基于GPS的汽车稳定性控制系统研究

杨利霞

基于GPS的汽车稳定性控制系统研究

汽车稳定性控制系统是指通过车载控制装置实时调整汽车运行状态，使车辆能够按
照驾驶员的期望行驶，防止车辆失稳的汽车主动安全系统，是当前国际上汽车安全领域
的研究热点。论文结合黑龙江省基金重点项目“基于 GPS 的汽车稳定性控制系统研究”
开展了汽车稳定性控制系统的关键状态参数估算及其控制算法研究，并进行了多工况、
多路况的硬件在环实验和实车道路测试。
本文首先建立了用于开展汽车稳定性控制系统研究的汽车动力学模型，包括分析整
车侧向运动的八自由度模型、反映汽车理想行驶状态的线性二自由度车辆模型、非线性
轮胎模型、汽车制动器和转向电机模型等。在 LabVIEW 平台下对上述模型仿真，表明
所建模型能够满足不同行驶工况的稳定性控制仿真要求。
针对汽车稳定性控制关键参数估算的需要，以实时性和准确性为目标，提出了基于
双天线 GPS 系统的汽车行驶状态参数与路面附着系数测量与估计方法。提出基于 GPS
技术的汽车侧偏角、质心侧倾角、车速等的测量与估计算法；设计了基于双级卡尔曼滤
波的 GPS 与 INS 信息融合方法，解决了 GPS 信号丢失与更新率低的难题；提出基于 GPS
的路面附着系数估算算法。实验研究结果表明，GPS 测量与估计效果良好，可以满足汽
车稳定性控制器的设计要求。
传统的汽车稳定性控制系统主要是指横摆稳定性控制，多数采用差动制动的控制手
段。本文从提高汽车主动安全角度出发，提出横摆稳定性和侧翻稳定性的集成控制，控
制方式包括差动制动控制和主动前轮转向控制。
基于分层式协调控制的设计思想，设计了汽车稳定性控制系统的总体算法结构。稳
定性控制器共分为上、下两层，上层为协调层，协调各种控制功能，如横摆稳定性控制、
侧翻稳定性控制和 ABS 控制等，并决策保持汽车处于稳定状态的附加横摆力矩；下层
为执行层，包括对制动执行器和主动前轮转向执行器的控制。协调控制包括汽车横摆稳
定性和侧翻稳定性的协调控制，差动制动和主动前轮转向的协调控制，协调控制优化了
汽车稳定性整体控制功能。
构建以汽车质心侧偏角和横摆角速度为主要控制目标的横摆稳定性控制算法，通过
差动制动和主动前轮转向集成控制，纠正汽车失稳状态。针对汽车控制系统的非线性和
时变性，设计了基于模糊控制理论的差动制动控制器和基于滑模控制理论的主动前轮转
向控制器，提出基于 β ~ β& 相平面的差动制动与前轮主动转向的协调方法。以横向载荷
转移率为控制变量，设计了滑模变结构侧翻稳定性控制器，通过调节车轮轮缸制动压力，
防止汽车侧翻。设计了横摆与侧翻稳定性协调控制算法。先由横摆稳定性控制模块和侧
翻稳定性控制模块分别确定横摆力矩和降速制动力，然后根据汽车动力学关系进行单轮制动力分配，实现横摆与侧翻的协调控制。
根据汽车动力学模型和稳定性控制算法，基于 MATLAB/Simulink 和 CarSim 联合仿
真技术，建立了汽车稳定性集成控制仿真平台。在此平台上进行不同路面附着情况下双
移线、鱼钩（Fishhook）转向输入等工况的仿真，对开发的稳定性控制算法进行验证，
结果表明所开发的虚拟仿真平台能够很好的完成稳定性控制算法的仿真实验，所开发的
稳定性控制器能能够对汽车的行驶状态进行识别，并根据差动制动子系统和主动转向子
系统的特点进行协调控制，解决了各子系统在集成控制时的矛盾与冲突，充分发挥了各
系统的能力，能够很好的防止汽车侧翻和横摆失稳，提高行驶稳定性。
在虚拟仿真的基础上，设计并研制了基于 LabVIEW 平台的汽车稳定性控制硬件在
环实验平台。实验平台主要包括实验台架、传感器、执行器、实时控制平台、信号采集
系统以及软件等。硬件在环实验系统以软件方式模拟汽车行驶状态，以硬件方式控制汽
车差动制动与主动前轮转向。实验结果表明，控制器能实时地判别汽车横摆与侧翻状况
并输出控制电压；制动系统能准确快速地输出制动力，主动前轮转向系统能调节前轮转
角，能快速将汽车动态横摆与侧翻指标稳定在安全范围内，控制算法对汽车结构参数和
操纵参数变化具有良好的鲁棒性。
最后，利用自主开发的车载平台进行了汽车稳定性控制系统的实车道路实验。表明
所开发的稳定性控制算法能有效地增强汽车稳定行驶的能力，提高汽车主动安全性。
关键词：稳定性控制系统；状态参数估算；GPS；分层协调控制；主动前轮转向；差动
制动控制