基于頂層設(shè)計(jì)的車(chē)輛底盤(pán)系統(tǒng)協(xié)同控制理論與技術(shù)研究.pdf

1、車(chē)輛電控底盤(pán)系統(tǒng)是由多個(gè)子控制系統(tǒng)組成的，多個(gè)可控子系統(tǒng)相互之間影響，車(chē)輛綜合性能的提高依賴于各個(gè)子系統(tǒng)的協(xié)同作用。子系統(tǒng)之間協(xié)同有利于車(chē)輛底盤(pán)子系統(tǒng)集成的軟硬件共享、能量管理和信息交互，滿足車(chē)輛安全性、舒適性和經(jīng)濟(jì)性的更高要求，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛底盤(pán)系統(tǒng)集成化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化，這是當(dāng)今車(chē)輛工程領(lǐng)域?qū)W術(shù)界研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外科研人員已經(jīng)在車(chē)輛底盤(pán)集成控制理論與技術(shù)方面開(kāi)展了大量研究工作，但是一直尚未形成較為完善的理論和體系。
　　轉(zhuǎn)向與

2、懸架作為汽車(chē)底盤(pán)系統(tǒng)中的兩大關(guān)鍵零部件，相對(duì)獨(dú)立而且易于控制，但是如果將他們集成，由于耦合輪胎這一非線性系統(tǒng)，將會(huì)使控制變得復(fù)雜。本文以轉(zhuǎn)向、懸架以及集成為研究對(duì)象，通過(guò)定性定量地研究輪胎側(cè)向力與垂向力之間關(guān)系，充分發(fā)揮輪胎性能對(duì)懸架和轉(zhuǎn)向的作用和影響，并進(jìn)行協(xié)同集成控制研究，運(yùn)用自上而下的頂層設(shè)計(jì)理念，通過(guò)總體規(guī)劃布局，使子系統(tǒng)之間優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，降低或消除子系統(tǒng)之間矛盾和沖突，最大程度減少駕駛意圖變化和外界環(huán)境影響等引起的車(chē)身姿態(tài)變化，兼

3、顧并改善行駛平順性和操縱穩(wěn)定性。根據(jù)這一思路，本文主要圍繞著半主動(dòng)懸架控制、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向控制和輪胎狀態(tài)監(jiān)測(cè)以及系統(tǒng)集成控制等方面展開(kāi)研究工作。
　　建立輪胎側(cè)向力和垂向力耦合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。借助輪胎接地壓力試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了多種工況下輪胎側(cè)偏特性試驗(yàn)，分析了側(cè)偏特性與側(cè)偏角、輪速、垂直載荷、充氣壓力等眾多因素關(guān)系，選擇558個(gè)樣本，將這些數(shù)據(jù)點(diǎn)作為網(wǎng)絡(luò)特征參數(shù)，訓(xùn)練和建立自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，采用了BFGS方法進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)和網(wǎng)絡(luò)逼近，通過(guò)

4、理論計(jì)算驗(yàn)證了可行性，為懸架與轉(zhuǎn)向耦合機(jī)理分析奠定理論基礎(chǔ)。
　　建立車(chē)輛多體動(dòng)力學(xué)模型，其中包括轉(zhuǎn)向、懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)、彈性力學(xué)的非線性特性，并進(jìn)行了模型與實(shí)際車(chē)輛的對(duì)比試驗(yàn)，同時(shí)通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)標(biāo)定半主動(dòng)懸架中步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)角與減振器阻尼力的關(guān)系，為半主動(dòng)懸架控制以及集成控制器的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。
　　分析了影響橫擺角加速度的因素，采用轉(zhuǎn)向過(guò)程穩(wěn)定性指標(biāo)，描述車(chē)輛在不同車(chē)速和路面附著系數(shù)下的操穩(wěn)性問(wèn)題，并且研究了橫擺角速度與側(cè)傾角的非線性

5、關(guān)系。通過(guò)研究瞬態(tài)響應(yīng)下的性能指標(biāo)之間的相互關(guān)系，分析耦合系統(tǒng)對(duì)車(chē)輛綜合性能的影響。
　　提出了車(chē)輛底盤(pán)系統(tǒng)協(xié)同控制的頂層設(shè)計(jì)思想，構(gòu)建了基于模糊關(guān)系網(wǎng)協(xié)同控制理論的車(chē)輛行駛平順性與操縱穩(wěn)定性協(xié)同機(jī)制。根據(jù)懸架與轉(zhuǎn)向耦合機(jī)理，參考駕駛意圖和車(chē)輛狀態(tài)，針對(duì)半主動(dòng)懸架(SAS)和電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向(EPS)，按工況進(jìn)行底盤(pán)協(xié)同系統(tǒng)的頂層設(shè)計(jì)，將底盤(pán)協(xié)同系統(tǒng)分為四個(gè)子系統(tǒng):輪胎子系統(tǒng)(TYPE)、半主動(dòng)懸架子系統(tǒng)(SAS)、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)

6、(EPS)和頂層子系統(tǒng)(SYS)，在每個(gè)子系統(tǒng)之間引入模糊關(guān)系型合同網(wǎng)作為協(xié)同機(jī)制來(lái)處理協(xié)調(diào)和合作的問(wèn)題，實(shí)時(shí)地確定子系統(tǒng)模糊權(quán)值的比重。運(yùn)用狀態(tài)遷移原理建立子系統(tǒng)模塊，組成多子系統(tǒng)協(xié)調(diào)與合作。
　　構(gòu)建了基于自治體技術(shù)的感知、信念、意圖統(tǒng)一結(jié)構(gòu)車(chē)輛底盤(pán)協(xié)同系統(tǒng)底層子系統(tǒng)。針對(duì)半主動(dòng)懸架控制系統(tǒng)要求，在平順性、操穩(wěn)性和安全性之間進(jìn)行切換和通信，建立了SAS子系統(tǒng);針對(duì)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程工況復(fù)雜多變、實(shí)時(shí)性要求較高等特點(diǎn)，建立

7、了EPS多工況切換模糊控制子系統(tǒng);根據(jù)汽車(chē)行駛時(shí)輪胎力的計(jì)算和各種異常情況（如輪胎漏氣、過(guò)低或過(guò)高氣壓、過(guò)高溫度）預(yù)警的需要，建立了TYRE子系統(tǒng)。
　　搭建了車(chē)輛底盤(pán)協(xié)同控制的聯(lián)合仿真系統(tǒng)，并進(jìn)行聯(lián)合仿真計(jì)算?；诙囿w動(dòng)力學(xué)原理建立系統(tǒng)模型，結(jié)合控制器模型，進(jìn)行了隨機(jī)路面、蛇行、雙紐線和單脈沖角階躍輸入工況的聯(lián)合仿真計(jì)算，對(duì)比分析了不同控制方法的仿真結(jié)果，檢驗(yàn)了控制算法的有效性。
　　設(shè)計(jì)了車(chē)輛底盤(pán)協(xié)同控制的快速原型半實(shí)物

8、仿真系統(tǒng)和臺(tái)架、道路試驗(yàn)系統(tǒng)。組建dSPACE與硬件連接構(gòu)成快速原型仿真系統(tǒng)，通過(guò)與聯(lián)合仿真相同工況的計(jì)算結(jié)果對(duì)照分析，驗(yàn)證了快速原型控制器模型的正確性和有效性。
　　基于FlexRay網(wǎng)絡(luò)對(duì)協(xié)同底盤(pán)系統(tǒng)進(jìn)行了軟硬件設(shè)計(jì)，同時(shí)改進(jìn)設(shè)計(jì)了節(jié)流口可調(diào)式阻尼減振器。在此基礎(chǔ)上，自主研發(fā)自測(cè)量氣門(mén)嘴替代現(xiàn)有胎壓傳感器。最后，開(kāi)發(fā)了車(chē)輛底盤(pán)系統(tǒng)協(xié)同控制器，并裝車(chē)進(jìn)行道路試驗(yàn)，通過(guò)與快速原型控制系統(tǒng)試驗(yàn)進(jìn)行了比較，驗(yàn)證控制系統(tǒng)的正確性與硬件設(shè)

9、計(jì)的可靠性。
　　研究結(jié)果表明，基于頂層設(shè)計(jì)的車(chē)輛底盤(pán)系統(tǒng)協(xié)同控制，能夠滿足不同子系統(tǒng)在不同行駛工況下的控制要求，同時(shí)實(shí)現(xiàn)多個(gè)子系統(tǒng)在協(xié)同過(guò)程中的協(xié)調(diào)與合作。與傳統(tǒng)分層控制方法相比，在隨機(jī)路面試驗(yàn)中，車(chē)身垂直加速度和前后懸架動(dòng)撓度均方根值性能指標(biāo)均得到不同程度改善。在蛇行試驗(yàn)中，轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角平均峰值略有減小，而轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)矩平均峰值下降了13.31％，橫擺角速度平均峰值增加了9.77％，側(cè)向加速度平均峰值下降了10.01％。在雙紐線試驗(yàn)

10、中低附著路面進(jìn)行轉(zhuǎn)向時(shí)，略為減少了操縱轉(zhuǎn)矩，而回正過(guò)程中，增加了操縱轉(zhuǎn)矩，考慮駕駛舒適性的同時(shí)保證了操穩(wěn)性。在復(fù)合工況試驗(yàn)中，解決了傳統(tǒng)分層控制無(wú)法避免的車(chē)身垂直加速度、車(chē)身側(cè)傾角、俯仰角和橫擺角速度振動(dòng)幅值等性能指標(biāo)很難同時(shí)兼顧的局限性。因此，采用頂層設(shè)計(jì)與協(xié)同控制相結(jié)合的底盤(pán)集成系統(tǒng)，較好地自主協(xié)調(diào)系統(tǒng)內(nèi)部資源，減小了矛盾和沖突，在保障子系統(tǒng)功能充分發(fā)揮的基礎(chǔ)上，很好地實(shí)現(xiàn)了底盤(pán)復(fù)雜大系統(tǒng)全局優(yōu)化，使車(chē)輛操穩(wěn)性和平順性得到兼顧，明顯