详情

原文传递冰雪环境下基于轮胎力预测的分布式驱动电动汽车稳定性控制

论文题名：	冰雪环境下基于轮胎力预测的分布式驱动电动汽车稳定性控制
关键词：	分布式驱动电动汽车;稳定性控制;转矩协调分配;滑移率控制
摘要：	我国地处于北半球，冬季降雪范围广、降雪时间长，冰雪环境下车辆行驶时遇到的路面类型复杂多变，同时路面附着系数的降低会使轮胎力更易达到饱和状态，导致车辆的制动性能、操控性能下降，给行车安全带来了严重威胁。分布式驱动电动汽车的各个车轮均由电机独立驱动，可对四轮力矩进行精确控制，已经逐渐成为各国应对冰雪天气引起行车安全问题的主要研究平台。虽然分布式驱动电动汽车在车辆稳定性控制方面已经取得了部分探索性成果，但众多控制系统均是被动触发，容易错过最佳调节时机。轮胎力作为衡量车辆驱/制动性能的重要因素，可以用来评估车辆的稳定行驶能力。因此研究基于轮胎力预测的冰雪环境下分布式电动汽车稳定性控制是一个具有现实意义的课题，对提高冰雪环境的行车安全性具有重要作用。　　本论文围绕冰雪环境下分布式驱动电动汽车的稳定性控制问题，从控制系统的介入时机和稳定性控制器设计两个方面展开研究。旨在采用非线性模型预测控制方法处理分布式驱动电动汽车转矩协调分配的多变量多目标的优化问题，提升其在冰雪环境下的行驶安全。搭建了动力学仿真软件CarSim和Matlab/Simulink联合仿真平台下的电动汽车模型，多种工况下的仿真实验结果表明本文提出的控制方案提升了分布式驱动电动汽车在冰雪环境下行驶的稳定性。　　首先，针对多数安全系统被动式触发引起的介入时机滞后问题，提出了分布式驱动电动汽车轮胎力主动预测方法，预知车辆行驶状态，确保了极限工况下车辆稳定性控制系统的最佳介入时机。结合曲线分析方法，综合Burckhardt轮胎模型和魔术公式计算前方路面所能提供的最大纵向轮胎力；依据车辆动力学及受力平衡关系确定车辆稳定行驶时所需的轮胎力。分析最优轮胎力与所需轮胎力，确定稳定性控制方案：当前者大于后者时，车辆具有稳定行驶能力，需设计最优滑移率控制器以保障车辆具有良好的驱/制动性能；反之，车辆存在失稳趋势，需设计横摆稳定控制器保障车辆的安全行驶。　　其次，针对冰雪环境下分布式驱动电动汽车的车轮出现过度滑转问题，设计了四轮力矩独立优化的非线性模型预测滑移率控制器，保障了电动汽车在冰雪环境下行驶时依然具有良好的驱/制动性能。通过Burckhardt轮胎模型建立了不同路面类型与最优滑移率的对应描述关系；综合考虑跟踪最优滑移率、抑制频繁动作、车轮力矩在最大输出力矩范围内变化，并引入松弛因子，以此构建四个车轮最优滑移率控制的优化问题。为了验证最优滑移率控制策略的控制效果，在多种典型工况下进行了仿真验证，其中低附着系数路面和对开路面下的结果说明了四轮独立优化的滑移率控制器在冰雪环境下的有效性。　　最后，针对分布式驱动电动汽车在极限工况下失稳的安全性问题，提出了考虑转矩优化分配的集中式横摆稳定非线性滚动优化控制策略，提高了电动汽车在冰雪环境下的行驶安全性。建立了四轮转矩为控制输入，横摆角速度、质心侧偏角、四轮轮速为输出的一体式车辆动力学模型；综合考虑车身横摆稳定性与车轮滑移率跟踪能力，通过对车轮转矩优化分配提高车辆在极限工况下的行驶稳定性，同时保障车轮滑移率维持在稳定区域内，以此建立转矩集中式滚动优化问题，决策出四轮转矩。离线仿真说明了本文提出的控制方法在冰雪环境导致的低路面附着路况下起到了驾驶辅助作用，保障了车辆安全稳定的行驶，降低了交通事故发生的概率。
作者：	刘畅
专业：	控制科学与工程
导师：	郭洪艳
授予学位：	硕士
授予学位单位：	吉林大学
学位年度：	2022