MOTOR VEHICLE CONTROL
As already stated, a road vehicle on pneumatic tires cannot maintain a given trajectory under the effect of external perturbations unless managed by some control device, which is usually a human driver. Its stability solely involves such state variables as the sideslip angle beta; and the yaw velocity r.
In the case of two-wheeled vehicles the capsize motion is intrinsically unsta- ble forcing the driver not only to control the trajectory but stabilize the vehicle.
A possible scheme of the vehicle-driver system is shown in Fig. 27.1. The driver is assumed to be able to detect the yaw angle psi;, the angular and linear
accelerations beta;˙ , r˙, dV /dt, V 2/R and to be able to assess his position on the road
(X and Y ). Moreover, the driver receives other information from the vehicle, such as forces, moments, noise, vibrations, etc. that allow him to assess, largely unconsciously, the conditions of the vehicle and the road-wheel interactions.
Conventional vehicles
In all classical vehicles of the second half of the twentieth century up to the 1990s, the driver had to perform all control and monitoring tasks. The only assistance came from devices like power steering or power brakes that amplified the force the driver exerted on the controls. In this situation, the human controller is fully
inserted in the control loop or, as usually said, the systems include a human in the loop.
- Genta, L. Morello, The Automotive Chassis, Volume 2: System Design, 429
Mechanical Engineering Series,
Qc Springer Science Business Media B.V. 2009
FIGURE 27.1. Simplified scheme of the vehicle-driver system.
Actually the driver must control high level functions (choice of the trajec- tory, decisions about speed and driving style, about manoeuvres like overtaking, etc.) and intermediate level functions (reacting to perturbations coming from the air and the road, following the chosen trajectory, etc.). Only stability at the lowest level, involving the sideslip angle and the yaw velocity, is provided by the dynamic behavior of the vehicle. As already stated, in motorbikes the driver must also act as a stabilizer against capsizing.
In particular:
-
- Direction control is implemented by applying a torque to the steering wheel that is then transmitted through a mechanical system (steering box, steering arms, various linkages) to the steering wheels, which are al- ways the front wheels. The torque exerted by the driver may be increased by an hydro-pneumatic or electromechanical system (power steering) that nonetheless never replaces the driver by exerting the whole moment. The required sensitivity is provided by the torque the steering system exerts on the driver through the aligning torque and the contact forces at the wheel- road interface. These, in turn, depend upon the geometry of the steering system (caster angle, toe in, offsets, etc.).
- The control of the power supplied by the engine is managed through the accelerator pedal, operating directly through a mechanical leverage. Sensi- tivity is supplied by the elastic reaction of a spring that reacts to the motion of the pedal. The driver must control the power accurately enough so that the maximum force the wheel can exert on the ground is not exceeded.
- Engine control is accompanied by control of the gearbox and the clutch, which operate through the clutch pedal and the gear lever. These controls are often automatic.
- Braking control is performed by applying a force on the brake pedal that is then transmitted through a system (usually hydraulic, but pneumatic in industrial vehicles) to the brakes located in all wheels. Here the force ex- erted by the driver can also be augmented by a hydro-pneumatic device (power braking). In all cases, sensitivity is granted by the fact that the force exerted by the driver is proportional (or at least depends in an al- most linear way) to the braking torque and then to the braking force. The driver must control the braking force so that the wheels do not lock.
These basic controls are accompanied by many secondary controls, such as those of the lighting systems, window cleaning and defrosting, parking brake etc. Although not directly used to control the motion of the vehicle, these are ex- tremely important for driving safety. The basic controls are standardized on all vehicles, with some difference in special vehicles, and are subjected to detailed standards. In the case of particular arrangements, to be used by persons with dis- abilities of various kinds that do not allow them to operate conventional controls
directly, a non-conventional user interface is provided, designed as needed for
each particular installation. The transmission of commands, however, remains
the same: for instance, the accelerator control may be brought to the steering wheel with a ring coaxial to the wheel that can be moved axially. This, in turn, operates the conventional accelerator control through levers.
The situation with two-wheeled vehicles is essentially the same, the only difference being that the driver can change the inertial and geometrical charac- teristics of the vehicle, using these changes as control inputs: for instance, he can move the center of mass sideways or change the aerodynamic characteristics. The controls are obviously different with the front and rear brakes often operating independently.
Automatic and intelligent vehicles
The possibility of introducing automatic control devices in road vehicles has led in recent years to many studies aimed at designing vehicles able to perform au- tomatically a number of those
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27.1 机动车辆控制
正如我们之前已经提到的，在外部扰动的影响的情况下，道路车辆对气动轮胎不能保持给定的轨迹在外部扰动的影响，除非由一些控制装置控制,它通常是一个驾驶员。其稳定性仅仅由到状态变量如侧滑角beta;和偏航速度r决定。
由于两轮车辆倾覆运动本质上是unsta - ble，这迫使司机不仅要控制轨迹还要保持车辆稳定。
车辆驾驶员的其中一个可能的方案系统图27.1所示。司机被认为是能够决定偏航角psi;，角和线性加速度分别beta;˙ , r˙, dV /dt, V 2/R ，和能够确定他在路上的位置的(X,Y)。此外，司机从车辆接收其他信息，比如力量，时刻，噪声，振动等，司机由此来评估，车辆的行驶情况和车轮与路面的相互作用。
27.1.1 传统车辆
20世纪下半世纪初到1990年代生产的所有车辆，司机必须执行所有控制和监视任务。其中唯一来自设备的援助是动力转向和刹车，由此来放大司机施加的力控制。在这种情况下，操控者完全属于控制回路中的一部分，,就像通常说的，循环的系统包括一个人类。
G-Gental，L-Morello，汽车底盘（第二版），系统设计，机械工程429系列。
图27.1.车辆驾驶员的简化方案体系
通常来说司机必须有高级的功能（选择最有的行驶路线，决定速度和驾驶风格，例如超车等），和中级功能（对来自空气和路面的扰动做出选择正确的行驶路线）。只有保持最低稳定性的，包括侧滑角和偏航速度，是由车辆决定的动态行为。正如我们之前已经提到的，在摩托车上司机也必须作为稳定来对抗倾覆。
尤其：
方向控制的实现是通过转矩控制方向盘,然后通过机械传播系统(转向箱、转向臂、各种联系)传到转向轮，而转向轮通常是前轮。司机施加的扭矩可能由一个电动系统（动力转向系统），但是这永远不能取代了司机通过发挥整体的过程。所需的灵敏度是由转矩的转向系统通过方向盘回正力矩和接触力-路接口所提供的。反过来，这些取决于转向系统的几何形状(后倾角、前轮内倾、补偿等)。
对提供动力的引擎的控制是通过与油门踏板直接相连的机械杠杆。而灵敏度是由一个弹簧对踏板运动的弹性反应。司机的控制能力必须足够准确，防止超出车轮可施加在地面的最大力量。
发动机的控制由变速箱和离合器共同控制的，这通常是通过离合器踏板和变速杆，而这些控件通常是自动进行的。
制动控制是由刹车踏板施加压力然后通过一个系统(通常是液压,但在工业车辆气动的)，刹车作用位于所有轮子。这里施加的力可以是司机施加的力也可以是增强油气设备(动力制动)的。在所有情况下,灵敏度是理所当然地，制动力矩与司机施加的力成正比(或者至少取决于一个几乎数线性的方式)，制动力也是如此，司机必须控制制动力所以车轮不能被锁。
以上这些基本控制是伴随着许多二级控制，如照明系统，窗口清洁和除霜，停车制动等。尽管这些系统不是直接用来控制车辆的运动的但是这些都是对行车安全极其重要的。所有车辆标配的的基本控制，除了一些专用车辆上的差异，都有进行详细的标准规范。在特定的情况下，由于残疾人不能像普通人一样直接控制操作，所以为残疾人专用的车辆提供了非传统的用户界面，还可以根据每个人的需要特定安装。然然而指令的传播仍然是相同的。例如，加速器控制可能带来与环同轴方向盘，车轮可以轴向移动。换句话说，这是通过杠杆传动的传统加速器控制。
两轮车的情况基本上是相同的，唯一的不同点是司机利用这些变化作为控制输入，由此改变汽车的惯性和几何特征。实例，他可以横向移动重心或改变空气动力特性。经常独立操作的前后轮刹车是明显不同的控制。
27.1.2 智能车辆
在公路车辆引入自动控制设备的可能性导致近年来许多研究旨在设计车辆能够自动执行目前大量的控制功能，之前是托付给司机的控制，一个设计一款能够自动执行所有功能的公路车辆，从本质上改变司机乘客。这一目标仍然是遥远的，至少在今天的技术和那些可能在可预见的未来发展，与那预测的所谓强大的人工智能是有所距离的。
然而，尽管建立全自动机动车的目标还有很长一段路要走但很多部分的应用程序已经或即将实现。
这个灵感已经在航空领域实现。自二战以来，设备能够使飞机在一个给定的方向和规定下，允许飞行员离开控制或多或少地延长时间，那时候已进入普遍使用。这类设备不能感应外部环境且不能适应它，它们是简单的监管机构，只能保持预定的运动条件运行下去。这种设备只能有限地在公路车辆中使用(例如，巡航控制设备)，因为车辆必须不断调整其运动的道路和适应交通条件。
军用飞机逐渐建立在配置减少内在不稳定或甚至不稳定，目标是它的提高机动性；它的任务给飞机合适的控制装置来稳定飞机。此外，通过控制装置提供额外的信息来增强飞行员的感官，如当失速条件时设备控制杆震动的方法。人工稳定可能也有益于车辆领域,为提高机动性而使用的配置但可能会降低其稳定性。
设备提供了一个人工感应，通常被称为触觉,，那些提供一个反作用力通过导线控制类似于传统的机械控制供应的反应。它们也可能添加更多信息，如那些导致油门或刹车踏板动摇当接近滑移条件在牵引或制动的设备。这些设备从无可避免的必要当自动控制普及式。它们目前正在研究，或者有些已经出现在市场上。
如今在航空领域中命令不再是通过机械传播(棒、电缆等)，或液压设备但是由电力系统（自动驾驶仪），除了唯一例外的低成本小型飞机。这主要有两个优点：第一，结构和布局的自由度大大增加（可以比机械控制更容易地设计电缆路线），由此来使质量下降。第二，它更容易集成控制系统，这大多是电子的，比传统的架构更集中。在最现代的飞机中，飞行员与计算机进行交流，进而控制表面通过线设备的启动。
类似的进步也出现在汽车行业中。这里的术语引导线是用于引导控制，制动功能的导线和加速器控制
的驱动线。这些系统的通用术语交叉数据线，通用交叉数据线线可以代替各种控件。其优点类似于航空领域中的， 不同的用户可以选择不同的使用界面，例如，专门为残疾人设计的方案甚至适用于个人的方案。
然而，从航空自动驾驶仪转移到汽车交叉数据线并不是那么简单的。第一个区别就是两个领域的成本，或者更恰当地说，是可靠性/成本的比率。飞机的总成本的成本在数量级上大于机动车，因此允许使用的控制系统和组件比车辆的昂贵很多。由于类似的原因，低成本航空市场使用的自动驾驶仪系统仍然不会用于光和超轻型航空。
扩大生产规模可能可以解决这个问题：开发成平可以降低，在汽车市场，汽车的数量可是与航空飞机不再一个数量级的。可靠性与成本是有必然联系的：当处理至关重要的安全功能，如转向或制动，需要极高的可靠性会导致高成本，因为所需的安全是通过冗余的传感器，执行器、控制单元和通信线路以及高质量的组件。近年来，基于机动车辆设计的电子和计算机设备发展了更细致的功能，更常见的是，在产品执行任务的实际应用。
然而，它不仅仅是一种成本问题：通用汽车的设计，它们的分析任务比飞机更加有不确定性，还有它们必须能够正常工作，就算在没有严格的维护日程这种严苛的条件下。这使得技术从航空转移到汽车行业中变得更加困难，尤其是在复杂的，甚至是关键技术。
这种技术的引进最能促进的领域可能就是赛车，特别是一级方程式赛车，因为这些车辆必须使用有限数量的参数进行优化，它们能获得更高的成本用于控制条件。然而他们的设计必须规范严格地遵守比赛规定，目前(2008年)，已经不允许使用自动控制设备。
目前，控制设备的领域已经更常见了或者至少有积极研究中：
发动机控制系统。所有的现代汽车的内燃机由一个或多个电子控制单元(ECU)提供其主要的控制功能。电机控制可能是传统的或线控的，但在后者的情况下为司机提供足够的感官输入是完全没有问题的。因为这些系统是连同发动机一起研究的而不是与底盘系统，所以这些问题不会被处理。
纵向滑移牵引控制，（ASR，反旋转调节器）。这些系统检测的是驱动轮是否开始打滑，需要降低引擎提供的电源。从理论上讲，他们应该是测量轮胎的纵向滑移量，但实际上它们测量的是驱动车轮的加速度。
纵向滑动控制刹车，（ABS，防抱死制动系统）。这个系统是检测车轮是否开始打滑，需要减少制动力矩。同样地，它应该测量轮胎的纵向滑移量，但实际上测量车轮的减速度。
车辆动态控制系统，（VDC，车辆动态控制，ESP，增强稳定性程序，DSC，动力学稳定性控制）。这些系统的目的是改善车辆的动态响应。他们经常通过不同的制动力(有时不同的驾驶方式)来制动相同的轴的车轮，会产生偏航力矩。
悬架控制系统。有许多不同类型的控制，其中半主动和主动悬挂已经和正在开发。这些悬架可以简单地适应各种类型和条件的道路，或者在最先进的情况下，完全用一个主动的系统代替传统的悬架。
电动助力转向系统（EPS）。严格地说，电动助力转向系统也不应该被认为是一种控制系统而不是传统动力转向，但电动驱动方向盘可以添加控制功能。电动助力转向系统，可能是向线控转向前进的第一步。
电力制动。大致功能是可以通过电气制动，从简单的电力制动主缸上的电动执行机构的传统的液压系统(不应列在这里)，一个真正的在车轮与电动机构间执行刹车的线控系统。
伺服控制变速箱和离合器。这些系统的自动变速箱功能是通过控制合适的驱动器来提供的。它拥有经典的自动变速器的优点但没有变矩器的效率更高的机械传动。
最后，可以自动的停车制动控制系统必须考虑的二级控制。它的优点是，可以确保制动应用每当司机离开车辆的时候，就算有可能忘记了，同时减少了松开刹车的工作。电动驻车制动器另外一个更大的收益是室内设计师有更大的自由去设计车辆。
这些系统的组件和主要控制策略已经在第一部分被描述。
所有提到的系统使驾驶员的任务简化和安全性增加，让他们满足可靠性标准。司机还在控制回路,但是他的工作因减少了低级的控制任务变得简单，这样，他就可以专注于高级的决策。
现在致力于强有力的研究活动，从而超越这种方法，让自动执行更高级别的功能成为可能，使用摄像机自动识别道路的外缘和车道线界定让系统能够识别并遵循道路情况行驶。还有一些其他的例子，包括系统能够调节速度，并保持一个常数距离跟着前面的车辆，根据防撞系统进行障碍识别。
毫无疑问，这样的系统是可行的，一旦关键技术已经开发且有可接受的成本和所需的可靠性。然而，系统能够完全不存在人类在操作，完全超出人类的现在和可预见的技术。
27.2 车辆驾驶员系统模型
在开始研究旨在控制车辆的自动系统之前，建议先研究传动车辆的驱动系统、驾驶员的完全集成的控制回路。这样的研究有两个主要目的：
建立一个驾驶员可以集成到车辆中的模拟数学模型。这不一定是真的，一个系统由两个本身是稳定的子系统构成，因此这个系统是稳定的。这是个稳定性的研究，因此，应该考虑司机的行为即使车辆本质上是稳定的。此外，在摩托车的情况下，系统的内在不稳定性使我们有必要引入一个驱动程序模型，至少作为稳定剂，使系统的动态行为进行数值模拟。
为自动控制系统的设计提供指导。自动控制器通常是受人类的行为控制器，如果没有别的原因它是唯一可用的模型。此外，人类控制器的性能优于预期自动设备的期望。自动控制系统必须与人类交流后和后者提供信息和感官输入，这些让你跟平常使用的系统没有多大区别。
很明显，车辆驾驶员系统的稳定性是必要的，但这不足以评估所需的处理和舒适的特点。,越少的修正司机介绍获得所需的轨迹。车辆本身具有越好的自由和锁的稳定性，越少修正司机必须引入以获得所需的行驶轨迹。在beta; 和r上稳定的车辆从司机得到那些需要输入的需要遵循的轨迹，而不是那些需要稳定运动。
另一方面，车辆太稳定可能缺乏需要应付紧急状况的机动性或简单地允许运动驾驶。稳定性的个案必须评估在每种情况下，考虑车辆的类型，市场目标，传统和制造商的形象。
通常稳定性，车辆舒适性的特征评估是基于使用熟练的试车手做持续的道路测试。这种方法的缺点是过于主观，以上所有的关注全球车辆的特点，没有给出详细的建议和施工参数之间的因果关系及其行为。这也要求执行道路漫长而昂贵的测试，最重要的是，部队车辆延期的性能评价阶段的原型是可用的。
有效的数学模型是司机-车辆之间的交互，它有很多的优点，而这些优点是毫无争议的。在这项研究中，转换概念的困难在于像舒适和用户友好转换成数学函数是一个严重的障碍，而实验和数值方法可能会继续补充这项研究。
如果要模型能够模拟驾驶员的行为就必须建立人机交互的研究。在这个任务中遇到如此大的困难是，这有许多不同的驾驶模型。到目前为止没有标准的驾驶模型被承认。
第一系统性的研究是在航空领域中，但从1970年代开始，大量专门用于车辆领域的模型已经被推出。不到25年间快速书目扫描识别超过六十模型发布。这些跨度从简单的常量参数对于单变量线性模型多变量,非线性,基于模糊逻辑的自适应模型或模型和/或神经网络。
像往常一样，必须选择从综复杂的模型为了研究的一致性和重要的输入数据的可用性。
27.2.1 简单的线性驱动模型进行处理
如前所述，司机可能会被认为作为一个控制器接收一系列输入的车辆和环境和输出控制信号。在手动控制下，司机执行任务是传感器、控制器、执行器和电源控制，即使他的控制行为可以由辅助设备如动力转向和制动来帮助。
在构建一个简单的驱动程序模型中，少量的输入选择驱动程序接收和简单的控制算法选择链接的输出。后者通常只转向角delta;和油门/刹车踏板的位置。只有前者是认为是否司机模型与恒速处理模型。
最简单的驾驶者模型是一个比例线性跟踪系统对偏差psi; minus; psi;0，psi;0是所需的偏航角，有控制作用的转向角delta;比例偏差。因为控制器有一个延迟tau;,这意味着
Kg是控制器的增益比例。通过开发delta;函数泰勒
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