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1  引言

    隨著道路交通條件的改善以及汽車技術的進步，現代汽車的行駛車速得到極大提高。據統計，車速在80km/h到100km/h之間行駛的汽車發生的交通事故中，大約40%是與汽車側向失穩有關。車速越高，由于汽車失穩引發的交通事故的比例越大，當車速超過160km/h時，幾乎每一起事故都是由于側向失穩而造成的。如何提高汽車行駛安全性是現代汽車研究的重要課題之一。

    1986年12月，Bosch公司第一次將ABS (Anti-lock Braking System，制動防抱死系統) 和TCS（Traction Control System，牽引力控制系統）控制技術相結合應用于Mecedes S級轎車上^[1]。ABS和TCS都只是在加速和減速時工作，通過控制縱向滑移率保證汽車在制動和驅動時的縱向動力學性能，防止制動時輪抱死和驅動時輪打轉，同時達到間接控制在減速和加速時的側向穩定性。在極限轉向工況下，所受的側向力接近輪胎與地面的附著極限或達到飽和而引起的汽車不足轉向和過度轉向時，汽車將喪失操縱穩定性，ABS和TCS對此無能為力。因此，汽車穩定性控制系統不但要有ABS與TCS的功能，而且要在所有行駛工況下，能夠自動并及時地幫助駕駛員改善汽車側向穩定性，以防止汽車側滑、甩尾、側翻，這是時代對汽車提出的一種新型的主動安全要求。

    汽車穩定性控制一般認為出現在1995年。1995年，Bosch公司提出了VDC的概念^[2]，后稱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液壓調節器為基礎進行ESC (Electronic Stability Control)的研制與開發^[7]。Bosch 和 Continental Teves是世界汽車技術的兩個最大供應商，也是ESP的主要供應商。

    不同的汽車生產商對汽車穩定性控制系統有不同的名稱。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，但其組成與功能大體一致，本文統一用ESP。這些汽車生產商家有的把ESP作為標準配置，有的作為選裝設備。例如，自1999年，Mecedes-Benz 就把ESP作為其生產的轎車標準配置。

2 ESP的基本原理

    ESP 可分為兩類問題： 一類是軌跡保持問題，可由汽車的質心側偏角來描述；另一類是穩定性問題，可由汽車的橫擺角速度來描述。ESP以橫擺角速度和質心側偏角作為被控變量，它們之間是互相耦合的。Bosch的ESP以橫擺角速度γ為主要控制目標，而TOYOTA的VSC以質心側偏角β為主要控制目標。
    當汽車前輪側向力達到附著極限時，會產生汽車的“漂移”(Drift-out)現象，在這種情況下，汽車的轉彎半徑比駕駛員所期望的要大，導致不足轉向(Under Steer)，這時橫擺角速度γ小于名義橫擺角速度γ_d。當后輪側向力達到附著極限時，會產生汽車的“激轉”(Spin-out)現象，轉彎半徑比駕駛員期望的小，導致過度轉向(Over Steer)，這時橫擺角速度γ大于名義橫擺角速度γ_d，汽車產生較大的橫擺角速度和側偏角，駕駛員很難控制汽車。汽車不足與過度轉向如圖1所示。

圖1  不足轉向（Under Steer, γ<γ_d ）與過度轉向（Over Steer, γ>γ_d）

    基于駕駛員的轉向輸入和汽車速度，名義橫擺角速度可用下式計算^[2]：
                                                          (1)
    式中  是穩定性因數，l_rC_r-l_fC_f稱作穩定裕度，v_x為車輛縱向速度，δ_f為前輪轉向角，l為軸距，l_f為汽車重心到前軸的距離，l_r為汽車重心到后軸的距離，C_f、C_r分別代表整個前軸、后軸的側偏剛度。

    如果路面附著系數足夠高，式(1)這種關系表現出良好的性能。但是在低附著路面上，采用式(1)計算的名義橫擺角速度已不可取。當汽車的側向加速度不能大于最大的附著系數時，名義橫擺角速度可用如下界定^[8]：
                                                          (2)

    為了降低成本，目前商業化的ESP沒安裝傳感器直接測量質心側偏角β，只能通過估計算法得到其估計值^[9]。名義側偏角值β_d必須控制在小的可允許的范圍內，如果考慮為0，即為零側偏控制。

    當輪胎側向力接近附著極限時，汽車將喪失穩定性。但汽車的中性轉向(Neutral Steer)和稍微轉向不足，就能使汽車具有操縱穩定性。因此ESP的控制原理為：ESP的ECU（Electronic Control Unit，電子控制單元）根據方向盤轉角傳感器、制動主缸壓力傳感器的信號、油門踏板位置判斷駕駛員的駕駛意圖，計算出名義的汽車運行狀態值。ECU根據檢測得到的實際汽車狀態與名義汽車狀態的誤差，通過控制邏輯計算出穩定橫擺力矩，使汽車按駕駛員預定的軌跡行駛。

3  穩定橫擺力矩(Stabilizing Yaw Moment)

    通過影響前后軸側向力的平衡或差動制動力可產生穩定橫擺力矩。通常有如下幾種方案可以實現：

   主動轉向系統（如主動前輪轉向，主動后輪轉向，4WS）：控制前/后輪轉向角；

   可控懸架系統（如主動懸架，防側傾穩定桿，可控阻尼減振器）：控制前后軸側傾力矩的分布；

   DYC (Direct yaw control, 直接橫擺力矩控制)：控制驅動力和制動力。

   受汽車本身的限制，前兩種方式不普遍。要通過控制車輪轉向角來實現控制汽車的橫擺穩定性，汽車必須具有主動轉向系統。要控制作用在車輪上的垂直載荷分布，汽車必須具備可控懸架系統。

    主動轉向系統在汽車的線性范圍內（側偏角和驅動/制動力較小時），通過控制前后輪轉向角能夠影響輪胎的側向力，減小汽車的側偏角，比較有效的改善汽車的側向穩定性和操縱性能^[10]。但當汽車的運動處在很大的非線性狀態時，如在高速大轉彎、猛烈剎車或加速時，車輪側偏剛度迅速下降。汽車對轉向己沒有響應或響應很有限，尤其是當車輪與路面的作用力達到附著極限時，汽車就失去轉向能力^[11]。

    可控懸架系統通過控制前后軸的側傾力矩分布，改變車輪上的垂直載荷分布，進而影響側向力，這樣可產生穩定橫擺力矩改善汽車操縱穩定性能^[12]。它必須在很大的側向加速度作用下才有效，當側向加速度小于0.5g時，其控制效果不明顯。再者，控制效果也取決于垂直載荷分布。

    在上世紀90年代初，通過對汽車穩定性進行分析，提出了直接對汽車橫擺運動進行控制的概念，即 DYC^[13][14]。它判斷駕駛員的轉向意圖，并通過制動力或驅動力在車輪上的分配來調節汽車的橫擺運動，來保障汽車的穩定性。

    隨著 ABS 和 TCS 的成熟，汽車的驅動力和制動力已經比較容易控制。再說，驅動力和制動力的控制對汽車的具體設計也沒有特殊要求。即使輪胎側偏力接近飽和，輪胎仍有一定的裕度產生來產生縱向力。而主動轉向系統則不能進一步產生足夠的側向力控制汽車運動。因此，當側偏角變得更大，輪胎側向力接近飽和時，尤其在低附著路面上，DYC比主動轉向系統有更高的有效性，即在汽車動力學和輪胎特性的非線性范圍內DYC是更有效的。所以，通過對驅動力和制動力的控制實現穩定橫擺力矩是最通用的方法，也是目前商業化ESP實現穩定橫擺力矩的方法。

    由于車輪位置的不同，通過制動力所產生的穩定橫擺力矩的能力也不一樣。一般來說，前外輪最能提供外向的橫擺力矩，對控制過度轉向比較有效，而后內輪能最有效地給予內向的橫擺力矩，對控制不足度轉向比較敏感。Bosch和Continental Teves公司的ESP就是利用這個原理。當不足轉向時，施加制動力于后內輪，當過度轉向時，施加制動力于前外輪，如圖2所示。

圖2   ESP的橫擺力矩控制 (a) 防前輪側滑 (b) 防后輪側滑

    一般來說，主要有三種情況ESP 需要對驅動力矩進行控制。

    (1)  在驅動工況下，為了產生穩定橫擺力矩，必須控制驅動輪的平均驅動力矩和所需的驅動輪間的制動力矩差（即鎖止力矩差值）；

    (2) 在嚴重不足轉向的情況下，因車速過快，僅僅用制動力控制已超出其極限，這時，必須通過降低發動機的驅動力矩來使汽車減速。這對于前輪驅動的汽車效果更好；

    (3) 在嚴重過度轉向的情況下，也因車速過快，僅僅用制動力控制已超出其極限，這時，必須通過降低發動機的驅動力矩來使汽車減速。這對后輪驅動的汽車效果更好。

圖3  集成的底盤操縱穩定性控制

    既然DYC不能用任何的側向力為控制，它不能直接控制側向運動。這樣DYC、主動轉向系統和主動懸架的集成控制能彌補彼此的缺陷，實現最有效的底盤的操縱控制^{[15][16][17][18]}。目前汽車制造商和供應商己經開始聯手研究和開發整體式底盤控制系統。ESP、懸架控制系統、轉向控制系統集成的底盤控制系統如圖3所示。

4 ESP的控制邏輯

    典型ESP是基于DYC原理的，它包括：

    (1)  傳統制動系統：真空助力器、管路和制動器；

    (2)  傳感器：4個輪速傳感器、方向盤轉角傳感器、側向加速度傳感器、橫擺角速度傳感器、制動主缸壓力傳感器；

    (3)  其它：液壓調節器、汽車穩定控制電子控制單元(ECU)和輔助系統發動機管理系統。

4.1  ESP控制結構

    ABS系統和ESP系統的重要區別是：ABS以車輪作為被控對象，通過控制輪速避免輪被抱死；而ESP系統以汽車作為被控對象，通過控制汽車運動使其偏離名義運動盡可能小。

    Bosch的ESP是其中比較典型的控制方法之一，采用多回路控制方法(Multi-Loop Control)，分為主回路和副回路，其結構如圖 4所示。

圖4   ESP控制結構圖

    主回路橫擺力矩控制器，控制整車的運動，它根據汽車行駛時的動態變量，計算名義橫擺角速度。如果實際測量值偏離名義值，主控制器產生穩定橫擺力矩，并將其轉化為副回路的設定值，即名義輪滑移率值。副回路是制動和驅動滑移率控制器（即ABS和TCS），輸出為執行機構的控制信號，包括輪的制動壓力和發動機輸出力矩。這樣通過控制輪滑移率產生制動力和牽引力，獲得汽車穩定橫擺力矩，使橫擺角速度和側偏角跟蹤其名義值。

    在驅動工況下，為了產生所需要的橫擺控制力矩，從橫擺力矩控制器獲得被控變量：驅動輪的平均驅動滑移率、驅動輪間名義制動力矩差、驅動輪間所允許的滑移率差值的名義值。驅動滑移率控制器的輸出為驅動輪名義制動力矩，節氣門開度所調整的發動機名義驅動力矩，名義的點火延遲力矩，燃料噴射應該切斷的發動機的油缸數及其切斷時間。

4.2 控制算法

    大量文獻已經闡述針對ABS、TCS、4WS、主動懸架、DYC等系統的高級控制算法。但由于汽車動力學的高度非線性和汽車參數的不確定性，商業化的ESP控制邏輯還是主要基于實驗的知識。許多研究者提出非線性控制設計算法如自適應控制^[10]、滑模控制^[19]等，及智能控制算法如模糊控制、神經網絡^[21]等。基于這些算法設計的控制器對于各種操縱工況和路面條件、汽車參數、輪胎參數的變化具有一定的魯棒性。但在應用這些高級的控制理論到汽車的穩定性控制時，是有必要進一步的研究與觀察汽車的動力學，考慮輪胎側向力、縱向力、垂直載荷和側向力飽和特性之間的非線性關系。非線性特性的處理將是最重要的問題，克服輪胎非線性動力學特性需進行大量的挑戰性研究。汽車側偏角和輪路附著系數的估計或測量對于ESP也是關鍵技術之一。

5 結語

    只要汽車繼續存在，汽車安全就是人類須面對的永久課題挑戰。ESP 是繼安全帶與安全氣囊后，又一個汽車安全系統的里程碑。現今ESP已不再是豪華轎車才有的標準裝備，它也會像ABS一樣逐漸在各種類型的車輛上得到普及。

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