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全轮独立驱动车辆动力学协调控制方法研究

作　者: 王琨
导　师: 李贻斌
学　校: 山东大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: AWID/AWIS FSC 车辆动力学协调控制最优化控制分配
分类号: U461.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

AWID/AWIS(全轮独立驱动/全轮独立转向)车辆是一种新型车辆,其所有车轮均可独立驱动、独立转向,具有比传统车辆更多、更灵活的转向和驱动组合,能够提供更多的运动模式(如零半径转向、蟹行、横移等),具备更好的动力性、操纵性和主动安全能力,代表了先进车辆研究的前沿和重要的发展方向之一。底盘操纵控制是AWID/AWIS车辆的核心技术之一,其中,具有全轮独立驱动(AWID)特性车辆的前轮转向控制(FSC)问题是一个重要研究方向,本文对此控制问题进行研究,开发相应的控制算法,并进行仿真与验证。论文研究思路主要分为4部分:第一部分阐述车辆动力学协调控制的基本思想,建立动力学协调控制体系结构。在该部分中,将AWID车辆看作为一种具有驱动冗余的移动机构,分析了冗余驱动系统的特性及优点;在此基础上,结合冗余系统性质以及研究现状,设计一种车辆动力学混合式控制体系结构,论述控制体系各部分之间的关系,给出车辆动力学协调控制的技术路线。第二部分研究车辆车体动力学的稳定控制问题。建立车辆动力学模型,对影响车辆动力学稳定性的各主要因素进行分析;然后给出一种基于“前馈+最优状态反馈”策略的车体(整车)动力学稳定性控制方法,以及实现车辆动力学协调控制的总驱动力和总横摆力矩。第三部分研究基于轮胎力的最优分配算法。论文以经典的数学优化为主要理论基础,借鉴冗余驱动机器人和航天、航空器等控制领域的最新研究成果,开发了分别基于梯度投影优化算法、基底排序优化算法和Lemek优化算法的三种有约束多目标轮胎力最优分配算法。论文重点对待分配的期望总驱动力/力矩和分配后实际产生的总驱动力/力矩之间的误差问题进行了分析研究,以力/力矩匹配精度为主要评价指标,比较了所开发的三种分配算法的性能,并指出优选算法。第四部分是基于轮胎力最优分配的车辆动力学协调控制方法的仿真和验证,进行车辆动力学协调控制仿真研究,并对不同条件下的控制效果加以比较分析,验证控制方法的有效性。论文所获成果可为AWID/AWlS车辆的研发提供理论基础和关键技术支撑,也可推广用于非AWID/AWIS车辆的动力学控制和主动安全控制。

全文目录

摘要  8-10
ABSTRACT  10-12
第一章绪论  12-19
  1.1 车辆控制技术发展  12-14
  1.2 全轮独立驱动独立转向车辆发展现状  14-15
  1.3 课题研究目的和意义  15-16
  1.4 课题研究前景  16-17
  1.5 本文的主要研究内容及章节安排  17-19
第二章车辆动力学协调控制分析与体系结构设计  19-25
  2.1 车辆动力学协调控制的基本思想  19-20
    2.1.1 车辆动力学控制系统特征  19
    2.1.2 冗余驱动控制  19-20
  2.2 车辆动力学协调控制体系结构设计  20-24
    2.2.1 运动控制器设计  23
    2.2.2 控制分配器设计  23-24
    2.2.3 控制体系结构框图  24
  2.3 本章小结  24-25
第三章车体动力学的稳定性控制  25-46
  3.1 稳定性控制目标  25-26
    3.1.1 纵向动力学指标  25
    3.1.2 横向动力学指标  25-26
  3.2 车辆动力学模型  26-40
    3.2.1 车辆坐标系  26-28
    3.2.2 线性二自由度车辆模型  28-35
    3.2.3 车辆参考模型  35-40
  3.3 前馈及最优状态反馈控制策略  40-44
    3.3.1 前馈控制  40-41
    3.3.2 线性二次型最优控制  41-44
  3.4 总驱动力和总横摆力矩计算  44-45
    3.4.1 总驱动力计算  44-45
    3.4.2 总横摆力矩计算  45
  3.5 本章小结  45-46
第四章轮胎力最优分配算法研究  46-76
  4.1 优化算法简介  46-47
  4.2 优化算例形式  47-51
    4.2.1 各种约束综合  47-48
    4.2.2 算例形式  48-51
  4.3 梯度投影优化算法  51-61
    4.3.1 算法原理  51-52
    4.3.2 算法步骤  52-53
    4.3.3 算法实现  53-54
    4.3.4 算法性能分析  54-61
  4.4 基底排序优化算法  61-68
    4.4.1 算法原理  61-62
    4.4.2 算法改进  62-63
    4.4.3 算法步骤  63-64
    4.4.4 算法性能分析  64-68
  4.5 Lemek优化算法  68-75
    4.5.1 算法原理  68-70
    4.5.2 算法实现  70-71
    4.5.3 算法步骤  71-72
    4.5.4 算法性能分析  72-75
  4.6 本章小结  75-76
第五章全轮独立驱动车辆系统仿真与分析  76-87
  5.1 全轮独立驱动车辆仿真系统结构  76-78
    5.1.1 仿真车辆参数  76
    5.1.2 MATLAB/Simulink仿真模型  76-77
    5.1.3 仿真工况  77-78
  5.2 全轮独立驱动车辆仿真及性能分析  78-86
    5.2.1 J型转弯(J-turn)仿真  78-82
    5.2.2 移线(shift)仿真  82-86
  5.3 本章小结  86-87
第六章总结与展望  87-88
  6.1 论文工作总结  87
  6.2 后续工作展望  87-88
参考文献  88-93
致谢  93-94
攻读学位期间论文发表及项目参与  94-95
学位论文评阅及答辩情况表  95

全轮独立驱动车辆动力学协调控制方法研究

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