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原文传递基于集成制动系统的汽车纵向控制策略研究

论文题名：	基于集成制动系统的汽车纵向控制策略研究
关键词：	汽车集成制动系统;纵向控制策略;模型预测控制;参数估计
摘要：	在汽车上百年的历史中，制动系统的发展从未停歇。伴随着汽车不断地智能化，制动系统的可靠性以及安全性日趋严格起来，高度集成化的制动系统已经成为新的发展趋势。与传统的真空助力器相比，集成制动系统具有更快的建压速度，并实现了驾驶员踏板力与制动压力的完全解耦，可以满足主动制动、复合制动等功能。集成制动系统支持自适应巡航控制、自动紧急制动等各种驾驶辅助功能，这些功能与汽车的纵向控制密不可分。在集成制动系统的基础上，设计一个合理的纵向控制策略将更好地满足驾驶辅助功能的需求，提高车辆行驶的安全性。　　本文依托校企合作项目“IBC集成式制动控制算法开发”，对集成制动系统及压力控制策略进行研究，并以集成制动系统为基础对分层式的纵向控制策略展开研究，具体包括上层的纵向跟车控制和下层的纵向运动控制。本文的主要研究内容如下：　　（1）集成制动系统建模及主动压力控制。首先，对三种集成制动系统1-Box方案的结构和工作原理进行分析对比，并结合课题组实际情况，确定了本文所选用的集成制动系统构型方案。然后，对集成制动系统进行数学建模，包括永磁同步电机建模、减速传动机构建模和液压系统建模，并对建立的模型进行仿真验证。最后，设计了包括压力环控制和伺服三闭环控制在内的主动压力控制策略，其中压力环采用P-V特性前馈加PI反馈的结构，伺服三闭环包括位置环、转速环和电流环；并对主动压力控制策略进行了实验验证。　　（2）基于模型预测控制的纵向跟车控制策略。首先，针对跟车的安全间距问题，提出了一种考虑前车运动趋势的可变车头时距策略，并对其收敛性进行了证明。其次，根据前后两车的相对运动状态，设计了一种考虑前车加速度扰动的纵向运动学模型。然后，基于模型预测控制理论设计了考虑安全性、跟车性、舒适性和经济性等多个优化目标的纵向控制算法，通过设计目标函数并引入指数衰减函数作为参考轨迹，将其转化成二次优化问题进行求解，得到跟车状态下的期望加速度。最后，基于模糊控制理论设计了权重系数调整策略，对目标函数的车间距、车速差和加速度等权重系数进行实时调整，以适应更加复杂的交通场景。　　（3）基于参数估计的车辆纵向运动控制策略。首先，对车辆的纵向动力学进行建模，分析了滚动阻力、空气阻力、坡度阻力和加速阻力对车辆行驶的影响。其次，基于车辆纵向动力学，使用递推最小二乘法对加速度进行拟合，基于拟合结果进一步得到基准加速度曲线，在基准加速度曲线上设置过渡区域，设计了驱动制动切换策略。然后，为了实现期望加速度到期望纵向力的转换，设计了前馈加反馈的控制结构，其中前馈控制基于车辆动力学，并用扩展卡尔曼滤波算法对道路坡度进行实时估计，反馈控制部分采用增量式PID控制结构。最后，建立了驱动制动逆动力学模型，将期望纵向力转换为期望驱动扭矩或制动压力。　　（4）纵向控制集成仿真与实验验证。首先，本章基于MATLAB/Simulink和CarSim搭建了仿真平台，并在不同工况下对纵向控制策略进行集成仿真验证，结果表明算法不仅具有较好的跟车性和安全性，还兼具一定的经济性和舒适性。然后，基于dSPACE快速原型工具和实时仿真工具搭建了集成制动系统在内的硬件在环实验平台，并对下层的纵向运动控制算法进行实验验证，结果表明算法具有良好的控制效果。最后，基于集成制动系统进行了实车平台的改装，并在实车平台上对纵向运动控制算法进行实验验证，进一步验证了算法的有效性。
作者：	李帅
专业：	车辆工程
导师：	吴坚
授予学位：	硕士
授予学位单位：	吉林大学
学位年度：	2022