车身稳定控制系统仿真与设计开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

(1)总述：随着科学技术的发展，人们的生活质量水平稳步提高，特别是我国开革开放以来经济水平、科技水平等多方面快速提高，汽车销量近年来迅猛增长，据公安部统计，2019年全国新注册登记机动车3214万辆，机动车保有量达3.48亿辆，其中新注册登记汽车2578万辆，汽车保有量达2.6亿辆；机动车驾驶人达4.35亿人，其中汽车驾驶人3.97亿人。根据世卫组织《2018年道路安全全球状况报告》指出近年来虽然城市道路交通安全有所改善，但每年全球仍有大约135万人死于道路交通安全事故，在我国如此大的人口基数与车流密度的情况下，交通事故的分析预防对人民的健康财产至关重要。因此，如何提高汽车的安全性能逐渐成为汽车领域重点课题。汽车的安全性一般分为主动安全性和被动安全性，主动安全性是指汽车在交通事故发生前，能主动避免事故的发生，保证汽车稳定行驶的系统。近年来，汽车稳定控制系统得到了越来越多的普及应用和研究称为汽车主动安全重点研究对象。近年来，随着电子技术的不断发展，现代控制理论的不断完善，人们先后设计了各种车辆主动安全控制系统[1]，如在转向子系统中包括主动前轮转向（Active Front Steering, AFS）、主动后轮转向（Active Rear Axle Kinematics, ARK）以及四轮转向（Four Wheel Steer, 4WS）等；在悬架子系统中，基于各种智能控制策略，出现了主动悬架系统（Active suspension System, ASS），半主动悬架系统（Semi-active suspension System, SAS）等；在驱动/制动子系统中发展出了防抱死制动系统（Anti-lock Braking System, ABS）、可变力矩分配控制系统（Variable Torque Distribution, VTD）牵引力控制系统，牵引力控制系统（Traction control System, TCS）。基于ABS、TCS等系统的硬件部分，加入软件算法，形成了车身稳定控制系统。美国公路交通安全管理局（ NHTSA ）在统计分析了大量的交通安全数据后得出，汽车在装备稳定控制系统系统的情况下，能有效缩减 32% 的轿车事故发生率和57% 的SUV事故发生率[2]，当车身稳定控制系统装配率从70%上升至100%时，在全部乘用车事故中将减少1547-2534人死亡和46896-65800人受伤[3]。车身稳定控制系统由于其高效的主动安全性能，称为各大汽车厂商以及各研究机构的热点。

随着汽车稳定控制系统普及，全球很多汽车厂商均为其生产的车辆配备了汽车稳定控制系统程序，对其命名各不相同，如表1.1所示[4]：

表1.1 部分汽车厂家稳定系统的命名

为方便表述，本报告以电子稳定控制系统（Electronic Stability Control,ESC）代表汽车稳定控制系统。为此，本研究内容以ESC现有研究水平为基础，通过阅读前沿与经典参考资料，进行ESC控制器的研究开发，并通过仿真，验证ESC的有益效果。以提高汽车行驶安全性能。（2）国外研究现状分析：

国外对ESC的研究起步较早，在90年代初，汽车动力学稳定控制问题就成了相关学术界热点。1992年Shibahata, Yasuji等人[5]研究了直接横摆力矩（Direct Yaw moment Control，DYC）在汽车操纵方面的应用。1995年德国Bosch公司VAN Zanten AT最早提出集成制动防抱死系统（Antilock Brake System，ABS）、牵引力控制系统（Traction Control System，TCS）、主动横摆力偶矩控制（Active Yaw Control，AYC）的分层ESC系统结构，并与Mercedes-Benz公司合作研制出产品，其结构如图1.1所示[6]：

图1.1 ESC整体结构ESC相关的研究[7-11]大多都是在此解决方案框架下针对不同模块展开，主要包括驾驶员意图识别[12]、关键状态量观测[13]、上层横摆力矩控制策略[8,13]、以及底层轮缸制动力控制策略[2]等。随着车载芯片运算能力的逐步提高，国外也有很多学者在ESC中加入其主动安全技术。如Mashadi[14] 等人研究了模型预测在ESC控制策略中的应用。Milad Jalali等人的研究[13]将AFS和AYC进行协调控制，取得了很好的控制效果。Jalali, Kiumars等人[15]研究了轮胎力矢量控制与基因模糊控制的主动转向相结合的集成控制方法。目前，全球主要有五大汽车电子稳定控制系统供应商，分别是：德国博世（Bosch）、日本电装（Denso）、爱信精工（Aisin Seiki ）、美国天合（TRW）和德尔福（Delphi），截止到2014年，全球累计销售的50%以上汽车都装备了由德国博世集团生产的ESP产品[16]。基于汽车发展区域集成化智能化，ESC相关产品与不同的控制系统在整车上进行了集成。例如大众推出的TRM-450型ESC系统与多达14项不同功能的系统进行集成。最新版的Bosch ESP产品就与夜视系统、车道偏离系统、紧急制动辅助系统、自适应巡航系统、电动转向系统进行了高度集成和扩展。（3）国内研究现状分析：国内关于ESC系统的研究起步较晚，尚无自主产权且批量生产的汽车稳定控制系统产品。2000年以后，国内的学者开始了相关的研究，郭孔辉院士的团队对ESC仿真进行了深入研究，清华大学、吉林大学、北京理工大学、湖南大学、上海交通大学、同济大学等高校在ESC方面做了一定的基础研究工作。现阶段主要集中于学术理论研究，根据选用控制方法的不同分析如下。刘浩、叶阳、张照柏等人[17-24]根据模糊控制进行ESC控制器的设计，其中叶阳[19]进行了实车测试；周鑫华[22]将ESC与ERC（紧急侧倾控制，Emergency Roll Control）进行综合控制，并基于dSPACE仿真系统进行了硬件在环仿真（Hard In the Loop，HIL）。刘伟等人[16,25,26]基于滑模控制对ESC进行了仿真研究，其中刘伟[16]加入路面附着识别算法，以此调整质心侧偏角与横摆角速度在控制策略中的权重。陈杰、唐炎等[27-30]则探讨了神经网络在ESC控制应用，经仿真表明具有较强的自适应性。由上可知，由于缺少实车、系统硬件等试验条件，国内主要研究重点在于对控制策略和算法方面的研究。（4）目的意义：中国人口数量、汽车市场规模均居世界前列，但同时因交通事故伤亡的人数以及财产损失数目巨大。ESC因其出色的主动安全性能有效降低交通事故发生率，全球各地相继发布各类法规，将汽车电子稳定控制系统作为标准配置。由于我国研发起步较晚，汽车稳定控制系统与部分发达国家相比仍有很大差距，截止2014年，我国ESC装配率仅为22%。国内市场被上述国外公司垄断且尚无成熟可量产的ESC产品。因此对汽车电子稳定控制系统的研究与开发，尽早掌握核心技术，无论从理论研究还是市场应用都有一定的必要性和极其重要的意义。因此本研究的目的在于熟悉ESC控制系统结构，归纳分析ESC控制策略，并在掌握相关算法之后，比较控制方法优劣，选择并实现相关算法在ESC中的应用，最后进行仿真，完成控制策略改进以及性能评价。

2. 研究的基本内容与方案

（1）研究基本内容：电子稳定控制系统主要分为上层控制器和下层控制器。

其中上层控制器以车身被控变量为输入，以附加横摆力矩为输出。

在控制器的研究与开发中，常用的控制技术有pid控制、模糊控制、自适应控制、最优控制、模型预测控制、滑膜变结构控制、逻辑门限值控制以及神经网络控制等。

3. 研究计划与安排

第1-2周：查阅相关文献资料，明确研究内容，提出设计思路和内容，确定方案，完成开题报告和外文翻译。

第3-5周：熟悉车身稳定控制工作原理、数学原理和控制算法；

第6-10周：完成车身稳定控制数学模型搭建和仿真；

4. 参考文献（12篇以上）

[1] 郭建华. 双轴汽车电子稳定性协调控制系统研究[d]. 吉林大学, 2008.

[2] yim s, kim s,yun h j p o t i o m e, part d: journal of automobile engineering. coordinatedcontrol with electronic stability control and active front steering using theoptimum yaw moment distribution under a lateral force constraint on the activefront steering[j], 2016, 230(5): 581-592.

[3] lie a, tingvallc, krafft m, et al. the effectiveness of electronic stability control (esc) inreducing real life crashes and injuries[j], 2006, 7(1): 38-43.