文摘

由于系统的不同的功能使用的车辆底盘控制、分级控制策略也会导致各种各样的网络拓扑结构。根据分级控制的原则,本研究提出的底盘集成控制策略基于监督机制。目的是要考虑综合控制体系结构如何影响系统的控制性能可以干预后的网络。基于分层控制和模糊控制的原理,设计了模糊控制器,用于监控和协调ESP, AFS,农业研究所。和印度河流域文明系统是由上层监督控制器和三个副控制系统仿真软件平台。印度河流域文明的网络拓扑结构,提出了和印度河流域文明沟通矩阵设计了基于CAN网络通信。常见的传感器和subcontrollers可以网络独立的节点,网络诱导延迟和丢包率对系统控制性能仿真研究。仿真结果表明,该方法可用于设计车辆的通信网络。

1。介绍

从当前的发展车辆底盘控制系统的集成和网络趋势是非常明显的1]。系统控制和网络的体系结构有不同程度的影响在底盘的稳定性控制。由于系统的不同的功能使用的车辆底盘控制、分级控制策略也会导致多种系统的网络拓扑结构和分布计算任务。在上个世纪的80年代,研究人员开始将复杂的底盘控制问题分解成一系列副控制系统,然后使用一种机制来协调子系统之间的动态关系以满足控制要求。因此,研究和讨论底盘集成控制体系结构的形式(2- - - - - -9开始成为焦点。

至于车辆底盘综合控制策略而言,大量研究表明,分层控制可以有效地减少操作不同的功能子系统之间的冲突,并迅速和有效地使车辆获得最佳性能。大量的文献[2- - - - - -4)底盘控制划分为不同的副控制系统根据垂直,横向,和正常的控制系统,底盘的综合优化控制实现分层控制策略。李等人提出了底盘集成控制结构的基础上,结合主循环和伺服回路和讨论的问题,不同的底盘(定向力和力分布6]。

Chang和戈登底盘控制系统分为三层实现主动避撞控制(8]。使用独立的控制单元的系统架构的底盘集成控制与上层协调控制(10)可以有效地调整控制单元的合作,避免冲突的控制器,使汽车获得最佳的运行状态。通过分析复杂的工作条件,监督机制用于协调多个车辆底盘控制系统,可以达到很好的控制效果的系统集成11]。

由于这些原因,本文首先根据分级控制的原则,提出了集成控制策略基于监督机制的底盘。基于该控制策略的有效性的验证,研究的目的是要考虑综合控制体系结构如何影响系统的控制性能可以干预后的网络。一些探索性仿真研究。为了方便讨论,网络的集成控制系统基于网络通信的车辆底盘略IVC-NCS,即综合车辆Chassis-Network控制系统。

2。车辆的动力学模型

目前,国际汽车坐标系统主要有两种12):一个是SAE车辆坐标系美国汽车工程师学会和另一个是ISO国际标准化组织发布的工具坐标系。摘要SAE车辆坐标系用于建模、计算,车辆动力学分析。基于上述假设,非线性车辆动力学模型有八个自由度。

有很多轮胎模型计算复杂非线性路面和轮胎之间的力。项目中最常用的是魔术公式提出Pacejka荷兰的13,14)和统一的轮胎模型的整体条件提出的郭Konhui中国(15]。本文使用Dugoff轮胎模型(16),通常用于计算机模拟。它属于分析模型,参数是小和容易获得。

3所示。IVC-NCS基于监督机制的体系结构

图1显示了IVC-NCS基于监督机制的体系结构。三个副控制系统ESP, AFS,农业研究所。每一个子系统都可以根据当地的计算状态变量控制。基于车辆的全局状态,上层控制器法官监督功能重量通过为每个副控制车辆稳定系统。执行机制的实现是由每个副控制和控制体重的计算结果。

3.1。ESP副控制系统

特别是以处理稳定为控制目标在整个车辆的关键条件。通过控制四个车轮的制动强度,完成车辆主动安全的电子控制。偏航率跟踪控制目标运用在正确的车轮制动力修正车辆的不稳定状态。系统采用滑模控制策略,跟踪误差的偏航率被定义为滑模变量: 在哪里实际的偏航率和什么是理想的偏航率。

的条件达到滑动面被定义为 在哪里和都是积极的常数,反映了偏航的响应速度跟踪控制器,展示了系统的收敛速度滑模面,偏航率的跟踪误差,边界层的厚度。

滑模控制器满足李亚普诺夫稳定性条件的意义。

忽略车辆的倾斜和考虑公式(2),当ESP控制系统作用于制动单车辆,得到额外的偏航率扭矩的计算公式: 在哪里是额外的偏航力矩产生的纵向动力或制动力量,是汽车的惯性矩的身体设在,是前轴垂直重心的距离,从质心的垂直距离后桥,地面的纵向力在左前轮胎,是地上的纵向力右前轮胎,地面的纵向力在左后胎,是地上的纵向力右后轮胎,是理想的偏航率,反映了偏航的响应速度跟踪控制器,展示了系统的收敛速度滑模面,偏航率的跟踪误差,边界层的厚度。

为了提高不稳定状态在极端条件下,时应用于内后轮制动力车辆的转向不足,或制动力应用于外前轮当车辆转向过度。它可以迅速和有效地提高车辆的稳定性。因此,额外的偏航力矩计算公式(3)被转换为等价的制动力,可以应用于轮最有效的制动力。

3.2。AFS副控制系统

车辆底盘、转向系统的一个相对独立的副控制系统如AFS增加调整前轮角获得IVC-NCS的最佳性能。

系统采用滑模控制策略,跟踪误差的偏航率被定义为滑模变量: 在哪里实际的偏航率和什么是理想的偏航率。

的条件达到滑动面被定义为 在哪里 在哪里和都是积极的常数,反映了偏航的响应速度跟踪控制器,展示了系统的收敛速度滑模面,偏航率的跟踪误差,边界层的厚度。

的控制律对前轮转向角 在哪里是横向车速,是实际的偏航率,是理想的偏航率,反映了偏航的响应速度跟踪控制器,展示了系统的收敛速度滑模面,偏航率的跟踪误差,边界层的厚度。

根据两个自由度的车辆模型,,在那里是前轴垂直重心的距离,俯仰阻尼,是汽车的惯性矩的身体轴。

和,在那里从质心的垂直距离后桥,施法者阻尼,是前轴垂直重心的距离,是汽车的惯性矩的身体设在,是纵向速度。

和,在那里是前轴垂直重心的距离,俯仰阻尼,从质心的垂直距离后桥,施法者阻尼,是汽车的惯性矩的身体设在,是纵向速度。

3.3。农业研究所副控制系统

主动四轮转向技术可以提高车辆的操纵稳定性在高速和低速控制的灵活性。理想的偏航率计算了两个自由度的车辆模型跟踪目标。所以ARS轮转向角作为控制变量。

系统采用滑模控制策略,跟踪误差的偏航率被定义为滑模变量: 在哪里实际的偏航率和什么是理想的偏航率。

的条件达到滑动面被定义为 在哪里 在哪里和都是积极的常数,反映了偏航的响应速度跟踪控制器,展示了系统的收敛速度滑模面,偏航率的跟踪误差,边界层的厚度。

为了抑制高频率的震动引起的频繁开关滑动面,被认为是边界层的厚度。反映了偏航跟踪控制器的响应速度,反映了系统如何到达滑动面。

3.4。上层监督控制器设计

监督控制器的控制思想如下:判断车辆的稳态稳定性因素,分布的重量控制功能的三个subcontrollers,每个副控制和协调的输出。

首先,前后车轮的稳定因素被定义为(17] 在哪里是前轮的可能性进入下滑状态和是相应的侧滑角的中间左右车轮在前轴上: 在哪里是后轮的可能性进入下滑状态和是相应的侧滑角的中间左派和右派在后桥车轮。

和可以通过分析之间的关系相平面和轮胎的转向稳定性18]。

和显示相应的车轮开始边的可能性。值越大,对应边下滑的可能性越大轮,即轮提供的控制幅度越小。相反,值越小,相应的轮的有效力量就越大。

通过多次模拟测试,当和小于0.7时,前轮和后轮主动转向控制可以满足车辆的需求稳定。当或大于1.3,ESP的使用可以更有效的纠正过多或缺乏指导的状态,从而保持车辆稳定快速。当和范围从0.7到1.3,稳定系数较小的车轮在车辆稳定性控制提供更大的作用。在此基础上,设计模糊逻辑控制器的设计如下。

控制器需要前面的稳定因素和罕见的轮子,如和,作为输入。隶属度函数在相同的范围和模糊子集如图2(一个)。控制器的输出是控制重量的三subcontrollers范围。

AFS和ARS的隶属度函数是相同的,和模糊子集如图2 (b)。ESP副控制的隶属函数如图2 (c)和模糊子集。收集信件如下:年代很小,M是媒介,和B是大的。

考虑到实际应用的计算和实时,所有变量的隶属度函数很容易计算的程序,如三角函数或梯形函数。表1印度河流域文明的展示了模糊控制器的推理规则。

4所示。网络拓扑IVC-NCS设计

根据系统控制策略的印度河流域文明,加上车辆稳定性的控制要求,以下几点是设计的基础。实际车辆空间布局的局限性如下:因为可以网络协议和相应的国际标准限制的长度分支连接节点和通信的树干,所以网络节点在实际空间布局的一个主要考虑网络拓扑结构。如ARSC AFSC,他们分为两个单独控制单元控制系统,有助于连接传感器和执行机构。

负载能力约束的网络通信如下:IVC-NCS,如果所有传感器、控制器、执行机构作为独立的网络节点存在和网络在250 Kbps的工作由车辆SAE的高速网络,只有从理论计算可以通信能力,其负载能力难以满足控制要求。通信速度增加到500 Kbps,节点的抗干扰能力差,因此很难实现高速通信在恶劣的电磁环境。

子系统的实时要求如下:三个子系统IVC-NCS是相对独立的闭环控制系统。ESP子系统对轮速信号的实时更高的要求,这就需要快速反应的执行机构根据控制命令。

许多系统被设计为独立所需的传感器网络节点。副控制系统采用传统的点对点连接的控制器、传感器和执行机构。它的对象是获得满意的实时性能和可靠性。

基于上述分析,网络图3设计为IVC-NCS结构。网络可以作为控制器节点的通信媒介,每个子系统与传统的点对点的方法。考虑到ESP系统在极端条件下的车辆稳定性有明显的影响,监督控制系统的任务和ESP的控制计算分配给一个节点。

控制器的传感器信号为基础来判断车辆的状态和控制指令。当网络通信负载突然增加时,低水平传感器的信号丢失的概率将显著增加。因此,为了确保传感器信号传输的实时性能,传感器节点的消息优先级设置更高的为了避免损失控制周期的消息,导致控制不稳定。表2显示了IVC-NCS的沟通矩阵表。消息Msg7 Msg9,作为执行机构的状态信息,可以帮助控制器节点理解操作系统的地位。因为他们不参与控制计算,所以优先级低,传输周期相对比较大。

5。仿真和结果分析

根据与八自由度非线性车辆模型,计算车辆的状态,用于模拟仿真软件平台。IVC-NCS的性能之前,印度河流域文明系统模拟和测试来验证了控制器的有效性。

5.1。下腔静脉系统控制的有效性验证

为了验证印度河流域文明系统的有效性,正弦曲线和步曲线最大值5度(约0.087 rad)车辆方向盘的输入模拟车辆在不同输入的跟踪响应偏航率。根据转向系统的传动比,前轮转向角的相应输入曲线如图4(一)。车辆以一个好的道路附着系数为0.85,和初始速度是25米/秒。

数据4 (b)和4 (c)是车辆偏航率的响应曲线在不同角度输入。可以看出,控制汽车的偏航率可以迅速和有效地跟踪理想值与系统相比没有控制。对正弦输入,车辆是一个非标准的执行单行道改变测试。这个时候由于调整前轮角变化的函数,所以明显下滑后,偏航率是定居在零值,如图4 (b)。

方向盘角阶跃输入下的图4 (c),飞机的偏航率没有控制不能跟踪理想的价值,它表现为分化的趋势。所以车辆不能达到稳定的圆周运动和展期,因为不稳定的。汽车的偏航率控制器擅长跟踪理想值。印度河流域文明仿真结果表明,系统能有效地提高车辆稳定性的临界条件,验证了控制系统设计的有效性。

5.2。IVC-NCS基于仿真分析

为了研究后,设计了印度河流域文明系统的性能变化可以网络参与控制,车辆的稳定性研究使用相同的阶跃输入的方向盘。初始速度是25米/秒,路面附着系数是0.85。考虑到实际应用可以用高速网络,通信速度设置为250 Kbps。节点发送数据帧。如果干扰节点不发送任何消息,网络负载是最大时的84%左右。当干扰节点发送高优先级4 ms周期的干扰信息,它可以确保网络负载接近1,但是不到网络带宽,保证了系统通信不输掉帧。

根据假设和模拟条件,图5显示了偏航率的对比曲线跟踪可以网络通信和点对点连接。与点到点连接模式相比,印度河流域文明系统与网络连接可以迅速和有效地跟踪理想值条件下的良好的网络环境不改变控制系统的稳态。它可以清楚地看到,在放大图像的一部分,网络涉及到控制系统,这使得microamplitude偏航率波动。控制过度的增加从点对点连接的3.1%到6%的网络连接。

为了研究不同网络状态的影响系统的控制性能,车辆偏航率的跟踪模拟试验进行了不同的网络负载和丢包率。

图6显示不同的丢包率的响应曲线IVC-NCS偏航率。在仿真过程中,干扰节点不发送消息。可以看出,丢包率低于20%时,系统的动态特性变得糟糕。丢包率的5%和20%,相应的过冲系统的约9%和12.5%。在0.3 s前轮的阶跃输入结束后,车辆偏航率可以稳定跟踪的理想价值。丢包率小于40%时,飞机的偏航率可以最终稳定在一个理想的值。丢包率超过40%时,偏航率显然是最理想的偏航率跟踪过程中波动。为50%,过度的偏航率迅速增加约42%,车辆开始侧滑。

当丢包率高达60%,车辆偏航率跟踪严重落后,不能实现稳定的圆周运动。分析表明,当丢包率低,消息传输保持很高的成功率。传感器的信息可以通过控制节点,所以控制器快速作用于小系统控制性能的影响。和丢包率的增加,不能及时生成和执行控制指令,使控制周期变长。执行机构的状态不能及时纠正。执行机构的输入将会太大或太小,导致控制失败。

图7表明,干扰节点发送消息优先级最高的4周期,女士和网络负载接近1。长破折号偏航率的响应曲线可以网络没有干扰,当网络负载84%左右。短虚线,dashed-dotted线,和大胆的虚线分别偏航速度响应曲线当负载充满不同的丢包率。

条件下满足控制系统的通信需求,当网络负载接近1时,引起延迟的系统是最大的。它可以计算,当网络负载从84%提高到近100%,过度增长从6%降至7%。当网络负载1和丢包率是30%,过度的偏航率是15.7%。因此,尽管网络负载的增加,只要网络负载可以满足控制系统的通信需求,网络干预只有小影响质量的动态控制,不改变系统的稳定特性。车辆能够实现稳定的圆周运动的0.3秒内前轮的偏航罕见的输入。

当通信网络完全加载和丢包率是50%,车辆不能完成预定的圆周运动。飞机的偏航率发散,使车辆失去控制。仿真结果表明,当网络带宽满足控制系统的需要,网络诱导延时控制系统的影响非常小,可以忽略不计。和网络数据包损失将严重影响控制系统的性能。当丢包率高达50%,系统控制性能将显著恶化。

5.3。稳定和协调分析

从车辆底盘控制系统的发展,集成和网络的趋势非常明显。系统控制体系结构和网络结构形式有不同的对底盘的稳定控制的影响。在这篇文章中,控制系统的设计充分考虑底盘控制性能的稳定性。

因为ABS ESP的实现的基础,而后者需要实现独立控制的制动强度四个轮子,所以ABS的目的是作为一个独立的四通道模式。作为一种与安全相关的控制器,实时,ABS的执行和控制器通常采用直接连接方式,为了减少切换延迟的信息,确保车辆的安全性和稳定性。

ESP系统的控制目标是控制车辆在极端条件下的稳定性,通过制动的控制四个轮子实现主动安全的力量。为了提高车辆在极端条件下的不稳定状态,应用对外来后轮制动力与外在前轮的转向不足或转向过度可以迅速和有效地提高稳定性。考虑到ESP系统有明显的影响车辆稳定在极端条件下,这项研究将分配监督管理任务和ESP控制一个节点的计算。

对网络控制系统的性能、通信实时性能最重要的因素是影响控制性能,可以表达和衡量网络延迟。网络延迟的存在降低了系统的控制性能,这将导致稳定控制系统的稳定性的丧失。

特别是在极端条件下,车辆状态的变化比较大。当大量的控制指令丢失,新老的调整控制指令必然会增加,因为大量的周期,这将增加驱动器的行动范围。因此,过多的数据包损失稳定控制是极其不利的。当丢包率小于一定值,只有系统动态特性变得更糟的是,系统的稳定性是没有改变。当数据包损失率达到临界值时,系统控制稳定接近临界状态。

此外,通过模拟实验,我们可以知道网络干预并没有显着影响车辆制动的稳定性。因此,当网络通信环境是好的,可以网络有一个小的网络诱导延迟对控制器性能的影响,这表明ABS控制器建在本研究具有较强的鲁棒性在一个道路。

在上个世纪的80年代,研究人员开始尝试将复杂的底盘控制问题分解成一系列副控制系统,然后使用一种机制来协调子系统之间的动态关系以满足控制要求。使用上协调控制的综合控制体系结构的车辆底盘的多个独立的控制单元可以有效地调节控制单元的协同工作,避免控制器之间的冲突,使汽车获得最佳的运行状态。

监督机制是基于分级控制的原则,结合模糊控制逻辑来设计一个控制器监督协调ESP, AFS,农业研究所。的目标上监督控制器,根据稳定系数来判断车辆稳态,是重新分配三个子系统的控制体重和协调每个副控制的输出。

许多系统被设计为独立所需的传感器网络节点。副控制系统采用传统的点对点连接的控制器、传感器和执行机构。它的对象是获得满意的实时性能和协调。

6。结论

摘要车辆底盘控制系统作为应用程序的网络。目标侧重于网络如何影响控制系统。ABS、ASC和印度河流域文明是模拟。主要研究内容和结论如下。

根据滑模控制理论,特别是和AFS subcontrollers旨在跟踪理想的偏航率。基于分层控制和模糊控制的原理,设计了模糊控制器,用于监控和协调ESP, AFS,农业研究所。和印度河流域文明系统是由上层监督控制器和三个副控制系统仿真软件平台。与点到点连接相比,IVC-NCS显示控制系统仿真的集成控制系统具有良好的性能。

根据印度河流域文明监督机制的基础上,结合各子系统的功能,提出了印度河流域文明的网络拓扑结构,印度河流域文明的沟通矩阵设计了基于CAN网络通信。常见的传感器和subcontrollers可以网络独立的节点,网络诱导延迟和丢包率对系统控制性能仿真研究。仿真结果表明,网络不失去,即使网络流量负载接近1,印度河流域文明的网络干预只能显示出非常小的变化的动态系统的质量。网络数据包丢失的对控制系统的性能产生重大影响。当丢包率小于30%,系统动态性能恶化时,不改变系统的稳定性。当丢包率高达50%,系统控制稳定性接近临界状态,和车辆是不稳定的。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究是由江苏省自然科学基金(BK20130977)。