高速车辆纵横向动力学耦合控制研究

摘要

本论文以国家自然科学基金项目(No.50475064)和重庆市自然科学基金项目(No.8366)为背景，针对智能车辆系统的控制问题，在对车辆进行动力学分析的基础上，考虑车辆纵横向主要耦合因素，建立了相应的纵横向耦合的非线性动力学模型；设计了一种综合考虑纵横向耦合效应的耦合控制器；利用计算机仿真技术，对高速车辆纵横向耦合动力学控制系统进行了控制仿真研究，使车辆中心保持在正常行驶路线上，并保持与前行车辆的安全间距，以便对高速行驶车辆的车速和转向的变化进行更精确地控制，提高高速车辆行驶的主动安全性，协调性，为构建汽车转向、动力控制平台以及智能交通平台提供理论基础。本文的主要研究内容有：分析了车辆动力学系统的结构特点，识别和描述了三种使得纵横向相互影响的耦合效应：动力学耦合、轮胎力耦合、重量转移耦合。建立了以纵向速度、横向速度、横摆角速度、车轮转速和滑移率/滑转率为状态变量的考虑各种耦合效应的纵横向耦合非线性动力学分析模型。根据车辆纵横向控制的目标，对纵横向控制策略进行了研究，提出了基于固定车间距离的纵向控制策略和基于驾驶员单点预瞄的横向控制策略。采用滑模变结构控制和动态表面控制的方法，设计了一种包含三种耦合效应的纵横向耦合控制器，以补偿各种耦合效应对高速车辆控制系统动态响应的影响。通过计算机仿真，对所设计的耦合控制系统与非耦合控制系统的控制性能进行比较，对耦合控制系统由于纵、横向耦合补偿作用而引起的系统性能的改善进行评价。针对不同的车速、载荷、附着情况进行计算机仿真实验，研究控制系统的动态响应特性，进一步评定耦合控制器的鲁棒性。最后，基于车辆状态变量横向速度的不可测性，结合车辆动力学模型和预瞄运动学模型建立了龙伯格状态观测器模型，设计了横向速度观测器。仿真结果表明，系统以状态观测器作为状态输入也可取得较好的控制效果。