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车辆稳定性控制系统的研究与实现

作　者: 李继来
导　师: 梁华为
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 模式识别与智能系统
关键词: 汽车操作稳定性车辆稳定性控制质心侧偏角横摆角 scilab/scios 硬件在环测试
分类号: U463.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

汽车的操纵稳定性是指汽车能够按照驾驶员的操作意图行驶,并且在当遭遇外界干扰时,汽车能抵抗干扰而保持稳定行驶的能力。汽车稳定性控制系统在转向过程中,根据驾驶员的操作判断驾驶员的转向意图,并且结合当前汽车行驶的状态判断车辆是否已经出现失稳的状态或者可能会出现失稳的状态。如果失稳或者可能出现失稳的情况则通过调整车轮上的制动力或驱动力分配,从而调节汽车的横摆运动,提高汽车的操纵稳定性。80年代中叶以来,随着支持控制系统的计算机与传感器、执行机构的迅速发展,各汽车公司陆续开发、生产了多种显著改善操纵稳定性的电子控制系统。最初的汽车稳定性控制的概念是在ABS和ASR的基础上加以算法上的改进,使之能部分解决汽车的稳定性问题,是在ABS和ASR基础上的改进。在上世纪90年代初,通过对车辆稳定性的理论分析,提出了直接对汽车横摆运动进行控制的概念(如DYC: Direct Yaw Moment Control)。目前车辆稳定性控制系统的关键技术仅掌握在国外少数几家公司手中。在我国加入WTO之际国内对汽车关键技术的掌握严重滞后,汽车产业面临严峻考验,我们有必要对一些新的技术进行进深一步的研究,本文在大量调研的基础上,开展以下几个方面的研究工作:首先从车辆稳定控制系统的定义入手,结合当前的国内外研究现状,介绍开展此项研究工作的必要性。在目前已有的车辆模型的基础上,采用汽车二自由度双轨模型作为汽车动力学行为仿真模型,汽车二自由度单轨模型作为汽车稳定性参考模型,在现代控制理论的范围内研究车辆稳定性控制算法、控制策略。在理论研究的基础上,针对基于Kalman滤波器状态估计的车辆稳定性控制方法的研究结果,设计车辆稳定性控制系统的控制器软、硬件系统。在嵌入式系统平台上实现车辆稳定性控制器。车辆稳定性控制系统在实验的过程中具有一定的危险性,直接进行实车实验可能会造成人员伤亡以及财产损失。因此,在实车实验之前,针对车辆稳定性控制系统的特点,搭建基于scilab/scicos环境的车辆稳定性控制系统的硬件在环测试环境,从而验证控制系统的安全性与可靠性。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-10
第1章绪论  10-16
  1.1 课题的研究背景及意义  10
  1.2 主动安全技术及车辆稳定性控制的发展、现状及趋势  10-12
  1.3 汽车横向稳定性控制的原理  12-14
  1.4 本文的主要研究内容  14-16
第2章汽车动力学模型  16-28
  2.1 汽车动力学系统及其建模仿真概述  16-17
    2.1.1 汽车动力学系统概述  16
    2.1.2 汽车动力学建模、仿真方法概述  16-17
  2.2 整车动力学模型及动力学分析  17-19
    2.2.1 车辆坐标系和参数描述  17-18
    2.2.2 整车力学特性及整车动力学模型  18-19
  2.3 轮胎模型  19-24
    2.3.1 轮胎坐标系  20-21
    2.3.2 H.B.Pacejke 轮胎模型（魔术公式）  21-24
  2.4 汽车稳定性控制系统液压系统模型及制动器模型  24-28
    2.4.1 液压系统模型  24-26
      2.4.1.1 增压模型  24-25
      2.4.1.2 减压模型  25
      2.4.1.3 保压模型  25-26
    2.4.2 制动器模型  26-28
第3章车辆稳定性控制方法与控制策略的研究  28-44
  3.1 车辆稳定性控制原理  28-34
    3.1.1 车辆稳定性控制基本原理  28-29
    3.1.2 车辆稳定性控制基本状态变量的选取  29-33
      3.1.2.1 横摆角速度对于车辆稳定性的表征  30-31
      3.1.2.2 质心侧偏角对于车辆稳定性的表征  31-33
    3.1.3 车辆稳定性控制车辆失稳的判定  33-34
  3.2 车辆状态的确定  34-38
    3.2.1 车辆状态的检测方法  34-35
    3.2.2 Kalman 滤波器状态估计  35-36
    3.2.3 kalman 状态估计在车辆稳定性控制上的应用  36-38
  3.3 车辆稳定性控制方法与控制策略  38-44
    3.3.1 用于车辆稳定性控制的控制理论  38-39
    3.3.2 最优控制理论  39-40
    3.3.3 基于kalman滤波的车辆稳定性控制器的设计  40-44
      3.3.3.1 控制器结构  40
      3.3.3.2 车辆模型及运动学微分方程  40-41
      3.3.3.3 参考模型确定  41
      3.3.3.4 前馈控制器设计  41-42
      3.3.3.5 Kalman 滤波器  42
      3.3.3.6 反馈控制器  42-44
第4章车辆稳定性控制器硬件实现  44-60
  4.1 系统总体方案  44-47
    4.1.1 系统总体需求分析  44
    4.1.2 车辆状态检测功能模块  44-46
    4.1.3 车辆姿态控制模块  46
    4.1.4 车辆执行机构驱动模块  46
    4.1.5 系统总体方案设计  46-47
  4.2 系统功能模块实现  47-55
    4.2.1 嵌入式系统主处理器  47-49
    4.2.2 模拟信号采集模块电路  49-50
    4.2.3 方波（轮速）信号采集电路  50-51
    4.2.4 CAN 通信接口硬件设计  51-52
    4.2.5 电源模块  52
    4.2.6 执行机构驱动模块  52-53
    4.2.7 协处理器模块  53-54
    4.2.8 驱动仲裁模块  54-55
  4.3 电路系统电磁兼容性设计及抗干扰设计  55-60
    4.3.1 电磁兼容性设计的内容及方法  56-57
    4.3.2 电源抗干扰设计  57
    4.3.3 PCB 布线抗干扰设计  57-60
第5章车辆稳定性控制系统仿真与结论  60-70
  5.1 汽车电子产品开发方法概述  60-62
    5.1.1 传统汽车电子产品开发方法  60-62
    5.1.2 V-模式开发方法  62
  5.2 车辆稳定性控制系统计算机辅助仿真  62-68
    5.2.1 scilab/scios 在控制系统仿真中的应用  63
    5.2.2 基于scilab/scicos 的车辆稳定性控制系统硬件在环仿真  63-65
    5.2.3 车辆稳定性控制系统硬件在环测试系统的软件组成  65-68
      5.2.3.1 汽车动力学行为仿真软件  65-66
      5.2.3.2 车辆稳定性控制器控制软件  66-67
      5.2.3.3 信号发生以及数据采集软件  67-68
  5.3 硬件在环仿真实验  68-70
第6章结论与展望  70-72
参考文献  72-75
致谢  75-76
在读期间发表的学术论文与取得的研究成果  76

车辆稳定性控制系统的研究与实现

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