基于模糊控制的4ws―4wia汽车联合跟踪控制系统研究

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1、基于模糊控制的4WS―4WIA汽车联合跟踪控制系统研究【摘要】本文描述了一种结合轮胎纵向滑移率和横向侧偏角的汽车运动联合控制方法，针对汽车整车动力学模型具有很强的非线性特性及执行器约束等，建立模糊控制系统实现对整车运动的稳定性控制，并针对四轮独立驱动和四轮转向汽车的执行器可独立控制的特点，给出各个车轮侧偏角和纵向滑移率的期望值，从而满足执行器约束及整车在纵向、横向和横摆三个自由度的稳定。通过仿真表明，当路面发生变化或执行器自身发生故障，汽车运动联合控制系统可以通过控制器的规则库迅速进行自我调整，与比例控制器和单独的滑移率控制系统相比，联合模糊控制系统车辆可操

2、纵性和稳定性较好，具有更优的跟踪性能，及在紧急工况下具有更快的处理速度和更佳的驾驶稳定性。【关键词】四轮独立驱动（4WIA）;四轮转向（4WS）;模糊控制;控制量分配;联合控制0引言12随着环境污染的日益加重，独立驱动电动汽车的排放物及驱动方式与传统汽车相比有着较大的优势，符合当今低碳经济的发展趋势。为了提高汽车的主动安全性，人们开发了各种各样的底盘控制系统。诸如四轮转向（4WS）和直接横摆力矩控制（DYC）等。在高速行驶过程中时，四轮转向控制车辆横摆角速度稳态值较前轮转向时低，使驾驶员在转弯时必须多打方向盘，从而造成转向困难。尤其在处于诸如车轮打滑、执行器

3、故障等极限工况的情况下，驾驶员很难在短时间内给出准确的修正信号，地面反力不能够提供所需的驱动或者制动力，车辆很容易出现侧滑，甚至于侧翻，因此在执行器带有物理约束的情况下，需要考虑控制量的优化分配。针对此类问题，学者们进行了大量的研究，以文献[1]中考虑了执行器约束及轮胎力约束，采用最小二乘法分配四个车轮上的前向轮胎力来实现DYC，并没有考虑执行器故障或者受外界影响后执行器分配重构的情况。文献[2]以轮胎侧偏角和纵向滑移率为控制变量，对效率矩阵进行线性化后定点分配各控制量，实现了对独立驱动电动车横摆稳定控制。文献[3]考虑汽车防抱死系统（ABS）的控制问题，作

4、者认为ABS系统的目的是获得最大的轮胎和地面的接触力，获得最大的滑移率。采用显式MPC的方法，考虑制动力矩和前轮转向角的分配方法。不过由于轮胎力模型的非线性程度极高，导致这类分配方法通过迭代的方式得到分配的解，所需时间比较长，不适合于车辆在紧急情况下需要迅速得到控制结果的要求。12本文以4WIA和4WS汽车为研究对象，系统模型较为复杂且包含非线性环节，考虑汽车前向，横向和横摆三个自由度的动力学模型，采用模糊控制方法联合控制四个车轮的纵向滑移率和侧偏角，可以通过规则表的设计，根据驾驶员的输入分配各个车轮上所需的纵向驱动力矩和转向力矩，进而实现在三个自由度上的跟

5、踪控制。1整车系统模型图1过驱动系统控制方框图过驱动系统的控制结构如图1所示，由驾驶员输入驾驶信号，通过参考模型得到各个自由度的车辆状态的参考值，然后通过上层控制器得到各个自由度的虚拟控制量，再通过分配器得到各个执行器的参考值，按照实际控制要求可以针对每一个执行器再设计一个底层控制器，如图1中虚线部分所示，从而实现对车辆的双闭环控制。1.1联合车辆动态模型[8-9，11-13]忽略汽车俯仰和侧倾运动，汽车有沿x轴方向的前向运动，y轴方向的横向运动和绕z轴转动的横摆运动的三个自由度的运动。数学模型如式（1）所示：■（1）其中FxFyMz分别为车体总的纵向力、横

6、向力和横摆力矩，其表达式为：■（2）12vx和vy分别为汽车质心的纵向车速和横向车速，γ为车体横摆率，m为车体总质量，i=1-4，分别代表汽车的左前、右前、左后和右后轮，Fxi和Fyi分别为车轮的纵向力和横向力，δi为车轮的转向角，lf和lr分别代表前后轴到质心的距离，d为轴距。FX，FY及MZ分别为三个自由度上的虚拟控制量，表示纵向总的驱动力，横向总的驱动力和直接横摆力矩。1.2轮胎动力学模型魔术公式轮胎模型只用一套三角函数的组合公式就能完整地表达了纯工况下轮胎纵向力、侧向力和回正力矩的力学特性[17]，本文考虑的是纵向滑移率和轮胎侧偏角的联合动态，在此情

7、况下，轮胎力模型如下[8]：■（3）式中Fxi和Fyi分别为轮胎纵向力和侧向力，αi表示轮胎侧偏角，λi表示车轮滑移率，Fzi为车轮的垂直载荷，μ为路面附着系数Sμ表示曲线垂直方向的漂移量，Sh表示曲线水平方向的漂移量，参数B、C、D、E分别为轮胎纵向力和侧向力各自实验拟合曲线的刚度因子、形状因子、峰值因子和曲率因子。其中，纵向滑移率计算式如下：■（4）ε是为防止分母为0而取的一个较小的正值，ωi为车轮转速，r为车轮半径。车轮中心点速度定义式为：■（5）12车轮的侧偏角计算式如下：■（6）1.3参考模型期望纵向车速可以描述如下：■（7）其中Vx0是初始t0时

8、刻的纵向车速，axdf是期望车体重心前向加速度。期望