本發(fā)明涉及汽車穩(wěn)定性控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于路面附著系數(shù)估算的車身穩(wěn)定控制方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

汽車電子穩(wěn)定系統(tǒng)(Electronic Stability Program，ESP)是繼車輛防抱死系統(tǒng)(ABS)和牽引力控制系統(tǒng)(TCS)之后車輛主動(dòng)安全控制技術(shù)方面的一次里程碑式的跨越提升。其控制系統(tǒng)主要通過(guò)調(diào)節(jié)輪胎與路面之間的作用力，而路面與輪胎之間力的傳遞受路面附著系數(shù)的制約，因此汽車主動(dòng)安全控制策略的優(yōu)劣很大程度上取決于能否充分利用當(dāng)前路面附著系數(shù)。當(dāng)車輛在高附著路面行駛時(shí)，質(zhì)心側(cè)偏角較小，可以用橫擺角速度表征汽車的狀態(tài)。但當(dāng)車輛在低附著路面行駛時(shí)，汽車容易發(fā)生側(cè)滑，此時(shí)汽車質(zhì)心側(cè)偏角迅速增大，輪胎側(cè)向力逐漸增大并達(dá)到飽和，使橫擺力矩與側(cè)向力趨于恒定值，此時(shí)駕駛員通過(guò)改變方向盤(pán)轉(zhuǎn)角，幾乎很難改變橫擺力矩，汽車喪失轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性，此時(shí)要想控制汽車的穩(wěn)定性將變得很困難，因此，在低附著系數(shù)路面上更應(yīng)該嚴(yán)格限制質(zhì)心側(cè)偏角，才能保證汽車的穩(wěn)定性。而當(dāng)汽車在中等附著路面行駛時(shí)，車輛的穩(wěn)定性有時(shí)受限于過(guò)大的橫擺角速度，有時(shí)又取決于過(guò)大的質(zhì)心側(cè)偏角。所以，建立一種路面附著系數(shù)估計(jì)方法和適用于不同路面附著工況的穩(wěn)定性控制方法具有重要意義。

《基于高階滑模的電動(dòng)汽車穩(wěn)定性直接橫擺力矩控制方法》(國(guó)家專利，申請(qǐng)?zhí)枺篊N201510922607.X)根據(jù)魯棒滑模觀測(cè)器獲得質(zhì)心側(cè)偏角估計(jì)值，然后以橫擺角速度與理想橫擺角速度的偏差、實(shí)際車輛的質(zhì)心側(cè)偏角兩個(gè)參數(shù)作為輸入變量，采用高階滑?？刂撇呗?，獲得滿足汽車穩(wěn)定性的直接橫擺力矩。此發(fā)明實(shí)現(xiàn)了汽車穩(wěn)定性直接橫擺力矩控制系統(tǒng)的有限時(shí)間收斂，提高了汽車高速和惡劣道路等極限條件下的行駛穩(wěn)定性，但其未能充分考慮路面對(duì)汽車穩(wěn)定性的影響?！兑环N基于電機(jī)與車輪耦合特性的路面附著系數(shù)估計(jì)方法》(國(guó)家專利，申請(qǐng)?zhí)枺篊N201510129140.3)建立輪胎縱向剛度與電動(dòng)輪共振頻率之間的關(guān)系，在利用電機(jī)轉(zhuǎn)矩獲取的共振頻率基礎(chǔ)上求解出輪胎縱向剛度，然后再利用輪胎縱向剛度與路面附著系數(shù)的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了路面附著系數(shù)估計(jì)。此方法根據(jù)力學(xué)關(guān)系估計(jì)出路面附著系數(shù)，誤差較大。

綜上所述，需要建立一種更為精確的路面附著系數(shù)估計(jì)方法，然后可以對(duì)不同附著系數(shù)路面工況進(jìn)行聯(lián)合協(xié)調(diào)控制，實(shí)時(shí)地調(diào)節(jié)控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)兩控制變量控制參數(shù)的最佳匹配，從而適應(yīng)不同路面行駛工況下車輛穩(wěn)定性控制的要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

基于背景技術(shù)存在的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種基于路面附著系數(shù)估算的車身穩(wěn)定控制方法及系統(tǒng)。

本發(fā)明提出的基于路面附著系數(shù)估算的車身穩(wěn)定控制方法，包括以下步驟：

S1、建立縱滑側(cè)偏組合刷子輪胎模型；

S2、獲取車輛當(dāng)前行駛狀態(tài)參數(shù)，并根據(jù)縱滑側(cè)偏組合刷子輪胎模型以及車輛當(dāng)前行駛狀態(tài)參數(shù)計(jì)算出車輛當(dāng)前行駛路面附著系數(shù)；

S3、建立橫擺角速度滑?？刂破饕约百|(zhì)心側(cè)偏角滑?？刂破?；

S4、獲取車輛實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及駕駛員動(dòng)作指令，且對(duì)車輛實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與駕駛員期望狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比，并根據(jù)比較結(jié)果以及車輛當(dāng)前行駛路面附著系數(shù)且結(jié)合橫擺角速度滑?？刂破饕约百|(zhì)心側(cè)偏角滑?？刂破鳛檐囕v選取車身穩(wěn)定控制策略。

優(yōu)選地，步驟S1具體包括：

縱滑側(cè)偏組合刷子輪胎模型為：

其中，

優(yōu)選地，利用卡爾曼濾波方式對(duì)F_x和F_y進(jìn)行估算；

其中，C_x為輪胎縱滑剛度，C_α為輪胎側(cè)偏剛度，α為輪胎側(cè)偏角，μ為路面附著系數(shù)，λ為車輪實(shí)際縱向滑轉(zhuǎn)率，r為車輪滾動(dòng)半徑，v_ω為輪心處的縱向速度，F(xiàn)_x為輪胎縱向力，F(xiàn)_y為輪胎側(cè)向力，F(xiàn)_z為輪胎垂向力；

縱滑側(cè)偏組合刷子輪胎模型的非線性格式如下：

y(k)＝f(k,μ(k))+v₁；

優(yōu)選地，采用卡爾曼濾波方式計(jì)算輪胎力數(shù)值y＝[F_x,F_y]^T；

其中，f(k,μ(k))為縱滑側(cè)偏組合刷子輪胎模型的表達(dá)式，μ(k)為輪胎模型參數(shù)，v₁為測(cè)量噪聲；

將y(k)線性化，縱滑側(cè)偏組合刷子輪胎模型的線性格式如下：

其中，

其中，為μ的觀測(cè)值；

定義變量g(k)為：

則

優(yōu)選地，步驟S2具體包括：

優(yōu)選地，采用車輛線性二自由度模型獲取車身穩(wěn)態(tài)的期望質(zhì)心側(cè)偏角和期望橫擺角速度，并基于最小二乘法對(duì)車輛當(dāng)前行駛路面附著系數(shù)進(jìn)行計(jì)算；

車輛線性二自由度模型為：

其中，β為車輛實(shí)際質(zhì)心側(cè)偏角，γ為車輛實(shí)際橫擺角速度，k₁為車輛前輪胎總側(cè)偏剛度，k₂為車輛后輪胎總側(cè)偏剛度，δ_f為車輛前輪轉(zhuǎn)角，a為車輛質(zhì)心至車輛前軸距離，b為車輛質(zhì)心至車輛后軸距離，m為車輛整車質(zhì)量，I_z為繞z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，u為車輛縱向速度；

由上式計(jì)算出期望質(zhì)心側(cè)偏角和期望橫擺角速度：

其中，γ_d為期望橫擺角速度，β_d為期望質(zhì)心側(cè)偏角，L為軸距且L＝a+b，K為車輛穩(wěn)定性因數(shù)且

由于a_y≤μg，因此車身穩(wěn)態(tài)的橫向加速度為：

其中，R為轉(zhuǎn)彎半徑，|γ|≤|μg/u|，其中，μ為路面附著系數(shù)；

基于路面附著系數(shù)μ確定的最大理想橫擺角速度和最大理想質(zhì)心側(cè)偏角表示為：

其中，γ_dmax為最大理想橫擺角速度，β_dmax為最大理想質(zhì)心側(cè)偏角；

則期望橫擺角速度、期望質(zhì)心側(cè)偏角修正為：

其中，γ為期望橫擺角速度，β為期望質(zhì)心側(cè)偏角。

優(yōu)選地，步驟S3具體包括：

定義橫擺角速度滑模面：

對(duì)橫擺角速度滑模面s進(jìn)行一階求導(dǎo)，代入車輛線性二自由度模型可得：

其中，ΔM_γ為采用橫擺角速度滑?？刂茣r(shí)所需的附加橫擺力矩；

根據(jù)系統(tǒng)可達(dá)到的條件，確定橫擺角速度控制的糾正橫擺力矩為：

其中，k_γ為橫擺角速度滑?？刂频内吔俣惹襨_y＞0；

為減少系統(tǒng)產(chǎn)生的“抖振”在建立橫擺角速度滑?？刂破鲿r(shí)利用飽和函數(shù)sat(s)替代不連續(xù)性函數(shù)sgn(s)，即：

定義質(zhì)心側(cè)偏角滑模面：

對(duì)質(zhì)心側(cè)偏角滑模面s進(jìn)行一階求導(dǎo)，代入車輛線性二自由度模型可得：

其中，Ω_β＝Ω_β1+Ω_β2+Ω_β3；

其中，

根據(jù)系統(tǒng)可達(dá)到的條件，確定質(zhì)心側(cè)偏角控制的附加橫擺力矩為：

其中，k_β為質(zhì)心側(cè)偏角滑?？刂频内吔俣惹襨_β＞0；

為減少系統(tǒng)產(chǎn)生的“抖振”在建立質(zhì)心側(cè)偏角滑?？刂破鲿r(shí)，利用飽和函數(shù)sat(s)替代不連續(xù)性函數(shù)sgn(s)，即：

優(yōu)選地，步驟S4具體包括：

建立橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角協(xié)調(diào)控制器：

橫擺角速度控制器輸出的附加橫擺力矩M_γ及質(zhì)心側(cè)偏角控制器輸出的附加橫擺力矩M_β進(jìn)行加權(quán)協(xié)調(diào)控制，得出最終的糾正橫擺力矩ΔM，即：

ΔM＝(1-c)ΔM_γ+cΔM_β；

若橫擺角速度偏差和質(zhì)心側(cè)偏角偏差在穩(wěn)定范圍內(nèi)，則ESP系統(tǒng)不工作，上層協(xié)調(diào)控制器起監(jiān)控作用，不發(fā)出控制指令；

若橫擺角速度偏差和質(zhì)心側(cè)偏角偏差不在穩(wěn)定范圍內(nèi)，則根據(jù)車輛當(dāng)前行駛路面附著系數(shù)為車輛選取車身穩(wěn)定控制策略：

其中，c為聯(lián)合控制加權(quán)系數(shù)，由路面附著系數(shù)大小決定，μ₀、μ₁、μ為路面附著系數(shù)。

本發(fā)明提出的基于路面附著系數(shù)估算的車身穩(wěn)定控制系統(tǒng)，包括：

模型建立模塊，用于建立縱滑側(cè)偏組合刷子輪胎模型并存儲(chǔ)；

系數(shù)計(jì)算模塊，用于獲取車輛當(dāng)前行駛狀態(tài)參數(shù)，并根據(jù)縱滑側(cè)偏組合刷子輪胎模型以及車輛當(dāng)前行駛狀態(tài)參數(shù)計(jì)算出車輛當(dāng)前行駛路面附著系數(shù)；

控制器建立模塊，用于建立橫擺角速度滑?？刂破饕约百|(zhì)心側(cè)偏角滑?？刂破鞑⒋鎯?chǔ)；

策略選擇模塊，用于獲取車輛實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及駕駛員動(dòng)作指令，且對(duì)車輛實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與駕駛員期望狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比，并根據(jù)比較結(jié)果以及車輛當(dāng)前行駛路面附著系數(shù)且結(jié)合橫擺角速度滑?？刂破饕约百|(zhì)心側(cè)偏角滑?？刂破鳛檐囕v選取車身穩(wěn)定控制策略。

優(yōu)選地，模型建立模塊具體用于：

縱滑側(cè)偏組合刷子輪胎模型為：

其中，

優(yōu)選地，利用卡爾曼濾波方式對(duì)F_x和F_y進(jìn)行估算；

其中，C_x為輪胎縱滑剛度，C_α為輪胎側(cè)偏剛度，α為輪胎側(cè)偏角，μ為路面附著系數(shù)，λ為車輪實(shí)際縱向滑轉(zhuǎn)率，r為車輪滾動(dòng)半徑，v_ω為輪心處的縱向速度，F(xiàn)_x為輪胎縱向力，F(xiàn)_y為輪胎側(cè)向力，F(xiàn)_z為輪胎垂向力；

縱滑側(cè)偏組合刷子輪胎模型的非線性格式如下：

y(k)＝f(k,μ(k))+v₁；

優(yōu)選地，采用卡爾曼濾波方式計(jì)算輪胎力數(shù)值y＝[F_x,F_y]^T；

其中，f(k,μ(k))為縱滑側(cè)偏組合刷子輪胎模型的表達(dá)式，μ(k)為輪胎模型參數(shù)，v₁為測(cè)量噪聲；

將y(k)線性化，縱滑側(cè)偏組合刷子輪胎模型的線性格式如下：

其中，

其中，為μ的觀測(cè)值；

定義變量g(k)為：

則

優(yōu)選地，系數(shù)計(jì)算模塊具體用于：

優(yōu)選地，采用車輛線性二自由度模型獲取車身穩(wěn)態(tài)的期望質(zhì)心側(cè)偏角和期望橫擺角速度，并基于最小二乘法對(duì)車輛當(dāng)前行駛路面附著系數(shù)進(jìn)行計(jì)算；

車輛線性二自由度模型為：

其中，β為車輛實(shí)際質(zhì)心側(cè)偏角，γ為車輛實(shí)際橫擺角速度，k₁為車輛前輪胎總側(cè)偏剛度，k₂為車輛后輪胎總側(cè)偏剛度，δ_f為車輛前輪轉(zhuǎn)角，a為車輛質(zhì)心至車輛前軸距離，b為車輛質(zhì)心至車輛后軸距離，m為車輛整車質(zhì)量，I_z為繞z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，u為車輛縱向速度；

由上式計(jì)算出期望質(zhì)心側(cè)偏角和期望橫擺角速度：

其中，γ_d為期望橫擺角速度，β_d為期望質(zhì)心側(cè)偏角，L為軸距且L＝a+b，K為車輛穩(wěn)定性因數(shù)且

由于a_y≤μg，因此車身穩(wěn)態(tài)的橫向加速度為：

其中，R為轉(zhuǎn)彎半徑，|γ|≤|μg/u|，其中，μ為路面附著系數(shù)；

基于路面附著系數(shù)μ確定的最大理想橫擺角速度和最大理想質(zhì)心側(cè)偏角表示為：

其中，γ_dmax為最大理想橫擺角速度，β_dmax為最大理想質(zhì)心側(cè)偏角；

則期望橫擺角速度、期望質(zhì)心側(cè)偏角修正為：

其中，γ為期望橫擺角速度，β為期望質(zhì)心側(cè)偏角。

優(yōu)選地，控制器建立模塊具體用于：

定義橫擺角速度滑模面：

對(duì)橫擺角速度滑模面s進(jìn)行一階求導(dǎo)，代入車輛線性二自由度模型可得：

其中，ΔM_γ為采用橫擺角速度滑模控制時(shí)所需的附加橫擺力矩；

根據(jù)系統(tǒng)可達(dá)到的條件，確定橫擺角速度控制的糾正橫擺力矩為：

其中，k_γ為橫擺角速度滑模控制的趨近速度且k_y＞0；

為減少系統(tǒng)產(chǎn)生的“抖振”在建立橫擺角速度滑?？刂破鲿r(shí)利用飽和函數(shù)sat(s)替代不連續(xù)性函數(shù)sgn(s)，即：

定義質(zhì)心側(cè)偏角滑模面：

對(duì)質(zhì)心側(cè)偏角滑模面s進(jìn)行一階求導(dǎo)，代入車輛線性二自由度模型可得：

其中，Ω_β＝Ω_β1+Ω_β2+Ω_β3；

其中，

根據(jù)系統(tǒng)可達(dá)到的條件，確定質(zhì)心側(cè)偏角控制的附加橫擺力矩為：

其中，k_β為質(zhì)心側(cè)偏角滑?？刂频内吔俣惹襨_β＞0；

為減少系統(tǒng)產(chǎn)生的“抖振”在建立質(zhì)心側(cè)偏角滑?？刂破鲿r(shí)，利用飽和函數(shù)sat(s)替代不連續(xù)性函數(shù)sgn(s)，即：

優(yōu)選地，策略選擇模塊具體用于：

建立橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角協(xié)調(diào)控制器：

橫擺角速度控制器輸出的附加橫擺力矩M_γ及質(zhì)心側(cè)偏角控制器輸出的附加橫擺力矩M_β進(jìn)行加權(quán)協(xié)調(diào)控制，得出最終的糾正橫擺力矩ΔM，即：

ΔM＝(1-c)ΔM_γ+cΔM_β；

若橫擺角速度偏差和質(zhì)心側(cè)偏角偏差在穩(wěn)定范圍內(nèi)，則ESP系統(tǒng)不工作，上層協(xié)調(diào)控制器起監(jiān)控作用，不發(fā)出控制指令；

若橫擺角速度偏差和質(zhì)心側(cè)偏角偏差不在穩(wěn)定范圍內(nèi)，則根據(jù)車輛當(dāng)前行駛路面附著系數(shù)為車輛選取車身穩(wěn)定控制策略：

其中，c為聯(lián)合控制加權(quán)系數(shù)，由路面附著系數(shù)大小決定，μ₀、μ₁、μ為路面附著系數(shù)。

本發(fā)明引入路面附著系數(shù)估算對(duì)車身的穩(wěn)定性進(jìn)行控制，并實(shí)時(shí)采集車輛在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)以計(jì)算車輛當(dāng)前行駛路面的附著系數(shù)，并根據(jù)實(shí)時(shí)識(shí)別的路面附著系數(shù)為車輛選取不同的控制策略，在保證車身穩(wěn)定的基礎(chǔ)上提高了對(duì)車輛進(jìn)行控制的精度；進(jìn)一步地，本發(fā)明中控制系統(tǒng)采用分層控制結(jié)構(gòu)，分別為上下兩層結(jié)構(gòu)，上層結(jié)構(gòu)用于建立縱滑側(cè)偏組合刷子輪胎模型，并基于最小二乘法估算路面附著系數(shù)，下層結(jié)構(gòu)用于建立橫擺角速度滑?？刂破饕约百|(zhì)心側(cè)偏角滑模控制器，上層結(jié)構(gòu)采用最小二乘法進(jìn)行路面附著系數(shù)估算，將實(shí)時(shí)識(shí)別的路面附著系數(shù)傳遞給下層結(jié)構(gòu)，下層結(jié)構(gòu)通過(guò)采集車輛的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)以及駕駛員指令，當(dāng)車輛失穩(wěn)時(shí)，對(duì)比車輛實(shí)際行駛狀態(tài)與駕駛員期望狀態(tài)的誤差，計(jì)算附加橫擺力矩，并根據(jù)附加橫擺力矩對(duì)車身穩(wěn)定進(jìn)行調(diào)整；上層結(jié)構(gòu)和下層結(jié)構(gòu)層次性高，且各層結(jié)構(gòu)控制職責(zé)清晰，進(jìn)一步提高對(duì)車身穩(wěn)定控制的精確性。

附圖說(shuō)明

圖1為一種基于路面附著系數(shù)估算的車身穩(wěn)定控制方法及系統(tǒng)的ESP控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為一種基于路面附著系數(shù)估算的車身穩(wěn)定控制方法的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為一種基于路面附著系數(shù)估算的車身穩(wěn)定控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為實(shí)施例低附著路面附著系數(shù)估算示意圖；

圖5為實(shí)施例中附著路面附著系數(shù)估算示意圖；

圖6為實(shí)施例高附著路面附著系數(shù)估算示意圖；

圖7為實(shí)施例低附著路面橫擺角速度曲線示意圖；

圖8為實(shí)施例低附著路面質(zhì)心側(cè)偏角曲線示意圖；

圖9為實(shí)施例中附著路面橫擺角速度曲線示意圖；

圖10為實(shí)施例中附著路面質(zhì)心側(cè)偏角曲線示意圖；

圖11為實(shí)施例高附著路面橫擺角速度曲線示意圖；

圖12為實(shí)施例高附著路面質(zhì)心側(cè)偏角曲線示意圖。

具體實(shí)施方式

參照?qǐng)D1、圖2，本發(fā)明提出的基于路面附著系數(shù)估算的車身穩(wěn)定控制方法，包括以下步驟：

S1、建立縱滑側(cè)偏組合刷子輪胎模型；

縱滑側(cè)偏組合刷子輪胎模型為：

其中，

優(yōu)選地，利用卡爾曼濾波方式對(duì)F_x和F_y進(jìn)行估算；

其中，C_x為輪胎縱滑剛度，C_α為輪胎側(cè)偏剛度，α為輪胎側(cè)偏角，μ為路面附著系數(shù)，λ為車輪實(shí)際縱向滑轉(zhuǎn)率，r為車輪滾動(dòng)半徑，v_ω為輪心處的縱向速度，F(xiàn)_x為輪胎縱向力，F(xiàn)_y為輪胎側(cè)向力，F(xiàn)_z為輪胎垂向力；

縱滑側(cè)偏組合刷子輪胎模型的非線性格式如下：

y(k)＝f(k,μ(k))+v₁；

優(yōu)選地，采用卡爾曼濾波方式計(jì)算輪胎力數(shù)值y＝[F_x,F_y]^T；

其中，f(k,μ(k))為縱滑側(cè)偏組合刷子輪胎模型的表達(dá)式，μ(k)為輪胎模型參數(shù)，v₁為測(cè)量噪聲；

為滿足最小二乘法要求，將y(k)線性化，縱滑側(cè)偏組合刷子輪胎模型的線性格式如下：

其中，

其中，為μ的觀測(cè)值；

定義變量g(k)為：

則

上式滿足最小二乘法參數(shù)估算的要求，可以通過(guò)最小二乘法對(duì)車輛當(dāng)前行駛路面附著系數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)辨識(shí)。

S2、獲取車輛當(dāng)前行駛狀態(tài)參數(shù)，并根據(jù)縱滑側(cè)偏組合刷子輪胎模型以及車輛當(dāng)前行駛狀態(tài)參數(shù)計(jì)算出車輛當(dāng)前行駛路面附著系數(shù)；

優(yōu)選地，采用車輛線性二自由度模型獲取車身穩(wěn)態(tài)的期望質(zhì)心側(cè)偏角和期望橫擺角速度，并基于最小二乘法對(duì)車輛當(dāng)前行駛路面附著系數(shù)進(jìn)行計(jì)算；

車輛線性二自由度模型為：

其中，β為車輛實(shí)際質(zhì)心側(cè)偏角，γ為車輛實(shí)際橫擺角速度，k₁為車輛前輪胎總側(cè)偏剛度，k₂為車輛后輪胎總側(cè)偏剛度，δ_f為車輛前輪轉(zhuǎn)角，a為車輛質(zhì)心至車輛前軸距離，b為車輛質(zhì)心至車輛后軸距離，m為車輛整車質(zhì)量，I_z為繞z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，u為車輛縱向速度；

由上式計(jì)算出期望質(zhì)心側(cè)偏角和期望橫擺角速度：

其中，γ_d為期望橫擺角速度，β_d為期望質(zhì)心側(cè)偏角，L為軸距且L＝a+b，K為車輛穩(wěn)定性因數(shù)且K為表征車輛穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的一個(gè)重要參數(shù)；

由于車輛的橫向加速度a_y不能超過(guò)車輛輪胎與車輛當(dāng)前行駛路面的最大附著系數(shù)所決定的加速度，即a_y≤μg，因此理想的橫擺角速度和側(cè)偏角也將受到顯示，則穩(wěn)態(tài)時(shí)車身穩(wěn)態(tài)的橫向加速度為：

其中，R為轉(zhuǎn)彎半徑，如此，橫擺角速度即被下式限制：|γ|≤|μg/u|，其中，μ為路面附著系數(shù)；

基于路面附著系數(shù)μ確定的最大理想橫擺角速度和最大理想質(zhì)心側(cè)偏角表示為：

其中，γ_dmax為最大理想橫擺角速度，β_dmax為最大理想質(zhì)心側(cè)偏角；

則期望橫擺角速度、期望質(zhì)心側(cè)偏角修正為：

其中，γ為期望橫擺角速度，β為期望質(zhì)心側(cè)偏角。

S3、建立橫擺角速度滑?？刂破饕约百|(zhì)心側(cè)偏角滑模控制器；

步驟S3具體包括：

定義橫擺角速度滑模面：

對(duì)橫擺角速度滑模面s進(jìn)行一階求導(dǎo)，代入車輛線性二自由度模型可得：

其中，ΔM_γ為采用橫擺角速度滑?？刂茣r(shí)所需的附加橫擺力矩；

根據(jù)系統(tǒng)可達(dá)到的條件，確定橫擺角速度控制的糾正橫擺力矩為：

其中，k_γ為橫擺角速度滑模控制的趨近速度且k_y＞0；當(dāng)k_γ過(guò)小時(shí)，趨近滑模面的時(shí)間較長(zhǎng)；當(dāng)k_γ過(guò)大時(shí)，又會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的抖振，因此應(yīng)根據(jù)滑動(dòng)條件選取適當(dāng)值；

為減少系統(tǒng)產(chǎn)生的“抖振”在建立橫擺角速度滑?？刂破鲿r(shí)利用飽和函數(shù)sat(s)替代不連續(xù)性函數(shù)sgn(s)，即：

定義質(zhì)心側(cè)偏角滑模面：

對(duì)質(zhì)心側(cè)偏角滑模面s進(jìn)行一階求導(dǎo)，代入車輛線性二自由度模型可得：

其中，Ω_β＝Ω_β1+Ω_β2+Ω_β3；

其中，

根據(jù)系統(tǒng)可達(dá)到的條件，確定質(zhì)心側(cè)偏角控制的附加橫擺力矩為：

其中，k_β為質(zhì)心側(cè)偏角滑?？刂频内吔俣惹襨_β＞0；

為減少系統(tǒng)產(chǎn)生的“抖振”在建立質(zhì)心側(cè)偏角滑?？刂破鲿r(shí)，利用飽和函數(shù)sat(s)替代不連續(xù)性函數(shù)sgn(s)，即：

S4、獲取車輛實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及駕駛員動(dòng)作指令，且對(duì)車輛實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與駕駛員期望狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比，并根據(jù)比較結(jié)果以及車輛當(dāng)前行駛路面附著系數(shù)且結(jié)合橫擺角速度滑模控制器以及質(zhì)心側(cè)偏角滑?？刂破鳛檐囕v選取車身穩(wěn)定控制策略。

步驟S4具體包括：

建立橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角協(xié)調(diào)控制器：

橫擺角速度控制器輸出的附加橫擺力矩M_γ及質(zhì)心側(cè)偏角控制器輸出的附加橫擺力矩M_β進(jìn)行加權(quán)協(xié)調(diào)控制，得出最終的糾正橫擺力矩ΔM，即：

ΔM＝(1-c)ΔM_γ+cΔM_β；

若橫擺角速度偏差和質(zhì)心側(cè)偏角偏差在穩(wěn)定范圍內(nèi)，則ESP系統(tǒng)不工作，上層協(xié)調(diào)控制器起監(jiān)控作用，不發(fā)出控制指令；

若橫擺角速度偏差和質(zhì)心側(cè)偏角偏差不在穩(wěn)定范圍內(nèi)，則根據(jù)車輛當(dāng)前行駛路面附著系數(shù)為車輛選取車身穩(wěn)定控制策略：

其中，c為聯(lián)合控制加權(quán)系數(shù)，由路面附著系數(shù)大小決定，μ₀、μ₁、μ為路面附著系數(shù)；

即若橫擺角速度偏差和質(zhì)心側(cè)偏角偏差不在穩(wěn)定范圍內(nèi)，則上層協(xié)調(diào)控制器發(fā)出決策指令；此時(shí)，若車輛當(dāng)前行駛路面附著系數(shù)小于μ₀，則選取質(zhì)心側(cè)偏角控制策略；若車輛當(dāng)前行駛路面附著系數(shù)在[μ₀，μ₁]之間，則選取聯(lián)合控制策略；若車輛當(dāng)前行駛路面附著系數(shù)大于μ₁，則選取橫擺角速度控制策略，根據(jù)車輛當(dāng)前行駛路面附著系數(shù)的具體值為車輛選取不同的車身穩(wěn)定控制方法，充分保證對(duì)車身穩(wěn)定控制的精度和準(zhǔn)確性。

參照?qǐng)D1、圖3，本發(fā)明提出的一種基于路面附著系數(shù)估算的車身穩(wěn)定控制系統(tǒng)包括：

模型建立模塊，用于建立縱滑側(cè)偏組合刷子輪胎模型并存儲(chǔ)；

模型建立模塊具體用于：

縱滑側(cè)偏組合刷子輪胎模型為：

其中，

優(yōu)選地，利用卡爾曼濾波方式對(duì)F_x和F_y進(jìn)行估算；

其中，C_x為輪胎縱滑剛度，C_α為輪胎側(cè)偏剛度，α為輪胎側(cè)偏角，μ為路面附著系數(shù)，λ為車輪實(shí)際縱向滑轉(zhuǎn)率，r為車輪滾動(dòng)半徑，v_ω為輪心處的縱向速度，F(xiàn)_x為輪胎縱向力，F(xiàn)_y為輪胎側(cè)向力，F(xiàn)_z為輪胎垂向力；

縱滑側(cè)偏組合刷子輪胎模型的非線性格式如下：

y(k)＝f(k,μ(k))+v₁；

優(yōu)選地，采用卡爾曼濾波方式計(jì)算輪胎力數(shù)值y＝[F_x,F_y]^T；

其中，f(k,μ(k))為縱滑側(cè)偏組合刷子輪胎模型的表達(dá)式，μ(k)為輪胎模型參數(shù)，v₁為測(cè)量噪聲；

將y(k)線性化，縱滑側(cè)偏組合刷子輪胎模型的線性格式如下：

其中，

其中，為μ的觀測(cè)值；

定義變量g(k)為：

則

系數(shù)計(jì)算模塊，用于獲取車輛當(dāng)前行駛狀態(tài)參數(shù)，并根據(jù)縱滑側(cè)偏組合刷子輪胎模型以及車輛當(dāng)前行駛狀態(tài)參數(shù)計(jì)算出車輛當(dāng)前行駛路面附著系數(shù)；

系數(shù)計(jì)算模塊具體用于：

優(yōu)選地，采用車輛線性二自由度模型獲取車身穩(wěn)態(tài)的期望質(zhì)心側(cè)偏角和期望橫擺角速度，并基于最小二乘法對(duì)車輛當(dāng)前行駛路面附著系數(shù)進(jìn)行計(jì)算；

車輛線性二自由度模型為：

其中，β為車輛實(shí)際質(zhì)心側(cè)偏角，γ為車輛實(shí)際橫擺角速度，k₁為車輛前輪胎總側(cè)偏剛度，k₂為車輛后輪胎總側(cè)偏剛度，δ_f為車輛前輪轉(zhuǎn)角，a為車輛質(zhì)心至車輛前軸距離，b為車輛質(zhì)心至車輛后軸距離，m為車輛整車質(zhì)量，I_z為繞z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，u為車輛縱向速度；

由上式計(jì)算出期望質(zhì)心側(cè)偏角和期望橫擺角速度：

其中，γ_d為期望橫擺角速度，β_d為期望質(zhì)心側(cè)偏角，L為軸距且L＝a+b，K為車輛穩(wěn)定性因數(shù)且

由于a_y≤μg，因此車身穩(wěn)態(tài)的橫向加速度為：

其中，R為轉(zhuǎn)彎半徑，γ|≤|μg/u|，其中，μ為路面附著系數(shù)；

基于路面附著系數(shù)μ確定的最大理想橫擺角速度和最大理想質(zhì)心側(cè)偏角表示為：

其中，γ_dmax為最大理想橫擺角速度，β_dmax為最大理想質(zhì)心側(cè)偏角；

則期望橫擺角速度、期望質(zhì)心側(cè)偏角修正為：

其中，γ為期望橫擺角速度，β為期望質(zhì)心側(cè)偏角。

控制器建立模塊，用于建立橫擺角速度滑?？刂破饕约百|(zhì)心側(cè)偏角滑模控制器并存儲(chǔ)；

控制器建立模塊具體用于：

定義橫擺角速度滑模面：

對(duì)橫擺角速度滑模面s進(jìn)行一階求導(dǎo)，代入車輛線性二自由度模型可得：

其中，ΔM_γ為采用橫擺角速度滑?？刂茣r(shí)所需的附加橫擺力矩；

根據(jù)系統(tǒng)可達(dá)到的條件，確定橫擺角速度控制的糾正橫擺力矩為：

其中，k_γ為橫擺角速度滑?？刂频内吔俣惹襨_y＞0；

為減少系統(tǒng)產(chǎn)生的“抖振”在建立橫擺角速度滑?？刂破鲿r(shí)利用飽和函數(shù)sat(s)替代不連續(xù)性函數(shù)sgn(s)，即：

定義質(zhì)心側(cè)偏角滑模面：

對(duì)質(zhì)心側(cè)偏角滑模面s進(jìn)行一階求導(dǎo)，代入車輛線性二自由度模型可得：

其中，Ω_β＝Ω_β1+Ω_β2+Ω_β3；

其中，

根據(jù)系統(tǒng)可達(dá)到的條件，確定質(zhì)心側(cè)偏角控制的附加橫擺力矩為：

其中，k_β為質(zhì)心側(cè)偏角滑?？刂频内吔俣惹襨_β＞0；

為減少系統(tǒng)產(chǎn)生的“抖振”在建立質(zhì)心側(cè)偏角滑模控制器時(shí)，利用飽和函數(shù)sat(s)替代不連續(xù)性函數(shù)sgn(s)，即：

策略選擇模塊，用于獲取車輛實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及駕駛員動(dòng)作指令，且對(duì)車輛實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與駕駛員期望狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比，并根據(jù)比較結(jié)果以及車輛當(dāng)前行駛路面附著系數(shù)且結(jié)合橫擺角速度滑模控制器以及質(zhì)心側(cè)偏角滑?？刂破鳛檐囕v選取車身穩(wěn)定控制策略；

策略選擇模塊具體用于：

建立橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角協(xié)調(diào)控制器：

橫擺角速度控制器輸出的附加橫擺力矩M_γ及質(zhì)心側(cè)偏角控制器輸出的附加橫擺力矩M_β進(jìn)行加權(quán)協(xié)調(diào)控制，得出最終的糾正橫擺力矩ΔM，即：

ΔM＝(1-c)ΔM_γ+cΔM_β；

若橫擺角速度偏差和質(zhì)心側(cè)偏角偏差在穩(wěn)定范圍內(nèi)，則ESP系統(tǒng)不工作，上層協(xié)調(diào)控制器起監(jiān)控作用，不發(fā)出控制指令；

若橫擺角速度偏差和質(zhì)心側(cè)偏角偏差不在穩(wěn)定范圍內(nèi)，則根據(jù)車輛當(dāng)前行駛路面附著系數(shù)為車輛選取車身穩(wěn)定控制策略：

其中，c為聯(lián)合控制加權(quán)系數(shù)，由路面附著系數(shù)大小決定，μ₀、μ₁、μ為路面附著系數(shù)；

即若橫擺角速度偏差和質(zhì)心側(cè)偏角偏差不在穩(wěn)定范圍內(nèi)，則上層協(xié)調(diào)控制器發(fā)出決策指令；此時(shí)，若車輛當(dāng)前行駛路面附著系數(shù)小于μ₀，則選取質(zhì)心側(cè)偏角控制策略；若車輛當(dāng)前行駛路面附著系數(shù)在[μ0，μ₁]之間，則選取聯(lián)合控制策略；若車輛當(dāng)前行駛路面附著系數(shù)大于μ₁，則選取橫擺角速度控制策略，根據(jù)車輛當(dāng)前行駛路面附著系數(shù)的具體值為車輛選取不同的車身穩(wěn)定控制方法，充分保證對(duì)車身穩(wěn)定控制的精度和準(zhǔn)確性。

通過(guò)引入路面附著系數(shù)估算對(duì)車身的穩(wěn)定性進(jìn)行控制，并實(shí)時(shí)采集車輛在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)以計(jì)算車輛當(dāng)前行駛路面的附著系數(shù)，并根據(jù)實(shí)時(shí)識(shí)別的路面附著系數(shù)為車輛選取不同的控制策略，在保證車身穩(wěn)定的基礎(chǔ)上提高了對(duì)車輛進(jìn)行控制的精度；進(jìn)一步地，控制系統(tǒng)采用分層控制結(jié)構(gòu)，分別為上下兩層結(jié)構(gòu)，上層結(jié)構(gòu)用于建立縱滑側(cè)偏組合刷子輪胎模型，并基于最小二乘法估算路面附著系數(shù)，下層結(jié)構(gòu)用于建立橫擺角速度滑?？刂破饕约百|(zhì)心側(cè)偏角滑?？刂破?，上層結(jié)構(gòu)采用最小二乘法進(jìn)行路面附著系數(shù)估算，將實(shí)時(shí)識(shí)別的路面附著系數(shù)傳遞給下層結(jié)構(gòu)，下層結(jié)構(gòu)通過(guò)采集車輛的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)以及駕駛員指令，當(dāng)車輛失穩(wěn)時(shí)，對(duì)比車輛實(shí)際行駛狀態(tài)與駕駛員期望狀態(tài)的誤差，計(jì)算附加橫擺力矩，并根據(jù)附加橫擺力矩對(duì)車身穩(wěn)定進(jìn)行調(diào)整；上層結(jié)構(gòu)和下層結(jié)構(gòu)層次性高，且各層結(jié)構(gòu)控制職責(zé)清晰，進(jìn)一步提高對(duì)車身穩(wěn)定控制的精確性。

為驗(yàn)證本發(fā)明提出的一種基于路面附著系數(shù)估算的車身穩(wěn)定控制方法即系統(tǒng)的可用性及精確性，以下結(jié)合一個(gè)實(shí)施例對(duì)上述方法及系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證：

采用初始車速100km/h，幅值1.5rad(85.95°)，頻率為0.7Hz的單周期正弦信號(hào)作為方向盤(pán)轉(zhuǎn)角的輸入，來(lái)反映車輛緊急避障及換道能力。本次仿真中m＝1350，Iz＝2350，a＝1.016，b＝1.562，hg＝0.54，Cf＝-62618，Cr＝-110185，μ₀＝0.35，μ₁＝0.6。驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的控制器在對(duì)應(yīng)的路面附著系數(shù)下的控制效果，選取高、中、低路面附著系數(shù)下相同的極限工況進(jìn)行仿真分析：

工況1：汽車在路面附著系數(shù)μ＝0.2的低附路面上行駛，仿真結(jié)果如圖4 所示。

工況2：汽車在路面附著系數(shù)μ＝0.5的中附路面上行駛，仿真結(jié)果如圖5所示。

工況3：汽車在路面附著系數(shù)μ＝0.85的高附路面上行駛，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖4、5、6表明了路面附著系數(shù)估算值能夠迅速收斂到CarSim給定值左右，充分證明了該路面附著系數(shù)估計(jì)算法的有效性和正確性。在低附著路面工況1，無(wú)控制時(shí)，橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角出現(xiàn)較大變化，且在8.5s時(shí)達(dá)到0.4rad，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)此附著系數(shù)下車輛所允許的最大橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角，表明車輛嚴(yán)重失穩(wěn)并出現(xiàn)側(cè)滑，采用本發(fā)明時(shí)，各項(xiàng)參數(shù)均能很好地跟隨轉(zhuǎn)向輸入的變化而變化，穩(wěn)定性明顯增強(qiáng)，如圖7、8所示。在中附著路面工況2，無(wú)控制時(shí)車輛出現(xiàn)過(guò)度轉(zhuǎn)向趨勢(shì)，且橫擺角速度在1s后達(dá)到0.3rad，這樣會(huì)導(dǎo)致車輛不穩(wěn)定，施加聯(lián)合控制后的車輛響應(yīng)能較好地跟蹤期望橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角，如圖9、10所示；在高附著路面工況3，無(wú)控制時(shí)車輛出現(xiàn)不足轉(zhuǎn)向，施加橫擺角速度控制后車輛的橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角趨近理想值，車輛行駛在穩(wěn)定范圍內(nèi)，如圖11、12所示。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。