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四轮独立驱动独立转向电动汽车控制与协调方法研究

高琳琳  
【摘要】:基于轮毂电机与转向电机的四轮独立驱动、四轮独立转向(Four-wheel independent driving and Four-wheel independent steering,4WID-4WIS)电动汽车是一种全新的电动汽车形式。与传统汽车相比,该种类型的电动汽车在车辆节能控制、操纵稳定性控制等方面具有无可比拟的优势。同时,这也意味着4WID-4WIS电动汽车动力学控制系统需要全新的研究与设计,设计的优劣将对整车性能产生至关重要的影响。本文以4WID-4WIS电动汽车为研究对象,基于改善汽车操纵稳定性的前提,针对四轮转向(Four-wheel steering,4WS)系统、4WIS系统、4WID系统的控制方法以及4WID系统与4WIS系统的协调策略进行深入研究。具体研究内容包括以下几个方面:(1)搭建了包括车体动力学模型、GIM轮胎模型、驱动系统模型以及转向系统模型在内的4WID-4WIS电动汽车动力学仿真模型,同时提出了一种基于横摆角度跟踪的驾驶员模型。针对整车动力学模型进行测试分析,验证模型的合理性,为后文中控制策略的研究奠定基础。(2)针对4WS系统,利用收敛速度快、不易陷入局部极小的径向基函数(Radial basis function,RBF)神经网络,设计了4WS系统的RBF神经网络控制器。针对设计的RBF神经网络控制器,分别采用―直接离线训练‖和―离线训练在线修正‖两种不同方法进行训练。直接离线训练中提出了一个“前馈+反馈”训练数据采集单元,用于训练数据的采集。离线训练在线修正法中设计了一个闭环训练系统和一个RBF神经网络辨识器,前者用于离线训练,后者用于在线修正。仿真试验表明,RBF神经网络控制器在汽车质心侧偏角的控制方面具有较好的控制效果,而对于横摆角速度的控制却有所欠缺,这与4WS系统的控制输出单一,无法同时很好地满足两个控制指标的本质有关。(3)为克服4WS系统的缺陷,进行了4WIS系统的研究。利用线性二次型(Linear-quadratic regulator,LQR)最优控制理论,设计4WIS系统的模型跟踪LQR控制器。随后,从车辆动力学角度出发,分析4WIS系统的转向动力学特性,以提高轮胎侧向力利用率为前提,提出一种基于车辆转向状态的4WIS系统车轮转角分配策略。利用LQR控制参数与控制输出之间的对应关系,将4WIS系统车轮转角分配策略映射为LQR控制参数调整策略。借助专家控制思想与遗传优化算法,设计了基于专家控制和遗传优化的LQR参数调节器;借助模糊控制逻辑,设计了基于模糊控制的LQR参数调节器。将设计的两个参数调节器分别与模型跟踪LQR控制器结合,构造变参数LQR(Varying parameter LQR,VLQR)控制系统。仿真试验表明,设计的两个VLQR控制系统均能在4WIS系统中取得良好的控制效果,可同时满足质心侧偏角与横摆角速度两项指标,且对于强侧向风一类侧向干扰也具有很好的抑制能力。(4)设计了包括车速控制功能和辅助转向功能的4WID控制系统,并针对4WID系统与4WIS系统间的协调策略进行了研究。对于4WID系统与4WIS系统可能相互干涉的转向工况,依据4WIS系统的车轮转角分配策略,提出了一种既不影响4WIS系统性能也不影响行驶车速的辅助转向附加转矩分配策略,实现4WID系统辅助转向功能的同时,完成4WID系统与4WIS系统间的协调控制。此外,对于汽车的驱动防滑问题,设计了一个基于滑移率门限值的驱动防滑控制器,进一步完善了4WID-4WIS协调控制系统功能。仿真试验结果表明,4WID-4WIS协调控制系统在汽车稳定性提高、极限工况车道保持、驱动防滑等方面均能取得很好的控制效果,对于车辆行驶安全性的提升效果显著。(5)搭建了包括NI PXI实时系统硬件、交流伺服电机及其驱动器、角度传感器、数据采集卡、加速/制动踏板、方向盘、光电编码器以及上位PC机在内的硬件在环试验平台。针对搭建的硬件在环仿真试验平台以及设计的4WID-4WIS协调控制系统进行测试,结果表明试验平台运行良好,可用于4WID-4WIS电动汽车动力学控制方法、系统的实时环境仿真试验分析。设计的4WID-4WIS协调控制系统在实时环境下依然具有较好的控制效果,能够有效地改善汽车的操纵稳定性和行车安全。


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