汽車狀態(tài)和參數(shù)估計(jì)與穩(wěn)定性集成控制方法研究.pdf

1、汽車是具有高度非線性、模型不確定性、參數(shù)變化和外部干擾的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，當(dāng)汽車在高速行駛中進(jìn)行大轉(zhuǎn)向操作時(shí)，由于輪胎具有較強(qiáng)的非線性特性，輪胎側(cè)向力容易達(dá)到附著極限而發(fā)生側(cè)滑。當(dāng)車輛進(jìn)入側(cè)向力飽和這種極限工況時(shí)，車輛將會(huì)出現(xiàn)側(cè)向失穩(wěn)而引起事故。隨著汽車技術(shù)的發(fā)展，車速越來(lái)越高，如何保證車輛在高速轉(zhuǎn)向時(shí)的側(cè)向穩(wěn)定性，是目前車輛穩(wěn)定性控制重要的研究方向。在各種車輛主動(dòng)安全控制系統(tǒng)中，主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與主動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)是提高車輛主動(dòng)安全性和穩(wěn)定性的最

2、主要手段。目前車輛穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)有向標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展的趨勢(shì)，開(kāi)發(fā)先進(jìn)的控制方法是能否充分發(fā)揮車輛穩(wěn)定性控制系統(tǒng)作用的決定性因素。同時(shí)獲取汽車行駛中的狀態(tài)和參數(shù)信息也是汽車穩(wěn)定性控制研究的重要內(nèi)容，是實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性控制閉環(huán)反饋的前提和必要條件。
　　本文主要研究一種先進(jìn)的車輛穩(wěn)定性集成控制方法，可以抵抗車輛模型不確定性和參數(shù)變化的影響，并能較好的提高車輛的穩(wěn)定性；為實(shí)現(xiàn)汽車穩(wěn)定性控制閉環(huán)反饋，對(duì)車輛穩(wěn)定性控制系統(tǒng)關(guān)鍵信息—地面附

3、著系數(shù)以及質(zhì)心側(cè)偏角的估計(jì)技術(shù)進(jìn)行研究。
　　具體研究?jī)?nèi)容如下：
　　（1）建立了地面附著系數(shù)估計(jì)所用兩輪2自由度車輛模型與Fiala輪胎模型，建立了基于四輪8自由度車輛模型和魔術(shù)公式輪胎模型的整車仿真模型，質(zhì)心側(cè)偏角估計(jì)所用的兩輪2自由度車輛模型和魔術(shù)公式輪胎模型；還建立了基于“預(yù)瞄—跟隨”理論的單點(diǎn)預(yù)瞄駕駛員模型；并通過(guò)三次樣條曲線擬合了雙移線道路輸入路徑；為驗(yàn)證所建立車輛仿真模型的正確性，利用轉(zhuǎn)向機(jī)器人進(jìn)行了橫向瞬態(tài)響

4、應(yīng)試驗(yàn)，對(duì)比仿真模型和試驗(yàn)車的側(cè)向加速度、橫擺角速度響應(yīng)曲線，證明所搭建的仿真模型的有效性。
　　（2）為提高質(zhì)心側(cè)偏角的估計(jì)精度，采用考慮輪胎非線性特性的擴(kuò)展卡爾曼濾波方法來(lái)估計(jì)車輛質(zhì)心側(cè)偏角。開(kāi)發(fā)基于雙天線、載波相位差分GPS的質(zhì)心側(cè)偏角測(cè)試系統(tǒng)，利用高斯投影坐標(biāo)變換得到車輛縱軸線和車輛實(shí)際速度矢量之間的夾角從而獲得質(zhì)心側(cè)偏角，驗(yàn)證擴(kuò)展卡爾曼濾波質(zhì)心側(cè)偏角的估計(jì)方法在實(shí)際道路試驗(yàn)中的可行性及有效性。
　?。?）給出了一種

5、基于轉(zhuǎn)向阻力矩信息的地面附著系數(shù)估計(jì)方法。利用空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換法分析了輪胎六分力引起的轉(zhuǎn)向阻力矩，從而得出由繞主銷的轉(zhuǎn)向阻力矩中提取出輪胎自回正力矩的方法。建立了基于2自由度車輛模型和Fiala輪胎模型的地面附著系數(shù)非線性觀測(cè)器方法。通過(guò)在前輪左、右轉(zhuǎn)向拉桿處加裝力傳感器，獲取前輪的轉(zhuǎn)向阻力矩，并根據(jù)繞主銷處轉(zhuǎn)向阻力矩提取出輪胎自回正力矩，實(shí)現(xiàn)基于轉(zhuǎn)向阻力矩信息的地面附著系數(shù)估計(jì)，并驗(yàn)證非線性觀測(cè)器方法的有效性。該方法在輪胎側(cè)向力未達(dá)到非線

6、性飽和區(qū)域就實(shí)現(xiàn)對(duì)路面附著系數(shù)的早期識(shí)別。
　　（4）車輛的行駛工況非常復(fù)雜，除了車輛本身的模型不確定性和非線性等問(wèn)題，車輛還經(jīng)常受到較強(qiáng)的外界干擾，采用了一種包括模型不確定性和擾動(dòng)的正則左互質(zhì)分解的車輛模型來(lái)設(shè)計(jì)主動(dòng)轉(zhuǎn)向控制器，保證了控制器的魯棒性。為改善魯棒控制在車輛狀態(tài)跟蹤控制中的保守性，本文分別采用二自由度模型跟蹤魯棒控制方法以及廣義內(nèi)模控制方法來(lái)設(shè)計(jì)主動(dòng)轉(zhuǎn)向控制器。通過(guò)對(duì)PID主動(dòng)轉(zhuǎn)向控制器、二自由度魯棒主動(dòng)轉(zhuǎn)向控制器、

7、GIMC主動(dòng)轉(zhuǎn)向控制器進(jìn)行仿真對(duì)比，結(jié)果表明：GIMC主動(dòng)轉(zhuǎn)向控制器不僅可以保證控制器的穩(wěn)定性，又有較好的控制性能，能保證在較小的主動(dòng)干預(yù)轉(zhuǎn)角的情況下，一定程度上抵抗外界的干擾。
　?。?）采用車輛β-β相平面圖來(lái)分析車輛穩(wěn)定性，將相平面圖穩(wěn)定曲線邊界直線化，確定直線化后的穩(wěn)定邊界。對(duì)主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制特性進(jìn)行分析，并在相平面圖穩(wěn)定區(qū)域的基礎(chǔ)上提出主動(dòng)轉(zhuǎn)向和主動(dòng)制動(dòng)協(xié)調(diào)分配控制邏輯。采用橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角兩個(gè)控制變量，并對(duì)兩個(gè)