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重型车辆防侧翻控制研究

韩雪雯;何锋;陈江生

【摘要】针对重型车辆极限工况下易侧翻问题,建立重型车辆三自由度模型,并利用

Trucksim建立被控重型车辆模型,以横摆角速度跟踪误差定义积分形式的切换函数,

设计一种基于差动制动的模糊滑模控制器.当横向载荷转移率(LTR)超过侧翻因子时,

模糊滑模控制求解出车辆所需的目标横摆力矩,根据制动轮选取逻辑对车轮差动制

动.通过Trucksim和Simulink对重型车辆防侧翻控制器进行联合仿真,结果表明该

控制器提高了车辆在行驶过程中抗侧翻能力,保证了车辆良好的操纵稳定性和路径

跟踪能力.

【期刊名称】《机械设计与制造》

【年(卷),期】2018(000)007

【总页数】4页(P206-209)

【关键词】重型车辆;模糊滑模控制器;侧翻因子;差动制动

【作者】韩雪雯;何锋;陈江生

【作者单位】贵州大学机械工程学院,贵州贵阳550025;贵州大学机械工程学院,

贵州贵阳550025;贵州大学机械工程学院,贵州贵阳550025

【正文语种】中文

【中图分类】TH16;TP399

1引言

重型车辆作为交通运输的重要工具，由于其具有质心高、载重量大等特点，在高速

转向和变道等极限工况下，易发生侧翻，给人员和财产造成重大损失。据美国国家

道路交通安全局（NHTSA）统计数据显示，在所有车辆事故中虽然侧翻事故仅占

1.7%，但由侧翻事故所引起的乘员受伤达3.9%、死亡高达9%[1]。

国内外针对主动悬架和主动横向稳定杆[2-4]等防侧翻控制开展了大量研究，但这

些控制需要额外施加主动控制器，成本较高。目前通过差动制动控制减小车辆的横

摆角速度，提高车辆的横摆稳定性是研究的热点[5]。文献[6]建立26自由非线性

动力学模型，对所设计的差动制动防侧翻控制系统在紧急避让工况下仿真，结果证

实了所设方案的可行性并有效防止了车辆侧翻。文献[7]通过线性二次静态输出反

馈和参数的敏感性降低方案设计了一种鲁棒控制器，仿真结果表明所提出的方法有

效地防止了车辆侧翻。文献[8]使用横摆力矩和主动后轮转向设计了模型预测开关

控制器，仿真结果提高了车辆防侧翻能力和路径跟踪能力，并证实了开关控制器的

有效性。文献[9]设计了基于差动制动和半主动悬架系统的控制器，结果有效降低

车辆的侧倾角，改善车辆的抗侧翻能力。设计了基于差动制动的模糊滑模控制器。

Simulink建立三自由度模型，被控车辆选用Trucksim软件中的重型车辆模型，

以横摆角速度跟踪误差定义积分形式的切换函数，采用模糊控制方法减轻滑模控制

存在的抖振问题，将其应用到差动制动防车辆侧翻，使用Trucksim中自带的极限

工况仿真试验，结果提高了车辆在行驶中的抗侧翻能力，保证车辆在极限工况下良

好的操纵稳定性和路径跟踪能力。

2三自由度动力学模型

对重型车辆简化作如下假设：（1）车辆纵向车速为恒定值；（2）忽略转向系统，

前轮直接以等值转角位输入；（3）不考虑空气动力和滚动阻力；（4）忽略轮胎

回正力矩的影响且各个车轮机械特性相同；（5）悬架和轮胎均为线性，且二者平

行。重型车辆三自由度动力学模型，如图1所示。

图1车辆三自由度模型Fig．1Modelof3DOFforHeavyVehicles

横摆运动方程：

侧倾运动方程：

式中：m—整车质量；ms—簧载质量；h—侧倾中心到质心的距离；Φ—侧倾角；

δ—前轮转角输入；Ff、Fr—前轴、后轴所受侧向力；Iz—绕z轴线的横摆转动惯

量；Ix—簧载质量绕x轴线的等效转动惯量；rd—横摆角速度；a—质心到前轴的

距离；b—质心到后轴的距离；ay—车辆侧向加速度；c—悬架等效侧倾阻尼系数；

k—悬架等效侧倾角刚度。

利用三自由度模型对车辆侧倾预测较为精确，可得到车辆稳态下各个参数的状态变

量。

建立如下动力学方程：

侧向运动方程：

3防侧翻控制策略

3.1差动制动原理

差动制动主要通过控制车辆某个车轮上的制动力，产生相应的目标横摆力矩，改变

车辆因急转向产生的侧倾运动，使车辆的横摆和侧倾运动得到有效的控制[10]。对

不同的车轮单独进行差动制动时，横摆力矩随着施加的制动力变化而变化。通过对

车辆前外轮施加制动力，所产生的横摆力矩与侧向力减小所产生的横摆力矩方向相

同，与车辆运动方向相反，可降低侧向加速度，因此选择对前轴外侧车轮施加制动

力的方式实现车辆的稳定性控制。

3.2