汽车状态和参数估计与稳定性集成控制方法研究

发布时间：2017-03-29 21:06

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【摘要】：汽车是具有高度非线性、模型不确定性、参数变化和外部干扰的复杂动力学系统,当汽车在高速行驶中进行大转向操作时,由于轮胎具有较强的非线性特性,轮胎侧向力容易达到附着极限而发生侧滑。当车辆进入侧向力饱和这种极限工况时,车辆将会出现侧向失稳而引起事故。随着汽车技术的发展,车速越来越高,如何保证车辆在高速转向时的侧向稳定性,是目前车辆稳定性控制重要的研究方向。在各种车辆主动安全控制系统中,主动转向系统与主动制动系统是提高车辆主动安全性和稳定性的最主要手段。目前车辆稳定性控制系统的执行机构有向标准化方向发展的趋势,开发先进的控制方法是能否充分发挥车辆稳定性控制系统作用的决定性因素。同时获取汽车行驶中的状态和参数信息也是汽车稳定性控制研究的重要内容,是实现稳定性控制闭环反馈的前提和必要条件。本文主要研究一种先进的车辆稳定性集成控制方法,可以抵抗车辆模型不确定性和参数变化的影响,并能较好的提高车辆的稳定性;为实现汽车稳定性控制闭环反馈,对车辆稳定性控制系统关键信息—地面附着系数以及质心侧偏角的估计技术进行研究。具体研究内容如下:(1)建立了地面附着系数估计所用两轮2自由度车辆模型与Fiala轮胎模型,建立了基于四轮8自由度车辆模型和魔术公式轮胎模型的整车仿真模型,质心侧偏角估计所用的两轮2自由度车辆模型和魔术公式轮胎模型;还建立了基于“预瞄—跟随”理论的单点预瞄驾驶员模型;并通过三次样条曲线拟合了双移线道路输入路径;为验证所建立车辆仿真模型的正确性,利用转向机器人进行了横向瞬态响应试验,对比仿真模型和试验车的侧向加速度、横摆角速度响应曲线,证明所搭建的仿真模型的有效性。(2)为提高质心侧偏角的估计精度,采用考虑轮胎非线性特性的扩展卡尔曼滤波方法来估计车辆质心侧偏角。开发基于双天线、载波相位差分GPS的质心侧偏角测试系统,利用高斯投影坐标变换得到车辆纵轴线和车辆实际速度矢量之间的夹角从而获得质心侧偏角,验证扩展卡尔曼滤波质心侧偏角的估计方法在实际道路试验中的可行性及有效性。(3)给出了一种基于转向阻力矩信息的地面附着系数估计方法。利用空间坐标转换法分析了轮胎六分力引起的转向阻力矩,从而得出由绕主销的转向阻力矩中提取出轮胎自回正力矩的方法。建立了基于2自由度车辆模型和Fiala轮胎模型的地面附着系数非线性观测器方法。通过在前轮左、右转向拉杆处加装力传感器,获取前轮的转向阻力矩,并根据绕主销处转向阻力矩提取出轮胎自回正力矩,实现基于转向阻力矩信息的地面附着系数估计,并验证非线性观测器方法的有效性。该方法在轮胎侧向力未达到非线性饱和区域就实现对路面附着系数的早期识别。(4)车辆的行驶工况非常复杂,除了车辆本身的模型不确定性和非线性等问题,车辆还经常受到较强的外界干扰,采用了一种包括模型不确定性和扰动的正则左互质分解的车辆模型来设计主动转向控制器,保证了控制器的鲁棒性。为改善鲁棒控制在车辆状态跟踪控制中的保守性,本文分别采用二自由度模型跟踪鲁棒控制方法以及广义内模控制方法来设计主动转向控制器。通过对PID主动转向控制器、二自由度鲁棒主动转向控制器、GIMC主动转向控制器进行仿真对比,结果表明:GIMC主动转向控制器不仅可以保证控制器的稳定性,又有较好的控制性能,能保证在较小的主动干预转角的情况下,一定程度上抵抗外界的干扰。(5)采用车辆????相平面图来分析车辆稳定性,将相平面图稳定曲线边界直线化,确定直线化后的稳定边界。对主动转向系统的控制特性进行分析,并在相平面图稳定区域的基础上提出主动转向和主动制动协调分配控制逻辑。采用横摆角速度和质心侧偏角两个控制变量,并对两个控制变量根据路面附着进行上限修正。制定了主动制动系统制动力矩分配控制逻辑,将GIMC控制方法应用到两输入、两输出的车辆稳定性集成控制中,仿真结果表明:基于GIMC的稳定性集成控制方法可以解决控制性能与稳定性的矛盾,在保证控制性能的同时保证系统的稳定
【关键词】：稳定性集成控制 线控转向 侧偏角 地面附着系数 广义内模控制 二自由度鲁棒控制 相平面图
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U461.6;TP273
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-18
• 第一章 绪论18-34
• 1.1 论文的研究目的和意义18-20
• 1.2 国内外研究现状及存在问题20-31
• 1.2.1 车辆稳定性控制系统发展现状20-25
• 1.2.2 车辆稳定性控制系统控制方法研究现状25-28
• 1.2.3 车辆状态参数估计算法研究现状28-31
• 1.3 本文的主要研究内容31-34
• 第二章 车辆动力学与驾驶员模型34-47
• 2.1 车辆动力学模型34-38
• 2.1.1 两轮2自由度模型34-35
• 2.1.2 四轮8自由度模型35-38
• 2.2 轮胎力学模型38-40
• 2.2.1 轮胎的坐标系38
• 2.2.2 线性轮胎模型38-39
• 2.2.3 MF轮胎模型39
• 2.2.4 Fiala轮胎模型39-40
• 2.3 驾驶员模型40-42
• 2.4 双移线路径道路模型42-43
• 2.5 实车试验分析43-45
• 2.6 本章小结45-47
• 第三章 基于扩展卡尔曼滤波的汽车质心侧偏角估计研究47-63
• 3.1 扩展卡尔曼滤波估计理论47-48
• 3.1.1 卡尔曼滤波理论47-48
• 3.1.2 扩展卡尔曼滤波理论48
• 3.2 基于扩展卡尔曼滤波算法的质心侧偏角估计仿真分析48-53
• 3.2.1 扩展卡尔曼滤波质心侧偏角估计49
• 3.2.2 基于EKF的质心侧偏角估计仿真49-53
• 3.3 质心侧偏角估计方法的实车试验验证53-61
• 3.3.1 基于GPS的汽车质心侧偏角测量方法53-57
• 3.3.2 质心侧偏角估计方法的实车试验验证57-61
• 3.4 本章小结61-63
• 第四章 基于转向阻力矩信息的地面附着系数估计63-85
• 4.1 总体方案设计63-64
• 4.2 前轮地面转向阻力矩线性干扰观测器64-72
• 4.2.1 线控转向系统模型64-65
• 4.2.2 地面阻力矩线性干扰观测器65-66
• 4.2.3 轮胎六分力引起的转向阻力矩分析66-72
• 4.3 地面附着系数的非线性观测器估计方法72-80
• 4.3.1 非线性状态观测器设计72-73
• 4.3.2 反馈增益矩阵的确定73-75
• 4.3.3 基于非线性观测器的仿真分析75-80
• 4.4 地面附着系数估计实车试验80-83
• 4.4.1 转向阻力矩测试方案80-81
• 4.4.2 基于试验数据的路面附着系数估计81-83
• 4.5 本章小结83-85
• 第五章 基于广义内模控制的主动转向控制方法研究85-111
• 5.1 H_∞鲁棒控制理论85-88
• 5.1.1 H_∞标准问题85-86
• 5.1.2 不确定系统的H_∞控制问题—一般鲁棒控制问题86-88
• 5.2 基于二自由度模型跟踪的鲁棒主动转向控制系统设计88-99
• 5.2.1 名义车辆模型88
• 5.2.2 考虑不确定性的车辆模型88-89
• 5.2.3 二自由度模型跟踪鲁棒控制方法89-94
• 5.2.4 仿真验证94-99
• 5.3 基于广义内模控制的主动转向控制器设计99-109
• 5.3.1 名义横摆角速度100-101
• 5.3.2 Youla参数化101
• 5.3.3 GIMC构造与理论分析101-102
• 5.3.4 基于名义模型的高性能控制器K_0设计102-103
• 5.3.5 保证鲁棒稳定性的补偿控制器Q(s)103-104
• 5.3.6 仿真结果分析104-109
• 5.4 本章小结109-111
• 第六章 基于GIMC的车辆稳定性集成控制方法研究111-126
• 6.1 主动转向干预的控制特性分析111-112
• 6.2 汽车稳定性分析112-113
• 6.3 主动转向与主动制动集成控制策略113-118
• 6.3.1 名义车辆状态113-114
• 6.3.2 集成控制名义车辆模型114-115
• 6.3.3 集成控制控制框图115
• 6.3.4 制动力矩分配系统115-116
• 6.3.5 SBW与DYC协调分配控制系统116-117
• 6.3.6 GIMC集成控制方法117
• 6.3.7 集成控制GIMC控制器的性能控制器K0117-118
• 6.4 仿真结果分析118-125
• 6.4.1 协调控制模式的对比分析118-120
• 6.4.2 控制算法的对比分析120-125
• 6.5 本章小结125-126
• 第七章 总结和展望126-128
• 7.1 本文的主要研究成果和创新点126-127
• 7.2 展望127-128
• 参考文献128-138
• 致谢138-139
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文139

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本文编号：275401