汽車智能底盤原理及技術(shù) 課件 第5、6章 智能懸架系統(tǒng)、智能底盤運動控制技術(shù)

汽車智能底盤原理及技術(shù)第五章智能懸架系統(tǒng)第五章智能懸架系統(tǒng)3智能懸架系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)與工作原理半主動懸架系統(tǒng)主動懸架系統(tǒng)智能懸架系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)與工作原理課前小討論42023年4月10日，比亞迪汽車發(fā)布了“云輦”技術(shù)，共包含云輦-C、云輦-A、云輦-P以及云輦-X四套不同取向的車身控制系統(tǒng)。云輦-C類似于市場上基于CDC可變阻尼減振器的半主動懸架系統(tǒng)，利用電磁閥來調(diào)節(jié)減振器阻尼特性，實現(xiàn)阻尼無級自適應(yīng)調(diào)節(jié)，在路況不好時，控制系統(tǒng)以微秒級的處理時間來調(diào)節(jié)阻尼強度，對來自路面的顛簸能起到有效緩沖作用，快速抑制車輛行駛時產(chǎn)生的垂向振動。云輦-P為電控液壓式主動懸架系統(tǒng)，基于阻尼控制技術(shù)、高度控制技術(shù)、智能感知技術(shù)、剛度控制技術(shù)以及四輪聯(lián)動技術(shù)，可以實現(xiàn)更優(yōu)秀的車身控制性能。類似地，2023年12月23日，蔚來汽車發(fā)布了主動懸架系統(tǒng)SkyRide天行，該集成式液壓主動懸架配有主動式懸架電驅(qū)單元，可實現(xiàn)車身“起伏路面不顛簸”，帶來智能、安全、愉悅的駕乘體驗。比亞迪云輦-P懸架結(jié)構(gòu)汽車用戶對體驗感的需求趨勢是什么？汽車懸架技術(shù)開發(fā)需要相應(yīng)開展哪些工作？智能懸架系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)與工作原理1.1智能懸架系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)5懸架的概念：汽車懸架系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上連接簧載質(zhì)量和非簧載質(zhì)量，起到連接和減震的作用，一般由彈性元件、阻尼元件、導(dǎo)向機構(gòu)等組成。彈性元件：儲存振動能量的螺旋彈簧/空氣彈簧/鋼板彈簧/扭桿彈簧/油氣彈簧等，阻尼元件：耗散振動能量的液壓減振器，二者主要影響動力學特性。導(dǎo)向機構(gòu)：通過控制車輪定位參數(shù)，保證車輪的正確定位，引導(dǎo)車輪在各方向上的運動，確保車輪與地面保持良好接觸，主要影響運動學和動力學特性。智能懸架系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)與工作原理1.1智能懸架系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)6懸架的分類：根據(jù)懸架的彈性元件或阻尼元件參數(shù)是否可調(diào)可以將懸架分為：被動懸架、半主動懸架、主動懸架。

被動懸架

半主動懸架

主動懸架被動懸架的阻尼特性和剛度特性無法調(diào)節(jié)半主動懸架可以調(diào)節(jié)彈簧剛度或減振器阻尼力參數(shù)主動懸架可以調(diào)節(jié)阻尼特性和剛度特性智能懸架系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)與工作原理1.1智能懸架系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)7智能懸架系統(tǒng)主要組成智能懸架：智能懸架能夠根據(jù)路面狀況、車輛運動狀態(tài)及載荷等參數(shù)的變化，通過電控系統(tǒng)智能地控制懸架剛度/阻尼/導(dǎo)向機構(gòu)，調(diào)節(jié)剛度、阻尼、高度、施加主動力，甚至K&C（KinematicandCompliance）特性等，以改善車輛行駛平順性和操縱穩(wěn)定性等汽車主要性能的系統(tǒng)，主要包括半主動懸架、主動懸架兩大類型。智能懸架系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)與工作原理1.2智能懸架系統(tǒng)工作原理—半主動懸架8半主動懸架的概念：半主動懸架系統(tǒng)能夠根據(jù)汽車載荷狀態(tài)、行駛路面條件和行駛狀態(tài)（加速、減速或轉(zhuǎn)彎等），通過對懸架的彈簧剛度或減振器的阻尼進行參數(shù)調(diào)節(jié)，使懸架總是處于最佳狀態(tài)附近。半主動懸架系統(tǒng)分類:一種是自適應(yīng)懸架，其阻尼系數(shù)可以緩慢地調(diào)整，通常用于調(diào)整開環(huán)結(jié)構(gòu)體系。一種是通常意義下的半主動懸架，其阻尼系數(shù)可以在較大帶寬的閉環(huán)系統(tǒng)內(nèi)進行調(diào)整。智能懸架系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)與工作原理1.2智能懸架系統(tǒng)工作原理—半主動懸架9半主動懸架的優(yōu)點：（1）能耗低。因為僅需要調(diào)節(jié)減振器阻尼系數(shù)，只需要幾瓦的功耗用于調(diào)整液壓閥孔或流體粘度。（2）安全。在半主動懸架中，其穩(wěn)定性可以得到保證，因為不管阻尼系數(shù)是多少，整個系統(tǒng)始終是耗散性的。（3）低成本、質(zhì)量輕。主要的阻尼調(diào)控技術(shù)器件（電磁閥、磁流變、電流變、空氣阻尼）結(jié)構(gòu)緊湊，輕量化水平高，可以低成本地進行規(guī)模生產(chǎn)。（4）性能優(yōu)異。通過改變阻尼系數(shù)，車輛的乘坐舒適性和路面附著性等均有望得以顯著改善。半主動懸架的缺點：半主動懸架系統(tǒng)對阻尼或剛度進行調(diào)節(jié)，本質(zhì)上是產(chǎn)生等效的可控作用力。然而，由于無法產(chǎn)生負方向的等效作用力，通常無法完全得到期望的控制力，導(dǎo)致控制效果與預(yù)期存在偏差。智能懸架系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)與工作原理1.2智能懸架系統(tǒng)工作原理—半主動懸架10半主動懸架阻尼或剛度特性的調(diào)節(jié)的方式：（1）傳統(tǒng)的電液技術(shù)。基于減振器缸體內(nèi)部或外部的電磁閥，通過改變閥口的大小來調(diào)整減振器的阻尼系數(shù)，主要構(gòu)型包括切換式減振器和阻尼連續(xù)可調(diào)式（ContinuousDampingControl，CDC）減振器等。（2）磁流變（Magneto-Rheological，MR）技術(shù)。依靠在磁場中可以改變粘度的液體來調(diào)整阻尼。（3）電流變（Electro-Rheological，ER）技術(shù)。依靠在電場中可以改變粘度的液體來調(diào)整阻尼。（4）空氣彈簧技術(shù)。通過氣泵改變氣囊中的空氣容量，實現(xiàn)對剛度的調(diào)節(jié)。半主動懸架系統(tǒng)對阻尼或剛度進行調(diào)節(jié)，本質(zhì)上是產(chǎn)生等效的可控作用力。然而，由于無法產(chǎn)生負方向的等效作用力，通常無法完全得到期望的控制力，導(dǎo)致控制效果與預(yù)期存在偏差。智能懸架系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)與工作原理1.2智能懸架系統(tǒng)工作原理—主動懸架11主動懸架的概念：主動懸架是有源控制，除導(dǎo)向機構(gòu)外，通常包括產(chǎn)生作用力的作動器（液壓缸、氣缸、伺服電動機、電磁鐵等）、測量元件（加速度、位移和力傳感器等）和控制器等。為了實現(xiàn)主動懸架失效時的冗余或容錯控制，主動懸架系統(tǒng)通常還并聯(lián)有被動式彈簧。主動懸架的分類：（1）載荷平衡懸架，這類懸架的工作帶寬低于主要懸架偏頻。（2）慢主動懸架，工作帶寬在車身和車輪的振動頻率之間。（3）全主動懸架，即全帶寬的主動懸架系統(tǒng)。智能懸架系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)與工作原理1.2智能懸架系統(tǒng)工作原理—主動懸架12主動懸架阻尼或剛度特性的調(diào)節(jié)的方式：液壓式：采用液壓元件作為作動器，通過控制液壓油的流動方向及流量大小，進行車身姿態(tài)的控制及調(diào)整，包括基于伺服閥和基于電機的兩類主要形式。電磁式：采用電磁作動器控制力的輸出，通過改變電磁線圈的電流來控制電磁鐵產(chǎn)生的作用力，有直線電機和旋轉(zhuǎn)電機兩類形式。油氣式：核心部件為油氣彈簧，由作為蓄能器的氣體彈簧和具有減振功能的油缸組成，控制器控制電磁比例閥調(diào)節(jié)油缸充放油流量，實現(xiàn)對車身狀態(tài)的控制。智能懸架系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)與工作原理1.2智能懸架系統(tǒng)工作原理—不同懸架的特性13系統(tǒng)類別控制范圍（彈簧）控制范圍（阻尼）控制帶寬（Hz）功率需求（W）控制變量平順性改善（%）安全性改善（%）被動—————自適應(yīng)1~510~20阻尼15~2010~25半主動30~4010~20阻尼20~3010~25載荷平衡0.1~1100~200靜載——慢主動1~51000~5000力>30—全主動20~305000~10000力>30>25智能懸架系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)與工作原理1.3懸架系統(tǒng)性能評價汽車懸架系統(tǒng)對平順性和操縱穩(wěn)定性具有重要影響。針對不同的懸架系統(tǒng)研究，平順性和操縱穩(wěn)定性的可以轉(zhuǎn)化為典型振動特性評價問題。14汽車平順性：是保持汽車在行駛過程中產(chǎn)生的振動和沖擊環(huán)境對乘員舒適性的影響在一定界限之內(nèi)，對于貨車還包括保持貨物完好的性能。汽車操縱穩(wěn)定性：是指駕駛者不感到過分緊張、疲勞的條件下，汽車能遵循駕駛者通過轉(zhuǎn)向系及轉(zhuǎn)向車輪給定的方向行駛，且當遭遇外界干擾時，汽車能抵抗干擾而保持穩(wěn)定行駛的能力。智能懸架系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)與工作原理1.3懸架系統(tǒng)性能評價—乘坐舒適性智能懸架系統(tǒng)對乘坐舒適性的影響主要體現(xiàn)：（1）顛簸性。按照道路試驗規(guī)程規(guī)定的方法，進行模擬路面測試。智能懸架系統(tǒng)需要有效吸收路面顛簸，并能夠通過調(diào)節(jié)懸架阻尼和剛度，提高車輛的舒適性。（2）隔音性。在噪聲測試中，智能懸架系統(tǒng)需要在遏制路噪聲方面表現(xiàn)良好，保持車內(nèi)噪聲水平相對較低。（3）坐姿舒適性。結(jié)合人體工程學方法，對懸架系統(tǒng)進行坐姿舒適評價。懸架調(diào)節(jié)后應(yīng)能提高駕乘者的坐姿舒適性。15智能懸架系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)與工作原理1.3懸架系統(tǒng)性能評價—乘坐舒適性乘坐舒適性最主要的評價指標是基于車身加速度加權(quán)均方根值，其評價函數(shù)一般定義為：16——懸架的車身加速度傳遞函數(shù)；——標準被動懸架的車身加速度傳遞函數(shù)；——路面激勵的上限頻率；——路面激勵的下限頻率；——車身加速度加權(quán)函數(shù)，參照ISO2631-1:1997(E)標準。智能懸架系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)與工作原理1.3懸架系統(tǒng)性能評價—乘坐舒適性乘坐舒適性最主要的評價指標是基于車身加速度加權(quán)均方根值，其評價函數(shù)一般定義為：17智能懸架系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)與工作原理1.3懸架系統(tǒng)性能評價—操縱穩(wěn)定性18智能懸架系統(tǒng)的操縱穩(wěn)定性主要體現(xiàn)在：（1）輪胎抓地力：智能懸架系統(tǒng)可以改善輪胎的附著，增強橫縱向輪胎動力。（2）轉(zhuǎn)向靈敏度：智能懸架系統(tǒng)可以快速地響應(yīng)駕駛員指令，提高轉(zhuǎn)向靈敏度。（3）轉(zhuǎn)彎半徑：智能懸架系統(tǒng)在平衡彎道車速和轉(zhuǎn)彎半徑方面表現(xiàn)優(yōu)異。（4）加速平順度：智能懸架系統(tǒng)在保持加速平順的同時，可以提高車輛的行駛穩(wěn)定性。智能懸架系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)與工作原理1.3懸架系統(tǒng)性能評價—操縱穩(wěn)定性19操縱穩(wěn)定性最主要的評價指標是輪胎變形（動載荷）均方根值，其評價函數(shù)一般定義為：——懸架輪胎動變形傳遞函數(shù)；——標準被動懸架的輪胎動變形傳遞函數(shù)；——車體車輪動變形加權(quán)函數(shù)。

智能懸架系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)與工作原理1.3懸架系統(tǒng)性能評價—操縱穩(wěn)定性20操縱穩(wěn)定性最主要的評價指標是輪胎變形（動載荷）均方根值，其評價函數(shù)一般定義為：智能懸架系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)與工作原理1.3懸架系統(tǒng)性能評價—系統(tǒng)安全性21智能懸架的系統(tǒng)安全性指標是一個綜合性指標，需要綜合考慮以下內(nèi)容：（1）路感反饋和懸架控制：懸架系統(tǒng)對路面情況的感知和反饋能力，應(yīng)提供準確的路況信息給駕駛員，并對懸架系統(tǒng)進行實時調(diào)整，增強駕駛的舒適性和安全性。（2）防側(cè)滑和側(cè)傾穩(wěn)定性：懸架系統(tǒng)在側(cè)風和路面濕滑等條件下的響應(yīng)能力，應(yīng)減少側(cè)滑和提供更好的抓地力，提高車輛的穩(wěn)定性和安全性。（3）緊急制動控制：懸架系統(tǒng)在緊急制動時的反應(yīng)速度和精確度，應(yīng)確保車輛穩(wěn)定并按照駕駛者的期望充分發(fā)揮制動性能。第五章智能懸架系統(tǒng)22智能懸架系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)與工作原理半主動懸架系統(tǒng)主動懸架系統(tǒng)半主動懸架系統(tǒng)23根據(jù)對懸架力學特性調(diào)節(jié)手段的不同，半主動懸架系統(tǒng)可以分為：半主動懸架系統(tǒng)分類變阻尼懸架系統(tǒng)：也稱為可變阻尼自適應(yīng)懸架，是一種先進的懸掛系統(tǒng)，它能夠根據(jù)車輛行駛狀態(tài)自動調(diào)節(jié)減震器的阻尼硬度，以實現(xiàn)不同路況下的懸掛舒適性和操控穩(wěn)定性。變剛度懸架系統(tǒng)：通過改變懸架中彈簧的剛度或采用可變剛度元件（如可變剛度彈簧、可調(diào)阻尼器等）來實現(xiàn)剛度的調(diào)節(jié)，以提供更好的操控性、舒適性和穩(wěn)定性。半主動懸架系統(tǒng)24變阻尼懸架系統(tǒng)包括：阻尼切換式懸架系統(tǒng)和阻尼連續(xù)可調(diào)式CDC懸架系統(tǒng)2.1變阻尼懸架系統(tǒng)阻尼切換式懸架系統(tǒng)：阻尼切換式懸架系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上一般通過調(diào)整減振器節(jié)流閥的開、關(guān)來實現(xiàn)阻尼的切換。阻尼連續(xù)可調(diào)式CDC懸架系統(tǒng)：阻尼連續(xù)可調(diào)減振器主要功能是通過對減振器阻尼力進行連續(xù)調(diào)節(jié)，改善車輛在不同工況時對振動和沖擊的衰減性能。半主動懸架系統(tǒng)25阻尼切換式懸架系統(tǒng)典型的例子：德國F&S公司所開發(fā)的ADC-1系統(tǒng)2.1變阻尼懸架系統(tǒng)德國F&S公司所開發(fā)的ADC-1系統(tǒng)的減振器通過電機控制活塞桿內(nèi)的兩個旋轉(zhuǎn)滑閥，實現(xiàn)兩個相互獨立的阻尼特性。該系統(tǒng)的阻尼切換時間較長（約為30~200ms）改進后，開發(fā)出了具有內(nèi)置分配閥的可調(diào)式減振器ADC-2.2，將響應(yīng)時間減少至20~100ms。ADC-1系統(tǒng)的兩級切換式減振器的阻尼特性曲線半主動懸架系統(tǒng)2.1變阻尼懸架系統(tǒng)26阻尼連續(xù)可調(diào)減振器主要功能是通過對減振器阻尼力進行連續(xù)調(diào)節(jié)，改善車輛在不同工況時對振動和沖擊的衰減性能。技術(shù)路線工作原理響應(yīng)時間可調(diào)阻尼應(yīng)用場景電磁閥式通過改變電流來控制電磁閥流通截面開度，進而改變減振器油液流道截面積，實現(xiàn)阻尼力的調(diào)節(jié)?！?0ms可單獨調(diào)節(jié)復(fù)原或壓縮阻尼，亦可聯(lián)合調(diào)節(jié)復(fù)原和壓縮阻尼。大批量應(yīng)用于乘用車、商用車市場。磁流變式通過改變線圈電流改變磁場強度，從而改變磁流變液剪切強度，進而改變阻尼力。其阻尼力主要由磁流變液剪切強度和粘性阻尼力產(chǎn)生?！?5ms復(fù)原和壓縮阻尼聯(lián)合調(diào)節(jié)。小批量應(yīng)用于乘用車、特種車、橋梁等市場。伺服電機式通過控制伺服電機轉(zhuǎn)動實現(xiàn)閥桿位置調(diào)整，從而調(diào)整減振器油液流道截面積，進而改變阻尼力。≥200ms復(fù)原、壓縮需不同裝置分開調(diào)節(jié)。售后和改裝市場電流變式通過高壓改變電場強度，從而改變電流變液剪切強度，進而改變阻尼力。其阻尼力主要由電流變液剪切強度和粘性阻尼力產(chǎn)生。≤15ms復(fù)原和壓縮阻尼聯(lián)合調(diào)節(jié)。尚無量產(chǎn)應(yīng)用案例。目前實現(xiàn)阻尼連續(xù)可調(diào)的技術(shù)路線半主動懸架系統(tǒng)2.1變阻尼懸架系統(tǒng)27電磁閥式減振器是目前汽車主機廠廣泛使用的阻尼可調(diào)減振器，較傳統(tǒng)減振器主要增加了中間缸和電磁閥兩個零部件。其工作原理是通過電流信號控制調(diào)節(jié)電磁閥的開度大小，改變減振器油液的流量實現(xiàn)對減振器阻尼力的控制。電磁閥結(jié)構(gòu)示例電磁閥式減振器電磁閥阻尼可調(diào)減振器結(jié)構(gòu)圖半主動懸架系統(tǒng)2.1變阻尼懸架系統(tǒng)28目前行業(yè)已批量應(yīng)用的電磁閥式減振器主要有：內(nèi)置式電磁閥減振器和外置式電磁閥減振器。電磁閥式減振器1-活塞桿；2-儲油缸；3-CDC控制閥；4-工作缸；5-工作缸；6-CDC控制閥內(nèi)置式（左），外置式（右）內(nèi)置式電磁閥減振器：串聯(lián)流通，阻尼響應(yīng)較外置快，減振器結(jié)構(gòu)簡單、外徑尺寸小、重量輕，復(fù)原阻尼可調(diào)區(qū)間大，成本較外置式高，是高端車型的優(yōu)先選擇。外置式電磁閥減振器：并聯(lián)流通，可以實現(xiàn)減振器閥系和電磁閥解耦，阻尼力可調(diào)性好，減振器行程長，適用于不同類型懸架結(jié)構(gòu)。目前使用的閥系主要是基于彈簧式和閥片式的閥系，壓縮復(fù)原頻率均實現(xiàn)可調(diào)節(jié)，目前應(yīng)用較多的是壓縮頻率可調(diào)。半主動懸架系統(tǒng)2.1變阻尼懸架系統(tǒng)29外置式電磁閥只允許油液單向流通，反向截止，復(fù)原行程和壓縮行程會互相影響。外置式電磁閥式減振器外置式CDC減振器，單閥（左），雙閥（右）單閥CDC的缺點在于壓縮行程的阻尼可調(diào)范圍小雙閥CDC：一個電磁閥接入工作缸上腔，另一個接入下腔，實現(xiàn)復(fù)原和壓縮行程的獨立調(diào)節(jié)；能增強電磁閥的控制效果，單獨增大減振器復(fù)原阻尼力能增強減振器對能量的耗散，單獨減小減振器壓縮阻尼力減小地面對車身的反饋，更好的提高整車的平順和操穩(wěn)性能。半主動懸架系統(tǒng)2.1變阻尼懸架系統(tǒng)30電磁閥式電磁閥式阻尼可調(diào)減振器的理想特性x——活塞位移量；I——電控指令（例如電磁閥的電流），在I=0和I=Imax之間變化；co——零場阻尼，表示電控指令為off時達到的最小阻尼；γ——電控指令的增益；電磁閥式減振器的理想阻尼特性圖半主動懸架系統(tǒng)2.1變阻尼懸架系統(tǒng)31磁流變減振器磁流變減振器（MRDamper）利用磁流變液的物理屬性，磁流變液在磁場的感應(yīng)下黏度會發(fā)生改變。通過調(diào)節(jié)線圈電流改變磁場強度，繼而改變磁流變液剪切強度，進而改變阻尼力，其阻尼力主要由磁流變液剪切強度和粘性阻尼力構(gòu)成MagneRide磁流變減振器半主動懸架系統(tǒng)2.1變阻尼懸架系統(tǒng)32磁流變減振器工作原理磁流變減振器活塞上布置有可以在阻尼閥中產(chǎn)生磁場的線圈，活塞實際上可以看作一個磁流變閥，阻尼力是液體和閥通道摩擦作用的結(jié)果。由于無須移動任何機械部件，所以它在使用時響應(yīng)非常及時。在有磁場和無磁場情況下的原理示意圖（B為磁場）減振力僅取決于電磁流變液的電流大小，可最多調(diào)整至每秒1000次，響應(yīng)速度較普通油壓減振器用的電磁閥可提高10倍～100倍。由于電流的控制是可變的，可提供幾乎連續(xù)變化、范圍更寬的阻尼，能更精確地控制車身俯仰和側(cè)傾運動，改善接地能力、轉(zhuǎn)向特性和安全性，能夠極為敏感地響應(yīng)來自路面的沖力。半主動懸架系統(tǒng)2.1變阻尼懸架系統(tǒng)33磁流變減振器理想特性c0——液體自由流過活塞阻尼通道時的最小阻尼；x——活塞位移量；I——加載在線圈上的電控指令（通常是電流），在I=0和I=Imax之間變化；FMR——磁流變液與活塞阻尼通道之間的摩擦力，是I與活塞速度?的非線性函數(shù)。磁流變減振器的理想阻尼特性圖由于磁流變減振器具有相對較低的最小阻尼和相對較高的摩擦，曲線幾乎是平直的。這種幾乎平直的速度-阻尼力曲線是磁流變減振器的典型特征。半主動懸架系統(tǒng)2.1變阻尼懸架系統(tǒng)34磁流變減振器典型例子——京西重工（BMI）公司的MagneRideTMMagneRideTM主要特點有：（1）由于不使用電磁控制閥和小運動部件，因此結(jié)構(gòu)簡單，并且可靠性好；（2）作用力控制范圍大，并且響應(yīng)速度快（高頻帶寬度）；（3）低能耗（一個減振器的平均用電量僅為5瓦，最多25W）；（4）當其與集成式底盤控制相結(jié)合，可以具有更優(yōu)異的車輛動力學控制性能。半主動懸架系統(tǒng)2.1變阻尼懸架系統(tǒng)35電流變減振器電流變減振器（ERDamper）利用減振器內(nèi)部流動液體（電流變液）的物理屬性來實現(xiàn)阻尼變化。電流變液可以看作是油液和對電場敏感的微小顆粒物的混合物。當未加載電場時，液體在阻尼通道內(nèi)可以自由流動；當加載電場時，顆粒表現(xiàn)出極性并形成鏈狀物，因此液體由自由流動的狀態(tài)變?yōu)轲に芰?。電流變減振器可以看作一個電容，外部缸體是陽極，活塞是陰極?；钊c缸體之間的空間有電場（E）。有電場和無電場情況下的原理示意圖（E是電場）半主動懸架系統(tǒng)2.1變阻尼懸架系統(tǒng)36電流變減振器理想特性

c0——液體自由流過活塞阻尼通道時的最小阻尼；x——懸架的變形量；V——加載在活塞（陰極）和缸體（陽極）之間的電控指令（通常是電壓）；FER——電流變液與活塞表面之間的摩擦力。電流變減振器的理想阻尼特性電流變減振器在3種電控指令下的速度-阻尼力特性，其曲線形狀具有電流變阻尼器的典型特征。半主動懸架系統(tǒng)2.2變剛度空氣懸架系統(tǒng)37空氣懸架系統(tǒng)架構(gòu)空氣懸架系統(tǒng)空氣懸架是用空氣壓縮機形成壓縮空氣，并將壓縮空氣送到空氣彈簧氣室中，以此來改變車輛的高度；通過控制壓縮機和排氣閥，使彈簧壓縮或伸長，從而起到減振的效果，其剛度和阻尼特性都是可調(diào)的，主要零部件包括：空氣彈簧、電控減振器、壓縮機總成、控制閥總成、儲氣罐總成、空氣管路、高度/加速度傳感器、懸架電子控制單元等半主動懸架系統(tǒng)2.2變剛度空氣懸架系統(tǒng)38空氣彈簧空氣彈簧是一個充滿壓縮空氣的橡膠氣囊，根據(jù)路況的不同以及傳感器的信號，控制空氣壓縮機和排氣閥門，通過空氣彈簧的充氣、放氣，實現(xiàn)車身高度和彈簧剛度的調(diào)節(jié)。單腔空氣彈簧單腔空氣彈簧只有一個氣室，其結(jié)構(gòu)、工藝簡單，成本較低，是目前國內(nèi)乘用車空氣懸架車型主流采用的空氣彈簧類型。對單腔空氣彈簧在靜載荷狀態(tài)下充放氣時可使車身升高或降低，但充放氣時空簧內(nèi)部受力面積并沒有太大變化，故充放氣不會引起剛度的大范圍變化。前軸后軸半主動懸架系統(tǒng)2.2變剛度空氣懸架系統(tǒng)39空氣彈簧雙腔空氣彈簧雙腔空氣彈簧在空氣彈簧內(nèi)設(shè)有主和副兩個腔室，兩個腔室之間設(shè)有唯一通道由電磁閥控制開通和封閉。當通道打開時，主腔室和副腔室連通，有效工作腔容積是主、副兩腔室容積之和，帶來較“軟”的懸架，此為低剛度模式。當通道被封閉時，副腔室不再是有效工作腔，較小的容積帶來較“硬”的懸架，此為高剛度模式。半主動懸架系統(tǒng)2.2變剛度空氣懸架系統(tǒng)40空氣彈簧三腔空氣彈簧三腔空氣彈簧將單腔的氣室分為三個氣室，獲得更多不同容積的氣室，其結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，成本更高，但具有優(yōu)越的綜合性能。附加容積整合在彈簧滑柱中，可通過電動閥開啟和關(guān)閉。附加容積的切換可以顯著改變空氣彈簧剛度系數(shù)。當使用附加容積時，空氣彈簧的整體容積變大，剛度系數(shù)變小，駕乘體驗會更加柔軟舒適；當關(guān)閉附加容積時，空氣彈簧整體容積變小，剛度系數(shù)變大，可以滿足運動性駕駛的需要。半主動懸架系統(tǒng)2.2變剛度空氣懸架系統(tǒng)41空氣阻尼式彈簧以空氣彈簧為主氣室，增加節(jié)流阻尼元件（節(jié)流孔或節(jié)流管）和附加氣室組成的空氣彈簧兼有阻尼元件的作用。車身振動引起空氣彈簧拉伸或壓縮時，壓縮空氣在壓差作用下在空氣彈簧、附加氣室之間往復(fù)流動，氣體流經(jīng)節(jié)流元件時產(chǎn)生空氣阻尼，從而達到衰減振動的目的?？諝庾枘崾娇諝鈴椈杉仁翘娲饘購椈傻膹椥栽质撬p振動的阻尼元件，具有重量輕、節(jié)能環(huán)保等諸多優(yōu)點，有利于汽車底盤和整車輕量化，具有良好的應(yīng)用前景。半主動懸架系統(tǒng)2.2變剛度空氣懸架系統(tǒng)42供氣單元的主要功能是為空氣彈簧提供高壓氣體，進而實現(xiàn)車輛姿態(tài)的調(diào)節(jié)，其一般組成包括：電動壓縮機、分配閥、干燥劑、隔振/隔音裝置等。根據(jù)供氣單元工作時是否向大氣吸氣或排氣，可以將供氣單元分為開環(huán)式和閉環(huán)式。類型開式系統(tǒng)閉式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理由各自獨立的氣泵、分配閥、控制器、儲氣罐等構(gòu)成，較重，成本高，需要較大的布置空間。氣路對外界開放，舉升車身時將儲氣罐內(nèi)的高壓空氣充到空氣彈簧內(nèi),車身下降時空氣彈簧內(nèi)高壓空氣直接排向大氣。將氣泵、分配閥、控制器等部件集成為一體，布置空間小，重量輕，有成本優(yōu)勢。系統(tǒng)氣路通常情況下不與外界交互空氣。需舉升車身時，將儲氣罐內(nèi)高壓空氣泵入空氣彈簧內(nèi)，需降低車身時，將空氣彈簧內(nèi)高壓空氣泵回到儲氣罐內(nèi)，能耗較低。噪音電機功率高，單次工作時間長，排氣頻次較高，工作噪聲較高。電機功率低，單次工作時問短，排氣頻次低，工作噪聲略低。升降速度升降速度一般在5mm/s左右升降速度略低于開式系統(tǒng)。連續(xù)工作性能連續(xù)工作性能較差，每次舉升都需要氣泵將標準大氣壓的空氣壓縮至18bar左右，單次工作時間長，產(chǎn)生的熱量較高，不利于及時散熱，在越野等顛簸路段的連續(xù)工作能力較差。連續(xù)工作能力較強。每次升降都是氣泵將一定壓力(高于大氣壓)的壓縮空氣壓縮至10bar左右,單次工作時問短，產(chǎn)生的熱量較低，便于及時散熱，連續(xù)工作能力較強。設(shè)計與控制設(shè)計相對簡單，控制方式相對單一。設(shè)計相對復(fù)雜，需PWM控制，控制方式更精確。對高原地區(qū)的適應(yīng)性因其充氣過程需要與外界連通，低壓環(huán)境下充氣過程受到不利影響，充氣時間大幅延長。主要為內(nèi)部循環(huán)，與外界空氣交互少，外界氣壓對系統(tǒng)工作基本不造成影響。半主動懸架系統(tǒng)2.2變剛度空氣懸架系統(tǒng)43空氣懸架系統(tǒng)原理圖空氣懸架系統(tǒng)工作流程工作流程：傳感器實時采集車輛狀態(tài)量，經(jīng)過電子控制單元（ECU）計算處理，得到各電磁閥相應(yīng)的控制電壓，電磁閥據(jù)此確定閥的開閉大小并執(zhí)行動作，由此改變空氣彈簧氣室內(nèi)的壓強，從而調(diào)節(jié)車身的振動特性，使懸架系統(tǒng)性能達到最優(yōu)。半主動懸架系統(tǒng)2.2變剛度空氣懸架系統(tǒng)44空氣懸架系統(tǒng)空氣彈簧的優(yōu)點：（1）剛度非線性，彈簧剛度隨載荷變化自動調(diào)節(jié)，提高乘客的舒適性；（2）承載范圍廣；（3）質(zhì)量輕、內(nèi)摩擦小,有利于車輛輕量化和降低噪聲；（4）耐疲勞壽命高，可超過400萬次。空氣彈簧的缺點：（1）空氣彈簧的氣密性標準很高，生產(chǎn)成本更高；（2）空氣彈簧只可以承受垂直負荷，還需借助導(dǎo)向機構(gòu)傳遞橫向力，懸架結(jié)構(gòu)復(fù)雜；（3）容易被尖銳和高溫物體損壞。半主動懸架系統(tǒng)2.2變剛度空氣懸架系統(tǒng)45空氣彈簧布置方式：同軸布置和單獨布置兩類同軸布置單獨布置半主動懸架系統(tǒng)2.2變剛度空氣懸架系統(tǒng)46空氣懸架系統(tǒng)典型例子——比亞迪云輦-A空氣懸架系統(tǒng)比亞迪云輦-A空氣懸架系統(tǒng)，其前后軸分別采用了同軸布置，單獨布置兩種不同的空氣懸架布置形式。半主動懸架系統(tǒng)2.3半主動式側(cè)傾控制系統(tǒng)為根本解決懸架系統(tǒng)設(shè)計中行駛平順性與操縱穩(wěn)定性之間的矛盾，以穩(wěn)定桿為主要被控對象的側(cè)傾控制系統(tǒng)應(yīng)運而生。側(cè)傾控制系統(tǒng)通過調(diào)整橫向穩(wěn)定桿的扭轉(zhuǎn)角剛度以增強抗側(cè)傾力矩，進而來降低汽車的側(cè)傾角。47主動穩(wěn)定桿的控制系統(tǒng)：需要額外能量輸入；半主動穩(wěn)定桿的控制系統(tǒng)：不需要額外能量輸入，只需要電控信號的系統(tǒng)。半主動懸架系統(tǒng)2.3半主動式側(cè)傾控制系統(tǒng)48天合（TRW）公司的半主動側(cè)傾控制系統(tǒng)（SemiActiveRollControl，SARC）：包含一個布置于橫向穩(wěn)定桿端部的作動器和一個簡單的電控單元，并不包含液壓泵或者液壓管線，該系統(tǒng)的突出優(yōu)點是系統(tǒng)簡單、造價低廉。當汽車直線行駛時，橫向穩(wěn)定桿不起作用，使得汽車行駛平順性得以顯著改善，有助于抑制車輛點頭，并有助于提高越野路面的行駛性能；當汽車轉(zhuǎn)向時，橫向穩(wěn)定桿發(fā)揮作用，車身側(cè)傾角和翻車傾向得以降低。德爾福（Delphi）公司的動態(tài)車身控制系統(tǒng)（DynamicBodyControl，DBC）：系統(tǒng)由一個或兩個可以進行解鎖與鎖止的半主動穩(wěn)定桿組件、一個控制器和相應(yīng)的車輛傳感器組成。系統(tǒng)由兩個狀態(tài)側(cè)傾控制系統(tǒng)根據(jù)預(yù)期的車身運動狀態(tài)對半主動穩(wěn)定桿組件做出狀態(tài)切換的實時反應(yīng)，以實現(xiàn)對懸架系統(tǒng)側(cè)傾角剛度的控制和調(diào)節(jié)，降低汽車轉(zhuǎn)向時的側(cè)傾角、提高汽車直線行駛時的平順型。在越野路面上，DBC可以通過提高輪胎附著力改善低速越野時的牽引特性。半主動側(cè)傾控制系統(tǒng)DBC的開發(fā)目標是主要應(yīng)用于載貨車。半主動式側(cè)傾控制系統(tǒng)典型例子半主動懸架系統(tǒng)2.3半主動式側(cè)傾控制系統(tǒng)49半主動式側(cè)傾控制系統(tǒng)典型例子采埃孚薩克斯（ZFSachs）公司的防側(cè)傾穩(wěn)定系統(tǒng)（ActiveRollStabilization，ARS）：通過接近橫向穩(wěn)定桿中端布置的液控電機，穩(wěn)定桿所產(chǎn)生的扭矩特性就變?yōu)榱丝烧{(diào)方式。在彎道時，由傳感器獲取車速、轉(zhuǎn)向角度、縱向及橫向加速度等信息，通過電腦單元控制比例閥來調(diào)整液壓泵所產(chǎn)生的壓力，增加扭矩，從而降低彎道行駛中的搖擺或消減某個橫向加速度。而在直道時，電控系統(tǒng)會降低穩(wěn)定系統(tǒng)中的液壓壓力，減小扭矩，確保懸架的響應(yīng)更舒適。ARS用作動器橫向穩(wěn)定桿半主動懸架系統(tǒng)2.3半主動式側(cè)傾控制系統(tǒng)50半主動式側(cè)傾控制系統(tǒng)典型例子寶馬公司提出了一種新型半主動穩(wěn)定桿系統(tǒng)，由一個機械-液壓穩(wěn)定桿和一套具有頻率選擇功能的阻尼閥組成。其工作原理是利用穩(wěn)定桿兩半部分的相對旋轉(zhuǎn)來調(diào)整液壓活塞，通過閥系調(diào)節(jié)油量流動，從而在不同頻率下產(chǎn)生不同的阻尼力。這種設(shè)計避免了完全主動系統(tǒng)的復(fù)雜性和高能耗，同時不需要額外的傳感器與控制信號，簡化了技術(shù)實現(xiàn)，降低了成本和維護需求。具有頻率選擇特性阻尼的機械-液壓穩(wěn)定桿概念第五章智能懸架系統(tǒng)51智能懸架系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)與工作原理半主動懸架系統(tǒng)主動懸架系統(tǒng)主動懸架系統(tǒng)3.1液壓式主動懸架系統(tǒng)52液壓式主動懸架系統(tǒng)液壓式主動懸架系統(tǒng)采用液壓元件作為作動器，通過電控系統(tǒng)控制液壓懸架系統(tǒng)內(nèi)液壓油的流動方向及流量大小進行車身姿態(tài)的控制及調(diào)整，從而改善車輛的行駛性能。液壓主動懸架系統(tǒng)依據(jù)其所采用的控制執(zhí)行系統(tǒng)的不同可分為:基于伺服閥的液壓主動懸架系統(tǒng)基于電機的液壓主動懸架系統(tǒng)主動懸架系統(tǒng)3.1液壓式主動懸架系統(tǒng)53基于電機的液壓主動懸架系統(tǒng)：由液壓缸、齒輪泵和直流電機等組成，通過控制器直接控制直流電機，從而控制液壓泵或齒輪泵的轉(zhuǎn)矩，調(diào)節(jié)液壓缸活塞兩側(cè)的壓力差，使液壓缸產(chǎn)生可控的作用力。基于伺服閥的液壓主動懸架系統(tǒng)基于電機的液壓主動懸架系統(tǒng)基于伺服閥的液壓主動懸架系統(tǒng)：通過電子控制單元直接控制高精度、高靈敏度的比例閥或伺服閥，伺服閥調(diào)節(jié)液壓缸內(nèi)液壓油的流向和流量，液壓油推動液壓缸活塞做功使其輸出作用力。主動懸架系統(tǒng)3.1液壓式主動懸架系統(tǒng)54梅賽德斯－奔馳公司的主動車身控制系統(tǒng)（ActiveBodyControl，ABC），在各懸架滑柱內(nèi)裝有一套液力調(diào)節(jié)伺服器，可動態(tài)調(diào)整的液壓缸根據(jù)不同的路面情況自動調(diào)節(jié)螺旋彈簧座的位置。ABC系統(tǒng)示意圖典型例子——奔馳ABC系統(tǒng)當車輪遇到障礙物時，ABC系統(tǒng)通過傳感器感知，自動調(diào)節(jié)彈簧座，并在彈簧座上施加壓力，使之能最大限度地抵消傳遞給車身的跳動能量。同樣的方法，ABC系統(tǒng)還能夠避免轎車在制動、加速及轉(zhuǎn)彎時產(chǎn)生的車身傾斜。主動懸架系統(tǒng)3.1液壓式主動懸架系統(tǒng)55該系統(tǒng)核心組件包括電機驅(qū)動的液壓泵、噪音消除裝置、內(nèi)嚙合齒輪泵、微型無刷直流電機，及底部的微處理器、功率器件和傳感器等。總行程可達220mm，使車輛在起伏路面上行駛時仍平穩(wěn)不顛簸。典型例子——蔚來ClearMotion系統(tǒng)ClearMotion技術(shù)的創(chuàng)新之處在于其高集成度的設(shè)計，這不僅提升了懸架系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制精度，還能顯著降低行駛過程中傳遞到車內(nèi)的振動。ClearMotion系統(tǒng)示意圖主動懸架系統(tǒng)3.2電磁式主動懸架系統(tǒng)56電磁式主動懸架系統(tǒng)的概念：電磁主動懸架系統(tǒng)采用電磁作動器主動控制力的輸出，系統(tǒng)響應(yīng)速度快、可控性強，零部件和系統(tǒng)配置要求較液壓主動懸架低，且可以用來回收振動能量，但其體積相對較大，且成本較高。依據(jù)所采用電機結(jié)構(gòu)形式的不同，可將電磁作動器分為：直線電機式電磁主動懸架系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機式電磁主動懸架系統(tǒng)主動懸架系統(tǒng)3.2電磁式主動懸架系統(tǒng)57直線電機式電磁作動器優(yōu)點：作動器中運動機構(gòu)相對較少，機械損耗非常小，可靠性高；缺點：漏磁非常大，輸出的主動控制力相對較小，且體積較大，成本高。旋轉(zhuǎn)電機式電磁作動器：根據(jù)所采用的運動方式轉(zhuǎn)換機構(gòu)的不同可分為滾珠絲杠型和齒輪齒條型。滾珠絲杠型具有響應(yīng)快、精度高、工作時間長、尺寸小等優(yōu)點，但其抗沖擊能力差，軸向尺寸略長，會使懸架動行程受限。齒輪齒條型采用了旋轉(zhuǎn)電機與齒輪齒條相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，易于控制、主動控制力可調(diào)范圍廣，但其結(jié)構(gòu)尺寸較大，當路面沖擊過大時容易造成齒輪齒條機構(gòu)斷裂失效。直線電機式電磁作動器滾珠絲杠型旋轉(zhuǎn)電機式電磁作動器主動懸架系統(tǒng)3.2電磁式主動懸架系統(tǒng)58電磁式主動懸架系統(tǒng)的典型例子：法拉利Purosangue車型首先搭載了Multimatic供應(yīng)商設(shè)計的TASV系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于主動滑閥液壓減振器，通過額外配置電機增強減振性能。TASV系統(tǒng)每一個減振器都配有液冷48V三相無刷電機，其通過獨特的齒輪箱組件將力引導(dǎo)到減振器活塞桿上，并均配備有車載電機控制模塊，由車輛動態(tài)控制器管理。TASV系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)驅(qū)動電機及傳動機構(gòu)主動懸架系統(tǒng)3.2電磁式主動懸架系統(tǒng)59比亞迪云輦Z架系統(tǒng)采用懸浮電機代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機械懸架結(jié)構(gòu)，響應(yīng)速度極為迅速，其調(diào)節(jié)響應(yīng)時間低至10毫秒，遠超傳統(tǒng)主動懸架系統(tǒng)，使其具備更高的調(diào)節(jié)精度和速度，為乘客提供如磁懸浮列車般平穩(wěn)的乘坐體驗。云輦Z系統(tǒng)示意圖電磁式主動懸架系統(tǒng)的典型例子：懸浮電機避免了傳統(tǒng)油液介質(zhì)的能量傳遞損耗，同時還能通過懸浮電機直接發(fā)電，實現(xiàn)能量回收，為車輛電池充電。主動懸架系統(tǒng)3.3油氣式主動懸架系統(tǒng)60油氣式主動懸架系統(tǒng)的概念：油氣主動懸架系統(tǒng)原理圖油氣彈簧剛度特性油氣彈簧結(jié)構(gòu)油氣主動懸架系統(tǒng)的核心部件之一是油氣彈簧，由作為蓄能器的氣體彈簧和具有減振功能的油缸組成。油氣彈簧以惰性氣體作為彈性介質(zhì)，將液壓油密封于活塞和儲能器橡膠隔膜之間，以油液傳遞壓力，油缸內(nèi)部的節(jié)流孔、單向閥等結(jié)構(gòu)代替了原被動懸架系統(tǒng)的阻尼器?？刂破鞲鶕?jù)傳感器采集到的車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)控制電磁比例閥來調(diào)節(jié)油缸充放油流量，從而對車身狀態(tài)進行控制。主動懸架系統(tǒng)3.3油氣式主動懸架系統(tǒng)61油氣式主動懸架系統(tǒng)的典型例子：雪鐵龍C6油氣主動懸架系統(tǒng)，其油氣主動懸架集彈性元件、阻尼元件和力發(fā)生器于一體，形成了獨立的懸架系統(tǒng)。油氣主動懸架系統(tǒng)具有單位儲能比大、結(jié)構(gòu)緊湊和剛性閉鎖等優(yōu)點，但其制造成本高、維護相對困難，且很難在?40℃的溫度下正常工作。雪鐵龍C6油氣主動懸架系統(tǒng)的設(shè)計工程圖主動懸架系統(tǒng)3.3油氣式主動懸架系統(tǒng)62油氣式主動懸架系統(tǒng)的典型例子：采埃孚推出的sMotion系統(tǒng)在CDC技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，在每個車輪懸架中都集成了一個2.5kW電子液壓泵，使油壓增加到高于或低于減振器活塞，從而控制減振器活塞桿進行雙向的運動。其創(chuàng)新在于采用外源電動系統(tǒng)提供額外作用力，通過減振器結(jié)構(gòu)主動地上拉和下推車輪，動態(tài)改善車輪接地情況，調(diào)整車身姿態(tài)。sMotion系統(tǒng)示意圖當車輛轉(zhuǎn)彎時，轉(zhuǎn)向內(nèi)側(cè)的兩個車輪可收縮，而外側(cè)車輪則延展，從而減少車身的傾斜。在制動或驅(qū)動工況下，同時抬高或降低同軸的兩側(cè)車輪，改善車身俯仰。在路面顛簸的駕駛情況下能對車身的側(cè)傾和俯仰進行綜合控制和改善。sMotion系統(tǒng)可以主動控制5Hz頻率范圍下的振動，對低頻振動進行有效抑制。針對高頻激勵，如井蓋、交叉連接處、粗糙瀝青或礫石，sMotion系統(tǒng)則可采用配備的CDC減振器進行協(xié)同調(diào)節(jié)改善。汽車底盤技術(shù)的發(fā)展3.4主動式側(cè)傾控制系統(tǒng)63主動穩(wěn)定桿的概念：主動穩(wěn)定桿作為主動式側(cè)傾控制系統(tǒng)（ActiveRollControl，ARC）的作動器，利用電動或液壓裝置，能夠輸出抗側(cè)傾力矩來主動調(diào)節(jié)車輛的側(cè)傾穩(wěn)定性。主動穩(wěn)定桿能夠有效減少車身在轉(zhuǎn)彎時的側(cè)傾程度，提高了車輛的操控穩(wěn)定性和行駛平順性，使駕駛者更加安全和舒適。主動橫向穩(wěn)定桿舍弗勒主動穩(wěn)定桿汽車底盤技術(shù)的發(fā)展3.4主動式側(cè)傾控制系統(tǒng)64主動穩(wěn)定桿的分類：主動穩(wěn)定桿根據(jù)作動器能量來源的不同分為電動式和液壓式：電機式主動穩(wěn)定桿利用電動馬達控制扭桿的旋轉(zhuǎn)，需要配套設(shè)計對應(yīng)的大傳動比減速機構(gòu)，且其體積需要足夠小巧以配合主動穩(wěn)定桿在底盤系統(tǒng)中的布置。目前主流的設(shè)計方案分別采用行星齒輪和諧波齒輪進行減速增扭。液壓式主動穩(wěn)定桿則通過液壓系統(tǒng)來實現(xiàn)力矩輸出。與液壓系統(tǒng)相比，電機式系統(tǒng)具有更高的響應(yīng)速度和精確度。汽車底盤技術(shù)的發(fā)展3.4主動式側(cè)傾控制系統(tǒng)主動式側(cè)傾（ActiveRollControl，ARC）系統(tǒng)：ARC系統(tǒng)在前后軸各配置一個，單個系統(tǒng)都有傳感器、控制器以及由驅(qū)動電機和減速機構(gòu)構(gòu)成的執(zhí)行器，其中減速機構(gòu)可以在電機驅(qū)動時讓左右搖臂反向轉(zhuǎn)動（側(cè)視車輛）。ARC系統(tǒng)基本構(gòu)成65汽車底盤技術(shù)的發(fā)展3.4主動式側(cè)傾控制系統(tǒng)66序號驅(qū)動電機狀態(tài)穩(wěn)定桿狀態(tài)應(yīng)用場景1無電信號給電機此時穩(wěn)定桿左右斷開，左右兩側(cè)車輪和車身不受任何來自ARC的約束。應(yīng)用于車情正常直線行駛工況，此時可認為穩(wěn)定桿不起到任何作用。2電機執(zhí)行驅(qū)動指令電機通過減速機構(gòu)驅(qū)動左右搖臂反向扭轉(zhuǎn)。車輛轉(zhuǎn)彎且方向盤處于轉(zhuǎn)動的情況下此時電機驅(qū)動兩側(cè)搖臂反向扭轉(zhuǎn)來控制車身姿態(tài)，旨在使車身實現(xiàn)或水平或向內(nèi)側(cè)傾的姿態(tài)。3電機執(zhí)行讀死指令（堵轉(zhuǎn)）電機和減速機構(gòu)鎖死，使左右搖臂成為一體，以保持當前車身姿態(tài)。車輛轉(zhuǎn)彎過程中且方向盤為靜止情況下，此時電機和減速機構(gòu)鎖死，以保持當前車身姿態(tài)，直至完成轉(zhuǎn)彎為止。車輪回正后又進入無電信號狀態(tài)。被動穩(wěn)定桿與ARC抗側(cè)傾效果對比第六章智能底盤運動控制技術(shù)智能底盤運動控制技術(shù)課前小討論68特斯拉的Autopilot系統(tǒng)和奧迪的TrafficJamAssist系統(tǒng)使用了高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS），高級駕駛輔助系統(tǒng)集成了多個獨立的駕駛輔助功能，如車道保持輔助（LKA）、車道偏離預(yù)警（LDW）、自動緊急制動（AEB）等，通過協(xié)同工作來提高車輛的安全性和駕駛體驗。國內(nèi)的各大廠商也推出了各自的智能底盤控制系統(tǒng)，智能底盤運動控制已然成為車輛智能化不可或缺的一環(huán)，你認為智能底盤運動控制技術(shù)在安全性、可靠性和智能化方面的發(fā)展應(yīng)該是怎樣的，討論自動駕駛技術(shù)和智能交通系統(tǒng)的發(fā)展對智能底盤運動控制技術(shù)的影響。第六章

智能底盤運動控制技術(shù)69輪胎及車輛模型智能底盤駕駛工況感知底盤縱向運動控制底盤橫向運動控制底盤垂向運動控制底盤縱橫垂協(xié)同控制輪胎及車輛模型1.1輪胎模型70重要性：輪胎與地面的接觸作用是汽車實現(xiàn)運動的根本原因，輪胎與路面的接觸區(qū)域稱為輪胎的接地印跡，在這個區(qū)域內(nèi)輪胎與路面相互作用，產(chǎn)生使汽車實現(xiàn)各種運動的力。車輛驅(qū)動/制動、轉(zhuǎn)向以及承載均來自于輪胎接地印跡內(nèi)的各方向力和力矩。輪胎結(jié)構(gòu)、材料特性、行駛環(huán)境以及使用工況非常復(fù)雜，輪胎自身在力的傳遞過程中會發(fā)生較大的變形，使得輪胎成為一個“側(cè)向-縱向-垂向”復(fù)雜耦合的非線性動力學系統(tǒng)，極大增加了輪胎力學特性研究的難點：輪胎結(jié)構(gòu)、材料特性、行駛環(huán)境以及使用工況非常復(fù)雜，輪胎自身在力的傳遞過程中會發(fā)生較大的變形，使得輪胎成為一個“側(cè)向-縱向-垂向”復(fù)雜耦合的非線性動力學系統(tǒng)。分類：根據(jù)建模方法的不同主要可以分成：理論模型，經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃桶虢?jīng)驗?zāi)Ｐ?。輪胎模型輪胎及車輛模型1.1

輪胎模型71輪胎理論模型也叫分析模型或物理模型，通過對輪胎真實物理結(jié)構(gòu)進行簡化，分析輪胎印跡內(nèi)的變形機理，建立對輪胎力學特性的數(shù)學描述。該模型對于分析輪胎力學現(xiàn)象的物理本質(zhì)，研究結(jié)構(gòu)參數(shù)對力學特性的影響等具有重要的意義。理論模型常存在多種簡化，且形式復(fù)雜、計算效率低，因此很難在實際車輛動力學研究中進行應(yīng)用。輪胎理論模型輪胎及車輛模型1.1

輪胎模型72輪胎坐標系的X、Y軸設(shè)定在接地平面上，定義Z軸為右手坐標系，垂直于路面豎直向上。X軸的正方向設(shè)定為輪胎前進方向，以X、Y軸的正方向來規(guī)定Z軸的正方向。輪胎中心點相對路面的前進方向涉及其在接地平面上的投影軸。輪胎行進方向軸代表輪胎的（車輛）行駛結(jié)果。輪胎坐標系滑移比有多種定義，《汽車工程手冊》中提到的定義是，如果輪胎的轉(zhuǎn)動角速度為ω，輪胎的前進速度為v，輪胎的滾動半徑（動態(tài)負荷半徑）為r，驅(qū)動時：制動時：輪胎及車輛模型1.1

輪胎模型73美國汽車工程師學會提出的用于描述輪胎六分力的SAE坐標系得到了廣泛的應(yīng)用。對路面提供的接地印跡內(nèi)的分布力，常將其向印跡中心進行簡化，形成一空間力系，稱之為“輪胎六分力”。輪胎坐標系SAE坐標系規(guī)定：取地球中心方向為軸，按照其坐標系，輪荷寫為負，滿足坐標系的負值稱作“法向力（NormalForce）”，其反向值定義為“垂向力（VerticalForce）”，輪荷值使用正號。側(cè)偏角向右轉(zhuǎn)彎為正、向左轉(zhuǎn)彎為負，側(cè)向力向右轉(zhuǎn)彎為正、向左轉(zhuǎn)彎為負。根據(jù)輪胎坐標系，通常將輪胎力學特性分為平面內(nèi)（in-plane）特性及平面外（out-of-plane）特性兩類，平面內(nèi)特性包括輪胎的縱向力、垂直力及滾動阻力矩特性，平面外特性包括輪胎的側(cè)向力、回正力矩及翻轉(zhuǎn)力矩特性。輪胎側(cè)偏特性屬于平面外特性。輪胎及車輛模型1.1

輪胎模型74輪胎剛度支撐著車輛與路面的接觸。徑向剛度（Z軸方向），徑向剛度主要由輪胎胎面環(huán)的剛度和輪胎內(nèi)部空氣的壓力組成，與胎壓基本成正比。縱向剛度主要由胎面膠、胎面環(huán)以及受胎壓支撐的輪胎胎側(cè)剛度構(gòu)成?？v向剛度受胎壓和輪荷的影響比側(cè)向剛度大兩倍以上。在乘用車上，輪胎的縱向剛度通常大于側(cè)向剛度，約為200～400N/mm。側(cè)向剛度（沿Y軸方向）直接影響著輪胎產(chǎn)生的側(cè)向力，主要受到胎面環(huán)剛度的影響，相比徑向剛度，側(cè)向剛度對胎壓和輪荷的依賴性較小，但與徑向剛度有關(guān)。在乘用車上，輪胎的側(cè)向剛度約為100～200N/mm。扭轉(zhuǎn)剛度（繞Z軸旋轉(zhuǎn)的方向）與轉(zhuǎn)向時的轉(zhuǎn)向反作用力相當。它受到胎面環(huán)剛度、胎壓支撐的輪胎胎側(cè)部位剛度和接地形狀的影響。輪胎剛度輪胎及車輛模型1.1

輪胎模型75輪胎的側(cè)偏特性主要是指側(cè)偏力、回正力矩與側(cè)偏角的關(guān)系，忽略了回正力矩的影響。當輪胎處于一邊滾動一邊側(cè)滑狀態(tài)時，在輪胎上會發(fā)生摩擦力。此摩擦力在輪胎側(cè)向的分力是側(cè)向力，切向的分力是滾動阻力，在與輪胎前進方向成直角的分力為側(cè)偏力，而在前進方向的分力是側(cè)偏阻力。輪胎的側(cè)偏特性與線性化輪胎模型當輪胎側(cè)偏角a不超過5°時，可以認為側(cè)偏力Fy與側(cè)偏角a呈線性關(guān)系，即將輪胎模型簡化為線性模型。

Fy=Ca在汽車正常行駛時，側(cè)向加速度通常不超過0.4g，側(cè)偏角不超過4°到5°，可以認為側(cè)偏力與側(cè)偏角呈線性關(guān)系。輪胎的側(cè)偏特性曲線在側(cè)偏角a=0處的斜率稱為側(cè)偏剛度k，單位為N/rad或N/(°)。輪胎及車輛模型1.1

輪胎模型76刷子輪胎模型

刷子輪胎模型基于彈性胎面和剛性胎體的物理假設(shè)，假定輪胎彈性完全集中在具有刷子變形特征的胎面上，而將胎體視為剛性體。刷子輪胎模型考慮輪胎與地面之間的摩擦力和輪胎縱橫向滑移來描述車輛的縱向力和橫向力。每個車軸上的等效集中車輪力是用單一附著系數(shù)的刷子輪胎模型來建模，等效輪胎可以通過側(cè)向剛度Ca和縱向剛度Ck來表征。輪胎理論模型——刷子模型輪胎及車輛模型1.1

輪胎模型77Dugoff輪胎模型通過考慮輪胎與地面之間的摩擦力和輪胎側(cè)向滑移來描述車輛的橫向力和縱向力。Dugoff輪胎模型將車輛分為縱向和橫向兩個方向，并考慮輪胎的側(cè)向力和縱向力對車輛運動狀態(tài)的影響。輪胎經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀狣ugoff輪胎模型輪胎及車輛模型1.1

輪胎模型78魔術(shù)公式輪胎模型是一種利用三角函數(shù)的組合來擬合實驗輪胎數(shù)據(jù)的模型，通過一套形式相同的公式完整地表達輪胎在不同工況下的縱向力、側(cè)向力、回正力矩、反轉(zhuǎn)力矩以及滾動阻力等力學特性，即使在縱向力和側(cè)向力聯(lián)合作用的情況下，也能給出準確的預(yù)測。輪胎經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀g(shù)公式輪胎模型魔術(shù)公式的統(tǒng)一表達形式為：附著橢圓示意圖模型大致分為兩部分：純轉(zhuǎn)向與純制動驅(qū)動時輸出的Pure模型用摩擦橢圓描述轉(zhuǎn)向與制動驅(qū)動復(fù)合狀態(tài)輸出的復(fù)合模型

輪胎及車輛模型1.1

輪胎模型純側(cè)偏工況Fy模型在Fy模型方面，首先由于摩擦系數(shù)隨輪胎接地面壓力變化而變化，針對規(guī)定最大值的常數(shù)D，用摩擦系數(shù)與輪荷成正比的、負荷的一次函數(shù)公式表現(xiàn)。輪胎經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀g(shù)公式輪胎模型常數(shù)BCD表示剛性值，與載荷的關(guān)系用輪荷的二次函數(shù)公式近似，利用魔術(shù)公式的近似公式，易于對應(yīng)大載荷區(qū)域的特性。Fy及側(cè)滑角方向的偏置量分別是常數(shù)Sv和Sh，表示外傾角（相當于外傾橫向推力）與輪荷（相當于變向橫向力）輪胎及車輛模型1.1

輪胎模型80車輛在高速行駛的過程中，由于不平路面激勵、制動力矩變化、輪胎的不均勻性等因素的影響下，輪胎往往表現(xiàn)為中高頻瞬態(tài)特性。針對關(guān)乎車輛平順性、耐久性和舒適性的輪胎中高頻力學特性，環(huán)模型是目前應(yīng)用最廣泛的中高頻輪胎模型。典型的環(huán)模型包括剛性環(huán)輪胎模型和柔性環(huán)輪胎模型，二者都被應(yīng)用于研究輪胎的中高頻特性及其對整車動力學的影響。輪胎中高頻動態(tài)模型輪胎及車輛模型1.1

輪胎模型81SWIFT輪胎模型（ShortWavelengthIntermediateFrequenczTireModel）是典型的剛性環(huán)輪胎模型。SWIFT輪胎模型主要由四部分組成，包括魔術(shù)公式、接地質(zhì)量塊滑移模型、剛性環(huán)模型和等效路面模型。輪胎中高頻動態(tài)模型SWIFT輪胎模型示意圖魔術(shù)公式用來表達輪胎的非線性穩(wěn)態(tài)特性；接地質(zhì)量塊滑移模型用來表達輪胎非線性瞬態(tài)特性；剛性環(huán)模型用于表達胎體的高頻振動；串聯(lián)橢圓凸輪等效路面模型用于描述3D不平路面。輪胎及車輛模型1.1

輪胎模型82FTire輪胎模型（FlexibleRingTireModel）是典型的柔性環(huán)模型。FTire輪胎模型由四部分組成，包括結(jié)構(gòu)模型、胎面模型、熱模型和磨損模型。輪胎中高頻動態(tài)模型FTire輪胎模型示意圖結(jié)構(gòu)模型描述輪胎的結(jié)構(gòu)剛度、阻尼和慣性特性胎面模型描述路面高度胎面變形和路面摩擦系數(shù)，并計算地面壓力和接地印跡。輪胎及車輛模型1.1

輪胎模型83輪胎爆胎后，輪胎的結(jié)構(gòu)改變，導(dǎo)致縱向和橫向特性變化，形成與非爆胎輪的力學特性差異。爆胎后，滾動阻力系數(shù)增大10~30倍，側(cè)偏剛度和縱滑剛度下降為正常情況的10%。爆胎輪胎模型爆胎輪胎參數(shù)變化輪胎及車輛模型1.2車輛模型84車輛動力學模型一般用于分析車輛的平順性和車輛操縱性的穩(wěn)定性。建立車輛動力學模型，需要綜合考慮各種實際因素，準確反應(yīng)車輛實時響應(yīng)。車輛動力學模型大地坐標系與車身坐標系車身坐標系下車輛受力與運動大地坐標系坐標原點為汽車初始位置時質(zhì)心在地面的投影O，X軸正向與汽車初始前進方向相同，Z軸正方向垂直于地面向上，Y軸分別與X軸、Z軸垂直指向車身側(cè)向，正方向通過右手定則確定。車身坐標系定義在車身質(zhì)點o位置，x軸指向汽車的前進方向，z軸沿車身垂直線背離地面方向，y軸沿著車身側(cè)向，與x軸、z軸共同構(gòu)成右手坐標系。輪胎及車輛模型1.2車輛模型85單軌線性二自由度模型又稱自行車模型，是車輛動力學最為經(jīng)典和基礎(chǔ)的模型車輛動力學模型——二自由度車輛動力學模型只考慮純側(cè)偏輪胎特性，忽略輪胎力的橫縱向耦合關(guān)系，車輛的輪胎滿足側(cè)偏特性處于線性范圍，忽略左、右車輪輪胎由于載荷和路況變化而引起的輪胎側(cè)偏特性的變化以及輪胎回正力矩的作用；忽略轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的影響，直接以前輪轉(zhuǎn)角作為輸入，且前輪轉(zhuǎn)角不太大；忽略懸架系統(tǒng)的影響，只考慮車輛平行于地面的平面運動；不考慮車輛所受縱向力以及縱向速度vx的變化；不考慮車輛的所受的空氣動力作用。

輪胎及車輛模型1.2車輛模型86車輛二自由度模型建立在縱向車速恒定的基礎(chǔ)上，只關(guān)注車輛的橫向運動以及橫擺運動，應(yīng)用場景受到限制；三自由度車輛動力學模型是在線性二自由度模型的基礎(chǔ)上考慮了縱向運動（車輛縱向速度變化），是非線性模型。車輛動力學模型——三自由度車輛動力學模型考慮車輛的橫向運動、縱向運動與橫擺運動假設(shè)車輛左右對稱，忽略俯仰以及側(cè)傾運動、空氣動力學、輪胎側(cè)偏特性的變化

輪胎及車輛模型1.2車輛模型87七自由度車輛模型是在三自由度車輛模型的基礎(chǔ)上增加了4個輪胎的轉(zhuǎn)動，包括車輛的橫擺、側(cè)向和縱向運動過程的分析，也考慮了載荷對輪胎特性的影響，加入了滑移率這一對車輛動力學有重要影響的變量，盡可能考慮輪胎特性對車輛運動過程的影響，減少過多自由度對仿真效率的影響。車輛動力學模型——七自由度車輛動力學模型考慮車輛的橫向運動、縱向運動與橫擺運動考慮輪胎模型和輪胎動力學模型引入滑移率

輪胎及車輛模型1.2車輛模型88車輛十四自由度動力學模型將車輛視為一個多剛體系統(tǒng)，包括一個簧上質(zhì)量剛體和四個非簧上質(zhì)量剛體。自由度包括四個車輪的縱向轉(zhuǎn)動自由度、轉(zhuǎn)向自由度和車體的六個自由度（縱向、橫向、垂向平動和翻滾、俯仰和橫擺運動）。子系統(tǒng)模型可劃分為：驅(qū)動電機模型、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型、制動系統(tǒng)模型、懸架系統(tǒng)模型、輪胎模型、輪胎動力學模型和車身動力學模型。車輛動力學模型——十四自由度車輛動力學模型十四自由度車輛平面運動模型十四自由度車輛垂向運動模型第六章

智能底盤運動控制技術(shù)89輪胎及車輛模型智能底盤駕駛工況感知底盤縱向運動控制底盤橫向運動控制底盤垂向運動控制底盤縱橫垂協(xié)同控制智能底盤駕駛工況感知2.1駕駛員意圖識別90駕駛意圖是指駕駛員對車輛下一步行動的目標、方向的預(yù)期規(guī)劃，作為駕駛員的主觀考慮，其受到外部壞境因素如道路走向和寬度變化、其他車輛運動等影響，同時也會反過來作用于道路上其他交通參與者。駕駛員意圖識別駕駛員意圖識別主要任務(wù)主要方法參數(shù)選取制動意圖識別轉(zhuǎn)向意圖識別邏輯門限方法機器學習方法機器學習方法駕駛員行為車輛狀態(tài)參數(shù)周圍道路環(huán)境駕駛員狀態(tài)行為包括方向盤轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)向信號燈、制動踏板和油門踏板的踩踏情況、駕駛員頭部轉(zhuǎn)向、視覺信息等自車車輛狀態(tài)包括車速、道路位置、縱橫向加速度、偏航角等周圍道路環(huán)境則涵蓋車路位置變化、周邊其他車輛、障礙物、非機動車輛、行人以及交通信號等。讓駕駛員成為機器決策的重要參考，降低人機沖突，從而提高機器決策的正確性，減少駕駛員因機器決策導(dǎo)致的不適感。目的智能底盤駕駛工況感知2.1駕駛員意圖識別91在駕駛過程中，駕駛員往往會進行下意識的增減速動作，依賴習慣來踩下制動踏板。通常情況下，駕駛員的制動意圖可以分為兩類：常規(guī)制動和緊急制動。常規(guī)制動，旨在提供迅速、穩(wěn)定、平緩的制動體驗；緊急制動，指在緊急情況下駕駛員迅速踩下制動踏板，盡可能增加制動力以減少制動距離。絕大多數(shù)駕駛員制動意圖識別相關(guān)的研究通常使用踏板位移、踏板速度、踏板力等駕駛員狀態(tài)行為和制動初速度、減速度等自車車輛狀態(tài)作為識別參數(shù)。制動意圖識別智能底盤駕駛工況感知2.1駕駛員意圖識別92駕駛員制動意圖識別方法主要有邏輯門限方法、機器學習算法等。邏輯門限方法:駕駛員的制動動作通過相對位移傳感器采集到控制器，可以通過邏輯門限判斷駕駛員的基本意圖，包括制動、退出制動或保持制動。在緊急制動時，制動踏板的速度非常大，相對位移通常較大。在這種情況下，制動主缸壓力以及主缸壓力的變化率可以綜合反映駕駛員的制動意圖。制動意圖識別該方法以制動踏板位移和制動踏板速度作為參數(shù)進行制動意圖識別根據(jù)制動踏板位移將制動過程分為不同的階段，包括空行程階段、中強度階段和大強度階段，結(jié)合不同踏板速度下的踏板位移將制動意圖分為常規(guī)制動區(qū)、過渡區(qū)和緊急制動區(qū)等不同的區(qū)域。智能底盤駕駛工況感知2.1駕駛員意圖識別93支持向量機、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、LSTM等機器學習方法也被應(yīng)用于制動意圖的識別中。支持向量機（supportvectormachines,SVM）：是一類按監(jiān)督學習方式對數(shù)據(jù)進行二元分類的廣義線性分類器，其決策邊界是對學習樣本求解的最大邊距超平面。SVM可以通過核方法進行非線性分類。制動意圖識別SVM決策函數(shù)為通過二次優(yōu)化，得到智能底盤駕駛工況感知2.1駕駛員意圖識別94反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)：是一種基于誤差反向傳播算法（BackPropagationAlgorithm）的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可以用來解決分類問題。制動意圖識別BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)示意圖隱含層輸出計算輸出層輸出計算誤差計算權(quán)值更新智能底盤駕駛工況感知2.1駕駛員意圖識別95長短期記憶網(wǎng)絡(luò)（LSTM）：是循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(RNN)的一種，過設(shè)計門限結(jié)構(gòu)解決長期依賴問題，可以應(yīng)對RNN中的梯度衰減問題，并更好地捕捉時間序列中時間步距離較大的依賴關(guān)系。LSTM的輸入門、遺忘門和輸出門可以控制信息的流動。制動意圖識別遺忘門輸入門輸出門智能底盤駕駛工況感知2.1駕駛員意圖識別96針對駕駛員轉(zhuǎn)向意圖識別的研究主要集中在車輛換道意圖的預(yù)測識別上。換道行為是車輛駕駛過程中的普遍行為，不當?shù)膿Q道行為會導(dǎo)致車輛追尾、碰撞等交通事故，影響道路通行能力和人們的生命安全。轉(zhuǎn)向意圖識別基于條件隨機場（CRF）的駕駛員換道意圖識別方法主要利用CRF在序列標注任務(wù)中的優(yōu)勢，對駕駛員的換道行為進行建模和識別。條件隨機場結(jié)合了最大熵模型和隱馬爾可夫模型的特點，是一種無向圖模型，該方法能夠充分利用序列數(shù)據(jù)中的長距離依賴性和交疊性特征，對駕駛員的換道意圖進行準確預(yù)測。智能底盤駕駛工況感知2.2路面狀態(tài)觀測97通過路面狀態(tài)觀測，可以得到路面的附著系數(shù)和對應(yīng)的路面類型，對控制策略、標定參數(shù)進行工況切換，使得控制參數(shù)與駕駛工況相匹配，顯著提升控制效果。在具體實施過程中，只有當輪胎的縱向力、側(cè)向力突破了地面附著力產(chǎn)生了明顯的縱滑或者側(cè)滑之后，才能判斷對路面狀態(tài)進行觀測。當前主流的智能底盤架構(gòu)往往采用電機作為驅(qū)動系統(tǒng)的動力源，電機控制器可估算得到電機扭矩，估算偏差在僅為3%~5%。基于估算電機扭矩可以得到輪端的縱向驅(qū)動力，結(jié)合輪胎模型可估算得到路面附著系數(shù)。轉(zhuǎn)向意圖識別第六章

智能底盤運動控制技術(shù)98輪胎及車輛模型智能底盤駕駛工況感知底盤縱向運動控制底盤橫向運動控制底盤垂向運動控制底盤縱橫垂協(xié)同控制底盤縱向運動控制3.1電機驅(qū)動扭矩控制99電機驅(qū)動扭矩控制主要解決車輛在急加速或在濕滑/惡劣路面行駛時，車輛驅(qū)動力超過路面最大附著力，導(dǎo)致車輪滑轉(zhuǎn)，從而使車輛動力性和操控穩(wěn)定性變差的問題。驅(qū)動防滑控制主要通過減少滑轉(zhuǎn)車輪驅(qū)動扭矩或?qū)υ撥囕喪┘又苿恿?，來抑制車輪的滑轉(zhuǎn)趨勢，從而提高車輛在濕滑/惡劣路面上的行駛穩(wěn)定性和安全性。驅(qū)動防滑控制輪胎縱向力與車輪滑轉(zhuǎn)率的關(guān)系通常用滑轉(zhuǎn)率來表征車輪的滑轉(zhuǎn)程度，其等于輪速減車速的差除以輪速驅(qū)動防滑控制系統(tǒng)將車輪的滑轉(zhuǎn)率控制在20%附近，以獲得最佳的動力性能底盤縱向運動控制3.1電機驅(qū)動扭矩控制100驅(qū)動防滑控制系統(tǒng)主要通過實時監(jiān)測車輪轉(zhuǎn)速，來判斷車輪是否出現(xiàn)打滑的情況，進而根據(jù)車輪滑轉(zhuǎn)的程度，來控制車輪的驅(qū)動力。驅(qū)動防滑控制驅(qū)動防滑控制過程第1階段：識別到車輪滑轉(zhuǎn)，驅(qū)動防滑功能激活并快速降低扭矩，防止車輪滑轉(zhuǎn)加劇。第2階段：降低扭矩后車輪滑轉(zhuǎn)程度降低，為避免喪失過多動力性，逐漸恢復(fù)驅(qū)動扭矩。第3階段：經(jīng)過降低扭矩和恢復(fù)扭矩階段后，輪速逐漸穩(wěn)定，進入穩(wěn)定控制階段。底盤縱向運動控制3.2電機回饋扭矩控制101電機回饋是指在車輛制動過程中，車輪通過傳動系統(tǒng)帶動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)子磁場切割定子繞組，定子繞組產(chǎn)生反電動勢，對車輛產(chǎn)生制動。電機回饋控制功能通過電機回饋為整車提供制動力使其減速，同時將整車部分動能轉(zhuǎn)換成電能存儲到電池中，提高整車續(xù)航里程?；谢仞伖δ?、制動回饋功能、滑行回饋防抱死功能是目前最為常見的三種電機回饋控制功能。電機回饋扭矩控制智能底盤駕駛工況感知3.2電機回饋扭矩控制102滑行回饋功能是指高車速松油門行駛，利用電機發(fā)電進行回饋控制?；谢仞伖δ芨鶕?jù)車速一般可分為兩個控制區(qū)間：高速協(xié)調(diào)區(qū)、低速衰減區(qū)。滑行回饋控制高速下，整車的空氣阻力和滾動阻力較大，滑行回饋功能根據(jù)阻力的大小對電機回饋扭矩進行調(diào)節(jié)，來保證高速滑行工況下減速度的一致性；低速下，為避免回饋扭矩過大，導(dǎo)致車輪反轉(zhuǎn)，車輛往后行駛等不安全問題，當車速低于一定閾值時，電機回饋扭矩開始逐漸衰減至零。底盤縱向運動控制3.2電機回饋扭矩控制103電機制動力與液壓制動力可根據(jù)駕駛員需求實時調(diào)節(jié)配比，避免了電池充電功率、電機轉(zhuǎn)速和溫度等對整車減速度一致性的影響，同時為電機回饋更多制動力提供了可能。新能源汽車的電機回饋能力一般不低于3m/s。電機制動回饋控制用戶制動深度需求有90.1%落在了(0~30%]制動深度區(qū)間，對應(yīng)制動減速度區(qū)間(0~3m/s2]，所以電機回饋能力可滿足大部分的日常駕駛低速下，為避免回饋扭矩過大，導(dǎo)致車輪反轉(zhuǎn)，車輛往后行駛等不安全問題，當車速低于一定閾值時，電機回饋扭矩開始逐漸衰減至零。再生協(xié)調(diào)制動功能將駕駛員需求制動力分配給電機制動力和液壓制動力用戶制動落點情況底盤縱向運動控制3.2電機回饋扭矩控制104新能源電動汽車滑行工況時，主要由電機再生制動提供制動力，當車輛行駛在冰面、濕瓷磚等路面時，可能因電機再生制動力超過地面制動力造成車輪抱死?；谢仞伔辣涝谲囕v滑行過程中識別一個或幾個車輪的抱死傾向，并精準調(diào)節(jié)電機回饋扭矩，使車輪處于最佳滑移狀態(tài)，避免車輪抱死，使汽車得到控制?；谢仞伔辣揽刂齐姍C回饋控制與液壓制動控制對比底盤縱向運動控制3.3速度跟蹤控制105在速度跟蹤控制器設(shè)計方面，典型的方法可以分為基于無模型的控制方法、基于最優(yōu)控制方法、魯棒控制方法和混合控制方法等。基于無模型的控制方法就是在設(shè)計控制器時不考慮被控對象的運動學和動力學模型，通過某些規(guī)則獲得最終控制率的方法?；跓o模型的控制方法PID控制模糊控制底盤縱向運動控制3.3速度跟蹤控制106基于機器學習的方法需要離線訓(xùn)練數(shù)據(jù)采集、模型更新存在挑戰(zhàn)基于無模型的控制方法BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)強化學習使用反向傳播（BP）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)速度控制，以模擬駕駛員的速度調(diào)整策略?；趶娀瘜W習的駕駛員行為學習系統(tǒng)實現(xiàn)仿人控制。底盤縱向運動控制3.3速度跟蹤控制107基于最優(yōu)控制的控制方法基于無模型的控制方法線性二次規(guī)劃控制模型預(yù)測控制線性二次規(guī)劃控制（LQR）基于線性系統(tǒng)模型設(shè)計狀態(tài)反饋求解Riccati方程直接得到控制律，計算量較小缺點：無法處理輸入和狀態(tài)的約束問題模型預(yù)測控制（MPC）直接處理控制輸入和狀態(tài)的約束問題預(yù)測模型未來的行為，優(yōu)化當前的控制輸入來最小化目標函數(shù)，控制效果好缺點：計算復(fù)雜，依賴精確模型底盤縱向運動控制3.3速度跟蹤控制108魯棒控制方法基于無模型的控制方法滑模控制反演控制滑?？刂圃O(shè)計簡單，容易實現(xiàn)和應(yīng)用響應(yīng)快速對參數(shù)變化和擾動不靈敏（魯棒性）缺點：存在抖振問題反演控制將復(fù)雜的非線性系統(tǒng)分解成簡單和低階的系統(tǒng)選取Lyapunov(李雅普諾夫)函數(shù)來保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性魯棒性好，不存在抖振缺點：計算復(fù)雜第六章

智能底盤運動控制技術(shù)109輪胎及車輛模型智能底盤駕駛工況感知底盤縱向運動控制底盤橫向運動控制底盤垂向運動控制底盤縱橫垂協(xié)同控制底盤橫向運動控制4.1軌跡跟蹤控制軌跡跟蹤控制110軌跡跟蹤控制基于運動學的方法運動學與動力學結(jié)合的方法軌跡跟蹤控制純跟蹤算法（PurePursuit）斯坦利算法（Stanley）PID控制基于最優(yōu)控制的方法魯棒控制方法基于學習的控制方法確保車輛能夠精確跟隨預(yù)設(shè)的行駛路徑，減少與理想軌跡的偏差；同時能夠保證在不同路況和車速下，保持車輛的穩(wěn)定姿態(tài)，防止側(cè)滑、側(cè)翻等危險情況的發(fā)生。主要有：基于幾何運動學的跟蹤控制算法，和基于運動學模型和動力學模型結(jié)合的跟蹤算法。底盤橫向運動控制4.1軌跡跟蹤控制基于幾何運動學的跟蹤控制算法111純跟蹤控制算法（PurePursuit，PP）是一種典型的橫向控制方法，該方法對外界的魯棒性較好。PP算法利用期望路徑與行駛路徑的距離偏差來測量汽車位置信息、前輪轉(zhuǎn)向角數(shù)據(jù)，來實現(xiàn)智能汽車的路徑跟蹤。根據(jù)幾何關(guān)系：可得車輛轉(zhuǎn)向半徑為：結(jié)合阿克曼轉(zhuǎn)向模型，可以計算出前輪轉(zhuǎn)向角：PP方法簡便，對路面曲率擾動有較強的抗干擾能力，但其對前視點選取的依賴性強，且最優(yōu)化結(jié)果難以獲得；沒有考慮動力學特性底盤橫向運動控制4.1軌跡跟蹤控制基于幾何運動學的跟蹤控制算法112Stanley算法是根據(jù)前輪中心的路徑跟蹤偏差值進行計算，得到轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)向控制量。前輪轉(zhuǎn)角的控制變量主要包括2個方面：1）航向誤差形成的轉(zhuǎn)角，就是期望軌跡上與車身最近點的切線方向與車輛方向的夾角。2）由橫向誤差造成的夾角，也就是在側(cè)向偏差下，前軸車輪的中心與期望軌跡最近的點之間的夾角。與純跟蹤算法相比，Stanley優(yōu)勢在于該算法同時兼顧了車輛偏航角和車輛與跟蹤路徑之間的橫向誤差，其核心思路是根據(jù)前輪的軌跡追蹤偏移量來確定轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)向控制量。Stanley運動學模型示意圖底盤橫向運動控制4.1軌跡跟蹤控制基于運動學模型和動力學模型的跟蹤算法113模型預(yù)測控制是目前在控制領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用較為廣泛的最優(yōu)控制策略，它一般分為四個步驟：模型線性化、模型離散化、模型預(yù)測和滾動優(yōu)化。在軌跡跟中控制過程中需要考慮如下約束：1）加速度約束對于智能汽車的橫向運動，可以對側(cè)向加速度設(shè)置約束，同時為避免約束區(qū)間較小而導(dǎo)致MPC求解失敗，將約束設(shè)置為軟約束：2）前輪轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)角增量約束，每周期控制量和控制量增量變化如果較大，會使車輛轉(zhuǎn)向產(chǎn)生跳變，同時也不符合人類的實際駕駛行為3）輪胎側(cè)偏角約束4）質(zhì)心側(cè)偏角約束底盤橫向運動控制4.2主動轉(zhuǎn)向控制主動轉(zhuǎn)向114主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基本原理都是通過改變前輪轉(zhuǎn)角進而改變輪胎力，包括縱向力和側(cè)向力，產(chǎn)生一個可以保證汽車穩(wěn)定性的補償橫擺力矩來保證汽車的穩(wěn)定性。1）理想的轉(zhuǎn)向特性對于駕駛員而言，在具有適當不足轉(zhuǎn)向特性的線性區(qū)域內(nèi)運行的車輛具有較好的操縱穩(wěn)定性并且更易于控制。因此，線性二自由度車輛的轉(zhuǎn)向特性常常被作為車輛的理想轉(zhuǎn)向特性。可以推導(dǎo)出車輛穩(wěn)態(tài)時的橫擺角速度如下：側(cè)向加速度必須滿足輪胎最大附著力的限制：理想橫擺角速度:底盤橫向運動控制4.2主動轉(zhuǎn)向控制基于自抗擾控制的橫擺角速度反饋主動轉(zhuǎn)向控制115基于橫擺角速度反饋的車輛橫擺穩(wěn)定性控制的目的就是通過控制前輪轉(zhuǎn)角確保車輛實際的橫擺角速度跟蹤理想的橫擺角速度。自抗擾控制的本質(zhì)是利用擴張狀態(tài)觀測器來估計和補償系統(tǒng)的總擾動，從而具有強魯棒性。自抗擾控制器是由跟蹤微分器、擴張狀態(tài)觀測器和非線性狀態(tài)誤差反饋構(gòu)成的。底盤橫向運動控制4.2主動轉(zhuǎn)向控制基于自抗擾控制的橫擺角速度反饋主動轉(zhuǎn)向控制116橫擺角速度與前輪轉(zhuǎn)角之間的傳遞函數(shù)為：拉普拉斯反變換后：假設(shè)f可微，將f作為新的狀態(tài)變量進行擴張：底盤橫向運動控制4.2主動轉(zhuǎn)向控制基于自抗擾控制的橫擺角速度反饋主動轉(zhuǎn)向控制117構(gòu)建如下狀態(tài)觀測器：e1為狀態(tài)x1的估計誤差，z1，z2，z3為狀態(tài)x1，x2，x3的估計值設(shè)計系統(tǒng)的跟蹤微分器：第六章

智能底盤運動控制技術(shù)118輪胎及車輛模型智能底盤駕駛工況感知底盤縱向運動控制底盤橫向運動控制底盤垂向運動控制底盤縱橫垂協(xié)同控制底盤垂向運動控制5.1懸架系統(tǒng)控制模型常用的動力學模型119通常應(yīng)用動力學的模型包括：（1）7自由度整車模型：車身的垂向，俯仰和側(cè)傾自由度，4個車輪的垂向自由度；（2）4自由度半車模型：車身的垂向和俯仰自由度，2個車輪的垂向自由度；（3）2自由度1/4車模型：車身的垂向自由度，1個車輪的垂向自由度。上述3種模型存在轉(zhuǎn)化關(guān)系。當認為車輛沿xoz平面完全對稱，且兩側(cè)道路的激勵完全一致時，整車模型可近似為半車模型。當懸掛質(zhì)量分配系數(shù)為1時，前后懸架的運動互不關(guān)聯(lián)，半車模型可轉(zhuǎn)換為1/4車模型進行獨立分析。底盤垂向運動控制5.1懸架系統(tǒng)控制模型1/4車模型1201/4車模型只能反映車輛垂直振動特性，可以通過車體垂直振動加速度和車輪動載荷來評價車輛行駛平順性和路面附著性等車輛行駛性能指標。該模型假設(shè)：（1）車體彈性中心與質(zhì)心重合；（2）車體為剛體，乘員與車體運動一致；（3）車輪與路面之間不存在滑動狀態(tài)，并且車輪始終與地面相接觸；（4）車輪垂直振動特性簡化為一個不考慮阻尼作用的彈簧；（5）車輛左右兩側(cè)懸架系統(tǒng)完全對稱，可分開考慮；（6）車輛前后懸架系統(tǒng)完全獨立無干涉，無耦合影響。底盤垂向運動控制5.1懸架系統(tǒng)控制模型1/4車模型121被動懸架、半主動懸架（阻尼可調(diào)式）、主動懸架的1/4模型的一般形式：被動懸架主動懸架半主動懸架底盤垂向運動控制5.1懸架系統(tǒng)控制模型1/4車模型122三種懸架系統(tǒng)的動力學模型可以統(tǒng)一表述為：（1）被動懸架：取控制力F=0;（2）半主動懸架：將零場阻尼等效為被動減振器阻尼，即Cs=C0，

將可調(diào)阻尼產(chǎn)生的尼力表述為控制力，即（3）主動懸架：控制力由作動器給定，并定義范圍

狀態(tài)空間方程表示：U=FW=xr底盤垂向運動控制5.2半主動懸架典型控制算法面向平順性控制——天棚控制123天棚控制（Skyhook，SH）的原理是在車身與假想的“天棚”之間，通過一個虛擬的阻尼器，將之“連接”起來