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

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3.0 陈辉 2024-11-19 9 4 1.44MB 63 页 15积分

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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。

关键词：车辆动力学主动安全集成控制模糊控制扩展卡尔曼滤波

ABSRACT

Integrated Vehicle Dynamics Control (IVDC) is a research focus on chassis control

in recent years. It can improve vehicle handling stability performance by coordinating

the steering system, brake/traction system, active suspension and so on. While this

dissertation analyzes the limitations of individual subsystem control and potential

performance benefits of chassis integrated control system, based on the vehicle

dynamical nature, the key study is the coordinated or integration control mechanism of

active-front-steering (AFS) and direct yaw moment control (DYC).

Firstly, the dissertation established an eight-degree-of-freedom (8-DOF) vehicle

dynamic model which includes vehicle motion within the horizontal plane, vehicle roll

and yaw motion and four wheels roll. The dynamic model equation based on the 8-DOF

is the basis of the study. About tire modeling, in order to make the tire model more

precise and meet the requirement of the complexity, the dissertation builds Dugoff tire

model to react to tire nonlinear characteristic.

Secondly, because the vehicle lateral velocity is difficult to be measured directly.

So a state observer for vehicle lateral velocity is established based on vehicle kinematics.

The state observer is designed by applying Extended Kalman Filter (EKF) and is

simulated in Matlab/Simulink. The simulation results show that the observer designed

can accurately estimate the lateral velocity and can be used for the fuzzy stability

controller design for subsequent chapters.

Thirdly, fuzzy-logic controller is established to deviation of yaw rate and deviation

of sideslip angle input and to yaw moment and compensation steering angle output.

Vehicle stability control system with fuzzy controller and system dynamic model based

on 8-DOF is proposed in order to achieve both good responses of yaw rate and sideslip

angle.

Fourthly, when tire lateral force and sideslip are linear relationship, active front

steering can improve to vehicle handling and stability performance. But when vehicle

motion is in critical situations, direct yaw control can improve to vehicle handling and

stability performance. In order to exert the two subsystem advantages respectively,

accordingly to tire lateral force operation region, this dissertation designs fuzzy logic

coordination controller. The controller regulates to active front steering control and

direct yaw moment control based on the tire operation region. The vehicle handling and

stability performance based on designed coordination controller can be enhanced

further.

Finally, the fuzzy controller proposed in this dissertation is verified in the

Matlab/Simulink environment. The simulation results show that the stability controller

can suppress vehicle sideslip and improve yaw rate tracking, and it is also able to

greatly improve the vehicle handling and stability performance.

Key Words: Vehicle dynamics, Active safety, Integrated control, Fuzzy

control, Extended kalman filter

中文摘要

ABSRACT

第一章绪论 ...............................................................................................................1

§1.1 车辆动力学集成控制研究背景概述 ................................................................1

§1.2 车辆动力学集成控制研究发展现状 ................................................................3

§1.3 车辆动力学集成控制系统算法概述 ................................................................6

§1.4 论文研究内容与思路 .......................................................................................8

第二章整车动力学系统建模 .......................................................................................9

§2.1 车体动力学模型的建立 ...................................................................................9

§2.2 轮胎力学模型的建立 .....................................................................................12

§2.3 整车动力学仿真验证 .....................................................................................15

§2.3.1 阶跃操纵转向 .......................................................................................16

§2.3.2 正弦操纵转向 .......................................................................................17

§2.4 本章小结 .........................................................................................................18

第三章车辆质心侧向速度估计 .................................................................................19

§3.1 车辆质心侧向速度观测器研究 ......................................................................19

§3.1.1 传感器配置 ...........................................................................................20

§3.1.2 选择物理模型 .......................................................................................21

§3.1.3 估计算法的选择 ...................................................................................22

§3.2 车辆侧向速度观测器 ......................................................................................24

§3.2.1 Klaman 滤波理论的提出 ......................................................................24

§3.2.2 Klaman 滤波算法 ..................................................................................24

§3.3 车辆侧向速度的估计值 ..................................................................................27

§3.3.1 正弦操纵转向 .......................................................................................27

§3.3.2 Slalom 操纵转向 ................................................................................... 28

§3.3.3 Crosswind 干扰 ..................................................................................... 28

§3.4 本章小结 .........................................................................................................29

第四章车辆底盘集成控制器设计 .............................................................................30

§4.1 车辆底盘主环路控制结构 .............................................................................31

§4.2 理想状态下参考模型的建立 .........................................................................32

§4.3 模糊逻辑控制器的设计 .................................................................................33

§4.3.1 模糊逻辑控制器的结构 ........................................................................33

§4.3.2 选择论域、量化因子、比例因子 .......................................................34

§4.3.3 控制器设计 ............................................................................................35

§4.4 协调控制器设计 .............................................................................................37

§4.4.1 模糊协调控制器的结构 ........................................................................37

§4.4.2 切换函数 ...............................................................................................40

§4.5 底盘集成控制系统的仿真验证 .....................................................................42

§4.5.1 阶跃操纵稳定性仿真 ...........................................................................42

§4.5.2 正弦操纵稳定性仿真 ...........................................................................43

§4.5.3 低附着系数下 Slalom 操纵稳定性仿真 .............................................. 45

§4.5.4 Crosswind 干扰下的操纵稳定性仿真 ................................................. 47

§4.6 本章小结 .........................................................................................................50

第五章全文总结与展望 .............................................................................................51

§5.1 全文总结 .........................................................................................................51

§5.2 研究工作展望 ..................................................................................................52

参考文献 .........................................................................................................................53

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................58

致谢 .............................................................................................................................59

第一章绪论

§1.1 车辆动力学集成控制研究背景概述

随着高等级公路的迅速发展，现代汽车的行驶速度越来越快，这给行车安全

带来了极大的隐患，提高汽车行驶的安全性是现代汽车发展的重要内容。高速行

驶的汽车在超车换道、紧急避障和驾驶员错误转向等操作中，车辆的操纵稳定性

会发生急剧的恶化，在这样的行驶工况下，普通的驾驶员是难以驾驭的，汽车将

很快会出现侧向失稳而引发交通事故。当车速在 80-100km/h 时，在汽车发生的交

通事故中，大约 40%与汽车的侧向失稳有关，并且车速越高，由侧向失稳引发的

交通事故的比例越大，当车速超过 160km/h 时，由车辆的侧向失稳引起的交通事

故占了一个很大的比例[1]。以提高车辆安全性为主的操纵稳定性运动控制研究，一

直是车辆动力学的一个主要研究领域。随着电子技术的发展，车辆安全运动控制

研究的最主要特性就是主动安全系统不断取代被动安全机构。例如，防抱死制动

系统 (Anti-lock Braking System, ABS) 和电子稳定程序(Electric Stability Program,

ESP)；前轮主动转向(Active Front Steering, AFS)，后轮转向系统(Rear Wheel Steering,

RWS)和4WS(Four Wheel Steering)等。这些主动安全系统可以改善汽车的操纵稳定

性，有效的防止汽车的转向失稳，特别是 ESP 和AFS/4WS 系统的出现，使高速行

驶汽车的转向稳定性得到了较大的提高。据美国国家交通安全管理局(NHTSA)估

计，ESP 系统可以分别使小汽车和越野跑车减少 34%和59%的交通事故，到 2011

年ESP 系统将成为美国联邦政府系统的汽车安全标准[2]。在下图 1-1 中，给出了现

阶段汽车中使用的部分主动安全控制系统[3]，主要由转向、悬架、制动和驱动组成。

图1-1 车辆主动安全控制系统

一般科研人员在开发车辆主动安全系统时将重点放在系统本身所对应的控制

目标上，并没有考虑其被加入到整车系统中对其它子系统性能的影响。这对于结

构简单、功能有限的车辆来说是可行的。但是，随着车辆控制系统功能的增加以

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及执行机构数目的变多，各个子系统之间的相互影响以及控制动作之间的冲突将

不可避免。例如，ESP 和ABS 两个系统之间的功能重叠，两者都是通过控制车辆

的滑移率来提高车辆的侧向动力学性能。只不过 ESP 根据车辆转向特性来选择合

适制动轮及其对应的制动力，而 ABS 是通过车轮滑移率来实现车辆的性能调节[4]。

起初设计人员试图在实现整车功能的基础上最大可能的减少控制系统的复杂

度来避免各个子系统之间的功能重叠现象。但是，这种设计方法又存在车辆系统

功能实现和复杂度之间的矛盾[5]。因此自上世纪末，车辆学术界提出了车辆运动集

成控制系统(Integrated Vehicle Motion Control System, IVCS)的概念[6]。车辆集成控

制系统的目标是：在包含多种控制功能与执行机构的底盘控制系统中，设置一个

整车集成或者协调控制系统来实现车辆的多目标控制，并消除各个控制目标之间

的内在约束；通过各个子系统的信息共享来降低其复杂度和制造成本；使各个子

系统之间的功能不再发生冲突，并达到了综合性能的最优控制。为了深刻的掌握

整车集成控制对车辆操纵稳定性和主动安全性能提高的影响，Tanaka 教授等人对

一辆集成控制了四轮转向(4WS)、防抱死制动(ABS)和驱动牵引力控制(TCS)的车辆

进行了纵向加减速度和侧向稳定性的试验，试验的结果和非集成控制的车辆做了

比较[7]，并用“摩擦圆”(Friction Circle)的概念在“G-G 图”(G-G Diagram)中做了

比较，如图 1-2 所示。从图中可以看出集成控制车辆纵向加速度和侧向加速度的极

值都有明显增大，也就是说车辆的操纵稳定性能和侧向稳定性能都有了很大提高。

而对整车进行集成或协调控制成为了今后研究发展的方向和重点[8]。

图1-2 集成控制和G-G图

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摘要：

摘要车辆动力学集成控制(IntegratedVehicleDynamicsControl,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(ActiveFrontSteering)和横摆控制力矩(DirectYawControl)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...

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