基于場景的ESC系統(tǒng)冰雪道路試驗評價方法研究*高繼東1, 高博麟1,2, 謝書港1 (1.中國汽車技術(shù)研究中心,天津 300300； 2. 天津大學(xué)機械工程學(xué)院，天津 300300) [摘要] 采用基于場景的試驗方法，針對ESC的過度轉(zhuǎn)向和不足轉(zhuǎn)向的干預(yù)能力，在冰雪道路上進行了ESC測試，分別設(shè)置了滑行避障試驗、制動避障試驗和穩(wěn)態(tài)圓周試驗。結(jié)果表明，與滑行避障試驗相比，制動避障可更有效地測試車輛ESC系統(tǒng)的性能，同時更接近于實際交通駕駛場景；采用質(zhì)心側(cè)偏角和橫擺角速度跟隨誤差能有效分析ESC的控制效果，可作為車輛ESC系統(tǒng)在低附路面上的性能評價指標(biāo)。 關(guān)鍵詞：ESC；基于場景的測試方法；冰雪道路；避障試驗；穩(wěn)態(tài)圓周試驗 前言汽車是人們普遍使用的交通工具之一，在帶給人們出行便利的同時，也造成了大量的交通事故。由于電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)(electric stability control,ESC)是對汽車防抱死制動系統(tǒng)(ABS)和牽引力控制系統(tǒng)(TCS)功能的進一步擴展，并在此基礎(chǔ)上,增加了車輛轉(zhuǎn)向行駛時橫擺角速度傳感器、橫向加速度傳感器和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器，通過ECU分別控制前后軸左右車輪的驅(qū)動力和制動力，確保車輛行駛時的轉(zhuǎn)向操縱性和橫向穩(wěn)定性。由于ESC在減少交通事故方面具有顯著作用，越來越多的汽車制造商已經(jīng)開始將ESC作為車輛的標(biāo)準(zhǔn)配置。 與此同時，針對ESC系統(tǒng)的測試評價方法也在不斷發(fā)展中，尤其是針對高附路面上的ESC性能測試方法。2007年頒布的美國FMVSS 126法規(guī)[1]，明確規(guī)定采用在高附路面上的正弦延遲試驗來驗證車輛ESC系統(tǒng)的干預(yù)性能。ECE R13H中也添加了有關(guān)ESC的測試標(biāo)準(zhǔn)，其內(nèi)容與FMVSS 126基本保持一致[2]。此外，行業(yè)協(xié)會和標(biāo)準(zhǔn)化組織的推薦高附路面試驗標(biāo)準(zhǔn)，如ISO 7401 J-turn試驗[3]、ISO 3888變道和避障試驗[4]等也都被用來測試評價ESC的控制效果[5]。文獻[6]中采用在高附路面上的Fishhook測試對穩(wěn)定性系統(tǒng)的控制效果進行了驗證。文獻[7]中采取了高附路面上的2/3避障試驗對ESC的控制干預(yù)能力進行了測試評價。 相比較而言，關(guān)注低附路面上測試評價方法的研究相對較少。文獻[8]中在冬季低附路面上進行了穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)和ISO避障作為DSC性能評價的兩個主要工況，并初步給出了部分主客觀評價的DSC性能評價方法。文獻[9]中則在冬季道路上進行了與TCS控制相關(guān)的測試與評價研究，但未涉及ESC系統(tǒng)的測試評價。此外，目前國內(nèi)正在開展的ESC 推薦性標(biāo)準(zhǔn)也對低附路面上的ESC測試評價方法進行了可行性分析。因此，針對整車ESC系統(tǒng)在低附路面上的性能，進行測試與評價方法研究，對規(guī)范ESC技術(shù)發(fā)展、促進ESC技術(shù)水平的提升，具有重要意義。 另一方面，針對汽車主動安全的測試方法，通常可以分為兩大類[10]：一類是基于場景的測試方法；另一類是基于功能的測試方法?；趫鼍暗臏y試方法，其測試工況設(shè)計依據(jù)通常來源于實際道路交通事故數(shù)據(jù)，從大量的數(shù)據(jù)中提取出最接近危險交通場景的設(shè)計參數(shù)，來指導(dǎo)測試工況的設(shè)計工作。其優(yōu)點在于測試工況本身貼近于實際道路交通事故場景，測試目的能夠有效提升主動安全系統(tǒng)在實際應(yīng)用中的性能表現(xiàn)。與之相對，基于功能的測試，其工況設(shè)計依據(jù)來源于主動安全系統(tǒng)的子功能設(shè)計。測試工況對系統(tǒng)本身的性能進行非常有針對性的檢驗，但卻無法保證測試工況能夠與實際道路交通事故場景接近或吻合。 對避免交通事故的統(tǒng)計研究顯示[11]，在緊急避障的過程中，低附路面上98%的駕駛員在轉(zhuǎn)向的同時進行了制動；高附路面上94%的駕駛員在轉(zhuǎn)向的同時進行了制動。由此可見，傳統(tǒng)的等速行駛避障試驗很難復(fù)現(xiàn)出真實道路環(huán)境下駕駛員的實際操縱動作，也很難對ESC系統(tǒng)在該工況下的控制性能進行有效評價。因此，針對ESC的控制功能設(shè)定與實際交通事故場景相近的制動避障測試工況，更有利于對ESC的性能評價，其評價結(jié)果也更有針對性。 因此，針對以上研究現(xiàn)狀，提出了在低附路面上的制動避障測試評價試驗，并在冬季試驗場進行了大量的測試試驗研究。分別設(shè)置了壓實雪地路面上的滑行避障試驗和制動避障試驗，通過對比試驗，驗證提出測試評價方法的有效性。最后，通過穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗對測試評價方法的工況適應(yīng)性進行了驗證。試驗分析結(jié)果為未來研究ESC的冬季道路的有效測試評價方法，補充完善ESC測試評價體系做好了前期的數(shù)據(jù)積累及試驗研究工作。 1 ESC控制功能簡介為了能夠?qū)崟r檢測車輛的危險行駛狀態(tài)和駕駛員意圖，并做出相應(yīng)的控制響應(yīng)，ESC系統(tǒng)通常需要包括以下幾個部分的控制模塊：車輛狀態(tài)感知模塊、橫擺力矩分配模塊、車輪滑移控制模塊和輪缸壓力控制模塊等。 各部分模塊采用級聯(lián)結(jié)構(gòu)相互聯(lián)系，如圖1所示[12]。系統(tǒng)由內(nèi)反饋回路和外反饋回路構(gòu)成。內(nèi)反饋回路控制車輪滑移率s；外反饋回路控制汽車運動姿態(tài)，包括質(zhì)心側(cè)偏角β和橫擺加速度  圖1 博世ESP的控制模塊結(jié)構(gòu)圖 車載傳感器測量到的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角δ、橫縱向加速度ax和ay、橫擺角速度 由于橫擺角速度是描述車輛橫向運動的重要變量，因此，在ESC系統(tǒng)中，通常會將名義橫擺角速度作為車輛實際橫擺角速度的控制目標(biāo)。 然而，如果是車輛在濕滑路面上的轉(zhuǎn)彎工況，僅僅控制車輛的橫擺角速度和側(cè)向加速度是不夠的，還需要考慮車輛質(zhì)心側(cè)偏角的影響。 如圖2所示，圖中最下方曲線代表高附路面上，角階躍輸入車輛的運動姿態(tài)；如果在低附路面上，ESC僅控制橫擺角速度跟隨名義橫擺角速度，車輛的運動姿態(tài)則會如圖中最上方曲線所示，質(zhì)心側(cè)偏角過大失去穩(wěn)定性，同時幾乎完全喪失轉(zhuǎn)向能力；而如果同時考慮橫擺角速度控制和質(zhì)心側(cè)偏角控制，車輛就能夠在低附路面上較好地實現(xiàn)轉(zhuǎn)向能力，并保證轉(zhuǎn)彎行駛的穩(wěn)定性，如圖中中間曲線軌跡所示。因此，在低附路面上，對ESC控制效果的測試評價比在高附路面上需要考慮更多的評價因素和更有針對性的評價指標(biāo)。  圖2 低附路面上ESP對不足轉(zhuǎn)向工況的干預(yù)原理 2 典型ESC冬季試驗及分析為了研究裝備有ESC系統(tǒng)車輛在冬季道路上的有效測試評價方法，開展了冰雪道路上的車輛ESC測試評價試驗研究。采用一臺裝備有ESC系統(tǒng)的國產(chǎn)轎車，其部分參數(shù)如表1所示。在黑河臥牛湖水庫汽車試驗場，先后進行了冰雪路面的性能試驗，試驗包括避障試驗和穩(wěn)態(tài)圓周試驗，其中避障試驗又包含了滑行避障試驗和制動避障試驗。 試驗過程中用到的傳感器和測量信號如表2所示，系統(tǒng)采樣頻率為1 000Hz。 表1 試驗車輛參數(shù)規(guī)格表  項目參數(shù)發(fā)動機排量1984mL最大功率88kW最大轉(zhuǎn)矩180N·m變速器類型手動變速器驅(qū)動形式前置前驅(qū)整備質(zhì)量1610kg前軸質(zhì)量910kg后軸質(zhì)量700kg軸距2578mm前輪距1539mm后輪距1528mm最小離地間隙125mm輪胎規(guī)格205/55R16 表2 傳感器及測量信號  傳感器測量信號信號精度MM3R8K橫向加速度001m·s-2橫擺角速度001°·s-1GPS/INS縱向車速008km·h-1質(zhì)心側(cè)偏角015°光電編碼器轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角0022° 試驗場地的路面峰值附著系數(shù)測量結(jié)果，采用GB 21670—2008《乘用車制動系統(tǒng)技術(shù)要求及試驗方法》中的“k值法”進行測定，最終測得壓實雪面的路面峰值附著系數(shù)約為0.32。 2.1 避障試驗 由于ESC系統(tǒng)中的名義橫擺角速度通常是由線性2自由度車輛模型計算獲得，同時，ESC系統(tǒng)為了能夠?qū)崟r獲取車輛的關(guān)鍵運動參數(shù)，如縱向車速、橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角等信息，通常需要建立狀態(tài)觀測器進行實時估計。在純側(cè)偏轉(zhuǎn)向工況下，ESC系統(tǒng)更容易獲得準(zhǔn)確的實時運動狀態(tài)參數(shù)；然而，由于輪胎物理附著極限的影響，當(dāng)車輛處于制動轉(zhuǎn)向或加速轉(zhuǎn)向時，輪胎將同時受到地面縱向制動力和側(cè)偏力作用，此時，車輛狀態(tài)觀測器的對車輛關(guān)鍵狀態(tài)參數(shù)的獲取就容易出現(xiàn)偏差甚至錯誤。 另一方面，實際車輛行駛過程中，當(dāng)駕駛員遇到前方障礙物時，往往會緊急踩下制動踏板減速，同時進行轉(zhuǎn)向避障操作。因此，這種橫縱向聯(lián)合的轉(zhuǎn)向工況更接近于實際駕駛場景，對ESC控制性能的測試評價而言，也更具有實際意義。 因此，分別進行了滑行避障和制動避障試驗，并對試驗數(shù)據(jù)進行對比分析研究，驗證制動避障試驗對ESC性能測試評價的有效性。 2.1.1 滑行避障試驗 在滑行避障工況中，車道寬度為3.75m，駕駛員首先將車輛加速到80km/h，并保持車速，然后松開加速踏板，讓車輛保持自由滑行狀態(tài)，進行避障試驗，其試驗工況如圖3所示，部分試驗曲線如圖4所示。  圖3 避障試驗工況  圖4 壓實雪面滑行避障試驗 由圖4可見，在第20～25s之間，駕駛員進行了避障操作，整個轉(zhuǎn)向過程中，縱向車速從80km/h下降至65km/h。期間，當(dāng)車輛經(jīng)過第①個、第②個和第④個彎角時，車輛實際橫擺角速度超過名義橫擺角速度，如圖4(d)所示，車輛有出現(xiàn)過多轉(zhuǎn)向趨勢，ESC系統(tǒng)及時準(zhǔn)確地進行了干預(yù)動作，如圖4(e)所示，對車身姿態(tài)進行了糾正和補償。因此，整個避障試驗過程中，最大橫擺角速度跟隨偏差出現(xiàn)在第24.5s，約為13°/s，同時，質(zhì)心側(cè)偏角保持在1.2°以內(nèi)，如圖4(c)所示，表明車輛行駛狀態(tài)穩(wěn)定，駕駛員能夠順利完成轉(zhuǎn)向工況。 在滑行避障試驗中，ESC系統(tǒng)能夠有效判斷車輛當(dāng)前的行駛狀態(tài)，并及時干預(yù)糾正，防止車輛出現(xiàn)不穩(wěn)定行駛工況，ESC系統(tǒng)順利通過滑行避障測試。 2.1.2 制動避障試驗 在滑行避障之后，進行了制動避障試驗，并對比分析ESC系統(tǒng)在兩種工況中的性能差異。 制動避障工況中，駕駛員首先將車輛加速到100km/h，并保持車速，然后松開加速踏板，完全踩下制動踏板，使車輛處于緊急制動狀態(tài)，同時進行避障操作，其試驗操作曲線如圖5(a)和圖5(f)所示。  圖5 壓實雪面制動避障試驗 對比滑行避障的測試數(shù)據(jù)可以看出，整個制動避障過程中，車速從100km/h下降至20km/h。盡管在第④個彎角處，車速已經(jīng)降至41km/h，見圖5(a)，遠低于滑行避障中第④個彎角處的車速(70km/h)，但制動避障工況中，駕駛員仍需要轉(zhuǎn)動更大的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角才能夠完成轉(zhuǎn)向動作，見圖5(b)，其原因是：在這種縱滑-側(cè)偏聯(lián)合工況中，地面制動力消耗了大部分的前軸輪胎附著力，使得能夠提供車輛側(cè)偏轉(zhuǎn)向的附著力較小，因此需要轉(zhuǎn)動更大的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角，才能使車輛完成預(yù)期的轉(zhuǎn)向軌跡。 另一方面，在整個制動避障過程中，車輛名義橫擺角度的計算結(jié)果幾乎無法與轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角建立對應(yīng)聯(lián)系，如圖5(d)所示，其根本原因在于ESC系統(tǒng)的名義橫擺角速度不僅依賴于線性2自由度模型的計算結(jié)果，同時也受到輪胎等效側(cè)向峰值附著系數(shù)的影響。由于地面縱向制動力消耗了大部分的輪胎附著力，使輪胎等效側(cè)向峰值附著系數(shù)相比于實際路面峰值附著系數(shù)顯著降低，因此，名義橫擺角速度的計算結(jié)果始終受到車輛縱向制動的限制，導(dǎo)致車輛的實際橫擺角速度始終難以與名義橫擺角速度相一致，ESC系統(tǒng)在整個避障過程中頻繁工作，尤其從第③到第④個彎角期間，橫擺角速度的跟隨誤差幾乎維持在10°/s。 同時，與滑行避障工況相比，車輛行駛姿態(tài)出現(xiàn)了明顯差異：整個制動避障過程中，車輛的質(zhì)心側(cè)偏角與轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角出現(xiàn)了明顯的反向狀態(tài)，如圖5(c)所示，也即車輛始終處于過多轉(zhuǎn)向的行駛姿態(tài)中；尤其在第④個彎角處，車輛的質(zhì)心側(cè)偏角與橫擺角速度方向相反，并且達到了-2°。由于冰雪道路上，車輛質(zhì)心側(cè)偏角的極限特征值約為±2°，超過該特征值，車輛將難以控制而發(fā)生激轉(zhuǎn)側(cè)滑[9]。因此，此時車輛已經(jīng)接近了失穩(wěn)邊界，駕駛員反打轉(zhuǎn)向盤達到了50°以維持穩(wěn)定行駛，如圖5(b)所示，盡管ESC系統(tǒng)頻繁干預(yù)防止車輛出現(xiàn)失控，如圖5(e)所示，但車輛依然處于不穩(wěn)定的行駛狀態(tài)。 進一步對完成的13組制動避障和滑行避障試驗結(jié)果進行對比統(tǒng)計分析，選取試驗過程中的最大質(zhì)心側(cè)偏角βmax和最大橫擺角速度跟隨誤差Δγmax兩項指標(biāo)，對比結(jié)果如表3所示。 表3 制動避障和滑行避障結(jié)果對比 試驗序號制動避障工況滑行避障工況βmax/(°)Δγmax/((°)·s-1)βmax/(°)Δγmax/((°)·s-1)118814500956452245130008883032001315152162541861715158155051621855150171062781645140960722018331031060825522851221270917813601177341019013981029801119013771431240122371320102980132671110119850平均值21515361221110 由表可見，在13次制動避障試驗中，βmax的平均值為2.15°，已經(jīng)處于冰雪路面上車輛穩(wěn)定行駛的邊界條件，與之相對，滑行避障試驗時βmax的平均值僅為1.22°，遠小于制動避障中的數(shù)值。同時，制動避障工況中的Δγmax的平均值為15.36°/s，也明顯大于滑行避障工況中的Δγmax的平均值11.10°/s。 從上述分析可以看出，制動避障工況能夠有效測試車輛ESC系統(tǒng)的性能表現(xiàn)，同時采用質(zhì)心側(cè)偏角和橫擺角速度跟隨誤差可以有效分析車輛在避障過程中的ESC控制效果，且其數(shù)值大小能夠表征ESC系統(tǒng)對車輛控制優(yōu)劣的程度，可以作為車輛ESC系統(tǒng)低附路面避障試驗的性能評價指標(biāo)。 2.2 穩(wěn)態(tài)圓周試驗 車輛在壓實雪面上，沿圓半徑為143m的圓弧軌跡順時針行駛，駕駛員節(jié)氣門開度約為50%，縱向車速74km/h左右，在開啟ESC的條件下，車輛的一組試驗曲線如圖6所示。 圖6 壓實雪面穩(wěn)態(tài)圓周試驗 由圖可見，第20s之前，如圖6(a)和圖6(f)所示，駕駛員節(jié)氣門開度和車速較為穩(wěn)定，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角在0～30°之間不斷調(diào)整，由于圓周運動的車速較快，因此，ESC頻繁干預(yù)，以控制實際橫擺角速度能夠跟隨名義的橫擺角速度值。由圖6(d)可見，第20s之前，橫擺角速度的跟隨誤差不超過15°，質(zhì)心側(cè)偏角能夠一直控制在-1°左右，且與車輛轉(zhuǎn)角方向相同，表明車輛并未出現(xiàn)任何過多轉(zhuǎn)向的趨勢，且具有輕微的不足轉(zhuǎn)向特征，但并不影響駕駛員對車輛的轉(zhuǎn)向操縱。 第20～25s之間，盡管駕駛員節(jié)氣門開度并未減少，如圖6(f)所示，但由于ESC從18s開始持續(xù)工作，如圖6(e)所示，導(dǎo)致縱向車速出現(xiàn)降低。ESC的持續(xù)干預(yù)控制，使得車速連續(xù)下降，車輛由穩(wěn)定行駛趨向于過多轉(zhuǎn)向，質(zhì)心側(cè)偏角達到了+1.5°，并大范圍快速振蕩，如圖6(c)所示，表明車輛的行駛狀態(tài)處于反復(fù)調(diào)整的不穩(wěn)定狀態(tài)；同時橫擺角速度的實際值與名義值出現(xiàn)較大偏差，如圖6(d)所示，ESC系統(tǒng)已經(jīng)無法有效控制橫擺角速度跟隨，最大跟隨誤差超過了20°/s。對應(yīng)地，由于車輛行駛狀態(tài)的不穩(wěn)定，駕駛員連續(xù)大角度調(diào)整轉(zhuǎn)向盤角度，甚至出現(xiàn)了反打方向(即車輛向右順時針轉(zhuǎn)向的過程中，轉(zhuǎn)向盤向左轉(zhuǎn)動)的現(xiàn)象。此時，駕駛員認為穩(wěn)態(tài)圓周工況已經(jīng)無法維持，從而完全松掉加速踏板，轉(zhuǎn)向盤回正至中位，此次穩(wěn)態(tài)圓周試驗結(jié)束。 從上述分析可以看出，采用質(zhì)心側(cè)偏角和橫擺角速度跟隨誤差可以有效分析車輛穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)中的ESC控制效果，其數(shù)值能夠表征ESC對車輛控制優(yōu)劣的程度，可以作為車輛ESC系統(tǒng)低附路面穩(wěn)態(tài)圓周試驗的性能評價指標(biāo)。 3 結(jié)論(1)在路面峰值附著系數(shù)約為0.32的壓實雪面上，設(shè)計進行了ESC冬季道路試驗的試驗工況，包括穩(wěn)態(tài)圓周試驗和避障對比試驗，避障對比試驗包括滑行避障試驗和制動避障試驗。 (2)避障對比試驗結(jié)果表明，相對于滑行避障，制動避障工況可以更加有效地測試車輛ESC系統(tǒng)的性能表現(xiàn)，也更接近于實際交通駕駛場景，對ESC匹配性能的測試評價更具有實際意義。 (3)穩(wěn)態(tài)圓周試驗和避障試驗表明，采用質(zhì)心側(cè)偏角和橫擺角速度跟隨誤差可以有效分析車輛在試驗過程中的ESC控制效果，且其數(shù)值大小能夠表征ESC系統(tǒng)對車輛控制優(yōu)劣的程度，可以作為車輛ESC系統(tǒng)在低附道路的性能評價指標(biāo)。 參考文獻： [1] FMVSS 126. 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The results show that compared with coasting obstacle-avoidance test, the braking obstacle-avoidance test can better test the performance of vehicle ESC system and is closer to driving scenario in real traffic condition. Using the tracking error of mass center side slip angle and yaw rate can effectively analyze the control effects of ESC, suiting to be the performance evaluation indicator for vehicle ESC system on low-adhesion road. Keywords：ESC; scenario-based test method; snow-icing road; obstacle avoidance test; steady circular test *國家863計劃(2011AA11A286)資助。 2016239 原稿收到日期為2015年2月12日，修改稿收到日期為2016年1月18日。 |
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。內(nèi)回路車輪滑移率的大小是由外回路的汽車運動姿態(tài)決定的，同時內(nèi)回路的車輪滑移率控制結(jié)果又會直接影響外回路的汽車運動姿態(tài)。
等運動參數(shù)，用于獲取駕駛員的駕駛意圖、車輛的名義行駛狀態(tài)
