1  引言

    随着道路交通条件的改善以及汽车技术的进步，现代汽车的行驶车速得到极大提高。据统计，车速在80km/h到100km/h之间行驶的汽车发生的交通事故中，大约40%是与汽车侧向失稳有关。车速越高，由于汽车失稳引发的交通事故的比例越大，当车速超过160km/h时，几乎每一起事故都是由于侧向失稳而造成的。如何提高汽车行驶安全性是现代汽车研究的重要课题之一。

    1986年12月，Bosch公司第一次将ABS (Anti-lock Braking System，制动防抱死系统) 和TCS（Traction Control System，牵引力控制系统）控制技术相结合应用于Mecedes S级轿车上^[1]。ABS和TCS都只是在加速和减速时工作，通过控制纵向滑移率保证汽车在制动和驱动时的纵向动力学性能，防止制动时轮抱死和驱动时轮打转，同时达到间接控制在减速和加速时的侧向稳定性。在极限转向工况下，所受的侧向力接近轮胎与地面的附着极限或达到饱和而引起的汽车不足转向和过度转向时，汽车将丧失操纵稳定性，ABS和TCS对此无能为力。因此，汽车稳定性控制系统不但要有ABS与TCS的功能，而且要在所有行驶工况下，能够自动并及时地帮助驾驶员改善汽车侧向稳定性，以防止汽车侧滑、甩尾、侧翻，这是时代对汽车提出的一种新型的主动安全要求。

    汽车稳定性控制一般认为出现在1995年。1995年，Bosch公司提出了VDC的概念^[2]，后称ESP^[3]。TOYOTA公司也提出了VSC的概念^[4][5]。1996年BMW公司和Bosch公司合作推出了DSC3 ^[6]。Continental Teves公司也以MK60液压调节器为基础进行ESC (Electronic Stability Control)的研制与开发^[7]。Bosch 和 Continental Teves是世界汽车技术的两个最大供应商，也是ESP的主要供应商。

    不同的汽车生产商对汽车稳定性控制系统有不同的名称。如：Electronic Stability Program―ESP（Audi, Chrysler, Mecedes, VW），Dynamic Stability Control―DSC（BMW, Mazda），StabiliTrak（BUICK, Cadillac），AdvanceTrac （Ford, LINCOLN），Vehicle Dynamics Control―VDC（NISSAN），Vehicle Stability Control―VSC（TOYOTA, LEXUS）等，但其组成与功能大体一致，本文统一用ESP。这些汽车生产商家有的把ESP作为标准配置，有的作为选装设备。例如，自1999年，Mecedes-Benz 就把ESP作为其生产的轿车标准配置。

2 ESP的基本原理

    ESP 可分为两类问题： 一类是轨迹保持问题，可由汽车的质心侧偏角来描述；另一类是稳定性问题，可由汽车的横摆角速度来描述。ESP以横摆角速度和质心侧偏角作为被控变量，它们之间是互相耦合的。Bosch的ESP以横摆角速度γ为主要控制目标，而TOYOTA的VSC以质心侧偏角β为主要控制目标。
    当汽车前轮侧向力达到附着极限时，会产生汽车的“漂移”(Drift-out)现象，在这种情况下，汽车的转弯半径比驾驶员所期望的要大，导致不足转向(Under Steer)，这时横摆角速度γ小于名义横摆角速度γ_d。当后轮侧向力达到附着极限时，会产生汽车的“激转”(Spin-out)现象，转弯半径比驾驶员期望的小，导致过度转向(Over Steer)，这时横摆角速度γ大于名义横摆角速度γ_d，汽车产生较大的横摆角速度和侧偏角，驾驶员很难控制汽车。汽车不足与过度转向如图1所示。

图1  不足转向（Under Steer, γ<γ_d ）与过度转向（Over Steer, γ>γ_d）

    基于驾驶员的转向输入和汽车速度，名义横摆角速度可用下式计算^[2]：
                                                          (1)
    式中  是稳定性因数，l_rC_r-l_fC_f称作稳定裕度，v_x为车辆纵向速度，δ_f为前轮转向角，l为轴距，l_f为汽车重心到前轴的距离，l_r为汽车重心到后轴的距离，C_f、C_r分别代表整个前轴、后轴的侧偏刚度。

    如果路面附着系数足够高，式(1)这种关系表现出良好的性能。但是在低附着路面上，采用式(1)计算的名义横摆角速度已不可取。当汽车的侧向加速度不能大于最大的附着系数时，名义横摆角速度可用如下界定^[8]：
                                                          (2)

    为了降低成本，目前商业化的ESP没安装传感器直接测量质心侧偏角β，只能通过估计算法得到其估计值^[9]。名义侧偏角值β_d必须控制在小的可允许的范围内，如果考虑为0，即为零侧偏控制。

    当轮胎侧向力接近附着极限时，汽车将丧失稳定性。但汽车的中性转向(Neutral Steer)和稍微转向不足，就能使汽车具有操纵稳定性。因此ESP的控制原理为：ESP的ECU（Electronic Control Unit，电子控制单元）根据方向盘转角传感器、制动主缸压力传感器的信号、油门踏板位置判断驾驶员的驾驶意图，计算出名义的汽车运行状态值。ECU根据检测得到的实际汽车状态与名义汽车状态的误差，通过控制逻辑计算出稳定横摆力矩，使汽车按驾驶员预定的轨迹行驶。

3  稳定横摆力矩(Stabilizing Yaw Moment)

    通过影响前后轴侧向力的平衡或差动制动力可产生稳定横摆力矩。通常有如下几种方案可以实现：

   主动转向系统（如主动前轮转向，主动后轮转向，4WS）：控制前/后轮转向角；

   可控悬架系统（如主动悬架，防侧倾稳定杆，可控阻尼减振器）：控制前后轴侧倾力矩的分布；

   DYC (Direct yaw control, 直接横摆力矩控制)：控制驱动力和制动力。

   受汽车本身的限制，前两种方式不普遍。要通过控制车轮转向角来实现控制汽车的横摆稳定性，汽车必须具有主动转向系统。要控制作用在车轮上的垂直载荷分布，汽车必须具备可控悬架系统。

    主动转向系统在汽车的线性范围内（侧偏角和驱动/制动力较小时），通过控制前后轮转向角能够影响轮胎的侧向力，减小汽车的侧偏角，比较有效的改善汽车的侧向稳定性和操纵性能^[10]。但当汽车的运动处在很大的非线性状态时，如在高速大转弯、猛烈刹车或加速时，车轮侧偏刚度迅速下降。汽车对转向己没有响应或响应很有限，尤其是当车轮与路面的作用力达到附着极限时，汽车就失去转向能力^[11]。

    可控悬架系统通过控制前后轴的侧倾力矩分布，改变车轮上的垂直载荷分布，进而影响侧向力，这样可产生稳定横摆力矩改善汽车操纵稳定性能^[12]。它必须在很大的侧向加速度作用下才有效，当侧向加速度小于0.5g时，其控制效果不明显。再者，控制效果也取决于垂直载荷分布。

    在上世纪90年代初，通过对汽车稳定性进行分析，提出了直接对汽车横摆运动进行控制的概念，即 DYC^[13][14]。它判断驾驶员的转向意图，并通过制动力或驱动力在车轮上的分配来调节汽车的横摆运动，来保障汽车的稳定性。

    随着 ABS 和 TCS 的成熟，汽车的驱动力和制动力已经比较容易控制。再说，驱动力和制动力的控制对汽车的具体设计也没有特殊要求。即使轮胎侧偏力接近饱和，轮胎仍有一定的裕度产生来产生纵向力。而主动转向系统则不能进一步产生足够的侧向力控制汽车运动。因此，当侧偏角变得更大，轮胎侧向力接近饱和时，尤其在低附着路面上，DYC比主动转向系统有更高的有效性，即在汽车动力学和轮胎特性的非线性范围内DYC是更有效的。所以，通过对驱动力和制动力的控制实现稳定横摆力矩是最通用的方法，也是目前商业化ESP实现稳定横摆力矩的方法。

    由于车轮位置的不同，通过制动力所产生的稳定横摆力矩的能力也不一样。一般来说，前外轮最能提供外向的横摆力矩，对控制过度转向比较有效，而后内轮能最有效地给予内向的横摆力矩，对控制不足度转向比较敏感。Bosch和Continental Teves公司的ESP就是利用这个原理。当不足转向时，施加制动力于后内轮，当过度转向时，施加制动力于前外轮，如图2所示。

图2   ESP的横摆力矩控制 (a) 防前轮侧滑 (b) 防后轮侧滑

    一般来说，主要有三种情况ESP 需要对驱动力矩进行控制。

    (1)  在驱动工况下，为了产生稳定横摆力矩，必须控制驱动轮的平均驱动力矩和所需的驱动轮间的制动力矩差（即锁止力矩差值）；

    (2) 在严重不足转向的情况下，因车速过快，仅仅用制动力控制已超出其极限，这时，必须通过降低发动机的驱动力矩来使汽车减速。这对于前轮驱动的汽车效果更好；

    (3) 在严重过度转向的情况下，也因车速过快，仅仅用制动力控制已超出其极限，这时，必须通过降低发动机的驱动力矩来使汽车减速。这对后轮驱动的汽车效果更好。

图3  集成的底盘操纵稳定性控制

    既然DYC不能用任何的侧向力为控制，它不能直接控制侧向运动。这样DYC、主动转向系统和主动悬架的集成控制能弥补彼此的缺陷，实现最有效的底盘的操纵控制^{[15][16][17][18]}。目前汽车制造商和供应商己经开始联手研究和开发整体式底盘控制系统。ESP、悬架控制系统、转向控制系统集成的底盘控制系统如图3所示。

4 ESP的控制逻辑

    典型ESP是基于DYC原理的，它包括：

    (1)  传统制动系统：真空助力器、管路和制动器；

    (2)  传感器：4个轮速传感器、方向盘转角传感器、侧向加速度传感器、横摆角速度传感器、制动主缸压力传感器；

    (3)  其它：液压调节器、汽车稳定控制电子控制单元(ECU)和辅助系统发动机管理系统。

4.1  ESP控制结构

    ABS系统和ESP系统的重要区别是：ABS以车轮作为被控对象，通过控制轮速避免轮被抱死；而ESP系统以汽车作为被控对象，通过控制汽车运动使其偏离名义运动尽可能小。

    Bosch的ESP是其中比较典型的控制方法之一，采用多回路控制方法(Multi-Loop Control)，分为主回路和副回路，其结构如图 4所示。

图4   ESP控制结构图

    主回路横摆力矩控制器，控制整车的运动，它根据汽车行驶时的动态变量，计算名义横摆角速度。如果实际测量值偏离名义值，主控制器产生稳定横摆力矩，并将其转化为副回路的设定值，即名义轮滑移率值。副回路是制动和驱动滑移率控制器（即ABS和TCS），输出为执行机构的控制信号，包括轮的制动压力和发动机输出力矩。这样通过控制轮滑移率产生制动力和牵引力，获得汽车稳定横摆力矩，使横摆角速度和侧偏角跟踪其名义值。

    在驱动工况下，为了产生所需要的横摆控制力矩，从横摆力矩控制器获得被控变量：驱动轮的平均驱动滑移率、驱动轮间名义制动力矩差、驱动轮间所允许的滑移率差值的名义值。驱动滑移率控制器的输出为驱动轮名义制动力矩，节气门开度所调整的发动机名义驱动力矩，名义的点火延迟力矩，燃料喷射应该切断的发动机的油缸数及其切断时间。

4.2 控制算法

    大量文献已经阐述针对ABS、TCS、4WS、主动悬架、DYC等系统的高级控制算法。但由于汽车动力学的高度非线性和汽车参数的不确定性，商业化的ESP控制逻辑还是主要基于实验的知识。许多研究者提出非线性控制设计算法如自适应控制^[10]、滑模控制^[19]等，及智能控制算法如模糊控制、神经网络^[21]等。基于这些算法设计的控制器对于各种操纵工况和路面条件、汽车参数、轮胎参数的变化具有一定的鲁棒性。但在应用这些高级的控制理论到汽车的稳定性控制时，是有必要进一步的研究与观察汽车的动力学，考虑轮胎侧向力、纵向力、垂直载荷和侧向力饱和特性之间的非线性关系。非线性特性的处理将是最重要的问题，克服轮胎非线性动力学特性需进行大量的挑战性研究。汽车侧偏角和轮路附着系数的估计或测量对于ESP也是关键技术之一。

5 结语

    只要汽车继续存在，汽车安全就是人类须面对的永久课题挑战。ESP 是继安全带与安全气囊后，又一个汽车安全系统的里程碑。现今ESP已不再是豪华轿车才有的标准装备，它也会像ABS一样逐渐在各种类型的车辆上得到普及。

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