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原文传递基于路面附着系数识别的轨迹跟踪控制

论文题名：	基于路面附着系数识别的轨迹跟踪控制
关键词：	电动汽车;UniTire模型;附着系数估计;轨迹跟踪;模型预测控制
摘要：	本文以四轮分布式独立驱动电动汽车为研究对象，基于UniTire非线性轮胎模型设计状态观测器和轨迹跟踪控制器。观测器用于估计车辆的车速、质心侧偏角和轮胎-路面之间的附着系数等状态参数。本文的研究目的在于通过分析车速、附着系数等参数对轨迹跟踪控制器跟踪精度和车辆行驶稳定性的影响，并提出对应的改进控制算法的策略。主要工作包括：　　1、分布式驱动汽车和轮胎动力学模型建模。为在保证算法准确度的前提下尽可能减小其计算复杂度，本文建立七自由度车辆动力学模型和二自由度车辆侧向动力学模型，分别用于车辆轨迹跟踪控制器及其侧向运动的稳定性分析。与此同时，引入UniTire模型计算非线性轮胎力，并简化该模型的摩擦系数表达，用于基于卡尔曼滤波算法的附着系数观测器的设计。本文所使用的UniTire及其简化轮胎模型均通过对轮胎力学特性试验数据进行参数辨识得到。　　2、车辆状态观测器设计与基于相平面的车辆稳定域分析及其边界设计。设计状态参数观测器估计车辆无法通过传感器直接获取的状态参数，如车速、质心侧偏角和轮胎-路面附着系数等。与此同时，基于轮胎侧偏角相平面和车辆侧向动力学模型，重点分析车速和附着系数对系统稳定性的影响。结果表明，提高车速和附着条件变差将导致车辆行驶不稳定，且后者的影响更加明显。基于上述结论，本文通过大量仿真实验，拟合了轮胎侧偏角相平面的稳定域边界关于车速和附着系数的数学模型。　　3、设计横纵向解耦的分层轨迹跟踪控制器。控制器由上层的纵向速度和横向轨迹跟踪与下层的四轮转矩分配器组成。纵向车速跟踪引入滑模控制算法计算车辆总纵向驱动力控制量；横向轨迹跟踪采用模型预测控制算法，优化求解前轮转角和附加横摆力矩控制量。下层控制分配器则考虑路面附着条件的约束，基于凸二次规划求解最优四轮转矩。通过CarSim和Matlab/Simulink联合仿真平台的仿真结果表明，控制器能够实现良好的参考轨迹和车速跟踪性能。通过设置不同车速和道路摩擦系数的仿真工况，分析车辆轨迹跟踪精度和稳定性的变化，结果表明，提高车速和减小道路摩擦系数都使得车辆轨迹跟踪精度和稳定性变差。　　4、基于车辆稳定裕度模型改进轨迹跟踪控制器的跟踪精度和行驶稳定性。以稳定域边界模型为基础，划分轮胎侧偏角相平面稳定域为稳定区、弱稳定区和不稳定区三个区域，建立综合考虑了轮胎侧偏角大小及其运动速度的车辆稳定裕度模型。基于上述模型，提出调节控制算法中轨迹跟踪和车辆稳定性权重系数和修正目标车速两种控制策略。仿真结果表明，无论是在低附着还是高附着路面下，轨迹跟踪控制器的跟踪精度和车辆稳定性都得到提高，因此，上述控制策略能够改善轨迹跟踪控制器的性能。
作者：	龙祥
专业：	车辆工程
导师：	郭孔辉
授予学位：	硕士
授予学位单位：	吉林大学
学位年度：	2023