分布式驱动电动汽车底盘集成控制研究

摘要

分布式驱动电动汽车没有复杂的机械传动系统，具备多个独立的电机驱动系统，可灵活实现驱动轮间的转矩分配，为直接横摆力偶矩控制等先进底盘控制系统的实现提供了基础。此外，基于分布式驱动结构，电动汽车可实现多个底盘控制系统（如主动转向、主动悬架）的集成，从而大幅提升电动汽车的动态性能。然而，在多个底盘控制系统同时工作时，若没有合理协调各系统的控制作用，则各系统可能产生冲突，从而影响控制效果甚至使控制系统失效。因此，必须针对分布式驱动结构的电动汽车，深入研究各底盘控制系统的工作原理，并合理设计可协调多个系统控制作用的底盘集成控制策略。鉴于此，本文以搭载主动前轮转向系统的分布式驱动（后轴左右独立）电动汽车为对象，从以下几方面开展研究：　　1）利用粒子滤波算法，以车辆平面运动模型为基础设计了一种车辆状态估计器，该估计器模型不依赖任何轮胎力信息，不需要额外为轮胎力设计估计器，大幅减少估计器的运算量，同时可以避免估计器中轮胎模型误差导致的车辆状态估计精度的降低。针对交通道路状况等外界因素的不同导致过程噪声标准差发生变化、车辆状态估计器精度下降的现象，本文采用自适应标准差代替固定标准差对状态转移方程进行修正。在MATLAB/Simulink和CarSim联合仿真平台上对设计的自适应车辆状态估计器进行了仿真验证，仿真结果表明本文所设计的估计器能够在不同的仿真工况下都能提供较为准确的纵、侧向速度估计结果。　　2）对主动前轮转向系统和直接横摆力偶矩控制系统的工作原理进行分析，以三自由度整车动力学模型为基础，推导了横摆角加速度变化量的表达式，并以此表征汽车转向状态的变化趋势，定性分析并总结了前轮附加转角和后轴轮间驱动力分配对汽车横摆运动的影响规律。基于该影响规律，分别设计AFS和DYC系统控制器对汽车进行稳定性控制，仿真结果验证了所得影响规律的正确性，同时表明本文所设计的AFS和DYC系统能够有效保证汽车的操纵稳定性。　　3）深入分析了基于工作区划分的AFS和DYC集成控制器的工作方式和原理，总结了存在的缺陷，并提出了基于多输入多输出结构的AFS和DYC集成控制策略，改进了基于工作区划分的AFS和DYC集成控制器的性能。基于底盘集成控制系统分层结构，分别搭建了基于相平面理论划分子系统工作区的集成控制器和基于多输入多输出结构的集成控制器。在不同仿真工况下对两种集成控制器进行了仿真验证，结果表明，所提出的基于多输入多输出结构的集成控制策略在不同工况下均有更好的控制效果，能够改善基于工作区划分的集成控制策略的缺陷，有效保证汽车状态跟随目标值，显著提高汽车的操纵稳定性。

目录

1 绪论

1.1 课题的背景及意义

1.2 汽车底盘动力学控制系统

1.2.1 汽车稳定性底盘集成控制系统

1.2.2 AFS和DYC集成控制系统

1.3 车辆状态估计现状

1.4 本文主要研究内容

2 车辆状态估计

2.1 粒子滤波算法原理

2.2 基于粒子滤波的车辆状态估计

2.2.1 车辆状态估计器的设计

2.2.2 车辆状态估计器仿真验证

2.3 状态估计器过程噪声自适应设计

2.3.1 固定值车辆状态估计器的缺陷

2.3.2 自适应车辆状态估计器的设计

2.3.3 自适应车辆状态估计器仿真验证

2.4 本章小结

3 AFS系统设计及仿真

3.1 AFS 系统基本原理

3.2 前轮附加转角对汽车横摆运动的影响

3.2.1 三自由度整车动力学模型

3.2.2 前轮附加转角对汽车横摆运动影响的理论分析

3.2.3 前轮附加转角对汽车横摆运动影响规律的仿真验证

3.3 AFS 系统控制器设计

3.3.1 滑模控制算法基本原理

3.3.2 AFS系统控制器设计

3.3.3 AFS控制策略的仿真验证

3.4 本章小结

4 DYC 系统设计及仿真

4.1 DYC 系统基本原理

4.2 后轴轮间驱动力分配对汽车横摆运动的影响

4.2.1 后轴轮间驱动力分配对汽车横摆运动影响的理论分析

4.2.2 后轴轮间驱动力分配对汽车横摆运动影响规律的仿真验证

4.3 DYC系统控制器设计

4.3.1 DYC系统控制器设计

4.3.2 DYC控制策略的仿真验证

4.4 本章小结

5 AFS 和DYC 集成控制系统设计及仿真

5.1 汽车稳定性集成控制系统设计结构

5.2 基于工作区划分的AFS 和DYC集成控制策略

5.2.1 附加横摆力偶矩计算

5.2.2 附加横摆力偶矩分配

5.2.3 AFS和DYC子控制系统

5.3 基于多输入多输出结构的AFS 和DYC集成控制策略

5.3.1 基于工作区划分的AFS和DYC集成控制策略的缺陷

5.3.2 多输入多输出的汽车数学模型

5.3.3 滑模控制器设计

5.4 AFS 和DYC集成控制策略仿真验证

5.5 本章小结

6 全文总结与展望

6.1 全文总结

6.2 工作展望

参考文献

附 录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目

C. 学位论文数据集

致 谢