基于lugre模型的反演自适应滑模abs控制-于宏啸.pdf

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1、第42卷第2期 北京工业大学学报 V0142 No22016年2月 JOURNAL OF BEIJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Feb2016： ：=基于LuGre模型的反演自适应滑模ABS控制于宏啸，段建民，刘 丹(北京工业大学城市交通学院，北京 100124)摘要：针对车辆紧急制动过程中增加车辆行驶安全以及寻求最优刹车策略的要求，对车辆稳定控制系统中防抱死制动系统进行研究，提出一种基于LuGre动态轮胎模型的防抱死制动系统的反演(backstepping)自适应滑模控制方法首先，构建结合LuGre动态轮胎模型的14车辆模型，应用实际轮胎数据拟合LuGre模型参数

2、其次，利用纵向动力学和滑移率的关系搭建控制系统模型设计反演自适应的滑模控制器，在自适应控制器作用下快速跟踪期望滑移率并改善系统的输出抖动，根据Lyapunov稳定性理论对该方法的稳定性进行了证明最后，在良好路面和低附着路面上进行车辆紧急制动仿真实验，对该方法的可行性及有效性进行验证关键词：LuGre模型；自适应滑模；防抱死制动系统；反演中图分类号：U 461；TP 273 文献标志码：A 文章编号：02540037(2016)02019007doi：101 1936bjutxb2014100060Adaptive Sliding Mode Backstepping Control for an

3、 AntilockBraking System Based on LuGre Dynamics Tire ModelYU Hongxiao，DUAN Jianmin，LIU Dan(College of Transportation，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China)Abstract：To improve the vehicle safety and optimize vehicle control algorithms in the braking maneuver，this paper focused on the

4、antilock braking system(ABS)control approachAn adaptive sliding modebackstepping control approach was proposed for the antilock braking systemFirst，a quarter vehiclemodel was built with the lumped LuGre dynamic tire modelThe parameters of LuGre model wereidentified via the nonlinear least squares me

5、thodIn addition，according to the relationship betweenlongitudinal dynamics and slip ratio，the control object and adaptive sliding model backstepping controllerwere addressedThe controller could track the desired slip ratio quickly and decrease the outputchatteringThe Lyapunov theory was used to prov

6、e the stability of this control methodResults ofsimulation show that great and robust performance is achieved for tracking the desired slip ratio in thedifferent road SUrfaces scenariosKey words：LuGre tire model；adaptive sliding mode；antilock braking system(ABS)；backstepping随着汽车工业的完善和发展，作为车辆行驶安全核心技术

7、之一的车辆主动安全系统控制，受到越来越多的国内外研究人员的重视；其中防抱死制动系统是车辆刹车装置的一部分，是车辆底盘动力学控制的基础，其可以在车辆进行紧急刹车时增加车辆的稳定性和转向能力虽然当前的防抱死制动系收稿日期：2014-1020基金项目：北京市教育委员会重点资助项目(JJ002790200802)作者简介：于宏啸(1986一)，男，博士研究生，主要从事车辆状态估计、智能车辆横纵向控制方面的研究，E-mail：yhxia0321gmaileom万方数据第2期 于宏啸，等：基于LuGre模型的反演自适应滑模ABS控制 191统(antilock braking system，ABS)已经相

8、对成熟并应用到实际的车辆系统中，但是仍然有很多问题需要解决特别是如何精确地描述轮胎和路面的摩擦力特性，这是提高ABS控制效果的一个重要因素而经常使用的轮胎模型，如Pacejka模型，是一个半经验轮胎模型，该模型对轮胎的非线性特性拟合度较好，所以被称为“魔术公式”；但其模型参数不具有物理意义，并不能反映轮胎在真实行驶中的动态特性Brush轮胎模型旧o、Unitire轮胎模型31和Dugoff轮胎模型H1都为静态理论模型，其中Dugoff轮胎模型是假设轮胎印记上的压力分布为均匀的垂直压力分布，纵向力和侧向力与轮胎模型中的最大摩擦系数相关TMeasy轮胎模型o是半物理动态模型，应用于低频率下车辆动力

9、性和稳定性的分析对比以上轮胎模型，LuGre模型1是基于点接触的动态摩擦模型，模型参数具有明确的物理意义，可以精确地提供轮胎摩擦力和路面的相互作用动态特性，同时轮胎模型也和速度相关，尤其适合ABS和牵引力控制系统(traction control system，TCS)的控制同时关于ABS控制方法研究，国内外学者也取得了大量的成果如：宋健等1介绍了逻辑门限值控制和制动器消耗功率最大为目标的控制方法王国业等旧。针对滑移率逻辑门限值控制精度不高，提出一种基于等效滑移率的模糊直接自适应ABS控制器王伟达等一1借鉴自适应控制的自校正思想，提出一种逻辑门限自适应方法进行ABS的控制但以上设计均基于经验试

10、凑方法，需要较多的道路试验加以验证刘国福等0应用最小二乘法计算最佳滑移率的滑模变结构控制Wit等61应用动态轮胎模型和滑模控制器进行驱动力控制Li等1设计了变结构控制器结合轮胎模型进行不同路面的紧急制动控制Yi等12 o提出了一种带观测器的紧急制动控制器，但仿真时部分状态收敛较慢deVrieso提出了一种向前反馈控制器进行紧急制动控制，但对状态变量域值要求严格针对以上问题本文提出一种基于动态LuGre轮胎模型的反演(bakstepping)自适应滑模的ABS控制方法，该方法首先建立带LuGre轮胎模型的14车辆模型，应用实际的轮胎稳态数据离线拟合出LuGre轮胎模型参数，可以精确地描述车辆制动

11、时的轮胎动态特性然后引入Backstepping自适应滑模控制器，可以快速跟踪期望滑移率并减小控制器的输出波动，自适应不同路面的控制要求本文根据Lyapunov理论对该方法的稳定性进行证明，分别在高附着路面、低附着路面和应用PID方法进行对比的仿真实验，对该方法的可行性及有效性进行了验证1 LuGre模型与14车辆模型为研究ABS制动系统过程中纵向动力学平面特性，本文应用14车辆模型(见图1)，车轮和车身动力学方程为rm i=一F，+F，。厶=”，一丁。 (1)【F。=xF。式中：m为14汽车质量；”为车辆纵向速度；F，为车轮摩擦力；F，为车辆的滚动阻力；F。为车轮垂直载荷；T。为制动力矩；，

12、w为车轮的转动惯量；为车轮的角速度；弘为地面摩擦系数，其大小依赖滑移率和路面条件同时纵向水平滑移率定义为s=尘竺 (2)式中：s为滑移率；r为轮胎有效半径LuGre轮胎模型可以在不同车速条件下描述动态摩擦特性，其参数有明确的物理意义，允许设计者通过经验数据拟合获得轮胎模型参数，可以精确描述轮胎和地面作用时摩擦力的变化LuGre轮胎平均集总模型为主：圹梨z岫lIz(t)。2口r一石页万H打lF：(矿。z+盯。j+盯：口。)F。 (3)g(v，)=z。+(肛。一肛。)e乩”s式中：Or。为纵向橡胶集总刚度；盯为纵向橡胶总阻万方数据192 北京工业大学学报尼系数；or：为相对黏滞阻尼系数；z为内部摩

13、擦状态变量；F。为轮胎垂直载荷，F。=025 mg；，=to)一口为相关速度；肛。为归一化库伦摩擦力；p。为归一化静态摩擦力；0为路面变化的参数；Ot为表征静态摩擦和滑移率之间特性关系的常数；k为压力分布参数；V；为纵向速度LuGre分布模型可以精确地描述轮胎稳态特性，在制动条件下的轮胎稳态特性可描述为F，(s)=sgn(V，)F。g(s)-+(一岩)瑞一80LI sl，)。or2vs，g(s)=肛。+(肛。一p。)eI”s (4)式中：为接地印记长度；氐为比例参数；s为纵向滑移率应用实验获取的轮胎稳态数据，精确拟合出LuGre模型稳态特性的参数，本文选取智能轮胎P18565R16为B型试验车

14、辆的轮胎，如图2所示通过道路实验获取稳态轮胎数据，选取参数L=02；Ot=2和k=5应用非线性最bS乘法对LuGre分布轮胎模型参数进行辨识，在纯纵向工况下分布模型被辨识的参数可以代替平均集总模型里对应的参数，参数辨识结果如表1所示静态轮胎数据和LuGre曲线拟合结果如图3所示图2轮胎P18565R16Fig2 Tire size P18565R16表1 LuGre模型参数辨识结果Table 1 Result of LuGre coefficientLuGre参数 数值纵向滑移率图3 静态轮胎数据和LuGre曲线拟合结果Fig3 Curve fittingresuh of LuGre and

15、static tire data2控制系统模型由滑移率定义得j=(詈一詈)(叫 (5)由式(5)，可得b(掣+万2、J了m,)等(6)根据制动器数学模型，考虑制动器的滞后特性，制动力矩得 咒2南矗(7)式中：五为系统制动力矩的输入量；下。为延迟时间；制动力矩的导数为T。：竺土 (8)b=一 ()假设参考滑移率为最佳滑移率s。，令石，=ss。；立。=戈：；u=五一T。=rb为简化方程设 掣+旧怕。，Q1=r兰一则由式(5)(6)得r戈1=戈2k一么讪一H卧衰u)(9)通过LuGre轮胎平均集总模型得肛(s)=盯。石+orl z+or2刨， (10)根据文献13假设Or，=0来简化模型，式(10)

16、可以被写成p(s)=盯o。+盯2(SV) (11)其导数为丘(s)=oro主+or2s口 (12)将LuGre轮胎平均集总模型等式(3)带入式万方数据第2期 于宏啸，等：基于LuGre模型的反演自适应滑模ABS控制 193(12)得小伽小沪等搿地】+盯2(sv+bs) (13)为了化简模型进行如下参数定义：A=(I 55。I口)or；一缸。rlI oroB：!丝!二!竺!竺!二!肛。Q2=B一；肛。(sS。)Or2+办p。(s一5。)盯2一；肛。or2+；肛。or2秽C：!翌!二些!二!竺!二!竺! 肛。一肛。+p。e(等)“D=oroA+盯0肛。 掣+札风I p。肛。一p。+段e(等)“垫!

17、竺!p。一肛。+肛。e(等)。E：!竺!二!兰!竺!兰!二!竺!兰 ，：j+学+盯。c+盯。E根据以上参数，控制系统模型状态方程为主l=戈2 (14)立2=，一DW+五 (15)式中形2寺为自适应参数3 Backstepping自适应滑模控制器式(14)(15)为典型的含有不确定参数的非线性系统，结合自适应反演方法进行滑模控制器的设计，假设对于式(14)理想控制输入为Ot得立l=dl+(算2一011) (16)选取zl=省1，：2=算2一a2，其方程为主2=j：+&。 (17)定义Lyapunov函数为y。=右 (18)Vl=zl三l=zl(OI+：2)=OtIzl+彳lz2当z2_0，设Ot

18、l=一clzl，所以矿l=一cl彳；+zI孑20定义Lyapunov函数为K=y。+s2 (20)对其求导为V2=一Cl。；+。lz2+S SS=(cl+c2)三l+，+p+ZV2=一clz；+zIz2+S(Cl+c2)三1+，+p+u=一Cl石：一c2z；+s EzI+(cl+c2)zl+，+p+“(21)设计滑模变结构控制率为u=一zl一(c1+c2)zl一，一石sgn(S)一kSesgn(S)(22)式中：7为自适应参数的上界；c、c：、而和占为控制参数且都大于零则式(21)得坎=一Clz；一c2zi+S一psgn(s)一kS一6sgn(s)+p=一cl。；一c：孑；一fsf(石一p)一

19、kS2一s 5fo(23)在控制律(22)作用下，ABS控制系统是渐近稳定的，其控制律是应用自适应参数的上界石来进行设计的但由于路面和轮胎内部状态的不确定性，并不能确定其上界值，为避免上界值的选取，设计自适应参数P估计器，设P+一P=声，其中P+为理想真值定义Lyapunov函数为_=K+扩 (24)二，式中田为估计控制参数对式(24)进行求导得吃=吃一PP，K=一Clz；一c2z；+S Ezl+(cl+c2)jl+，+p+M一PP (25)r7选取自适应律为P=叼s，其自适应Backstepping滑模控制律为u=-p一(cl+C2)jl一，一zlk(s+esgn(S)(26)式中C，、C：

20、、丘、s为控制参数V3=一clz；一c2一kS2一gIsIo万方数据194 北京工业大学学报在作用下系统渐近稳定由LaSalleYoshizawa定理得，当f_，戈1O，并2+04仿真分析本文在MatlabSimulink环境下搭建14车辆和LuGre轮胎模型，并对所设计的反演自适应滑模控制器，以初始速度120 kmh进行紧急制动仿真，仿真参数如表2所示(轮胎参数见表1)表2仿真参数Table 2 Simulation parameters参数 数值 参数 数值mkg 1 950 r。m 0321 5rbs 01 1w(kgm2)087am 1255 bm 1657肛h，曲07 肛I。02g(

21、nls“) 98 hm 0594I低附着系数高附着系数路面仿真采用本文提出的控制方法在冰路面低附着系数肛=02上进行紧急制动，设其理想滑移率值为s=015，仿真结果如图47所示 引叫l广1图47为冰路面下的紧急制动过程，图4为低附着系数的纵向滑移率随时间的关系，可见本文提出的反演自适应滑模控制方法可以快速地跟踪期望的滑移率，控制器响应频率满足现实控制器的硬件输出要求(小于8 Hz)，4 S过后已经收敛到理想滑移率，此时如果增加符号切换项，将更加改善控制效果，但容易引起抖振此外，10 S后滑移率有一定波动，而此时车速已经较小，在湿滑路面上车速较低时其滑移率对车速变化比较敏感，当车速小于8 kmh

22、时，ABS将停用，因此对于低速。纵向速度轮速i0一 s o占_rr芦卜1矿1产1图5 低附着路面纵向速度和轮速Fig5 Longitudinal velocity and wheel speed in low fr0 ()05 010 015 020 O25 O3()035滑移率图6 低附着路面纵向力和滑移率Fig6 I,ongitudinal force and slip phase in low fri c：三：制询誓jX。逖封蠢主测I 1-JJ-I，-LL。L一滑移率波动可以忽略。1“图5为纵向速度和轮速随时间的变化曲线，图6为纵向力和滑移率相位图，从图中可以看出，纵向速度和轮速都快速下

23、降，经过125 S车辆将完全停止，其轮胎摩擦力一直保持在期望滑移率s。=015附近以获取最大的刹车力矩，保持刹车有效性和稳定性图7为LuGre模型中内部摩擦变量随时间的响应，用来描述轮胎和路面摩擦力的瞬态变化在高附着系数路面上p=07进行紧急制动，其理想滑移率值为s=02，仿真结果如图811所示万方数据第2期 于宏啸，等：基于LuGre模型的反演自适应滑模ABS控制 195图81 l为良好路面下车辆紧急制动过程，图8为纵向滑移率和时间的关系，4 S左右基本达到理想的滑移率02图9显示为纵向速度和轮速随着刹车迅速减小，其减速度约为78 ms2，经过43 s将车辆完全停下图lO显示纵向力的输出一直

24、在滑移率0102图1 1为LuGre模型中内部摩擦状态变量随时间变化曲线，其随滑移率的变化有一定的波动，更加精确地描述了在刹车过程中轮胎瞬态的摩擦力变化特性簪淤延主暴Z，ts訇8高附着路面纵向滑移率Fig8 Longitu|(tinal slip ratio in high fri(蛩9 高附着路面纵向速度和轮速Fig9 Longitudspeed in卦0 005 010 ()15 ()2()025滑移率訇10高附着路面纵向力和滑移率Fig1 0 Longitudinal force and slip phase in high fi0035()030()025()020()()15()()

25、1()()(X)5()()05 1()15 20 25 30 35 40 45ts驾1 l 高附着路面内部摩擦状态变42 PID控制器和反演自适应控制器对比分析为了验证自适应控制器和其他控制器作用的比较，设计了一个PID控制器，以滑移率的误差s。=ss。为控制器的输入，PID控制器的输出为u=kps。+k。；。+ki J s。做为控制系统的输入，其中比例J系数k。、微分系数k。、积分系数k。分别取15 000、1、200目标滑移率s。=02，路面参数为0=07如图12所示，反演自适应滑模控制器在43 s就使车辆停止，而PID控制器大约46 S才使车辆停止由图13可知，自适应反演滑模控制器在03

26、 s时就以虱12Fig1D和自适应滑模控制轮速和纵向速度比较Comparison of wheel speed and longitudinalvelocitv between PID and ASMJI)ASMc，古而t瓦扣矗茹j蕊。tls图13 PID和自适应滑模控制减加速度比较Fig1 3 Comparison of deceleration between P1D and ASM逝制英逛登疑墨eeWda哆W比HhV甜增f。；一掣到冬万方数据196 北京工业大学学报 2016正接近最大减速度进行制动，而PID控制器经过12 s以后才以接近最大减速度进行制动5 结论1)应用基于LuGre轮

27、胎动力学模型的反演自适应滑模控制方法可以快速地跟踪理想滑移率，有效地减小制动时间和制动距离，并精确获取轮胎摩擦特性内部状态参数和轮胎力制动时动态特性2)在良好路面和低附着路面上反演自适应滑模控制器对期望滑移率都有很强的跟踪能力，控制器通过实时更新自适应率，获取自适应输入并应用Lyapunov稳定性理论证明该自适应方法渐进稳定，说明该控制器具有很强的自适应性和鲁棒性3)通过PID控制器和本文提出控制器的对比，反演自适应滑模控制器可以快速以接近最大减速度来获取最大制动力矩，以减少制动时间和制动距离参考文献：1PACEJKA H，BAKKER E，NYBORG LTyre modellingfor

28、use in vehicle dynamics studiesJSAE Paper，1987，870421：1152PACEJKA HTyre and vehicle dynamicsMBurlington：Elsevier，2005：93-1033郭孑L辉，袁忠诚，卢荡，等UniTire轮胎稳态模型的速度预测能力J吉林大学学报(工学版)，2005，35(5)：457-461GUO K H，YUAN Z C，LU D，et a1Speed predictionability of UniTire steadystate modelJJounal of JilinUniversity(Engin

29、eering and Technology Edition)，2005，35(5)：457-461(in Chinese)4DUGOFF H，FANCHER P，SEGEL LAn analysis of tiretraction properties and their influence on vehicle dynamicperformanceJSAE Paper，1970，700377：1219-12435HIRSCHBERG W，RILL G，WEINFURTER HTiremodel TMeasyJVehicle System Dynamics。2007，45(Suppl 1)：1

30、01一1196DE WIT C，TSIOTRASH PDynamic tire friction modelsfor vehicle traction controlcProcessdings of the 38 thConference on DecisionControl PhoenixArizona：IEEE，1999：374637517宋健，李永汽车防抱死制动系统控制方法的研究进展J公路交通科技，2002，19(6)：140145SONG JLI YA study on the algorithem of antiskidbraking system of vehicle based

31、on the braking decay powerJJournal of Highway and Transportaion Research andDevelopment，2002，19(6)：140145(in Chinese)8王国业，刘昭度，胡仁喜，等基于等效滑移率变化率的汽车防抱制动系统模糊直接自适应控制J机械工程学报，2008，44(11)：242247WANG G Y，LIU Z D，HU R X，et a1Fuzzy logic directadaptive control of ABSequiped vehicles based onequivalent slip diff

32、erential of tireJJounal of MechanicalEnginerring，2008，44(1 1)：242247(in Chinese)9王伟达，丁能根，张为，等ABS逻辑门限值自调整控制方法研究与试验验证J机械工程学报，2010，46(22)：90-95WANG W D，DING N G，ZHENG W，et a1Researchand verification of the logic threshold self-adjusting controlmethod for ABSJ，Jounal of Mechanical Enginerring，2010，46(22

33、)：90-95(in Chinese)10刘国福，张圮，王跃科，等防抱制动系统基于最佳滑移率的滑模变结构控制方法J国防科技大学学报，2004，26(2)：7074LIU G F，ZHANG Q，WANG Y K，et a1The study ofsliding mode variable structure control of the antilockbraking system based on optimal slip ratioJJournal ofNational University of Defense Technology，2004，26(2)：70-74(in Chinese

34、)11LI K J，DENG K，XIA Q SVariable structure controlfor emergency braking systems using LuGre tire modelcIEEE International Conference on VehicularElectronics and SafetyBeijing：IEEE，2006：50250612YI J，ALVAREZ L，CLAEYS X，et a1Emergencybraking control with an observer-based dynamic tireroadfriction model

35、 and wheel angular velocity measurementJVehicle System Dynamics，2003，39(2)：81971 3DE VRIES E J HModelbased brake control includingtyre behaviourDDelft：Division of Transport andLogistics Technology，Delft University of Technology，201214吕红庆，贾英民基于最佳滑移率的ABS复合控制器设计J控制工程，2007，14(2)：118-121LU H QJIA Y MABS composite controller designbased on optimal slip ratio【JControl Engineering ofChina，2007，14(2)：118121(in Chinese)(责任编辑 杨开英)万方数据