基于侧向速度估计的主动前轮转向与横摆力矩集成控制研究

论文摘要

车辆动力学集成控制(Integrated Vehicle Dynamics Control,简称IVDC)近年来已经成为车辆底盘技术研究的重点和难点。其通过协调转向系统、制动/驱动系统以及悬架等子系统来进一步提高车辆的综合性能。本文在分析底盘各个子系统单独控制的局限性和集成控制潜在优势的同时，从车辆动力学本质出发，研究车辆的主动前轮转向(Active Front Steering)和横摆控制力矩(Direct Yaw Control)的协调与集成控制机理。首先，论文建立了一个考虑车辆在水平面内运动、车身侧倾、横摆运动以及四个车轮滚动的8自由度整车动力学模型，并以此模型方程作为论文研究的基础。对于轮胎的建模，本文综合考虑了轮胎模型在设计过程中对精度和复杂程度的要求，建立了能够反映轮胎非线性特性的Dugoff轮胎模型。其次，针对在实际行驶过程中车辆的侧向速度难以直接测得的问题，论文以车辆动力学模型为基础，并采用扩展卡尔曼滤波(Extended Kalman Filter)的方法，建立了质心侧向速度观测器并在Matlab/Simulink中对其进行研究。仿真结果表明，运用此算法对车辆侧向速度估计的效果良好，并可以满足后续章节中模糊逻辑集成控制器的设计要求。第三，建立以横摆角速度偏差与质心侧偏角偏差为输入，横摆力矩和附加前轮转角为输出的模糊逻辑控制器，并与车辆8自由度动力学模型组成汽车的稳定性控制系统，来实现对车辆横摆角速度控制，同时使其具有良好的质心侧偏角响应。第四，由于轮胎的侧偏力和侧偏角处于线性关系时，主动前轮转向汽车可以取得良好的操纵稳定性能。但当车辆处于紧急工况时，对车辆实施横摆力矩控制才能取得良好的稳定性能。为了充分发挥两个子系统的各自优点，本文根据轮胎侧向力的工作区域，设计了一个模糊逻辑协调器，通过此模糊协调控制器，车辆的操纵稳定性得到了提高。最后为了验证所设计控制器的有效性，在Matlab/Simulink平台上进行仿真研究。结果表明在该模糊控制器下，对车辆进行主动前轮转向和横摆力矩集成控制，能够很好的抑制车辆的质心侧偏角，并跟踪其期望的横摆角速度值，从而集成控制车辆的操纵稳定性得到了较大的改善。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• §1.1 车辆动力学集成控制研究背景概述
• §1.2 车辆动力学集成控制研究发展现状
• §1.3 车辆动力学集成控制系统算法概述
• §1.4 论文研究内容与思路
• 第二章 整车动力学系统建模
• §2.1 车体动力学模型的建立
• §2.2 轮胎力学模型的建立
• §2.3 整车动力学仿真验证
• §2.3.1 阶跃操纵转向
• §2.3.2 正弦操纵转向
• §2.4 本章小结
• 第三章 车辆质心侧向速度估计
• §3.1 车辆质心侧向速度观测器研究
• §3.1.1 传感器配置
• §3.1.2 选择物理模型
• §3.1.3 估计算法的选择
• §3.2 车辆侧向速度观测器
• §3.2.1 Klaman 滤波理论的提出
• §3.2.2 Klaman 滤波算法
• §3.3 车辆侧向速度的估计值
• §3.3.1 正弦操纵转向
• §3.3.2 Slalom 操纵转向
• §3.3.3 Crosswind 干扰
• §3.4 本章小结
• 第四章 车辆底盘集成控制器设计
• §4.1 车辆底盘主环路控制结构
• §4.2 理想状态下参考模型的建立
• §4.3 模糊逻辑控制器的设计
• §4.3.1 模糊逻辑控制器的结构
• §4.3.2 选择论域、量化因子、比例因子
• §4.3.3 控制器设计
• §4.4 协调控制器设计
• §4.4.1 模糊协调控制器的结构
• §4.4.2 切换函数
• §4.5 底盘集成控制系统的仿真验证
• §4.5.1 阶跃操纵稳定性仿真
• §4.5.2 正弦操纵稳定性仿真
• §4.5.3 低附着系数下 Slalom 操纵稳定性仿真
• §4.5.4 Crosswind 干扰下的操纵稳定性仿真
• §4.6 本章小结
• 第五章 全文总结与展望
• §5.1 全文总结
• §5.2 研究工作展望
• 参考文献
• 在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果
• 致谢