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《吉林大学》 2012年
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四轮独立线控电动汽车试验平台搭建与集成控制策略研究

陈国迎  
【摘要】:四轮独立线控电动汽车是一种全新的电动车辆形式,它继承了轮毂电机驱动电动汽车的所有优点,同时将车辆转向系统从传统机械转向机构中解放出来,形成一种全线控的四轮可独立驱动\独立制动\独立转向的先进车辆。与传统车辆相比,它具有更多的可控自由度,因此可以实现常规车辆无法完成的原地转向、斜行以及横向移动等特殊功能,极大的提高车辆的机动性能。同时,通过对整车动力学集成控制系统的设计,可以实现车轮转向、驱动、制动的协调控制,从而可以确保车辆每个轮胎具有最大附着裕度,提高整车的操纵稳定性。四轮独立线控电动汽车代表了未来车辆的发展方向,是目前车辆领域的研究热点之一。 本文依托国家自然科学基金项目“线控汽车底盘控制方法和关键技术研究”(编号:50775096)和“线控转向系统操纵杆及其双向控制方法研究”(编号:51105165),在已有相关研究成果基础上,针对四轮独立线控电动汽车的试验平台和驱动/制动/转向系统集成控制方法展开深入研究,包括四轮独立线控电动汽车整车架构和控制系统开发;四轮独立线控电动汽车底盘集成控制问题中所需状态信息的估算算法研究;四轮独立线控电动汽车驱动/制动/转向集成控制策略研究以及相关试验验证。论文研究工作的具体内容如下: (1)基于全电控方案搭建了四轮独立线控电动汽车试验平台,并设计了全车控制系统和整车CAN通讯网络应用层协议。 本文首先对四轮独立线控电动汽车试验平台的功能需求进行分析,在此基础上,确定了平台整车结构设计方案,并据此开发出线控四轮独立电动车辆。车辆采用四个轮毂电机、四个电磁制动器和四个力矩电机分别作为整车的驱动、制动和转向系统的执行部件,所有子系统间通过CAN总线进行信息交互。基于整车结构方案,利用模块化设计方法对整车控制系统进行了设计与实现。设计过程中将其划分为传感器单元,整车控制单元以及底层执行单元三个子模块,各子模块在设计中,除了着重考虑其单元功能外,融入了容错控制思想,以提高整个系统可靠性。除此之外,本文还构建了整车的网络架构,并参照SAEJ1939协议建立了全车的CAN总线应用层通讯协议,以便于新的子系统融入整车网络,增强系统的可扩展性。 (2)结合四轮独立线控电动汽车的特点,研究并建立了基于Unscented卡尔曼滤波(简称UKF)理论的车辆状态估算算法。 为解决集成控制中车辆状态信息缺失的问题,本文展开了对四轮独立线控电动汽车状态估算方法的研究。首先建立了包含纵向、侧向和横摆在内的三自由度四轮车辆估算模型,同时结合纵向力计算模型和基于单轨模型的轮胎侧向力模块,根据四轮轮毂电机电动车轮可以精确获得各车轮转速和力矩的特点,设计了UKF状态估算器,并基于四轮电动车辆模型对其进行了仿真与分析。为减小侧向力估算误差和整车质量变化对估算精度的影响,本文对UKF状态估算器进行了改进,引入了HSRI轮胎模型和整车质量估算部分。改进后的估算算法利用四轮电动车辆模型进行了仿真验证。分析结果表明,估算算法提高了估算精度,同时作为状态量的整车质量也会迅速收敛到真实值。 (3)结合分层控制思想,建立了基于有约束模型预测控制算法的驱动/制动/转向集成控制策略。 本文结合四轮独立线控电动汽车四轮纵向力和侧向力独立可控的特点,基于分层控制思想设计了驱动/制动/转向的集成控制策略。集成控制策略划分为集成控制层和有约束控制分配层,单独对其进行设计。集成控制层以跟踪参考模型纵向车速、侧向车速及横摆角速度为目标,基于具有反馈校正特征的模型预测控制算法进行设计,优化计算车辆的整车控制力(矩)即纵向合力、侧向合力及附加横摆力矩,优化过程考虑执行器和路面附着条件引起的约束问题。控制分配层则以优化各车轮轮胎附着裕度为目标,对集成控制层输出的整车控制力(矩)进行四个车轮的优化分配,计算出各车轮的纵向驱动力和车轮转角。针对约束条件中存在的非线性约束问题,为简化计算求解过程,控制分配层分解为等式约束优化和不等式约束优化两个部分进行求解。利用四轮独立电动车辆模型进行的仿真验证结果来看,所开发的集成控制策略可以有效跟踪理想目标,同时各车轮具有近似相等的轮胎附着裕度。 (4)首先对开发的四轮独立线控电动汽车试验平台进行功能性验证,基于该平台对本文提出的状态估算算法和集成控制策略进行实车场地试验验证。 本文选取直线加速工况、四轮转向工况以及原地转向和蟹行两种特殊工况,对四轮独立线控电动汽车试验平台的功能性和可靠性进行验证。其中四轮转向工况可以综合检验驱动、转向及传感器系统的性能。试验效果和数据的分析结果表明,四轮独立线控电动汽车试验平台所有系统均工作正常。基于该试验平台,选取具有加速和大转角转向过程的复合工况对提出的状态估算算法进行了试验验证。试验结果表明,纵向车速估计值具有有较高的估算精度,而由于侧向车速很低,估算精度受噪声和模型误差影响更大一些。最后,对集成控制算法进行了多工况下实车验证。试验结果表明,集成控制算法很好的解决了试验平台直行跑偏的问题,在大转角工况下通过驱动力矩和车轮转角集成控制,可以较好的跟踪目标车速和横摆角速度。 通过本文的研究工作,主要取得如下创新成果: (1)建立了基于全线控技术的四轮独立电动汽车试验平台。试验平台综合线控技术的优势,可以实现四轮转向,蟹行转向和原地转向等多种工作模式。整车控制系统架构采用模块化设计思想,着重考虑了系统的扩展性和可靠性。子系统的设计除了考虑其单元功能外,融入了自身的容错功能。 (2)针对四轮独立线控电动汽车四个车轮轮速和力矩可以精确获得的特点,建立了基于Unscented卡尔曼滤波理论的车辆状态估算算法。估算算法采用了HSRI轮胎模型作为轮胎侧向力估算单元,同时将质量作为状态量引入到状态估算过程中,有效的提高了估算精度,并实现了整车的质量参数估算。 (3)结合分层控制思想和四轮独立线控电动汽车四轮纵向力和侧向力独立可控的特征,建立了基于有约束模型预测控制的驱动/制动/转向集成控制策略。为减小模型误差对控制效果的影响,集成控制层基于反馈校正特征的模型预测控制进行设计,同时考虑了执行器和路面附着的约束。控制分配层以各轮胎负荷率最低为优化目标,优化分配四个车轮的纵向力和车轮转角。
【学位授予单位】:吉林大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:U469.72;U467

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