考虑行驶稳定性的四轮转向车辆路径跟踪控制研究

为了改善高速和低附着路面上无人驾驶车辆的行驶稳定性和保障行车安全,以四轮转向车辆为研究对象提出了一种考虑行驶稳定性的路径跟踪控制方法。首先基于模型预测控制算法设计了四轮转向路径跟踪控制器,然后根据质心侧偏角-质心侧偏角速度相平面稳定域和零质心侧偏角控制目标设计了车辆状态参数包络约束,在路径跟踪算法中加入轮胎侧偏角约束和车辆状态参数包络约束,保证车辆行驶时的稳定性。CarSim和Simulink联合仿真结果表明,采用基于包络线稳定性控制策略的车辆在高速行驶时或在低附着路面上行驶时能保持良好的路径跟踪能力并具有较好的行驶稳定性。     

智能车辆轨迹跟踪控制方法研究

针对智能车辆的轨迹跟踪控制问题,提出了一种可以调节参数的智能车辆轨迹跟踪控制方法.首先,设计了模糊控制器对智能车辆进行路径跟踪控制;其次,为了提高车辆在高速下的路径跟踪效果,设计模型预测控制器,并结合轮胎的动力学特性及车辆动态特性对轮胎侧偏角、质心侧偏角等进行约束;然后,为了提高车辆在不同工况下的路径跟踪效果,进一步设计了基于PSO算法的模型预测控制器.比较三种控制器的控制效果,选择典型工况在联合仿真平台上进行仿真.结果表明,提出的智能车辆的轨迹跟踪控制方法可以有效地对车辆轨迹进行跟踪.     

基于故障估计的无人车容错控制方法

考虑转向控制系统故障和未知干扰同时作用对无人车辆路径跟踪效果的影响,为提高无人车辆控制系统的可靠性,设计了一种无人车路径跟踪容错控制方法. 对转向控制系统输入性故障进行分析,结合未知干扰情况定义了名义故障并建立相应的数学模型. 利用高阶滑模观测器构造名义故障微分方程,并利用自适应容积卡尔曼滤波设计了车辆质心侧偏角和名义故障估计方法,从而为无人车容错控制提供可靠信息源. 基于滑模控制理论设计了无人车路径跟踪容错控制器并证明了其收敛性. 联合仿真和硬件在环试验结果表明,所提出的估计方法能够得到精确可靠的质心侧偏角和名义故障估计结果,且与无容错控制相比,所设计的路径跟踪容错控制器在面对故障和干扰时能够明显地提高车辆的控制性能,并同时保证车辆的路径跟踪能力及其自身的稳定性.      

基于遗传粒子滤波的轮毂驱动电动汽车质心侧偏角估计方法

质心侧偏角估计是汽车稳定性控制系统中的关键技术.为了解决现有估计方法对轮毂驱动电动汽车信息利用不充分、估计精度低的问题,提出一种基于遗传粒子滤波(GPF)的轮毂驱动电动汽车质心侧偏角估计方法.利用魔术轮胎公式,融合轮毂驱动电动汽车车轮上驱动与制动力矩信息,建立非线性车辆动力学模型,实现轮胎纵向力与侧向力计算,完成质心侧偏角估计器的搭建.针对车辆动力学模型的强非线性及传统粒子滤波算法粒子退化、计算量大的问题,设计适用于强非线性系统并且能够有效抑制退化、减小计算量的遗传粒子滤波算法对质心侧偏角进行估计.仿真结果表明:所提出的估计方法能够提高质心侧偏角的估计精度和鲁棒性.     

基于滑模控制理论的车辆横向稳定性控制

针对车辆在极限运动工况下转弯或变道行驶时的横向稳定性控制问题,建立以车辆横向速度、横摆角速度及车身侧倾角为状态变量的3自由度非线性动力学模型.在动力学分析的基础上,探讨依靠施加各车轮不同纵向制动力而产生辅助横摆力矩的方法来提高车辆在极限工况下的操纵稳定性.考虑到作为车辆状态变量之一的质心侧偏角难以测量,设计了基于车辆动力学模型及运动学关系相结合的质心侧偏角估计器.运用滑模控制理论,以车辆横摆角速度和质心侧偏角与相应的理想横摆角速度和质心侧偏角之差,作为车辆稳定性控制系统的两类控制输入变量,以车轮纵向制动力矩和方向盘转角为控制目标建立了联合滑模控制系统,通过计算机仿真表明,该控制方法可以有效改善车辆横向稳定性.     

考虑车辆稳定性的模型预测路径跟踪方法

针对目前车辆路径跟踪控制大多集中于跟踪的精确性,却忽略车辆行驶稳定性的问题,提出一种考虑车辆稳定性的模型预测路径跟踪方法.首先,以简化后的车辆动力学模型为基础,推导线性时变路径跟踪预测模型,增添表征车辆稳定性的质心侧偏角等约束条件;然后,对二次规划进行求解,添加向量松弛因子解决计算中出现的无解问题;最后,通过Carsim和Matlab/Simulink联合仿真对文中方法进行验证.仿真结果表明:基于文中所提方法设计的控制器能够在不同车速、不同附着系数下,保证跟踪参考路径较为精确的同时,还可以保证车辆的稳定性.     

一种基于LTVMPC改进的 无人驾驶汽车路径跟踪控制算法

在低附着路面情况下,针对现有以线性时变模型预测控制(LTVMPC)为基础的无人驾驶汽车路径跟踪精确性和稳定性问题,提出一种改进的控制算法.以汽车动力学理论为基础,将四轮轮胎侧偏角和滑移率精确地表示为车辆状态量的非线性函数,在预测时域内对车辆状态方程线性化处理而求解雅可比矩阵时,为降低系统维度,将轮速作为非状态量,建立改进的三自由度车辆模型,在二次规划性能指标中加入横摆角速度跟踪误差项以提高路径跟踪性能,考虑质心侧偏角对跟踪精度和车辆稳定性的影响,修正参考横摆角,建立改进的LTVMPC.在Carsim-Simulink联合仿真平台进行低附着系数路面情况下的双移线跟踪仿真,结果表明改进后的控制算法在保证实时性的前提下,提高了路径跟踪的精确性和车辆行驶的稳定性.     

遗传算法优化的双挂汽车列车主动力矩控制

为提高双挂汽车列车横向稳定性及行驶安全性,通过建立包括主动力矩控制的双挂汽车列车模型,将列车后部放大系数(RWA)与质心侧偏角之和的最小值作为适应度函数,基于遗传算法优化设计了线性二次型控制器(LQR),以获得最优的主动力矩并反馈给车辆模型;与不加控制器的车辆模型相比,增加主动力矩控制可避免拖台和二挂车的蛇形运动,同时使得RWA值下降7.9%,且各个车辆单元将更快达到稳定状态.但该控制策略对各个车辆单元质心侧偏角的控制不如对横摆角速度的控制精确.     

基于相平面的车辆AFS与DYC可拓协调控制

为了提高汽车的操纵稳定性,弥补主动前轮转向(AFS)在轮胎侧向力饱和的情况下对车辆稳定性控制的不足,引入直接横摆力矩控制(DYC),设计了基于相平面的可拓协调控制系统,分为上、下两层。上层为AFS和DYC的功能协调层,以轮胎侧偏特性线性极限和β相图稳定域边界作为依据来划分汽车行驶状态,对应于可拓集合中的经典域、可拓域和非域,运用可拓学理论求解关联度函数,并确定控制器间的协调权重;下层为主动前轮转向控制器和直接横摆力矩控制器,均采用粒子群算法优化PID控制参数。利用Simulink与CarSim软件搭建联合仿真试验平台,选用低附单移线工况和低附阶跃转向工况进行仿真验证。结果表明,本文所设计的可拓协调控制策略能有效弥补单一主动前轮转向控制的不足,改善车辆对参考轨迹的跟踪效果,并能降低质心侧偏角,保证了车辆的行驶稳定性。     

考虑车辆侧偏刚度变化的MPC稳定性控制方法

针对侧向行驶车辆易发生转向失稳，构建了一种考虑轮胎侧偏刚度变化的车辆稳定性控制方法，以避免轮胎侧向力饱和，提高行车安全性.采用前、后轴轮胎侧偏角分段拟合方法建立轮胎侧偏刚度拟合模型，将拟合过的侧偏刚度引入到车辆动力学模型中，准确描述车辆当前的动态性能.为了避免轮胎侧向力饱和引起的转向失稳，本文提出一种基于模型预测控制(model predictive control, MPC)算法的前后轴约束的轮胎侧偏角的车辆稳定性控制方法，以优化车辆的转向性能.仿真结果表明，车辆稳定性控制方法能够将前后轴的轮胎侧偏角抑制在一定范围内，根据侧偏刚度的变化，避免车辆侧滑现象的发生，提高了车辆的稳定性.     

分布式电动车辆横向稳定性模糊滑模控制

针对分布式电动汽车在高速转弯和变道时,由于其高度的非线性特性和参数的不确定性而出现失稳问题,提出了分布式电动车辆横向稳定性模糊滑模控制的方法.首先建立二自由度车辆动力学模型,得到理想横摆角速度和质心侧偏角;其次设计模糊滑模控制器跟踪理想横摆角速度及质心侧偏角,并依据车辆行驶过程中的反馈信息,利用模糊逻辑对滑模控制器中滑模切换函数的系数不断进行调整优化,采用直接横摆力矩控制方法得出期望的附加横摆力矩;最后使用平均分配原则实现附加横摆力矩的控制分配.基于MATLAB/Simulink与Carsim联合仿真的结果表明,所提出的模糊滑模控制方法能够有效地控制车辆姿态并提高其横向稳定性.     

汽车ESP系统模型和模糊控制仿真

汽车电子稳定系统（electronic stability program, ESP）是行驶车辆的一种主动安全系统。它综合了制动防抱死系统,驱动力控制系统和横摆力矩控制系统使行驶车辆的安全性得到很大地提高。建立了七自由度整车模型、magic formula 轮胎模型以及车辆参考模型,采用车辆质心侧偏角的状态差异法,应用模糊控制理论设计了质心侧偏角反馈控制器,将建立的模糊控制器模型和汽车动力学模型组合起来,并通过前轮转角阶跃输入和正弦输入,在常见的易于失稳的湿滑路面上对典型工况进行仿真。结果表明：所设计的控制器可以很好地控制汽车的横摆角速度和质心侧偏角,提高了车辆的稳定性。     

主动前轮转向与直接横摆力矩H2/H∞集成控制

为提高车辆的操纵稳定性,建立了包括侧向、横摆运动在内的7自由度整车模型以及车辆理想跟踪目标模型.以车辆质心侧偏角尽量小,实际车辆尽量跟踪参考横标角速度为目标,运用H2/H∞混合控制理论设计了车辆主动前轮转向与直接横摆力矩混合鲁棒集成控制器,并与H∞控制进行比较.仿真结果表明:采用H2/H∞混合控制的系统具有更好的性能和抵抗外界干扰的鲁棒稳定性,能更好的提高车辆的操纵稳定性.     

自动驾驶车辆的变步长路径跟踪控制

为提高自动驾驶车辆路径跟踪控制的稳定性并保证实时性,设计变步长模型预测控制器.通过变步长对预测时域进行分级,引入道路曲率及侧偏角约束,采用CVXGEN进行优化求解.通过Carsim和Matlab/Simulink联合仿真,对文中方法进行验证.结果表明:变步长模型预测控制器既能保证较好的跟踪效果,又能确保车辆行驶的稳定性.     

基于模糊技术的汽车ESP系统综合反馈控制

对汽车ESP(Electronic Stability Program)系统控制方法进行了分析,提出了以模糊控制技术为核心的横摆角速度和质心侧偏角综合反馈控制方法.考虑了轮胎的非线性特性对汽车转向特性与行驶稳定性的重要影响,考虑非线性轮胎模型(魔术公式),建立了二自由度四轮汽车模型及汽车参考模型.运用模糊控制原理,设计了模糊控制器,并基于Simulink进行了控制仿真.仿真结果表明:这种控制方法可以很好地控制汽车的横摆角速度和质心侧偏角,提高汽车的侧向稳定性.     

基于线控技术的四轮转向全滑模控制

针对具有线控技术的四轮转向车辆,设计了一种全滑模控制器用于提高车辆的操纵稳定性.以前、后车轮转角作为控制输入,设计全滑模控制器使实际的质心侧偏角和横摆角速度跟踪理想的质心侧偏角和横摆角速度,通过在滑模面中加入跟踪误差积分项来消除稳态跟踪误差不为零的现象,并运用Lyapunov定理给出了全滑模控制器的稳定条件.最后通过2种车辆模型下不同工况的仿真分析,对比了传统前轮转向、常规滑模控制的四轮转向和全滑模控制的四轮转向的动力学响应,结果表明所设计的全滑模控制器不仅消除了稳态跟踪误差不为零的现象,而且提升了车辆抵抗外界干扰和系统参数摄动的鲁棒性.     

车辆纵向力和质心侧偏角层级估计方法设计与验证

为提高车辆状态估计结果的精度与可靠性,设计了一种车辆纵向力和质心侧偏角层级估计方法。研究了一种用于车辆行驶状态估计的加权容积卡尔曼滤波,采用移动窗估计法调整测量噪声的协方差矩阵,根据不同时刻信息对测量噪声统计的有用性,动态调整窗口中不同时刻信息的权重,从而提高车辆状态观测器的滤波精度。根据电驱动轮模型特点,并考虑轮胎松弛长度来构造纵向力微分方程,从而设计了纵向力观测器。在纵向力估计的基础上,将上层的纵向力估计值视为伪量测值,利用三自由度车辆动力学模型设计了基于级联卡尔曼滤波的车辆行驶状态估计策略,实现了车辆质心侧偏角估计。进行了变速正弦转向工况和定速Fishhook转向工况下的CarSim/Simulink联合仿真试验以及实车试验,结果表明:所提方法整体估计精度相比扩展卡尔曼滤波提升了6.82%,具有较高的估计精度和实时跟踪效果,满足车辆应用需求。     

基于复合滑移轮胎模型的车辆横纵协同优化控制

极限工况下,车辆纵向侧向运动存在严重的耦合,传统的纵向或侧向主动安全控制技术难以保证车辆的操纵性能。基于复合滑移LuGre轮胎模型,提出了一种车辆横纵耦合协同优化控制器。建立了车辆侧向动力学模型,它能够反映出轮胎滑移率和侧偏角耦合特性对汽车侧向力的影响。然后,在预测控制框架下,设计车辆横纵耦合协同优化控制器,跟踪期望的横摆角速度和侧向速度,抑制滑移率,保证低附着路面下的车辆操纵稳定性。通过CarSim和MATLAB/Simulink的联合仿真,与基于纯侧偏轮胎模型的控制器控制性能进行对比,结果表明:所提出的控制器能够通过更少的输出扭矩更好地跟踪期望横摆角速度,抑制侧向速度,降低滑移率。     

考虑横向稳定性的智能车辆路径跟踪控制

对于智能车辆的路径跟踪,传统位置偏差控制方法往往忽略了车辆的动态稳定性.针对这一问题提出一种考虑横向稳定性的智能车辆路径跟踪控制方法.首先建立二自由度车辆动力学模型和路径跟踪误差模型,综合考虑车辆位置偏差和车辆动力学状态,利用基于反馈优势的反推法(FDB)生成期望横摆角速度;然后基于线性二次型跟踪器(LQT)设计了主动前轮转向(AFS)和直接横摆力矩控制(DYC)的集成控制策略,得到了理想的控制输入(前轮转角和外部横摆力矩),进而实现精确跟踪期望横摆角速度和质心侧偏角;最后在Simulink仿真环境中对提出的控制方法进行验证.结果表明:提出的控制方法在路径跟踪的同时具有很好的横向稳定性能;相比于不考虑横向稳定性的控制方法,提出的方法在路径跟踪过程中跟踪精度更高,车辆的质心侧偏角更小,横摆角速度也能更好的跟踪期望值.     

基于支持向量机的车辆质心侧偏角估计

针对动力学建模方法对车辆质心侧偏角进行估计所面临的路面附着系数和车辆参数无法准确获取等缺点,基于统计学理论中的支持向量机对车辆质心侧偏角估计展开研究。选择方向盘转角、车辆速度、横摆角速度和侧向加速度作为支持向量机的特征向量。在Carsim仿真平台设计了20组典型车辆操纵试验作为训练样本得到预测模型,通过2组变附着系数路面上的操稳性试验对模型进行了验证。研究结果表明:支持向量机可以有效实现对不同附着路面上车辆质心侧偏角的估计,达到了较高的估计精度,即使车辆发生大侧偏现象使轮胎进入侧偏角-侧偏力曲线的非线性域,该方法仍能够实现质心侧偏角的准确估计,估计的绝对误差不超过1.42°,从而为车辆主动安全控制提供了参考。