基于EPS的人机协同转向与悬架系统主动容错控制研究

发布时间：2020-05-14 12:06

【摘要】：转向系统和悬架系统是汽车底盘中两个重要的子系统,其性能直接影响汽车的操纵稳定性、安全性及舒适性。现代汽车上普遍应用基于EPS的转向辅助系统协助驾驶员实现转向控制,减轻驾驶员的转向负担;应用电子控制悬架系统改善汽车的乘坐舒适性及转向工况下的操纵稳定性。然而,因驾驶员操纵失误及电子控制系统元器件故障,导致道路交通事故频发及汽车使用性能下降,汽车道路行驶安全性及电子控制系统性能无法保证。将容错控制理论应用于汽车转向与悬架控制是提高汽车道路行驶安全性及可靠性的有效方法。论文主要以基于电动助力转向(Electric Power Steering,EPS)的人机协同转向系统及半主动悬架系统(Semi-Active Suspension System,SASS)为研究对象,对其容错控制策略进行理论仿真和试验研究。完成的主要研究工作和创新点总结如下:1)分析了基于EPS的人机协同转向系统工作在助力模式和辅助驾驶模式的原理及其判别方法。针对工作在助力模式的EPS,考虑EPS系统传感器及执行器同时故障及模型参数摄动,设计鲁棒未知输入观测器同时估计传感器及执行器故障,有效抑制了参数摄动对故障估计性能的影响。分别针对传感器和执行器故障,设计了主动容错控制方法。仿真及试验验证了提出的EPS主动容错控制策略可降低故障对EPS助力性能的影响,各故障模式下的助力转矩至少可恢复至原助力转矩的80%。2)针对工作在辅助驾驶模式的EPS,考虑因驾驶员操纵失误而导致的车道偏离,提出了基于EPS的辅助驾驶系统与驾驶员协同容错控制方法。建立了以纵向车速为时变参数的汽车-道路模型,基于模型预测控制方法设计了车道保持辅助系统(Lane Keeping Assist System,LKAS)控制器,以跨道时间触发车道偏离预警作为判断驾驶员操纵失误的指标。根据驾驶员状态、汽车状态、车路相对位置关系,实时决策驾驶员与LKAS控制器协同控制因子,并由协同控制因子与LKAS控制器的输出转矩决定辅助系统转矩。仿真与试验验证了车道偏离人机协同容错控制可有效避免车道偏离,减小人机冲突。3)设计并比较了LQG及H_?控制器对SASS模型参数摄动及作动器故障的鲁棒性。针对作动器发生增益、偏差、卡死及信号中断等故障对悬架系统性能的影响,设计了自适应观测器估计故障值,提出基于故障补偿的SASS主动容错控制方法。仿真及试验验证了提出的主动容错控制方法可使故障悬架系统性能恢复至与无故障悬架相接近的水平。4)考虑转向与悬架系统的耦合关系,建立分层结构的人机协同转向与悬架集成控制系统。上层优化层建立基于EPS的人机协同转向与悬架集成优化目标函数,采用遗传算法优化中间控制层中各子系统控制器参数,由下层执行控制层的控制指令并将输出信号反馈给优化层。进一步的,针对转向与悬架系统执行器部分故障及完全失效,基于遗传算法设计了故障分级的集成系统分层协调容错控制策略,降低了故障对汽车性能的影响。5)搭建试验台架并验证容错控制算法的有效性。首先搭建了基于LabVIEW PXI的EPS硬件在环试验台架,验证提出的EPS主动容错控制算法的有效性;其次,搭建基于CarSim/LabVIEW RT的硬件在环试验平台,验证车道偏离人机协同容错控制系统的有效性;再次,在单通道电液伺服悬架动态性能试验台上进行减振器力-速度特性试验,进一步在四通道道路模拟振动台上验证所提出的半主动悬架容错控制算法的有效性;最后,基于Casim汽车模型实现SASS与LKAS集成控制,在人机协同车道偏离辅助系统试验台上分析了SASS完全失效对LKAS及汽车性能的影响。
【图文】：

图 2.1 EPS 系统示意图Fig 2.1 Schematic diagram of EPS system统工作在转向助力模式和辅助驾驶模式时，在助力控制器和辅对 EPS 工作模式进行判别，其判别方式如图 2.2 所示。图 2.2 EPS 工作模式判别获取驾驶员操纵状态,td d thdt tT T 获取转向信号灯状态信号灯开启转向助力模式获取车路相对位置关系辅助驾驶模式否否LC LC ,thdt t否是是 是

( 1)a mf u，0 0 0 00 0 0 0 00 0 0 00 0 0 0 0cceqeqJBJ eΔA据文献[138]提供的方法，将系统的不确定性量值通过适当的转化并视为，，式（2.13）可以重写为( )a u f e e e e1 e2e e s sx A x B B dy C x F f （2.14Td c c r eq m T B T N B d 。PS 助力控制策略用 PID 控制方法设计 EPS 系统的助力控制器。按照控制框图 2.4 设计助线，调试并选取适当的 PID 参数使助力电动机实际电流能较好地跟随目从而获得理想的助力转矩，提高 EPS 系统转向轻便性的同时获得较好的感。
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U463

【参考文献】

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本文编号：2663327