利用模型化基础设计(ModelBased-Design)开发车辆翻覆稳定控制系统.PDFVIP

利用模型化基礎設計(Model Based-Design)開發車輛翻覆穩定控制系統 作者 ：Vinod Cherian ，The MathWorks 技術行銷專員 當前汽車電子的最夯趨勢是整合主動式的安全機制 ，這驅使汽車製造商將防翻滾能 力整合到傳統車輛底盤控制系統中 ，例如防鎖死煞車與循跡控制系統(Traction control systems) ，並致力於提升這些系統整合到防翻滾能力中。 美國國家公路交通安全管理局 (NHTSA) 是致力於推動此整合趨勢的創始者 ，依據 NHTSA 的翻覆撞車事故資料分析 ，規定自 2011 年以後的所有車型必須具有防翻 覆的控制器 ，依據NHTSA 的國家統計與分析局統計 ，在 2001 年有 10,138 人死於 翻覆撞車事故 ，佔該年度事故死亡人數的 32% 。 提供能夠降低車輛翻覆風險的主動式安全機制將能減少死亡事故 ，降低翻覆風險的 方法之一是採用電子車身穩定控制系統 (ESC) ，它採用差分煞車控制器(Differential braking)測量與評估車輛的狀態 。本文重點說明利用模型化基礎設計(Model-Based Design) ，開發及自動最佳化運動型休旅車 (SUV) 的電子車身穩定控制系統 。 車輛與控制器模型 模型化基礎設計的中心概念是以可執行的規格或模型描述系統的動態行為 。利用可 驗證的汽車模型(以 SUV 的高精確模型為例) ，能顯著地節省控制器設計的相關開 發成本與時間 ，可使用該模型的數值模擬來研究車輛對各種轉向操縱的反應 ，在改 變諸如路面 、輪胎模型以及車輛屬性等參數時 ，可輕鬆地重複進行這些測試 。此 外 ，在嵌入式控制系統的開發與驗證中亦可使用這些模型 。 本文中使用的車輛代表中型 SUV ，此一車輛模型可於 CarSim®軟體(一商業化軟 體 ，有現成模型 ，為車輛動態模擬分析工具) 中找到 ，車輛模型的性能已經過測試 資料的驗證 ，適合模擬車輛在重大翻覆情況下的反應 ，該車輛模型具有兩個獨立的 前懸吊與一個支持承載質量的穩固後軸 。此非線性數學模型在承載質量 、每個軸 、 每個輪胎 、轉向系統及煞車系統方面具有自由度 。可使用不同的車輛參數以及路面 與環境條件來自訂該車輛模型 。 1 圖 1 ：使用 CarSim 使用者介面設定車輛參數 。 圖 1 顯示 CarSim 使用者介面以及一些用於建立車輛模型的重要車輛參數 。可從控 制器參數中單獨修改這些參數 ，以便在不同車輛條件下測試控制器行為 ，例如單乘 客 、多乘客以及高重心。本文使用的車輛模型適用於與 NHTSA 魚鉤轉向操作 （用 於評估動態車輛穩定性的標準操縱）一致的轉向輸入 ，此測試旨在模擬駕駛人在路 途中為避免意外障礙而可能採取的動作 。對於數值模擬 ，我們為該 SUV 模型設定 此轉向輸入 ，並在沒有 ESC 時驗證 ，該車輛會出現翻覆情況 。 控制器開發與最佳化 本文中討論採用 ESC 可防止對應於駕駛人輸入的危險車身翻覆及偏轉 。透過對車 輪套用差分煞車控制器 ，來調整車輛的車身翻覆與偏轉率 ，同時利用電子煞車 （由 控制器自動套用）將車輛速度的損失降至最低 ，三個控制模式之間採用 ESC 的切 換 ，根據車輛進入車輪打滑狀態的三個潛在因素來啟動這些控制模式 ：打滑損失 、 過度翻滾或過度偏離車道 。由模式切換的邏輯控制一組比例-積分-微分 (PID) 補償 器 ，對應測量與估計參數調整車輪的煞車壓力指令 。Simulink® 中採用的控制器設 計具有六個 PID 增益 ，可改變這六個值 ，以最佳化 ESC 性能 。 2 在此模型中 ，我們可存取車輪速度 、煞車壓力 、車身翻覆 、偏離率以及滑移率 。透 過感應器資料估計一些處於實際車輛控制器中的車輛狀態 ，同時透過測量參數與估 計參數之間的數學關係來估計其他狀態 ，透過未制動車輪