第57卷 第3期Vol. 57 No. 3
2019年3月
March 2019农业装备与车辆工程
AGRICULTURAL EQUIPMENT & VEHICLE ENGINEERING
doi:10.3969/j.issn.1673-3142.2019.03.019
基于CarSim的ESP控制策略研究与仿真
申保川，孙涛
（200093 上海市 上海理工大学）
[摘要]以小型汽车为研究对象，针对所选车型进行设计了汽车电子稳定性控制系统模型。基于CarSim与
MATLAB/Simulink仿真软件，应用模糊控制理论设计控制器模型，针对车辆在湿滑路面的运行工况进行联
汽车esp
性，验证了控制器模型及控制策略的正确性。
[关键词] 汽车稳定性；车辆模型；二自由度；模糊控制；联合仿真
[中图分类号] U461.6 [文献标识码] A [文章编号] 1673-3142(2019)03-0083-04
Research and Simulation of ESP Control Strategy Based on CarSim
Shen Baochuan, Sun Tao
(University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)
[Abstract] Taking small cars as the research objects, the model of vehicle electronic stability control system is designed for the selected vehicles. This paper, based on CarSim and MATLAB/Simulink software and application of fuzzy control theory, conducts joint simulation for different working conditions. The simulation results show that the vehicle's stability and maneuverability can be improved by controlling the yaw rate and the side slip angle of the vehicle. The correctness of the controller model and control strategy is verified.
[Key words] automobile stability; vehicle model; two degrees of freedom; fuzzy control; joint simulation
0 引言
汽车电子稳定性控制系统（ESP）是基于汽车防抱死制动系统 ( Anti-locked Braking System, ABS)和汽车驱动防滑控制系统( Acceleration Slip Regulation, ASR)发展起来的一种行驶车辆的主动安全系统。汽车ESP系统能够根据路面状况及汽车运动状态控制车辆的运动 ，防止汽车操纵失控[1] ，从而更加有效地提高汽车稳定性能和行驶安全性。汽车上装配有轮速传感器（检测车轮转速以及当前车速）、方向盘转角传感器（获取驾驶员转向信息）、油门踏板和制动踏板传感器（获取当前驾驶员驾驶意图）、侧滑传感器(监测车体绕垂直轴线转动的状态)、横向加速度传感器 (监测汽车转弯时的离心力)等传感器[2]。ESP控制单元通过这些传感器的信号对车辆的运行状态进行判断，根据车辆不同的危险运行工况采取不同的控制策略使车辆保证一定的操纵性和稳定性以及安全性。对于汽车的稳定性控制，主要针对汽车的横摆角速度和质心侧偏角，将其控制在稳定范围内。本文基于模糊控制理论，通过CarSim与MATLAB/Simulink的联合仿真，进行相应工况的仿真，验证了模糊控制策略的有效性。
1 汽车动力学建模
CarSim软件是Mechanical Simulation Corp的产品，它集成了一个汽车数学模型库，用户能快速地建
立自己的汽车动力学模型，其数学模型能在3Ghz的PC机上实现10倍于实时的仿真速度，使得用户可以在实时硬件回路中应用其复杂的数学模型，具有良好的可扩展性，通过S函数实现与MathWorks公司MATLAB/Simulink软件的无缝连接。用户可以在Simulink中建立控制器模型，控制CarSim的车辆模型进行联合仿真，其车辆模型精确，得到的仿真结果真实有效。本文将横摆角速度、质心侧偏角、汽车速度、侧向加速度等作为输出，前后轮的制动压力、方向盘转角作为输入。车辆参数如图1所示。
2 参考模型的建立
汽车的线性二自由度模型未考虑轮胎的非线性特性[3]，满足转向输入与横摆角速度的线性关系，因此，采用二自由度模型来描述汽车的转向特性是
收稿日期: 2018-06-11 修回日期: 2018-06-25
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农业装备与车辆工程 2019年
比较理想的。由汽车二自由度运动微分方程[4]可得汽车理想的横摆角速度如下：
r ~= (1)K L m k l k l f
r 221
=-c m (2)
式中：K ——汽车稳定性系数；L ——前后轴距；u ——当前车速；δ——方向盘转角；m ——整车质量；l f 、l r ——质心到前轴和后轴的距离；k 1、k 2——前后轴侧偏刚度。
路面附着系数对汽车横摆角速度和质心侧偏角有很大的影响[5]，当汽车轮胎与路面达到附着极限时，横摆角速度也对应着一个由路面附着系数决定的最大值。当理想的横摆角速度值超过此值时，统一按此值处理。如下为理想横摆角速度的限制值公式[6]：
ωr ≤μg /u (3)
本文定义理想质心侧偏角为0，将质心侧偏角控制在理想范围内对于汽车的轨迹保持有很大提高。
3 控制系统设计
车辆的稳定性控制可分为两类问题: 一类是
轨迹保持问题，可以由质心侧偏角来描述；另一类是稳定性问题，可以由横摆角速度来描述。这两个控制变量是相互影响的，因此同时较好地控制这两个变量是控制器开发的重点和难点。本文以横摆角速度和质心侧偏角的状态差异作为控制输入，采用模糊控制理论，将实际横摆角速度与理想横摆角速度的差值、实际质心侧偏角与理想质心侧偏角的差值作为模糊控制器的输入，得出控制器起作用时需要施加在当前车辆的附加横摆力矩，并通过制动力矩分配对每个车轮单独施加控制力矩。在Simulink 中的整体控制框图如图2所示。
3.1模糊控制器设计
汽车行驶状态是一个十分复杂的非线性时变系统，模糊控制[7]对于这一复杂的典型非线性系统具有很好的鲁棒性和适应性，但是也存在一定缺陷，这只是根据专家经验以及人为的经验定义的语言规则，比较缺乏理论性，不过具有很好的控制效果。本文以实际横摆角速度与理想横摆角速度的差值、实际质心侧偏角与理想质心侧偏角的差值作为输入，补偿横摆力矩作为输出，也就是两输入一输出的模糊控制系统，补偿横摆力矩可由控制器根据输入数据计算得出，最后由制动力分配逻辑模块传递给各个车轮的控制器。
横摆角速度误差和质心侧偏角误差、输出附加横摆力矩的论域设为[-6，6]，模糊控制精确与否，与量化因子和比例输出因子有很大的关系，需要不断地调试来确定一组最好的值来使得车辆的控制效果达到最好。采用if ...hen 的语言控制规则，一共定义了49条规则。具体控制规则如图3所示。
图4、图
5、图6所示为2
个输入和1个输出的隶属度分布图。
图1 整车参数
Fig.1 Vehicle parameters
图3 语言规则Fig.3 Language rules
图2 模型框图
Fig.2 Model block diagram
Memory
Constant
二自由度模型
附加横摆计算模块
方向盘
车轮载荷
制动力分配
Scope
CarSim S-Function
Vehicle Code: i_i
Scope2
Scope1
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第57卷第3期
3.2汽车失稳状态判断
横摆角速度和质心侧偏角是表征汽车稳定性的重要指标[8]。如果汽车质心侧偏角过大，汽车就容易发生失稳。如果横摆角速度过大并且达到一定的阀值，汽车就会发生侧滑或者甩尾等危险工况。因此本文选择横摆角速度和质心侧偏角来判断汽车的稳定性，车辆稳定性判断标准如下：
c c 112G b b
+o (4)c G ~~D (5)
式中：c 1、c 2——常数；Δω=ωr -ω。3.3附加横摆力矩分配
当汽车处于不稳定状态时，根据汽车当前的状态和控制要求，汽车对不同车轮施加控制力所产生的稳定性效果不同。理论研究表明，当汽车的行驶状态处于过度转向时，对外侧前轮制动，具有最佳的控制效果，当汽车不足转向时，对内侧后轮制动效果最佳，状态流根据设定的控制逻辑将横摆力矩分配到制动效果最佳的单个轮胎上，具体逻辑图如图7所示。制动车轮选择规则
如表1所示。假设方向盘左转为正，横摆角速度逆时针为正。
表1 车轮选取规则
Tab.1 Wheel selection rules
方向盘转角
Δω=ωr -ω
转向特性制动车轮>0>0过度转向右前轮<0<0过度转向左前轮<0>0不足转向右后轮>0
<0
不足转向
左后轮
4 联合仿真分析
车速为80 km/h，路面附着系数为0.5的湿滑路面，正弦输入幅值为270°的方向盘转角，仿真时间10 s，步长为0.001。仿真结果分别如图8、图9所示。
申保川 等：基于CarSim 的ESP 控制策略研究与仿真
图9 质心侧偏角对比图
Fig.9 Contrast diagram of sideslip angle
图8 横摆角速度对比图
Fig.8 Yaw velocity contrast diagram
横摆角速度/(r a d /s )
403020100-10-20-30-40
0 2 4 6 8 10
时间/s
有控制无控制期望值
质心侧偏角/d e g
10
50-5-10-15-20
0 2 4 6 8 10
时间/s
有控制无控制
（下转第90页）
图7 Stateflow 逻辑图Fig.7 Stateflow logic diagram 1
11
3
33322
44
4412
2
1
2
state0
entry: L1=0; R1=0; L2=0; R2=0during: L1=0; R1=0; L2=0; R2=0
state3
entry: L1=0; R1=1; L2=0; R2=0during: L1=0; R1=1; L2=0; R2=0
state3
entry: L1=0; R1=1; L2=0; R2=1during: L1=0; R1=1; L2=0; R2=1
state2
entry: L1=0; R1=0; L2=1; R2=0during: L1=0; R1=0; L2=1; R2=0
state1entry: L1=1; R1=1; L2=0; R2=0during: L1=1; R1=1; L2=0; R2=0[delta<=0&e<0]
[delta<=0&e<0][delta<=0&e<0][delta>=0&e<0]
[delta>=0&e<0]
[delta>=0&e>0]
[delta==0&e>0]
[delta>=0&e>0]
[delta>=0&e<0]
[delta<=0&e<0][delta<=0&e>0][delta<=0&e>0][delta>0&e>0|delta==0&e>0]
[delta>0&e>0|delta==0&e>0]
[d e l t a <=0&e >0]
[delta<0&e<=0]
[e<=0]
[e==0]
[e==0][e==0]
图6 输出1隶属度
Fig.6 Output 1 membership degree
图4 输入1隶属度
Fig.4 Input 1 membership degree
图 5 输入2隶属度
Fig.5 Input 2 membership degree
1.0
0.5
1.0
0.5
1.0
0.5
-6 -4 -2 0 2 4 6
ew
-6 -4 -2 0 2 4 6
ew
-6 -4 -2 0 2 4 6
m
NB NM NS ZE PS PM PB
NB NM NS ZE PS PM PB
NB NM NS ZE PS PM PB
90农业装备与车辆工程 2019年
根据拓扑优化所得的材料分布，重新排布桁架结构中的梁的分布，可得到新的桁架结构，对优化后的桁架结构进行静力学分析，并对比优化前与优化后的最大应力、最大变形以及结构质量。对比结果如表3所示。
表3 拓扑优化后静力学性能对比
Tab.3 Comparison of static mechanical
property after topology optimization
优化前优化后变化大小/%最大应力/MPa172105-39.000
最大变形/m0.028 70.028 0 -2.439
结构质量/kg 2 400 2 303 -4.040
从表3中可以看出，经过拓扑优化后的桁架结构在静力学的作用下，最大变形减小了2.439%，同时其
最大应力有了大幅下降而且整体质量有所减轻。
3 结论
本文针对扶梯桁架的地震安全性问题，利用有限元分析软件ANSYS并基于运动学方程及非线性理论，对扶梯桁架产品进行了大变形非线性屈曲分析，通过分析桁架的变形、应力和支反力随时间的变化，对扶梯桁架的地震安全性进行了评估，分析结果与试验结果接近，验证了有限元分析方法的可行性，说明该方法可用于地震安全性评估项目，同时对桁架结构进行优化设计达到了提升性能同时节省材料的目的。
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作者简介王艳（1969— ），女，教授，特种加工。E-mail：yanwang909909@163
王强（1993— ），男，硕士研究生。机械制造及其自动化，特种加工。E-mail：wangqiangvip123@126
从正弦工况的横摆角速度对比图中可以看出，在横摆角速度波动比较大的时间段，带有控制器的车辆将横摆角速度控制在稳定范围，使得带有模糊控制的曲线可以很好地跟随理想横摆角速度的变化曲线，而未施加控制的横摆角速度变化过大，易出现失控现象。从质心侧偏角的对比来看，带有控制器的车辆可以很好地将质心侧偏角稳定在5°以内，将车辆控制在了稳定范围之内。
5 结语
通过CarSim建立的27自由度整车模型与在MATLAB/Simulink中建立的控制器进行联合仿真，控制器的核心以模糊控制为主，将横摆角速度差值和质心侧偏角差值作为控制对象，是汽车恢复稳定的附加横摆力矩作为输出，经过制动力矩转换模块和通过车辆的失稳性判断并结合Stateflow状态流选取相应车轮施加控制。仿真结果表明，本文所设计的控制器能够及时对车轮施加控制，使车辆保持一定的稳定性和安全性，以及相对较好的运动轨迹。
参考文献
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作者简介 申保川（1993— ），男，硕士研究生，研究方向：汽车系统动力学。E-mail：342271807@qq
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