电动助力转向系统转矩控制策略

对电动助力转向控制系统的综合控制策略进行了理论分析,依据控制时机选择控制模式来确定目标转矩,从而实现转向控制.为改善汽车转向轻便性和路感,设计了在无角度传感器的情况下以转向盘转矩为控制目标的电动助力转向系统.在分析电动助力转向系统数学模型的基础上,建立了基于Simulink的电动助力转向系统仿真模型,进行了仿真分析.仿真结果表明:所设计的电动助力转向系统,在改善转向轻便性和路感的同时,控制性能不受系统参数变化的影响,具有稳定的转向盘转矩特性;目标转矩的控制采用PID调节器,应用力矩传感器检测转矩和电机作用转矩来估算转向盘角度,不同的转向盘角度采用不同的助力比,更符合驾驶员的驾驶习惯,使转矩调节更平稳.     

改善人-车综合性能的变传动比反馈方法

为了提高驾驶员、车辆组成的人-车闭环系统的综合性能,提出一种变传动比反馈方法.根据车速与转向盘转角设计了模糊控制的变传动比策略,仿真表明该策略产生的传动比变化平滑,能改善驾驶员疲劳指标.将该策略与横摆角速度反馈结合,形成基于模糊控制的变传动比反馈方法.采用该方法在车辆模拟器上进行2种车速下的双移线试验和蛇形试验.结果表明：该方法与横摆角速度反馈或定传动比控制相比更加有效,转向盘的转角变化范围最小,降低了驾驶员疲劳程度,同时保证了车辆操纵的稳定性,使得人-车综合性能指标得到了明显改善.     

参数不确定混沌系统的动态面输出调节方法

针对一类严参数反馈形式混沌系统,研究含有未知参数向量的线性中性稳定外系统驱动下的输出调节问题.根据非线性系统输出调节问题可解的必要条件,将严参数反馈混沌系统的输出调节问题转化为镇定问题.在前n-1步递推中,通过采用动态面控制设计虚拟控制律,简化了控制律设计的复杂性;第n步应用内模原理,结合自适应技术,设计输出调节控制器.应用Lyapunov稳定性理论,证明跟踪误差全局一致终结有界.仿真结果验证了控制方案的有效性.     

基于串级MPC和EPS的集成驾驶员转向车道线保持

针对电动助力转向( EPS)作为转向执行机构的车道线保持的控制系统设计及保留驾驶员对车辆操控问题,提出基于串级模型预测控制( MPC)和EPS集成驾驶员转向的车道线保持系统. 在车道线识别视觉系统空间,建立车道线保持状态空间模型,设计基于MPC的车道线保持控制器( LMPC) . 建立EPS状态空间模型,设计基于MPC的EPS车辆前轮转角控制器( EMPC) . LMPC与EMPC经逆转向机构模型组成串级控制结构. 分析驾驶员转向对车道线保持控制的影响,进而通过保留驾驶员对车辆控制来提高处理紧急事件的能力. 仿真结果表明:在不同车速和不同曲率道路下,该控制策略均能快速消除横向位置偏差和航向角偏差,保证车辆沿着车道线行驶,具有较好的适应性和鲁棒性. 驾驶员转向可以改善车道线保持和提高车辆主动安全性.     

基于MPC的自动驾驶车辆横向路径跟踪控制

由于驾驶技能、生理极限等原因,人工驾驶员在转向操作中存在响应迟滞、动作超调等问题,控制性能优良的自动驾驶车辆可以改善上述问题。设计了一种基于模型预测控制(MPC)的自动驾驶车辆横向路径跟踪控制器。基于预瞄跟随理论建立了最优侧向加速度的驾驶员转向模型,以分析驾驶员方向盘操作中预瞄时间和车速对车辆跟踪参考路径的影响。基于模型预测控制算法设计了车辆横向路径跟踪控制器,利用反馈校正机制改进车辆预测模型,以处理参数不完全确定和外部干扰对模型精度带来的影响;采用松弛因子对目标函数进行处理,以保证目标函数具有可行解;进一步地,将所设计的模型预测控制器每一步的优化求解转化为带约束的二次规划问题,利用模型预测控制滚动优化的特点,求解跟踪参考路径所需的方向盘转角,作用于自动驾驶车辆。实验结果表明:预瞄时间和车速对驾驶员操控车辆跟踪参考轨迹的影响较大,MPC控制器下的车辆实际行驶轨迹与参考轨迹之间的最大横向偏差为0.085 m,小于熟练驾驶员操控的车辆,同时,MPC控制器下的车辆转向起始时刻相对于熟练驾驶员操控的车辆提前0.89 s。     

转向盘式六足机器人设计及全方位运动控制

基于转向盘的全方位步行机器人综合了腿式机器人与车辆方向盘的结构特征,为了对其运动性能及运动控制进行系统研究,介绍了该机器人的设计思想、机构特色及运动原理.建立了该机器人的等效操作臂模型,给出操作臂的雅克比矩阵,推导出操作臂在关节空间和笛卡尔空间下的动力学方程,以此给出了转向系统的非线性闭环控制模型.基于Adams与Matlab/Simulink对机器人全方位运动进行了PID联合控制仿真,并对样机模型进行了实验研究.结果表明:转向盘式步行机器人在全方位运动控制方面灵活性好,方向精度高,控制简单可靠.     

四轮转向汽车二次型最优控制策略研究

采用汽车的“自行车”模型,建立了四轮转向汽车的数学模型,基于二次型最优控制理论求得最优控制反馈增益,最后在MATLAB／Simulink环境下搭建仿真模型进行仿真,并与前轮转向汽车以及传统的前后轮转角成比例的四轮转向车辆进行对比分析．分析表明,基于最优控制的四轮转向车辆能够很快地将汽车的质心侧偏角降到基本为零,又能保证横摆角速度基本不变,提高汽车的行驶安全性和操纵稳定性,同时又保证了驾驶员原有的转向感觉,减轻了驾驶员的操纵难度和疲劳程度．     

基于类脑情感学习回路模型的两点预瞄驾驶员转向模型

为建立一个与真实驾驶员行为规律更加一致的驾驶员转向模型,借鉴心理学、生理学及类脑计算的研究成果,建立了基于大脑情感学习回路的两点预瞄驾驶员转向模型,解决了以往驾驶员模型在车辆速度大跨度变化自适应能力差的问题。为了解决该驾驶员模型对车辆参数变化较大时自适应能力不足的问题,通过横摆动力学模型建立了内部参考模型,基于Narendra稳定自适应控制建立自适应转向模型。仿真结果表明,所建立的驾驶员转向模型具有良好的道路跟随能力和转向平顺性,应对车辆纵向速度和参数变化体现了较强的自适应能力。     

采用力反馈技术的毛笔建模

将力反馈技术引入虚拟绘制过程,提出一种新的毛笔建模方法,实时仿真中国书画绘制过程中毛笔变形和笔纸之间的水墨传输过程.通过中心骨架和表面两层结构构建毛笔几何模型.采用弹簧振子模型仿真力作用下毛笔中心骨架弯曲变形和毛笔表面变形,实现力对毛笔变形的动态控制.通过毛笔水墨量实时计算方法仿真书画绘制过程中笔纸之间的水墨传输过程.基于硬件组件HPxw8600工作站和Phantom Desktop力反馈设备,构建带有力反馈技术的虚拟绘制系统.在该系统中,用户通过Phantom Desktop力反馈设备实现实时绘制,增强了虚拟绘制过程的真实感.     

基于PMSM的线控转向系统路感控制策略

为保证线控转向系统中转向轮的信息准确传递到方向盘及使驾驶员获得良好的路感,设计了一种基于永磁同步电机(PMSM)的线控转向系统。采用PMSM作为本系统路感模拟电机和转向执行电机,研究了基于PMSM的线控转向系统路感控制方案,建立了线控转向系统和PMSM的数学模型;利用解耦控制思想,分析转向执行电机q轴电流与转向阻力矩的关系,利用电动助力转向系统助力特性,获得方向盘回正力矩。考虑到线控转向系统低速回正不足、高速回正超调以及无机械限位等因素,对方向盘回正力矩进行修正最终推导得出路感力矩,给驾驶员提供路感反馈。仿真和实验结果表明:提出的路感控制策略在路感模拟和回正控制上具有工程可行性。     

EPS用PMSM弱磁控制方法与实现

针对汽车在紧急避障等工况下,驾驶员快速转方向盘时手感沉重问题,根据电动助力转向系统用永磁同步电机调速,设计超前角弱磁控制方法。电机转速在基速以下时采用id=0控制,电机在高转速下用弱磁控制,并用Matlab/Simulink进行了系统仿真验证。仿真结果表明,本弱磁控制方法能够有效地减少方向盘转矩,提高电机转速。     

汽车转向的力输入控制与角输入控制及其对驾驶员-汽车闭环系统的影响

讨论了与两种不同转向控制策略相应的人－车闭环系统的运动特征，即通过给转向盘施加转向力矩或使转向盘转过一定角度来实施其转向的策略。仿真计算表明，当不足转向度小的汽车高速行驶时，驾驶员采用给转向盘施加转向力矩的控制策略具有更小的跟随误差，并且校正参数的变化范围也小得多，这说明采用此策略对车况的改变有更好的适应性。     

衰减转向盘冲击力矩的电动助力转向控制

针对汽车经过凸块或不平路面时导致转向盘上产生过大冲击力矩给驾驶员带来不适感的问题,通过建立电动助力转向动力学模型估计折算到转向小齿轮上的路面冲击力矩,最终确定出路面冲击补偿电流,用以衰减由路面冲击而产生的转向盘冲击力矩。实车试验结果表明,本文方法能够在不增加电动助力转向系统元件的基础上,有效衰减转向盘冲击力矩,有较好的实际应用价值。     

用于电动轮驱动汽车的差动助力转向

根据电动轮汽车的各轮独立驱动特点,提出一种针对电动轮汽车的新型助力转向方式。着重讨论了差动助力转向的基本原理和可行性。应用Matlab及Simulink建立了整车和转向系模型,给出了目标扭矩分配的特性曲线及左右转向轮的扭矩输出的控制算法,并进行了仿真验证。结果表明:对于电动轮驱动汽车,所提出的差动助力转向方法满足了转向轻便和驾驶路感要求,可以在保留传统机械转向系的前提下,成功应用于四轮独立驱动的电动汽车,提高电动轮汽车整车性能优势并降低成本。     

基于模型预测的车辆稳定控制

利用三自由度车辆模型设计了模型预测控制器,发动机力矩PI控制器和制动力矩模糊控制器。并针对制动单移线转向行驶典型工况进行了仿真验证,结果表明,所设计的车辆稳定性控制器具有良好的控制效果,能够明显的改善车辆操纵稳定性;开发的制动力矩算法能够充分利用各个车轮的制动力,使得在发动机力矩改变和主动制动压力等输入都较小的情况下,获得较好车辆操纵稳定性。     

爆胎汽车电动助力转向系统补偿力矩算法

针对电动助力转向(EPS)系统可以根据汽车运动状态和驾驶员输入自由设计助力转向力矩的特点,研究了爆胎汽车EPS系统补偿力矩算法。通过建立EPS系统模型和爆胎动力学模型,计算爆胎产生的方向盘冲击力矩,在EPS系统助力转向电流基础上加入补偿电流,从而衰减冲击力矩。通过仿真试验对爆胎补偿力矩算法进行分析和验证,结果表明控制算法可以有效地对爆胎产生的方向盘冲击力矩进行补偿,减少驾驶员由于爆胎产生的不适感。     

自行车机器人动力学建模与MIMO反馈线性化

基于拉格朗日方法建立了自行车机器人的1种多输入多输出动力学模型．为了达到使自行车机器人保持自平衡的目的，将车把转动角度、车体倾倒角度和后轮转动速度作为系统输出；将转动车把的力矩、调节质心的力矩和后轮的驱动力矩作为系统输入．从而构建了1个具有3个输入、3个输出的仿射非线性系统．基于多输入多输出仿射非线性系统的输入输出线性化理论对其进行分析，通过精确线性化得到了等效的线性系统．对该等效线性系统进行了分析，并通过状态反馈实现了极点配置．通过计算机仿真验证了该控制律的有效性．     

新型电动车电子差速控制策略研究

为了提高驱动轮独立控制的轮式电动车(EV)的转向控制性能，提出了新颖的电子差速控制策略.该控制策略参考路面状况和轮胎偏转率，采用比例控制估算每个驱动轮在转向时的目标滑移率，基于每个驱动轮的滑移率分配转矩，指出轮式驱动不宜采用车轮速度作为控制量，进而采用鲁棒性好的开关控制实施转矩控制.并构建了用于样车的基于DSP2407的电子差速控制系统.仿真和实验研究表明，相比于传统的机械差速器，采用新的控制策略后，提高了控制系统的鲁棒性和稳定性，车辆具有更佳的转弯性能和控制响应.     

一种基于分形修正PID算法的弹上舵机控制器

针对某型号弹上舵机采用的小型稀土力矩电机与谐波减速器的组合结构方案,设计了一种基于分形几何度量变化率特征的增量比例-积分-微分控制器.该控制器考虑了谐波传动随速度波动和低阻尼特点,以提高舵机系统控制品质为目标,从传动过程在一定的尺度范围内具有参数自相似性的特征出发,利用了线性模型与分形模型所表达的规律性之间存在的固有互补性,用反馈信号短时分形维数估计舵机实际转角与电机驱动力之间的相背离程度,并利用这个估计函数修正比例-积分-微分输出值.实验表明,该舵机系统对25°阶跃响应时常数小于100 ms,20 Hz,±15°振幅条件下的频率响应相位延时小于20°,定位精度优于0.06°,半振荡次数小于两次.     

Control Research for a Small Fixed-Wing UAV During Ground Taxiing

小型固定翼无人机地面滑跑控制

高九州^1,2,贾宏光¹

（1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所;2.中国科学院大学）

创新点说明：

本文建立了无人机地面滑跑过程中的起落架机轮模型,并将系统非线性模型解耦为横向运动和纵向运动,重点研究了横向滑跑运动的航向和偏距的纠偏控制。

根据滑跑过程中横向运动的模型特征,提出了自适应内模控制算法,将该算法用于横向滑跑控制,非线性系统仿真给出滑跑纠偏控制的策略,半物理试验验证全系统工作的协调性和控制系统的有效性。

研究目的：

解决固定翼无人机滑跑起降过程引起航向和偏距过大的问题,放宽了滑跑起降对跑道宽度的要求,降低了因横向侧偏过大引起起降事故的概率。

研究方法：

（1）建立起落架机轮模型;

（2）非线性模型解耦,提取滑跑空速、侧滑角和航向角为状态变量,建立滑跑过程横向运动的线性模型;

（3）以自适应和内模控制理论为基础,针对被控模型的特点,提出自适应内模控制算法;

（4）非线性系统仿真给出滑跑纠偏控制的策略,半物理试验验证全系统工作的协调性和控制系统的有效性。

结果：

（1）横向滑跑纠偏控制策略是空速小于20m/s时采用前轮进行纠偏,空速大于20m/s时采用方向舵进行纠偏控制;

（2）纵向控制策略,当空速小于33.33m/s时,通过升降舵保持前后轮压力比,当空速大于120m/s时,通过升降舵使无人机瞬间增大俯仰角,达到离地起飞的目的。

（3）在航向偏差10°,偏距2m的条件下或横向风场8m/s的条件下,控制系统横向纠偏控制效果明显,并经半物理试验验证了全系统工作的协调性与控制系统有效性。

结论：

所设计的控制系统具有良好的控制效果,通过半物理试验验证了全机系统工作的协调性,为进一步飞行试验奠定了理论基础,所设计的控制算法具有一定的工程实用价值。

关键词：地面滑跑,起落架机轮模型,自适应内模控制,控制策略,半物理试验