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原文传递极限工况下汽车漂移运动控制方法研究

论文题名：	极限工况下汽车漂移运动控制方法研究
关键词：	极限工况;汽车;漂移运动;滑模控制;模型预测控制
摘要：	汽车行驶的安全性问题一直是汽车研究的永恒目标和研究重点问题。汽车主动安全技术可有效提升汽车行驶安全性，成为当今和未来汽车技术研究重要的研究内容。目前在汽车主动安全技术领域，已取得了大量研究成果。其中的横摆稳定控制可将车辆状态约束在稳定区域内，防止车辆的不足转向或过度转向，提升了车辆转向运动的安全性。横摆稳定控制通过在车轮上施加较大的制动扭矩的方式避免不足或过度转向。虽然能够提高汽车行驶稳定性，但作用域限于轮胎力未完全饱和的工况。对于紧急避障，冰雪路面急弯运动等极限工况，其控制性能无法满足车辆安全行驶的要求。漂移控制通过后轮侧向力的主动控制，可获得较大的质心侧偏角与横摆率，在改善不足转向方面具有更大的优势，但也同时带来过度转向的风险。从控制器设计的角度看，漂移控制在非线性动力学建模，以及在具有不稳定平衡点的强非线性系统的控制方法方面都带来诸多挑战性问题。目前，漂移控制主要分为稳态漂移控制和瞬态漂移控制。本文主要研究稳态漂移控制问题。　　本文首先进行漂移工况下的动力学建模及特性分析。在动力学建模方面，由于漂移时后轮侧向力处于饱和状态，且具有较大的后轮纵向力，为此，基于可有效表征纵侧向力耦合的刷子轮胎力模型建立了包含纵向、侧向运动的三自由度车辆动力学模型；在漂移特性分析方面，为实现稳定的漂移运动，给出了利用三自由度模型求取车辆平衡点的方法。为分析平衡点的特性，利用相位图及平衡点线性化的方法分析平衡点邻域的相轨迹，确定了漂移平衡点为不稳定的鞍点。　　针对稳态漂移控制问题，本文给出了一种纵侧向独立控制的策略。这种独立控制的意义在于将三维耦合动力学系统的控制问题简化为一维和二维动力学系统的控制问题，可简化控制器的设计与分析。其中纵向控制器用于在漂移过程中保持恒定纵向速度。对于侧向控制，本文给出了一种基于二自由度模型的滑模控制器设计方法，利用Lyapunov函数证明了本文给出的滑模控制器的稳定性。通过分析滑模控制器的滑模面参数对控制性能的影响，本文进一步提出了一种滑模面参数优化设计方法，使得控制系统的上升时间与超调量得到综合。高精度车辆动力学仿真环境下的仿真结果表明，本文给出的控制器可实现车辆的稳态漂移，并在路面附着系数存在估计误差的情况下仍具有较好的控制性能。　　为了满足实际车辆漂移控制中的控制量约束问题，本文进一步探索了模型预测控制方法在漂移控制中的应用问题。为了减少在线计算代价，本文通过工作点线性化将非线性动力学模型转化为线性模型，给出了一种考虑了纵侧向耦合特性的预测控制器设计方法。仿真结果表明，本文给出的控制方法使动力学系统满足控制量约束，具有较好的平稳漂移控制性能。
作者：	乔文可
专业：	控制科学与工程
导师：	刘志远
授予学位：	硕士
授予学位单位：	哈尔滨工业大学
学位年度：	2021