[0031] 为了获取车辆的质心侧偏角速度-质心侧偏角相图，本发明针对车辆的横摆运动 和侧向运动建立完整的车辆动力学模型，首先做出如下假设：
[0032] >不考虑车辆转向系统的影响，把前轮转角作为系统的输入；
[0033] >忽略悬架的作用，认为汽车沿ζ轴的位移，绕X轴的侧倾角与绕y轴的俯仰角均为 零；
[0034] >不考虑轮胎载荷的变化和地面切向力对轮胎侧偏特性的影响；
[0035] >忽略空气动力的作用，驱动力不大；
[0036] >汽车沿X轴的纵向速度不变。
[0037] 本发明采用ISO标准车辆坐标系，坐标原点设在车辆的质心处，车辆沿车头向前行 驶的方向设为X轴正方向，水平向左为y轴的正方向，Z轴正方向垂直于X轴、y轴组成的平面， 方向由右手螺旋定则确定。根据达朗贝尔定理，车辆所受到的惯性力矩和惯性力引起的力 矩和与车辆所受到的所有外力矩之和相等，从而得到车辆的运动平衡方程。
[0038]车辆沿y轴的侧向合力Σ Fy:
[0039]
(1)
[0040] 整车质量围绕z轴产生的横摆力矩之和ΣΜΖ:
[0041]
(2)
[0042] 在这里仅考虑车辆的侧偏运动，忽略车辆的纵向滑移，由于设定纵向车速Vx不变， 则质心侧偏角β及其变化率#可近似的表示为：
[0043]
(3)
[0044] 整理公式（1)-(3)，最终得到车辆关于横摆角速度r和质心侧偏角β的表达式如下 式(4)所示：
[0045]
(4)
[0046]根据图1所示的简化双轨车辆模型，综合四个轮胎的受力分析，侧向合力EFy与合 力矩ΣΜΖ可以由公式(5)表示：
[0047]
[0048] 其中:m为整车质量，Ιζ是车辆绕ζ轴的转动惯量，Lf和Lr分别是车辆质心到前后轴 的轴距，di代表车辆的前轮距，v x和vy分别代表车辆的纵向和侧向车速，β代表质心侧偏角，r 代表横摆角速度，δ?代表前轮转角，Fyn、Fyfr、Fyri、F yrr分别表示车辆左前轮、右前轮、左后轮 以及右后轮的轮胎侧向力。
[0049] 为了更为精确的反应车辆的非线性特性，对车辆关于质心侧偏角的声-/?相平面进 行研究，在这里引入非线性轮胎模型对轮胎的侧向力进行描述。由于车速、摩擦系数和方向 盘转角等外界因素均能够导致轮胎离开线性区域进入饱和区域，所以在进行相平面稳定区 域分析时，对于轮胎模型选取的合适与否是决定车辆相平面准确性的关键因素。在各个经 典的轮胎模型中，郭孔辉院士提出的'统一指数轮胎模型'是基于对大量的轮胎试验结果和 轮胎力学机理分析所建立的，能够充分体现不同因素影响下车辆轮胎的非线性特性，是进 行车辆稳定性分析的较为理想的轮胎模型，因此在相平面的研究中，本发明选用'统一指 数'Unitire统一轮胎模型。
[0050] 因为在对车辆相平面的分析中仅考虑车辆的侧偏运动，忽略车辆的纵向滑移，因 此对Unitire轮胎模型进行一系列的简化，最终得到四个车轮的侧向力F yl表达式如下式(6) 所示：
[0051]
(6)
[0052] 其中，
[0053] 上式中，丨=^1，打3，^}，分别代表左前轮、右前轮、左后轮以及右后轮，下同4 为路面摩擦系数，E为轮胎的结构参数，Kyi为轮胎的侧偏刚度。
[0054] 在纵向车速Vx不变，纵向加速度ax为零的前提下，考虑车辆在车身质量m、侧向加速 度a y的作用下，各个轮胎的垂直载荷FZ1表达式如下式(7)所示：
[0055]
(7)
[0050]上式中，h为汽车质心高度，d为前后轮平均轮距，g为重力加速度。
[0057]车辆的侧向加速度ay的表达式为：
[0058] =ν\Γ+β) (.8):
[0059] 相应地，车辆每个轮胎的侧偏角cti可以具体由公式(9)描述如下：
[0060]
[00611综合公式(4)-(9)，匹配车辆系统结构参数，并利用matlab/simulink模块搭建反 应车辆侧向稳定性的完整车辆动力学模型。
[0062] 2.绘制/)-/;相轨迹曲线
[0063] 由于质心侧偏角相图能够真实的反应车辆的稳定性状态，其稳定区域随着外界条 件的变化而变化，包括车速、路面摩擦系数、驾驶员的转向操作以及控制系统施加的附加横 摆力矩等。由于在车辆稳定性系统的控制过程中，方向盘转角的变化要频繁于车速和路面 摩擦系数的变化，且通过理论分析合理的施加附加的横摆力矩会增加稳定区域，因此本发 明只考虑车速和路面摩擦系数对质心侧偏角相平面稳定区域的影响。
[0064]根据步骤一中建立的完整车辆动力学模型，首先利用m函数设定工况，包括车速和 路面摩擦系数，通过输入车辆状态初值即质心侧偏角和质心侧偏角速度(爲，爲），经过运行 仿真模型，即可得到车辆的一条相轨迹曲线，改变状态初值，即可得到一种工况下车辆关于 质心侧偏角的/)-/?相轨迹曲线族。本发明通过运行多组仿真实验，最终得到路面摩擦系数 为〇.1-1(间隔为〇.1)，车速为1〇111/ 8-35111/8(间隔为5111/8)的直线工况下的60组#-#相平面 图。
[0065] 3.确定稳定边界相轨迹
[0066] 上述步骤2中绘制了多组车辆的彡-夕相轨迹曲线，本步骤以vx=20m/s，μ = 0.1工 况下得出的车辆相轨迹曲线为例（如图2所示)对确定/?稳定边界相轨迹以及区分 稳定区域和不稳定区域的方法进行说明。
[0067] 从图2中可以看出，零点为系统稳定的焦点，如果相轨迹最终收敛到稳定焦点，说 明车辆最终恢复到稳定状态，该相轨迹处于车辆的稳定区域内，如果相轨迹不能回到稳定 焦点，说明该相轨迹处于车辆的不稳定区域内。当车辆质心侧偏角状态位于一三象限时，其 相轨迹多数处于发散状态，而位于二四象限的相轨迹由于质心侧偏角的变化率与质心侧偏 角的方向相反，使质心侧偏角有减小的趋势，所以多数属于稳定区域。利用插值的方法确定 图中所示的两条相轨迹曲线1:和1 2即为该相平面的理论稳定边界相轨迹。这两条曲线将相 平面分为两个区域，即稳定区域和不稳定区域。凡是初始状态位于稳定区域内，车辆的相平 面曲线最终都能够通过自身动力学特性收敛到稳定焦点，随时间变换的运动轨迹会一直朝 着使质心侧偏角和质心侧偏角变化率的绝对值不断变小的趋势变化，区域内的车辆均处于 稳定状态。而初始状态位于不稳定区域内的相轨迹运动曲线会发散至无穷大，不能收敛到 相对稳定的焦点，相轨迹有使质心侧偏角和质心侧偏角变化率绝对值增大的趋势，或者需 要经历很长一段时间才能恢复到稳定的状态，此时界定车辆已处于失稳状态。
[0068] 由于相平面轨迹具有对称性质，边界相轨迹曲线ldPl2关于原点对称。因此通过确 定稳定边界相轨迹ll，即可利用对称性质确定片-#稳定边界相轨迹12。利用该方法，本 发明针对步骤二中得出的60组户-於相平面图确定出每组相平面稳定边界相轨迹lu
[0069] 4.直线拟合稳定边界
[0070] 步骤3利用插值的方法确定了声-y?相平面稳定边界相轨迹，为了更为简单而精确 的对质心侧偏角相平面的稳定边界进行描述，在本步骤中，根据保守性确定方法，以直线的 形式对理论稳定边界轨迹li进行拟合。选取边界相轨迹上的特征点如A(xi，yi)，B(X2，y2)，并 以形式如/)=々__/?+/;的直线1^对稳定边界轨迹^进行描述，其中斜率& = 截距 ，最终将Ll作为理论的稳定边界下限。由于相轨迹具有对称的性质，则对 Λ,, -Λ, /i-多相平面的对称稳定边界相轨迹ι2进行直线拟合得到的稳定边界上限L2s/)=h/?-0，两 条直线之间的区域即为稳定区域，可以描述为两条直线以外的区域为不稳定区 域，被描述为
[0071] 利用该方法对步骤3中不同车速和路面摩擦系数下的相平面的稳定边界相轨迹h 进行拟合，并确定出相应的k和b的值。
[0072] 图3和图4分别给出了不同车速和路面摩擦系数条件下的车辆声-於相轨迹图，并指 出了稳定边界相轨迹h和拟合后的稳定边界U。从图中可以看出，在其他条件相同的情况 下，/)-/〗稳定区域范围会随着车速的增加以及路面摩擦系数的减小而缩小，稳定边界相轨 迹与横轴的交点会向右移动，稳定区域也会随之减小。
[0073] 5.制作稳定边界斜率与截距三维map
[0074] 综合步骤2、3、4，针对路面摩擦系数为0.1-1 (间隔为0.1)，车速为10m/s-35m/s(间 隔为5m/s)的直线工况下的60组彦-多相平面图，得到60组不同νχ、μ下稳定边界U的斜率k和 截距b的值，如表1、表2所示。
[0075] 表1斜率k与νχ、μ的对应关系表 [0076]
[0077] 表2截距b与νχ、μ的对应关系表
[0078]
[0079] 利用线性插值的方法分别做出X轴为车速Vx，y轴为路面摩擦系数μ，ζ轴为直线斜 率k和X轴为车速v x，y轴为路面摩擦系数μ，ζ轴为直线截距b的三维map，如图5和图6所示。这 样即可通过查找map找到车辆关于质心侧偏角的身相平面稳定边界下限的斜率k和截距 b，从而确定车辆稳定性区域为多-
【主权项】
1. 一种车辆行驶稳定性区域的确定方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤一、结合车辆侧向运动机理和Unitire统一轮胎模型，建立完整的车辆侧向动力学 丰旲型； 步骤二、根据步骤一建立的车辆侧向动力学模型，通过参数形式传递车辆状态初值，包 括质心侧偏角和质心侧偏角速度，通过参数赋值输入驾驶员意图和路面情况，即车速和路 面附着系数，在不同的初始状态下，绘制车辆不同工况下的质心侧偏角速度-质心侧偏角相 轨迹曲线族； 步骤三、根据步骤二中得到的车辆不同工况下的质心侧偏角速度-质心侧偏角相图，利 用插值方法确定出每种工况下稳定边界的相轨迹； 步骤四、将步骤三中得到的稳定边界的相轨迹进行线性拟合，用直线的形式对质心侧 偏角速度-质心侧偏角相平面的稳定边界进行描述，得到不同工况下的稳定边界直线； 步骤五、对步骤四中不同工况下的稳定边界直线的斜率和截距进行汇总，并制作稳定 边界斜率和截距关于车速和路面附着系数的三维map，从而确定出车辆的稳定性区域。2. 如权利要求1所述的一种车辆行驶稳定性区域的确定方法，其特征在于，所述步骤一 建立完整的车辆侧向动力学模型的过程包括： 车辆关于横摆角速度r和质心侧偏角邱勺表达式为：综合四个轮胎的受力分析，侧向合力EFy与合力矩ΣΜΖ表示为： V JV J 其中：m为整车质量，Ιζ是车辆绕ζ轴的转动惯量，Lf和Lr分别是车辆质心到前后轴的轴 距，di代表车辆的前轮距，vx和vy分别代表车辆的纵向和侧向车速，β代表质心侧偏角，r代表 横摆角速度，心代表前轮转角，？#1、?啦$:1$::分别表示车辆左前轮、右前轮、左后轮以及 右后轮的轮胎侧向力； 对Unitire统一轮胎模型进行化，最终得到四个车轮的侧向力Fyi表示为：上式中，1 = ^1，作3，^}，分别代表左前轮、右前轮、左后轮以及右后轮#为路面摩 擦系数;E为轮胎的结构参数;Kyi为轮胎的侧偏刚度； 在纵向车速νχ不变，纵向加速度ax为零的前提下，考虑车辆在车身质量m、侧向加速度ay 的作用下，各个轮胎的垂直载荷FZ1表达式如下式所示：式中，h为汽车质心高度，d为前后轮平均轮距，g为重力加速度； 车辆的侧向加速度ay的表达式为： a t =v, \r+fi) 相应地，车辆每个轮胎的侧偏角cu可以具体由下式表达：综合以上各公式，匹配车辆系统结构参数，搭建反应车辆侧向稳定性的完整车辆侧向 动力学模型。
【文档编号】G06F17/50GK105946863SQ201610462975
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年6月23日
【发明人】郭洪艳, 宋林桓, 刘风
【申请人】吉林大学