基于轮胎状态估计的AFS与DYC介入准则与协调控制研究

摘要

为了进一步提高车辆的操纵稳定性，满足人们对车辆对安全性的要求，车辆底盘主动安全控制系统一直是业界研究的重点。主动前轮转向系统(ActiveFront Steering，AFS)与主动横摆力矩控制系统(DirectYawmoment Control，DYC)是车辆底盘主动控制安全中最重要的两个系统，两者均通过存在耦合关系的轮胎力对车辆底盘进行控制，一方面传统的两个系统简单叠加控制的方法无法充分利用轮胎力从而产生最大的效能，另一方面两者的作用范围与系统特性的差异使得这两个系统存在互相冲突的问题。传统的以车辆状态作为稳定控制系统的干预准则并不是一种最优的方法，系统的介入强度随着状态参数的偏差增大而增大，且基于车辆状态这一结果作为介入判据，干预可能存在一定的滞后性。特别是在紧急转向的工况下，如果能够在转向输入开始时即做出决策，而不是在随着车辆不断恶化的状态再不断加强系统的介入，稳定控制系统将具有更快的响应速度。　　因此，为了充分提高在紧急转向工况下的车辆主动稳定控制系统的效能与响应速度，本文针对AFS与DYC系统的介入准则与协调控制策略进行了研究，具体内容如下：　　针对研究的对象建立整车7自由度模型与非线性魔术轮胎模型，同时考虑基于实车应用的传感器，设计基于无迹卡尔曼滤波(UKF)的状态观测器对路面附着系数及车辆关键参数进行估计，为协调控制系统提供准确的参数。为保证模型的准确性，采用商用车辆动力学软件Carsim进行整车模型与状态感测器的验证。　　通过对AFS与DYC系统的特性的分析，总结提出以轮胎侧向力的状态为基础，以前轮转角为介入特征的AFS与DYC的介入准则与协调控制策略。对轮胎侧向力线性/非线性/饱和状态的判断进行研究，提出与完善利用临界前轮转角判断轮胎侧向力状态的方法。利用前轮转角与横摆角速度的关系确定轮胎线性与非线性之间的临界前轮转角，采用UKF+PSO的方法对轮胎力进行估计，得到轮胎侧向力非线性区与饱和区之间的临界前轮转角，将两个临界转角绘成map图，通过查表的方法快速提供轮胎状态信息，为稳定控制系统提供决策支持。　　随后基于质心侧偏角相平面图划分稳定控制系统对于横摆角速度与质心侧偏角的跟踪权重，充分考虑车速，路面附着系数与前轮转角。并以此为基础设计滑膜控制器，计算目标横摆力矩，根据介入准则与协调工作策略将目标横摆力矩分配至AFS与DYC系统，由二者产生实际的前轮转角与制动力作用与车辆完成稳定性控制。最后进行了鱼钩转向实验与阶跃转向实验证明了所提出的介入准则与协调控制方法有良好的控制效果与更快的响应时间。

目录

声明

第 1 章 绪论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 课题的相关技术的国内外研究现状

1.2.1 底盘集成控制研究现状

1.2.2 AFS与 DYC的协调控制研究现状

1.2.3 基于软测量的状态估计研究现状

1.3 本文的主要研究内容

1.3.1 目前存在的问题

1.3.2 主要研究内容

第 2 章 车辆模型及 UKF 状态观测器的建立与验证

2.1 车辆模型

2.1.1 理想参考模型

2.1.2 七自由度整车模型

2.1.3 轮胎模型

2.1.4 七自由度车辆模型验证

2.2 UKF 观测器设计

2.2.1 UKF算法简介

2.2.2 路面附着系数估计

2.2.3 车辆其他状态参数估计

2.2.4 UKF观测器验证

2.3 本章小结

第 3 章 AFS 与DYC 系统介入准则分析

3.1 AFS 系统基本结构

3.2 DYC系统的基本结构

3.3 AFS 与 DYC系统性能对比

3.4 介入准则分析

3.5 轮胎侧向力状态判断

3.5.1 轮胎线性/非线性状态的判断

3.5.2 轮胎非线性/饱和状态的判断

3.6 本章小结

第 4 章 AFS 与DYC 的协调控制策略

4.1 协调控制策略与力矩分配方法

4.2 协调控制时 AFS 与 DYC之间的横摆力矩分配

4.3 质心侧偏角稳定区域分析

4.4 横摆角速度与质心侧偏角的控制权重

4.5 上层控制器设计

4.5.1 滑膜控制理论描述

4.5.2 滑模控制器设计

4.6 下层控制器设计

4.6.1 AFS控制器设计

4.6.2 DYC控制器设计

4.7 本章小结

第 5 章 仿真和分析

5.1 仿真试验设置与评价标准

5.2 鱼钩转向实验

5.3 阶跃转向实验

5.4 本章小结

第 6 章 全文总结与工作展望

6.1 论文研究工作总结

6.2 本文创新点

6.3 研究展望

参考文献

致谢