电动轮汽车转向的动态稳定控制及人车闭环仿真研究

摘要

随着能源危机和环境污染的日益加剧，各国政府和各大汽车厂商开始致力于推动电动汽车工业的发展，以期解决传统内燃机汽车面临的能源和环境问题。同时，电动轮汽车作为一种采用全新动力驱动形式的汽车，以轮毂电机或轮边电机驱动车轮，给整车提供动力。较传统汽车而言，电动轮汽车具有更多的可控自由度，更加适合于底盘集成控制技术。便于采用一体化方式分配车辆转向、驱动和制动系统的执行器动作，使得整车性能达到最优。因此，将电动轮汽车与底盘集成控制技术相结合，可以进一步提升汽车的安全性能，具有更加广阔的发展前景。
　　就车辆稳定性控制而言，采用底盘集成控制系统是目前公认的有效途径。而如何处理好转向和驱动之间的协同问题，建立统一的控制结构是解决底盘集成控制问题的关键。针对该问题，本文以四轮独立转向的电动轮驱动汽车为研究对象，提出了一种车辆稳定性控制系统，并基于分层控制结构，对转向和驱动协同控制问题、轮胎纵向力分配问题以及执行机构和传感器/观测器延时问题进行了研究。
　　主要研究工作分述如下：
　　首先，建立了八自由度非线性车辆动力学模型，为车辆稳定性控制系统的开发和验证提供仿真平台。在车辆动力学模型的轮胎建模部分，为便于理论分析，选用了能够反映轮胎非线性特性以及物理含义清晰、形式简洁的Dugoff轮胎模型。
　　其次，基于分层控制结构提出了一种车辆稳定性控制系统。该控制系统分为三层，第一层为期望规划层，主要是基于驾驶员熟悉的车辆线性模型，选用了能够表征驾驶员操纵和稳定意图的参考模型；第二层为协调规划层，采用滑模变结构方法设计了四轮转向控制器和横摆力矩控制器，并实现了转向和横摆的协同控制；第三层为分配控制层，基于车辆操纵性和驾驶舒适性设计了轮胎纵向力动态分配策略；同时，还针对执行机构和传感器/观测器的延时问题设计了Smith预估控制器。所设计的轮胎纵向力动态分配策略，能够在借助车辆稳态转向特性辅助车辆转向的同时，兼顾驾驶员的纵向驾驶意图，减小轮胎纵向力分配过程对车辆纵向速度的影响。并针对该车辆稳定性控制系统，进行了开环仿真研究。仿真试验结果表明，本文设计的车辆稳定性控制系统满足了设计要求，能够很好地实现车辆的操纵稳定性控制。
　　然后，为进行人车闭环仿真研究，对驾驶员模型的预瞄和决策机理进行了研究，提出了方向预瞄驾驶员模型，用于获得驾驶员在车辆转向过程中的方向盘转向角，从而为车辆稳定性控制系统的人车闭环仿真研究提供有效的驾驶员模型。
　　最后，建立了基于车辆稳定性控制的人车闭环控制系统，并进行了闭环仿真研究。仿真试验结果表明，本文给出的基于分层控制结构的车辆稳定性控制系统能够在极限工况下，实现车辆稳定性控制的目的，提高车辆的行驶安全性，从而在确保车辆稳定行驶的前提下，更好地配合驾驶员实现其操纵意图。

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注释表

缩略词

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 研究意义

1.3 车辆稳定性控制研究现状

1.4 主要研究内容

第二章 车辆动力学模型

2.1 引言

2.2 坐标系定义

2.3 车辆动力学模型

2.4 模型验证

2.5 本章小结

第三章 车辆稳定性控制系统

3.1 引言

3.2 控制系统总体方案

3.3 车辆稳定性控制系统设计

3.4 开环仿真研究

3.5 本章小结

第四章 人车闭环仿真研究

4.1 引言

4.2 预瞄最优曲率驾驶员模型

4.3 单点方向预瞄驾驶员模型

4.4 改进的方向预瞄驾驶员模型

4.5 驾驶员模型仿真研究

4.6 人车闭环仿真研究

4.7 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 全文总结

5.2 研究展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文