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原文传递基于弯道工况的半挂列车预测性自适应巡航控制研究

论文题名：	基于弯道工况的半挂列车预测性自适应巡航控制研究
关键词：	半挂列车;高级驾驶辅助系统;预测性自适应巡航系统;模型预测控制;弯道稳定性
摘要：	随着经济和汽车智能化技术的快速发展，由早期的定速巡航系统（Cruise Control System，CCS）发展而来的预测性自适应巡航系统（Predictive Adaptive Cruise Control,PACC）已成为高级驾驶辅助系统（ADAS）的主要组成部分。作为一种主动控制系统，预测性ACC系统不仅可以在很大程度上减少因为驾驶人员疲劳导致的交通安全事故，还有效提高了乘坐时的舒适性，由于预测性ACC具有对前车的主动跟随能力，其大大提高了道路的通行效率，同时也提高了燃油经济性。所以近年来，对于预测性ACC的研究越来越深入，相应的研究成果不断在乘用车上得到应用。但是对于适用于半挂列车的预测性ACC的研究目前还比较少，同时由于半挂列车载荷量大、车身较长等结构特点，其易在过弯道时发生侧翻等失稳事故，本文在总结了国内外ACC系统研究现状及存在的问题的基础上，提出了一种在高精度地图信息的支持下，能够主动预测前方弯道通过的极限车速，从而保证半挂列车在弯道中的抗侧翻稳定性，同时能够实现车辆在弯道内的自适应巡航控制目标的控制策略。　　首先，本文分析了半挂列车侧翻的机理。搭建了半挂列车的3自由度动力学模型以及5自由度侧翻模型，通过遗传算法辨识3自由度模型得到半挂列车各轴的侧偏刚度。将辨识结果作为5自由度模型的参数，继续采用遗传算法的方法对比5自由度模型的状态量和Trucksim的输出值，辨识得到牵引车侧倾刚度和半挂车的侧倾刚度，并通过线性插值的方法，得到了车辆模型中各刚度参数随车辆纵向速度和方向盘转角变化的MAP图。所建立的半挂列车5自由度侧倾模型为后文分析模型预测控制的稳定性约束提供了模型基础。　　其次，本文介绍了高精地图技术，其能为预测性ACC系统提供道路信息。搭建了半挂列车与前车的纵向运动学模型以及半挂列车底层执行机构动力学模型。通过分析预测性自适应巡航控制策略的控制目标，即半挂列车在弯道行驶时保持稳定性、安全性、跟踪性、舒适性以及燃油经济性，结合纵向运动学方程，建立了用于跟车控制的状态空间方程。搭建了底层执行机构的动力学模型，包括加速模型和减速模型。通过分析执行机构的物理特性，建立了加速度到节气门开度的转换、减速度到制动踏板开度的转换的数学描述，为后文的模型预测控制的应用奠定了执行机构基础。　　然后，针对预测性ACC自适应巡航系统的稳定性、安全性、跟踪性、燃油经济性以及舒适性的多目标控制需求，选择模型预测控制算法进行本文控制策略开发。介绍了模型预测控制算法的理论及特点。结合前文建立的半挂列车5自由度侧倾模型分析并建立了模型预测控制的稳定性条件约束。通过分析车辆的侧翻指标，推导出一种适合本文控制策略的包括牵引车部分和半挂车部分的动态横向载荷转移率的侧翻指标。基于五自由度动力学模型建立速度阈值模型，并通过Matlab/Simulink-Trucksim联合仿真方法，得到半挂列车速度阈值与弯道半径的关系图。针对模型预测控制特点，基于第三章建立的车辆运动学模型建立本文预测性ACC的预测模型，并根据预测性ACC的功能需求得到其优化指标以及约束条件，最终建立目标函数。　　最后，介绍了联合仿真验证中采用的Matlab/Simulink及Trucksim软件，以及相关参数的设置和仿真环境的搭建方法。根据预测性ACC的功能需求，设置了多种仿真验证场景，设计定速巡航、前车恒速、前车加速、前车减速等仿真工况，在不同弯道半径下验证所开发的控制策略并对进行分析，仿真结果表明本文开发的针对半挂列车弯道行驶工况的预测性ACC控制策略可以满足对车辆稳定性、安全性、跟踪性、燃油经济性以及乘坐舒适性的需求。
作者：	吕玉萍
专业：	车辆工程
导师：	宗长富
授予学位：	硕士
授予学位单位：	吉林大学
学位年度：	2022