第四節(jié) 車輛穩(wěn)定控制基礎(chǔ)實驗

一、路面控制實驗

實驗在粗糙水泥路面進行，氣溫在8～15℃，設(shè)備有便攜式微機與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、五輪儀、減速度傳感器、ECU與電磁閥組成的控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析軟件等。在高附著路面上進行了初速30km/h、50km/h和80km/h的實驗，參照國家標(biāo)準(zhǔn)并對照高附著路面比較結(jié)果。對在不同初速下的控制性能進行了測試和評價。在低附著路面上進行初速30km/h的實驗，與低附著路面實驗結(jié)果比較，對低附著路面上的性能進行評價。初速30km/h實驗數(shù)據(jù)見表1-5。由于實驗跑道的坡度和風(fēng)速會對控制距離造成影響，為了減小隨機因素對結(jié)果的影響，對整理過的控制距離采用加權(quán)平均，由于客觀條件限制，向南的實驗次數(shù)（4次）少于向北的實驗次數(shù)（5次）。由表1-5可看到，控制距離為5.8m，小于法規(guī)要求的8m，較WABCO控制距離6.4m縮短了9%，控制過程平穩(wěn)，壓力調(diào)節(jié)準(zhǔn)確。由數(shù)據(jù)可知，各輪力矩均得到了合適調(diào)節(jié)，電磁閥動作合乎控制邏輯，滑移率控制在10%～20%，地面上車輪的痕跡有明顯的車輪花紋印花，證明車輪保持控制效果良好。

表1-5 初速30km/h的穩(wěn)定控制距離

表1-6 初速50km/h的穩(wěn)定控制距離

初速50km/h時的實驗情況見表1-6。可以注意到，初速50km/h時的南北向?qū)嶒灥姆€(wěn)定控制距離差異大于初速30km/h時二者的差異，這是由于隨著車速提高，風(fēng)速影響加大（風(fēng)阻大致與速度的二次方成正比）造成的，實驗時有南風(fēng)，故向南的控制距離要長一些。各輪力矩均得到了合適調(diào)節(jié)，證明較高車速時控制效果良好。比較初速為50km/h與30km/h時的情況，初速為50km/h時的控制效果要更好，因為高速下，在每一個控制周期內(nèi)經(jīng)過傳感器的輪齒較多，通過平均各輪齒激發(fā)信號周期補償齒圈的誤差，提高車輪轉(zhuǎn)速的測量精度。

對車輛在初速為80km/h的穩(wěn)定控制進行了實驗。因為高速控制對車輛損傷較大，故只進行兩次實驗，結(jié)果見表1-7。對輪胎進行觀察，輪胎磨損均勻，在控制過程中保持了“滾滑”狀態(tài)。實驗過程中前、后軸的壓力控制良好，車輪滑移率適當(dāng)，沒有出現(xiàn)跑偏和甩尾的現(xiàn)象。

表1-7 初速80km/h的穩(wěn)定控制距離

二、電子控制實驗

為了提高程序效率，對算法進行了優(yōu)化，關(guān)鍵在于減少重復(fù)計算和采用離線計算技術(shù)。在濾波中應(yīng)用離線計算技術(shù)，通過對平滑、Butterfly、Bessel濾波器特性的分析，平滑濾波器穩(wěn)定性好，但較高的階數(shù)才能達到較好的濾波效果；Butterfly濾波器具有良好的頻域截止特性，但存在時域脈沖偏大的缺陷，當(dāng)有車輛脈沖干擾時，性能不理想；Bessel濾波器特性介于二者之間，時域性能好，頻域截止特性比Butterfly濾波器稍差。選用三階Bessel濾波器，其階數(shù)是對內(nèi)存、計算和容許延時等方面的要求綜合考慮選定的。濾波器的形式為a₀y（0）=b₀x（0）+{b₁x（-1）+b₂x（-2）+b₃x（-3）-a₁y（-1）-a₂y（-2）-a₃y（-3）}

其中y（i）為濾波后的數(shù)據(jù)，x（i）為原始數(shù)據(jù)。可以看出，等式右邊只有一項b₀x（0）與當(dāng)前點數(shù)據(jù)有關(guān)，因此可以在系統(tǒng)調(diào)度程序啟動主控制程序之前，尋找系統(tǒng)空閑的時候離線完成對{b₁x（-1）+b₂x（-2）+b₃x（-3）-a₁y（-1）-a₂y（-2）-a₃y（-3）}的計算，從而提高系統(tǒng)資源的利用效率，縮短控制的滯后時間。

穩(wěn)控系統(tǒng)電子控制邏輯框架如圖1-19所示，以穩(wěn)控系統(tǒng)中ESP為例，行駛中由于意外造成轉(zhuǎn)向過度，而使后輪打滑。ESP利用制動力將前輪外側(cè)車輪制動，前輪會有瞬間向外力量，同時防止后輪打滑。ESP依據(jù)橫向加速度、轉(zhuǎn)向角度及車速信號，若實際偏離比率大于預(yù)期偏離比率時，ESP會作動去補償修正，修改車輛偏離路線，如圖1-20所示。行駛中，由于車輛轉(zhuǎn)彎時節(jié)氣門開度過大致使車輛前輪打滑，ESP會作動于前輪內(nèi)側(cè)車輪，使車輛向內(nèi)側(cè)移動，依據(jù)駕駛?cè)死硐肼肪€行駛，如圖1-21所示。若實際偏離比率低于預(yù)期偏離比率時，ESP會降低發(fā)動機轉(zhuǎn)矩來增加偏離比率，并適時作動內(nèi)側(cè)前輪制動，保持車輛穩(wěn)定性。

圖1-19 穩(wěn)控系統(tǒng)電子控制邏輯框架

圖1-20 過度轉(zhuǎn)向電子控制模擬

駕駛?cè)宿D(zhuǎn)向模型的基本思想是根據(jù)道路的位置及車輛狀態(tài)，依據(jù)橫向位置偏差建立指標(biāo)，根據(jù)指標(biāo)得到所需的轉(zhuǎn)角，優(yōu)化設(shè)計橫向偏差指標(biāo)，如圖1-22所示。

圖1-21 轉(zhuǎn)向不足電子控制模擬

對于二自由度車輛模型，輸入為u時，狀態(tài)x的變化可以寫成：

其中，x₀為t=0時狀態(tài)向量。輸出y可以表達為

圖1-22 駕駛?cè)宿D(zhuǎn)向模型

假設(shè)目標(biāo)位置為y_tar（t），則橫向位置偏差為

駕駛?cè)四Ｐ腿∽顑?yōu)值并求解：

三、匹配標(biāo)定實驗

穩(wěn)定控制匹配流程是合理計劃與實施主要匹配任務(wù)的過程，由于匹配任務(wù)眾多，組織和規(guī)劃必不可少，確定標(biāo)準(zhǔn)化的匹配過程使結(jié)果能夠滿足各方面需求。匹配流程包括匹配工作的項目管理和質(zhì)量管理。為實現(xiàn)零缺陷的質(zhì)量目標(biāo)，通過項目管理和質(zhì)量管理的理念，匹配流程能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)化，促進產(chǎn)品性能不斷提高。項目管理分為五個階段：項目啟動、計劃編制、執(zhí)行、控制和收尾。項目啟動階段重要的工作是制定項目章程，基礎(chǔ)是供應(yīng)商與整車廠簽訂的供應(yīng)合同，通過項目章程確定產(chǎn)品功能、驗收的性能指標(biāo)、匹配周期與成本等，并任命項目經(jīng)理來負(fù)責(zé)項目的工作協(xié)調(diào)和項目控制；計劃編制階段要建立匹配項目的團隊，成員為項目經(jīng)理，系統(tǒng)、機械、標(biāo)定、實驗工程師等，項目經(jīng)理組織團隊成員進行工作計劃編制，確定工作分工、進度等；執(zhí)行階段按照項目計劃開展工作，核心是軟、硬件的匹配和性能實驗的評估，執(zhí)行階段還需要做好匹配工作的質(zhì)量保證，通過建立和運行匹配工作的質(zhì)量管理計劃，進行質(zhì)量審核，實現(xiàn)質(zhì)量改進，并做好信息發(fā)布，使成員清楚項目的進展情況；控制階段主要任務(wù)是監(jiān)控項目進展，調(diào)整項目進度，控制可能發(fā)生的項目變更，核心是做好階段性驗收，通過設(shè)置多個驗收節(jié)點，確認(rèn)匹配工作的正確進行，達到質(zhì)量目標(biāo)；收尾階段代表項目完成，核心是實驗工作完成和產(chǎn)品的發(fā)布，需要做好數(shù)據(jù)整理，建立匹配項目數(shù)據(jù)庫。穩(wěn)控系統(tǒng)匹配計劃編制見表1-8，匹配項目成員對各自負(fù)責(zé)的任務(wù)制定計劃，其中項目經(jīng)理要進行項目總體計劃，包括資源需求計劃、風(fēng)險管理計劃、進度管理計劃、質(zhì)量管理計劃和溝通計劃等。

表1-8 匹配計劃編制

在計劃編制中，需要關(guān)注技術(shù)任務(wù)計劃，一方面確定工作，一方面明確執(zhí)行任務(wù)負(fù)責(zé)人和輔助人員，項目經(jīng)理的責(zé)任是全職跟蹤管理整個過程，不負(fù)責(zé)具體技術(shù)。主要技術(shù)任務(wù)見表1-9。

表1-9 主要技術(shù)任務(wù)表

（續(xù)）

注：R：負(fù)責(zé)，P：參與，C：告知，空白：無責(zé)任。

圖1-23 ESP匹配工作框圖

穩(wěn)控系統(tǒng)匹配中需要完成很多工作，如ESP匹配工作如圖1-23所示。穩(wěn)控系統(tǒng)匹配工作歸納為收集待匹配車輛的參數(shù)，獲取通信協(xié)議等。參數(shù)中首先保證得到制動參數(shù)，用于硬件選型分析；其次要獲取車輛建模參數(shù)，用于后續(xù)穩(wěn)定控制參數(shù)的仿真，樣車系統(tǒng)進行車況檢測，判斷車輛是否符合GB 7258—2004《機動車運行安全技術(shù)條件》要求；隨后進行靜動態(tài)測試，建立制動力與總泵、分泵的壓力與流量關(guān)系，根據(jù)實驗結(jié)果判斷車輛是否符合GB 12676—1999《車輛制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、性能和實驗方法》的要求；測試原裝穩(wěn)控系統(tǒng)功能指標(biāo)，作為匹配對照的目標(biāo)。系統(tǒng)仿真中根據(jù)參數(shù)修改模型，對系統(tǒng)特性、控制算法和參數(shù)進行仿真，計算固有特性參數(shù)，用于硬件匹配。軟件標(biāo)定為工程師開展系統(tǒng)標(biāo)定提供相應(yīng)的工具，需要ECU軟件的協(xié)同，并修改ECU的底層交互程序。通信協(xié)議開發(fā)是為了實現(xiàn)穩(wěn)控系統(tǒng)與整車其他系統(tǒng)的信息交互，一是根據(jù)整車的要求配置ECU的硬件接口，二是根據(jù)交互協(xié)議開發(fā)ECU程序。根據(jù)制動系統(tǒng)的特性對HCU進行選型，包括HCU形式、增減壓閥尺寸、蓄能器容積、回流泵尺寸及電動機轉(zhuǎn)速等。

傳感器齒圈選型需要確定齒圈位置和大小，如圖1-24所示，根據(jù)穩(wěn)定控制工作的車速要求來確定傳感器性能與齒圈齒數(shù)，在保障傳感器與齒圈間隙的條件下設(shè)計傳感器的安裝方式。硬件基礎(chǔ)測試用來驗證硬件匹配完畢的穩(wěn)定控制能夠正常工作。通過輪速和閥的驅(qū)動測試，判斷系統(tǒng)線束連接是否正確。根據(jù)閥的動態(tài)測試，可以得到閥的流量控制特征，作為后續(xù)參數(shù)標(biāo)定工作的基礎(chǔ)。

圖1-24 傳感器齒圈選型示意圖

在硬件選型、安裝和測試完畢后，開始穩(wěn)定控制軟件標(biāo)定。軟件標(biāo)定的基本實驗根據(jù)GB 13594—2003《機動車和掛車穩(wěn)定控制性能和實驗方法》和GB21670—2008《乘用車制動系統(tǒng)技術(shù)要求及實驗方法》的相關(guān)規(guī)定分類，性能的基本要求應(yīng)符合強制性法規(guī)的要求。高附路面標(biāo)定參照GB 13594中的控制參數(shù)標(biāo)定，高附路面包括干燥混凝土路、干燥瀝青路等，緊急制動時車輛載荷轉(zhuǎn)移較大，需要對電子制動力分配（Electric Brake force Distribution，簡稱EBD）系統(tǒng)參數(shù)進行標(biāo)定；低附路面標(biāo)定參照GB 13594中低附著系數(shù)路面實驗要求進行的穩(wěn)定控制參數(shù)標(biāo)定，低附路面包括冰路面、積雪路面等，需標(biāo)定低附下的增減壓控制參數(shù)等；高、低附路面混合的綜合標(biāo)定以路面控制參數(shù)和識別的工況進行修正，參照GB 13594中對開、對接路面實驗要求進行參數(shù)標(biāo)定，對開路面左右兩側(cè)的路面附著系數(shù)差異較大，一邊高附，另一邊低附，路面差異需駕駛?cè)说霓D(zhuǎn)向操控來修正行駛路線，重點是修正高附側(cè)制動前期的參數(shù)，限制兩側(cè)制動力差異過快增大；對接分為高附到低附、低附到高附兩種路面，高附到低附的對接需要標(biāo)定前后輪附著突變時的減壓參數(shù)，防止車輪長時間滑移率過大，低附到高附的對接主要是標(biāo)定前后輪增壓參數(shù)，在路面附著突變時能及時升高壓力來提高制動效能。

冬季實驗評估是在正常的冬季匹配實驗后，對穩(wěn)定控制標(biāo)定的性能進行綜合測試，并按照質(zhì)量要求進行評價。評估重點是低附路面及綜合附著系數(shù)路面工況。適用性標(biāo)定是在通過冬季實驗評估后進行的非國標(biāo)要求的特殊工況標(biāo)定，工況的特殊性主要體現(xiàn)在操控和路面兩方面。操控包括制動操縱的快慢、輕重，檔位與離合器接合、分離控制及制動與轉(zhuǎn)向操縱的不同組合等；路面則包括實驗所用的多種路面，如鵝卵石、石塊、礫石、沙石及搓板路等。

夏季實驗評估是在完成上述標(biāo)定工作后進行的評估，通過各種工況的實驗來考驗標(biāo)定完的穩(wěn)定控制是否滿足主客觀的性能要求，選在實驗場進行，道路條件好有利于全面的評估。

故障診斷測試是對穩(wěn)定控制軟件中故障檢測與診斷交互功能的測試，由于故障檢測與診斷是在軟件開發(fā)先期階段進行的，隨著標(biāo)定進展不斷得到補充與完善，在測試階段可以通過黑盒方法測試。通過在實驗中制造特定的故障，檢測標(biāo)定完的參數(shù)是否能保證EBD等安全功能的實現(xiàn)，從而測試系統(tǒng)安全性。

穩(wěn)定控制程序管理是對穩(wěn)定控制軟件開發(fā)與標(biāo)定中的程序版本進行控制，主要包括程序的歸類、保存、更新、分發(fā)，需要注意的是避免舊版本程序的分發(fā)使用。實驗數(shù)據(jù)與報告管理是對穩(wěn)定控制匹配項目中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)與報告進行綜合處理。

標(biāo)準(zhǔn)的匹配流程應(yīng)完成足夠數(shù)量的標(biāo)定以及驗證的實驗，需要一定的匹配周期。標(biāo)準(zhǔn)匹配周期需要一個冬季和一個夏季，因此至少需要半年的時間。由于客戶需求多樣化，依據(jù)客戶的時間要求，很可能難以保證足夠長的匹配時間，在匹配周期中不能同時涵蓋冬季和夏季，此時需要根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)流程開發(fā)不同的快速流程來指導(dǎo)匹配工作。快速流程通過參照已有的類似車型匹配的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，縮減關(guān)鍵路徑上的匹配流程，以軟件標(biāo)定實驗為主，減少穩(wěn)定控制匹配任務(wù)，從而壓縮穩(wěn)定控制匹配周期。在車型類似且車輛參數(shù)比較接近時，快速流程在仿真和硬件選型上都可以減少很多工作量，甚至能簡化硬件測試環(huán)節(jié)，而直接在軟件標(biāo)定過程中通過前期實車實驗來獲取。在有經(jīng)驗數(shù)據(jù)參考的情況下，實驗任務(wù)也能進行一定程度的縮減。在軟件標(biāo)定階段，高、低附路面的標(biāo)定次序依據(jù)實驗時間和實驗條件限制可調(diào)整，既可先進行高附標(biāo)定，也可先進行低附標(biāo)定。