A nonlinear sideslip observer design methodology for automotive vehicles based on a rational tire model

In this paper we develop a nonlinear vehicle sideslip observer design that is based on a nonlinear lateral dynamics vehicle model. In doing so we utilize a novel simplified rational tire model to compute the lateral wheel forces. This tire model is significantly simpler than the well known Magic Formula (in terms of the number of model parameters), yet it provides sufficient detail over a wide range of operating conditions for the purpose of estimating the sideslip angle. The input to the nonlinear observer are typical signals that are available within lateral stability control systems, which include vehicle speed, steer angle, lateral acceleration and yaw rate measurements. In our analysis, we assume the road friction to be a known parameter. We utilize a recent theorem from the literature and show that the suggested nonlinear state estimator a) is asymptotically stable for the case where the observer makes use of the exact tire model, b) is stable (in the sense of Lyapunov) providing uniformly bounded error dynamics for the case where it makes use the proposed rational tire model to approximate the exact tire model. Finally, we provide numerical simulations to demonstrate the efficacy of our nonlinear observer based estimation technique under varying road friction conditions.     

具有滞后非线性的汽车悬架中的混沌

研究了具有滞后非线性的单自由度汽车悬架在发生路面单频正弦激励下的受迫振动时的混沌运动。采用位移和速度三次方的数学模型,描述汽车悬架中的滞后非线性阻尼力。对运动微分方程进行无量纲化后。利用Mel-nikov方法给出了发生混沌运动的临界条件,并进行了数值模拟。分析了非线性阻尼力中的各系数对混沌的影响,并通过Poincare截面、相轨迹、时间历程和功率谱图及Lyapunov指数,揭示出在此类系统中存在混沌运动。     

基于模糊PID算法的汽车半主动悬架振动控制

选择了某微型汽车悬架的磁流变减震器为研究对象,运用汽车动力学理论建立了1/4汽车半主动悬架控制系统动力学模型,基于模糊PID控制算法设计了模糊PID控制器.车辆在不同路面输入谱和不同行驶速度下,以悬架的簧载质量加速度、悬架动挠度和轮胎动载荷3个基本参数来表征磁流变半主动悬架系统的振动特性,运用Matlab/Simulink软件对该悬架系统进行仿真研究,仿真结果表明,当汽车在不同等级的路面上行驶时,随着车速的提高,采用模糊PID控制半主动悬架汽车的簧载质量加速度和悬架动挠度的幅值相对于被动悬架均明显减小,表现出了良好的控制效果.轮胎动载荷与被动悬架的幅度大体相当,偶尔还比被动悬架幅值高,但综合来看,模糊PID控制器能更好地减小汽车振动,进一步提高汽车的乘坐舒适性.结果同时也说明了模糊PID控制具有很好的鲁棒性.采用磁流变减振器的半主动悬架系统有效地改善了汽车乘坐舒适性和操纵稳定性.     

非线性轮胎侧向力对汽车转向稳定性的影响

为分析轮胎侧向力对汽车转向稳定性的影响,建立了非线性轮胎侧向力模型并通过四自由度整车动力学模型计算了不同车速下汽车质心侧偏角、车身侧倾角和前轮转角响应。基于ADAMS的虚拟试验和实车试验结果表明：汽车高速转向行驶时,非线性轮胎侧向力模型能更准确地反映出汽车运动状态的响应,各状态响应的平均绝对误差能控制在相应状态幅值的10%以内。研究结果对汽车稳定性控制系统的设计具有理论指导意义。     

同侧耦连油气悬架车辆平顺性分析

针对同侧耦连油气悬架对多轴车辆行驶平顺性的影响,建立同侧耦连油气悬架液压系统模型和整车与油气悬架耦合动力学模型。开展油气悬架台架试验,验证了油气悬架模型的正确性。安装同侧耦连油气悬架和独立悬架车辆在随机路面输入下进行了行驶平顺性仿真分析,并对同侧耦连油气悬架车辆平顺性进行参数化分析。结果表明,随机路面输入下,同侧耦连油气悬架各油缸刚度特性一致,因此车身俯仰角较独立悬架较小,且能够平衡各轴轮胎动载荷;随着车速的增加,车身质心加权加速度和轮胎动载荷均呈增加趋势,但车身质心加权加速度在车速为50~60 km/h过程中稍有下降,在车速为60~80 km/h过程中基本保持不变;蓄能器静平衡初始体积减小,刚度增大,车身质心加权加速度随蓄能器静平衡初始体积减小呈增大趋势,但在车速为60~80 km/h过程中不同初始体积对加速度影响不同,蓄能器静平衡初始体积变化对轮胎动载荷影响不明显。     

自适应神经模糊推理的方向驾驶员模型研究

以方向驾驶员模型为研究对象,讲解了自适应神经模糊推理系统的原理和结构,并基于自适应神经模糊推理系统建立了一种两输入单输出的方向驾驶员模型.输入变量是道路参考线到预瞄点的横向偏差和道路参考线与车辆X轴之间面积偏差,输出是车辆方向盘转角.首先,通过车辆动力学仿真软件Carsim获取车辆的仿真数据.其次,自适应神经模糊推理系...     

Statistical Linearization on 2 DOFs Hydropneumatic Suspension with Asymmetric Non-linear Stiffness

Most references on hydropneumatic suspension analysis regard it as harden Duffing spring and take the white noise as the system input, which is quite different from real physical model. It will introdu...     

对接路面轮胎瞬态侧偏特性研究

对接路面轮胎瞬态侧偏特性对于车辆方向稳定性至关重要。通过仿真与试验的手段研究对接路面轮胎瞬态侧偏特性及其机理。建立用于对接路面轮胎瞬态侧偏特性仿真的轮胎模型,通过考虑胎体复杂弹性变形,并将印迹区域内胎面单元离散处理,得到轮胎滚动过程中胎面单元的变形特性,推导出基于胎面变形的轮胎力和力矩的一般表达式。利用高-低附对接路面台架试验数据对模型进行了验证。通过仿真研究对接路面轮胎瞬态侧向力和回正力矩特性,深入分析对接路面轮胎瞬态侧偏力学特性机理以及轮胎胎体弹性、轮胎侧偏角和摩擦因数阶跃幅值对这一特性的影响。分析结果表明,胎体侧向平移刚度对侧向力松弛特性影响很显著。胎体平移刚度越大,侧向力松弛长度越短。研究工作有助于对接路面工况轮胎瞬态特性半经验建模以及车辆在对接路面上的方向稳定性分析和相关控制策略开发。     

人-车闭环中电动助力转向系统的基本特性分析

建立详细的四自由度电动助力转向(EPS)系统机械电气模型,考虑Fiala轮胎模型和二自由度整车模型,引入以转向盘输入角为反馈信号的驾驶员模型,构建装备EPS系统的人-车非线性闭环系统模型。采用模糊控制器确定目标电流并通过PID控制和脉冲宽度调制(PWM)实现其跟踪控制,构建电流闭环控制,并采用基于非线性控制设计(NCD)的单纯形自寻优法对参数进行优化。通过仿真计算,以转向盘输入转矩以及整车的横摆角速度、侧向加速度为指标,研究分析了EPS系统在人-车非线性闭环系统中的基本特性。     

新能源汽车主动四轮转向稳定性控制技术

针对无法在不同环境下改变控制规则，导致对汽车控制时获得的横摆角速度、质心侧偏角、车轮转角与理想模型偏差大，车身侧倾角大，存在控制性能差的问题，提出新能源汽车主动四轮转向系统稳定性控制方法。构建了汽车横向动力学模型、垂直运动模型、运动状态方程以及路面输入模型，设计了自适应模糊控制器，将可调因子引入自适应模糊控制器中，使控制器可以适用于不同环境，完成新能源汽车主动四轮转向系统的稳定性控制。实验结果表明，所提方法应用后，可实现汽车主动四轮转向系统稳定性控制。     

汽车操纵稳定性仿真用轮胎模型的研究

介绍了四种常见的车辆操纵稳定性仿真用轮胎模型,即简单非线性轮胎模型、半经验公式轮胎模型、魔术公式轮胎模型和分析轮胎模型。通过对含上述四种轮胎模型的车辆动力学系统进行C级不平路面上转向盘角阶跃输入仿真试验,结果表明车辆系统响应总体趋势一致。以简单非线性轮胎模型为例,对比了车辆在水平路面与正弦路面上的响应,分析了不平路面的频率和幅值及车速对车辆操稳性的影响。     

基于AMESIM的油气悬架系统控制仿真分析

根据井下无轨胶轮车的结构和工作原理,建立的油气悬架的非线性数学模型,利用AMESIM软件建立了油气悬架的虚拟样机模型。论述了油气悬架模型的建立、车辆半主动模糊控制策略及其在油气悬架上的实现。最后进行了油气悬架模糊控制系统的仿真和结果分析,并做出结论和建议。     

极限工况下无人驾驶车辆运动规划策略研究

针对无人驾驶车辆在极限工况下的运动规划问题,提出一种适应极限工况的无人驾驶车辆运动规划策略。首先,建立了准确描述车辆运动的动力学模型,并采用修正的非线性轮胎模型反映轮胎与不同路面之间的动力学特性;其次,提出一种基于安全制动距离的自适应势场模型,以适应极限工况下外界条件与车辆参数的变化;再次,考虑到车辆在极限工况下易发生横向失稳,设计出横向稳定性指标(Lateral stability index,LSI)作为关键优化参数,并展开车辆横向稳定性分析;然后,基于模型预测控制方法(Model predictive control,MPC),将极限工况下的运动规划问题转化为多目标优化问题;最后,构建出PreScan-Simulink-CarSim联合仿真平台,并在冰雪路面等多种极限工况下对所提出的运动规划策略进行了验证。仿真结果表明,该策略有效提升了无人驾驶车辆在极限工况下的安全性与稳定性。     

基于模糊逻辑的AFS／DYC集成控制策略研究

文中所研究的汽车动态控制系统是基于模糊逻辑控制的主动前轮转向（AFS）和直接横摆力矩控制（DYC）的集成。控制系统采用分层控制。上层使用模糊逻辑控制器（横摆角速度控制器）,输入为横摆角速度偏差及其变化率,其输出为直接横摆力矩控制信号和前轮修正转向角;下层（模糊集成控制器）设计了基于轮胎侧向力工作区的模糊逻辑控制器,通过调整前轮侧向力的方向,激活切换函数来调节模糊逻辑控制器的比例因子。仿真结果表明,使用非线性七自由度车辆模型,与单独的AFS或DYC控制器相比较,使用集成AFS／DYC控制系统,汽车操纵稳定性得到了很大的改善。     

基于综合控制的多轴车辆电控液压转向系统

针对某8×2重型货车,建立了阀控缸的二自由度多轴车辆转向动力学模型。使用门限阈值控制及基于RBF神经网络的PID在线整定控制方法,以操纵稳定性和轮胎磨损最优为控制目标,在MATLAB/Simulink中进行仿真,得到了20km/h和50km/h时横摆角速度、质心侧偏角、侧向加速度在第一轴转角阶跃输入下的时域响应,并进行了bode图的频域分析。同时对比了开环控制、PID控制、RBF神经网络整定PID控制下,第三轴转角在行驶及原地转向时的阶跃时域响应。仿真结果表明,车辆具有较好的操纵稳定性和轮胎抗磨性。     

Study on modeling of vehicle dynamic stability and control technique

In order to solve the problem of enhancing the vehicle driving stability and safety,which has been the hot question researched by scientific and engineering in the vehicle industry,the new control method was investigated.After the analysis of tire moving characteristics and the vehicle stress analysis,the tire model based on the extension pacejka magic formula which combined longitudinal motion and lateral motion was developed and a nonlinear vehicle dynamical stability model with seven freedoms was made.A new model reference adaptive control project which made the slip angle and yaw rate of vehicle body as the output and feedback variable in adjusting the torque of vehicle body to control the vehicle stability was designed.A simulation model was also built in Matlab/Simulink to evaluate this control project.It was made up of many mathematical subsystem models mainly including the tire model module,the yaw moment calculation module,the center of mass parameter calculation module,tire parameter calculation module of multiple and so forth.The severe lane change simulation result shows that this vehicle model and the model reference adaptive control method have an excellent performance.     

人-椅8自由度车辆系统的平顺性和稳定性研究

文中在Matlab/Simulink中搭建了人-椅8自由度车辆系统仿真模型,在仿真分析时考虑汽车前、后轮之间的延迟性,以路面随机信号作为输入激励,研究了汽车平顺性的时频特性,且分别通过4个轮胎的输入激励研究了汽车的稳定性.研究结果表明:路面输入为随机信号时,车身垂直加速度,车身俯仰角加速度,人-椅垂直加速度,前、后悬架...     

基于遗传优化的无人车横向模糊控制

以视觉导航式无人车DLUIV-1为控制对象,对其进行横向运动控制研究。建立视觉导航式无人车横向运动控制系统模型,对无人车的横向运动行为进行描述。在此基础上,分析预瞄距离对横向控制系统动态性能的影响,并建立考虑速度因素的预瞄距离计算公式。针对无人车具有非完整运动约束、高度非线性动态特性以及参数的不确定性等特点,提出基于遗传算法的无人车横向模糊控制策略,通过遗传算法对横向模糊控制器的隶属度函数参数和控制规则的自动优化,从而有效地确定出横向模糊控制器的隶属度函数和控制规则。最后通过仿真和实车试验对该横向模糊控制器进行验证和评价,仿真和试验结果表明,该横向控制器可保证无人车稳定准确地跟踪参考路径,且具有较强的鲁棒性。     

Vehicle Planar Motion Stability Study for Tyres Working in Extremely Nonlinear Region

Many researches on vehicle planar motion stability focus on two degrees of freedom(2DOF) vehicle model, and only the lateral velocity (or side slip angle) and yaw rate are considered as the state variables. The stability analysis methods, such as phase plane analysis, equilibriums analysis and bifurcation analysis, are all used to draw many classical conclusions. It is concluded from these researches that unbounded growth of the vehicle motion during unstable operation is untrue in reality thus one limitation of the 2DOF model. The fundamental assumption of the 2DOF model is that the longitudinal velocity is treated as a constant, but this is intrinsically incorrect. When tyres work in extremely nonlinear region, the coupling between the vehicle longitudinal and lateral motion becomes significant. For the purpose of solving the above problem, the effect of vehicle longitudinal velocity on the stability of the vehicle planar motion when tyres work in extremely nonlinear region is investigated. To this end, a 3DOF model which introducing the vehicular longitudinal dynamics is proposed and the 3D phase space portrait method is employed for visualization of vehicle dynamics. Through the comparisons of the 2DOF and 3DOF models, it is discovered that the vehicle longitudinal velocity greatly affects the vehicle planar motion, and the vehicle dynamics represented in phase space portrait are fundamentally different from that of the 2DOF model. The vehicle planar motion with different front wheel steering angles is further represented by the corresponding vehicle route, yaw rate and yaw angle. These research results enhance the understanding of the stability of the vehicle system particularly during nonlinear region,and provide the insight into analyzing the attractive region and designing the vehicle stability controller, which will be the topics of future works.     

分布式电驱动车辆的无味粒子滤波状态参数联合观测

针对目前分布式电驱动车辆动力学领域中存在的状态参数观测体系不完善、观测精度低的问题,利用分布式电驱动车辆多信息源的特点,提出无味粒子滤波状态参数联合观测方法。基于非线性车辆动力学模型对分布式电驱动车辆的纵向速度、质心侧偏角、横摆角速度及各轮侧向力进行联合观测。同时,为提高侧向力的观测精度,采用非线性动态轮胎模型。在完成模型搭建的基础上,考虑到所搭建的车辆动力学模型具有强非线性,设计适用于强非线性模型的无味粒子滤波器对多个状态变量进行联合观测。而为进一步提高状态观测精度,进行量测噪声协方差的自适应调节。仿真和试验结果表明,所提出的状态观测方法能够提高分布式电驱动车辆状态参数观测精度和鲁棒性。