基于STI轮胎模型的客车横摆稳定性自适应非奇异快速终端滑模控制 | CJME论文推荐

机械工程学报 2022-06-29

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引用论文

Sun, X., Wang, Y., Cai, Y. et al. An Adaptive Nonsingular Fast Terminal Sliding Mode Control for Yaw Stability Control of Bus Based on STI Tire Model. Chin. J. Mech. Eng. 34, 79 (2021). https://doi.org/10.1186/s10033-021-00600-4.

研究背景及目的

客车由于质量大、重心高、轮距窄等特点，其在高速紧急避撞（高速大转角）以及湿滑路面转向等特殊行驶工况下极易产生横向失稳现象。该现象若不能实现准确预判并进行及时有效的主动回稳控制，最终将会导致客车发生侧翻事故。尽管相较于碰撞事故而言，客车发生侧翻的几率较低，但是其事故伤亡程度远远高于前碰撞和侧面碰撞。2017年3月7日，交通运输部结合正式颁布的交通运输行业标准《营运客车安全技术条件》(JT/T 1094-2016)，对营运客车装备横向稳定性电子控制系统提出了明确要求。该系统启动后如何对客车进行有效的回稳控制是相关研究的难点和关键。因此，本文基于STI轮胎模型及自适应非奇异快速终端滑模控制算法开展特殊行驶工况下的客车横摆稳定性控制策略研究，目的在于提高客车横向稳定性电子控制系统实际性能、保障客车横向运动稳定，具有重要的理论意义和工程应用价值。

试验方法

针对传统汽车横向稳定性控制研究对于轮胎纵滑侧偏特性在湿滑路面及汽车紧急转向等运动状态下呈现出的非稳态复杂动态特征未加考虑或考虑不足的问题，本文提出在STI轮胎模型的基础上进行客车横摆稳定性控制策略设计。

为准确获取STI轮胎模型参数，论文首先进行了轮胎纵滑侧偏力学特性台架试验。在试验过程中，采用了具有国际先进水平的平板式轮胎动态试验台进行轮胎纵滑侧偏特性试验数据采集。

图1 轮胎力学特性试验设置

在轮胎纵滑侧偏特性试验过程中，首先对轮胎施加一垂向载荷，将轮胎充至目标气压，而后对轮胎施加不同的驱动力矩、制动力矩以及侧偏角，启动滑台带动轮胎匀速运动，最后记录各滑移率及侧偏角所对应的轮胎纵向力及侧向力数值，即可获取反映轮胎纵滑侧偏力学特性的试验数据。

图2 轮胎力饱和函数的试验结果与仿真结果比较图3 轮胎力饱和函数的残差

结果

为验证本文所设计的客车横摆稳定性控制系统的实际性能，基于TruckSim进行了控制性能联合仿真。仿真过程中设计了两种仿真工况，其中，根据工况1仿真结果可以看出，传统滑模控制下的车辆质心侧偏角峰值的绝对值为0.025 rad，而本文所提出控制策略下的车辆质心侧偏角峰值的绝对值为0.015 rad，降幅达40%；传统滑模控制下的车辆横摆角速度峰值的绝对值为0.25 rad，而本文所提出控制策略下的车辆横摆角速度峰值的绝对值为0.2 rad，降幅达20%。

图4 车辆滑移角改为质心侧偏角

根据工况2仿真结果可以看出，传统滑模控制下的车辆质心侧偏角峰值的绝对值为0.045 rad，而本文所提出控制策略下的车辆质心侧偏角峰值的绝对值为0.03 rad，降幅达33%；传统滑模控制下的车辆横摆角速度峰值的绝对值为0.35 rad，而本文所提出控制策略下的车辆横摆角速度峰值的绝对值为0.25 rad，降幅达28.5%。

图5 车辆滑移角改为质心侧偏角

结论

（1）论文基于试验数据拟合的轮胎STI模型能够准确地反映轮胎非线性纵滑侧偏力学特性；

（2）STI轮胎模型能够有效计算出7自由度车辆动力学模型中所需的轮胎纵向力与侧向力；

（3）自适应非奇异快速终端滑模控制算法及鲁棒最小二乘算法能够分别有效计算出最佳附加横摆力矩和实现轮胎制动力的最优分配；

（4）本文所提出的基于STI轮胎模型、自适应非奇异快速终端滑模以及鲁棒最小二乘分配算法的客车横摆稳定性控制方案能够显著提升客车在特殊行驶工况下的横向稳定性。

前景与应用

随着我国公路交通事业的快速发展，高等级公路通车里程不断增加，营运客车数量也随之稳步增长。据中国汽车工业协会最新统计数据显示，2019年，全国累计实现客车销量达474000辆。客车在满足人民群众出行需求、提高公路交通系统运输效率的同时，其时有发生的重特大侧翻交通事故也引起广泛关注。这些重特大道路交通事故，给人民群众生命财产造成了重大损失，产生了恶劣的社会影响。营运客车整体安全性能不高，已经成为制约人民群众安全可靠出行的突出短板和薄弱环节之一。本文基于STI轮胎模型、自适应非奇异快速终端滑模以及鲁棒最小二乘分配算法完成了客车主动回稳附加横摆力矩控制策略设计，相关研究成果将为提高客车横向行驶安全提供新的理论基础和技术支持，具有重要的应用前景。

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[4] A. Gauchía, E. Olmeda, F. Aparicio, et al. Bus mathematical model of acceleration threshold limit estimation in lateral rollover test [J]. Vehicle System Dynamics, 2011, 49(10): 1695-1707.

团队带头人介绍

陈龙，教授，博导，中国汽车工程学会会士、副理事长、党组成员，中国智能电动汽车专业委员会副理事长，中国电动汽车标准委员会委员，江苏省汽车工程学会副理事长、江苏省有突出贡献的中青年专家，江苏省“新能源汽车”优势学科带头人、江苏大学车辆工程学科带头人、江苏大学交通运输工程一级博士点学科带头人，兼任混合动力车辆技术国家地方联合工程研究中心主任、江苏省载运工具运用新技术重点实验室主任、江苏大学新能源汽车2011协同创新中心主任。长期从事车辆动力学与控制的研究工作，先后主持完成或主持在研国家自然科学基金重点项目、国家汽车“863”、国家新能源汽车创新工程项目、国家自然科学基金、交通部信息化技术重大项目、江苏省重大科技成果转化、江苏省战略性新兴产业发展重大专项、江苏省工业支撑等项目30余项，在行业权威刊物发表论文200余篇，其中SCI、EI收录100余篇，授权中国发明专利80余项，授权美国专利1项，获部省级科技进步一等奖4项、二等奖9项，江苏省十大专利发明人奖。

团队研究方向

第一作者近年来围绕学科前沿与国家中长期发展规划，主要从事以下两个方向的研究工作：

（1）车辆系统动力学模拟及控制；

（2）车辆主动安全系统分析及设计。

团队发表高影响力论文

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[3] Sun Xiaoqiang, Cai Yingfeng, Wang Shaohua, Xu Xing, Chen Long, Optimal control of intelligent vehicle longitudinal dynamics via hybrid model predictive control, Robotics and Autonomous Systems, 2019, 112: 190-200.

[4] Sun Xiaoqiang, Wu Pengcheng, Cai Yingfeng, Wang Shaohua, Chen Long, Piecewise affine modeling and hybrid optimal control of intelligent vehicle longitudinal dynamics for velocity regulation, Mechanical Systems and Signal Processing, 2022, 162,108089.

[5] Chen Te, Chen Long, Xu Xing, Cai Yingfeng, Sun Xiaoqiang. Passive fault-tolerant path following control of autonomous distributed drive electric vehicle considering steering system fault, Mechanical Systems and Signal Processing, 2019, 123, 298-315.

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编辑：恽海艳校对：向映姣

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