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分布式电驱动车辆纵横向运动综合控制

作　者: 戴一凡
导　师: 李克强
学　校: 清华大学
专　业: 机械工程
关键词: 分布式电驱动车辆 纵横向运动综合控制 车辆状态估计 纵横向力分配 纵横向力控制
分类号: U469.72
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


车辆在道路上的行驶状态可分为纵向运动与横向运动。纵横向运动综合控制技术能够通过协调纵向的驱动/制动系统与横向的转向系统，综合提高车辆行驶过程中的操纵稳定性及经济性等性能。目前对纵横向运动综合控制技术的研究主要聚焦于常规内燃机车辆和集中式电驱动车辆。针对现有分布式电驱动车辆纵横向运动综合控制研究中存在的控制体系不够完善、车辆状态估计算法准确性与鲁棒性不高、纵横向力分配算法优化目标单一、轮胎逆模型计算精度较低等问题，本文以装备有前轮主动转向系统的分布式电驱动车辆为研究对象，建立了以提高车辆操纵稳定性与经济性为目标的分布式电驱动车辆纵横向运动综合控制系统，并对其中涉及的车辆状态估计、纵横向力分配、纵横向力控制等相关问题开展了研究。为满足纵横向运动综合控制系统对车辆状态信息的需求，建立状态观测器，对纵向车速及质心侧偏角等难以直接测量的车辆关键状态参数进行估计。结合全球卫星定位系统（GPS）与惯性导航传感器（INS）的测量信息，并通过融合运动学与动力学状态估计方法，得到实时准确的纵向车速和质心侧偏角估计结果。为实现各子控制系统的控制目标分配，建立上位控制器，对四轮纵向力及前轮横向力进行优化分配。分别基于轮胎负荷率优化和耗散能优化的方法对各轮纵横向力进行分配，并设计了两种优化目标的动态调节方法，以综合提高车辆操纵稳定性和经济性。为实现对各子控制系统的控制，建立下位控制器，控制轮胎纵向及横向力达到目标值。通过轮胎逆模型将纵向力与横向力控制目标转换为更易观测及控制的轮胎滑移率与侧偏角控制目标，并可实现纵横向力间的解耦。分别建立应用滑模算法的滑移率控制器和基于前馈与反馈组合的侧偏角控制器以实现对轮胎滑移率及侧偏角的控制。为验证所提出的分布式电驱动车辆纵横向运动综合控制系统的有效性，基于搭建的仿真与实车实验平台对涉及的各项关键技术及整体控制系统进行了多工况验证。仿真及实验结果表明所提出的纵横向运动综合控制系统能够有效的提高分布式电驱动车辆的操纵稳定性及经济性。

全文目录


摘要  3-4
Abstract  4-16
第1章 引言  16-42
  1.1 概述  16-18
  1.2 应用 GPS 与 INS 的车速及质心侧偏角估计算法研究现状  18-28
    1.2.1 基于运动学的车速及质心侧偏角估计  19-25
    1.2.2 运动学与动力学融合的车速及质心侧偏角估计  25-28
  1.3 分布式电驱动车辆纵横向运动综合控制研究现状  28-39
    1.3.1 纵横向力分配算法  28-34
    1.3.2 纵横向力控制方法  34-39
  1.4 本文研究内容  39-42
第2章 纵横向运动综合控制系统总体设计  42-49
  2.1 纵横向运动综合控制目标制定  42
  2.2 纵横向运动综合控制方案设计  42-47
    2.2.1 状态观测器  43-45
    2.2.2 上位控制器  45-46
    2.2.3 下位控制器  46-47
  2.3 纵横向运动综合控制关键技术规划  47-49
第3章 基于多信息与多方法融合的车速及质心侧偏角估计  49-69
  3.1 融合 GPS 与 INS 信息的运动学估计方法  49-63
    3.1.1 车辆坐标系  50-52
    3.1.2 传感器误差模型  52-53
    3.1.3 INS 偏差估计  53-58
    3.1.4 GPS 量测噪声协方差矩阵的自适应调节  58-61
    3.1.5 车速及质心侧偏角估计  61-63
  3.2 运动学与动力学融合估计方法  63-68
    3.2.1 运动学与动力学估计误差的统计特征  64-66
    3.2.2 基于误差加权的质心侧偏角多方法融合估计  66-68
  3.3 本章小结  68-69
第4章 基于轮胎负荷率与耗散能优化的纵横向力分配  69-84
  4.1 基于轮胎负荷率优化的纵横向力分配  70-78
    4.1.1 优化指标的选取  70-72
    4.1.2 约束条件的建立  72-76
    4.1.3 优化问题的求解  76-78
  4.2 基于轮胎耗散能优化的纵横向力分配  78-80
    4.2.1 轮胎耗散能的定义  78-79
    4.2.2 优化问题的建立与求解  79-80
  4.3 纵横向力分配目标的动态调节  80-83
  4.4 本章小结  83-84
第5章 基于 Dugoff 轮胎逆模型的纵横向力控制  84-100
  5.1 基于 Dugoff 模型的轮胎逆模型  85-88
  5.2 轮胎滑移率滑模控制  88-94
    5.2.1 滑移率控制器设计  88-92
    5.2.2 滑模算法稳定性分析  92-94
  5.3 轮胎侧偏角控制  94-98
    5.3.1 主动转向系统建模  94-95
    5.3.2 基于回正力矩预估的前馈控制和 PID 反馈控制  95-97
    5.3.3 前轮主动转向控制系统  97-98
  5.4 本章小结  98-100
第6章 纵横向运动综合控制系统仿真分析  100-134
  6.1 仿真平台建立  100-102
  6.2 车速及质心侧偏角估计算法仿真验证  102-117
    6.2.1 传感器误差参数设置  102-104
    6.2.2 基于运动学的车速及质心侧偏角估计方法  104-113
    6.2.3 融合运动学与动力学的车速及质心侧偏角估计方法  113-117
  6.3 纵横向运动综合控制仿真验证  117-133
    6.3.1 纵横向力分配算法  117-126
    6.3.2 纵横向力控制方法  126-130
    6.3.3 纵横向运动综合控制整体效果对比  130-133
  6.4 本章小结  133-134
第7章 纵横向运动综合控制系统实验验证  134-153
  7.1 纵横向运动综合控制实验平台  134-137
    7.1.1 分布式电驱动车辆  134-136
    7.1.2 前轮主动转向系统  136-137
    7.1.3 RT3100 测量系统  137
  7.2 车速及质心侧偏角估计算法实验验证  137-143
    7.2.1 纵向车速估计  137-139
    7.2.2 质心侧偏角估计  139-143
  7.3 纵横向运动综合控制实验验证  143-152
    7.3.1 负荷率优化分配实验  143-148
    7.3.2 转向系统控制实验  148-149
    7.3.3 纵横向运动综合控制整体效果验证实验  149-152
  7.4 本章小结  152-153
第8章 结论  153-155
参考文献  155-164
致谢  164-166
个人简历、在学期间发表的学术论文及研究成果  166-167

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中图分类: > 交通运输 > 公路运输 > 汽车工程 > 各种汽车 > 各种能源汽车 > 电动汽车
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