汽车状态和参数估计与稳定性集成控制方法研究

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1、中图分类号：U461.6论文编号：102870215-B002学科分类号：080204博士学位论文汽车状态和参数估计与稳定性集成控制方法研究研究生姓名武健学科、专业车辆工程研究方向汽车系统动力学指导教师赵又群教授南京航空航天大学研究生院能源与动力学院二○一四年十二月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofEnergyandPowerEngineeringResearchonEstimationofVehicleStat

2、esandParametersandIntegratedControlMethodforVehicleStabilityAThesisinVehicleEngineeringbyWuJianAdvisedbyProfessorZhaoYouqunSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctorofPhilosophyDecember,2014承诺书本人声明所呈交的博士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别

3、加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）南京航空航天大学博士学位论文摘要汽车是具有高度非线性、模型不确定性、参数变化和外部干扰的复杂动力学系统，当汽车在高速行驶中进行大转向操作时，由于轮胎具有较强的非线性特性，轮胎侧向力容易达到附着极限而发生侧滑。当车

4、辆进入侧向力饱和这种极限工况时，车辆将会出现侧向失稳而引起事故。随着汽车技术的发展，车速越来越高，如何保证车辆在高速转向时的侧向稳定性，是目前车辆稳定性控制重要的研究方向。在各种车辆主动安全控制系统中，主动转向系统与主动制动系统是提高车辆主动安全性和稳定性的最主要手段。目前车辆稳定性控制系统的执行机构有向标准化方向发展的趋势，开发先进的控制方法是能否充分发挥车辆稳定性控制系统作用的决定性因素。同时获取汽车行驶中的状态和参数信息也是汽车稳定性控制研究的重要内容，是实现稳定性控制闭环反馈的前提和必要条件。本文主要研究一种先

5、进的车辆稳定性集成控制方法，可以抵抗车辆模型不确定性和参数变化的影响，并能较好的提高车辆的稳定性；为实现汽车稳定性控制闭环反馈，对车辆稳定性控制系统关键信息—地面附着系数以及质心侧偏角的估计技术进行研究。具体研究内容如下：（1）建立了地面附着系数估计所用两轮2自由度车辆模型与Fiala轮胎模型，建立了基于四轮8自由度车辆模型和魔术公式轮胎模型的整车仿真模型，质心侧偏角估计所用的两轮2自由度车辆模型和魔术公式轮胎模型；还建立了基于“预瞄—跟随”理论的单点预瞄驾驶员模型；并通过三次样条曲线拟合了双移线道路输入路径；为验证所

6、建立车辆仿真模型的正确性，利用转向机器人进行了横向瞬态响应试验，对比仿真模型和试验车的侧向加速度、横摆角速度响应曲线，证明所搭建的仿真模型的有效性。（2）为提高质心侧偏角的估计精度，采用考虑轮胎非线性特性的扩展卡尔曼滤波方法来估计车辆质心侧偏角。开发基于双天线、载波相位差分GPS的质心侧偏角测试系统，利用高斯投影坐标变换得到车辆纵轴线和车辆实际速度矢量之间的夹角从而获得质心侧偏角，验证扩展卡尔曼滤波质心侧偏角的估计方法在实际道路试验中的可行性及有效性。（3）给出了一种基于转向阻力矩信息的地面附着系数估计方法。利用空间坐

7、标转换法分析了轮胎六分力引起的转向阻力矩，从而得出由绕主销的转向阻力矩中提取出轮胎自回正力矩的方法。建立了基于2自由度车辆模型和Fiala轮胎模型的地面附着系数非线性观测器方法。通过在前轮左、右转向拉杆处加装力传感器，获取前轮的转向阻力矩，并根据绕主销处转向阻力矩提取出轮胎自回正力矩，实现基于转向阻力矩信息的地面附着系数估计，并验证非线性观测器方法的有效性。该方法在轮胎侧向力未达到非线性饱和区域就实现对路面附着系数的早期识别。i汽车状态和参数估计与稳定性集成控制方法研究（4）车辆的行驶工况非常复杂，除了车辆本身的模型不

8、确定性和非线性等问题，车辆还经常受到较强的外界干扰，采用了一种包括模型不确定性和扰动的正则左互质分解的车辆模型来设计主动转向控制器，保证了控制器的鲁棒性。为改善鲁棒控制在车辆状态跟踪控制中的保守性，本文分别采用二自由度模型跟踪鲁棒控制方法以及广义内模控制方法来设计主动转向控制器。通过对PID主动转向控制器、二自由度鲁棒主动转向控制