三轴车辆全轮转向滑模控制器设计

为深入研究三轴全轮转向车辆的动力学行为,建立了考虑车轮非线性特性和车辆载荷变化的整车模型。为提高三轴全轮转向车辆的操纵稳定性,以三轴双前桥转向车辆横摆率和零质心侧偏角为理想跟踪目标,基于滑模变结构控制理论,设计了三轴车辆全轮转向滑模控制器。对比了双前桥转向车辆、零质心侧偏角比例控制全轮转向车辆和滑模控制全轮转向车辆在不同工况下的响应性能,结果表明：设计的全轮转向滑模控制器可将车辆质心侧偏角控制在较小范围,能很好地跟随车辆理想横摆角速度,同时还能够较好地抵抗侧向风和路面条件变化的干扰。为深入研究三轴全轮转向车辆的动力学行为,建立了考虑车轮非线性特性和车辆载荷变化的整车模型。为提高三轴全轮转向车辆的操纵稳定性,以三轴双前桥转向车辆横摆率和零质心侧偏角为理想跟踪目标,基于滑模变结构控制理论,设计了三轴车辆全轮转向滑模控制器。对比了双前桥转向车辆、零质心侧偏角比例控制全轮转向车辆和滑模控制全轮转向车辆在不同工况下的响应性能,结果表明：设计的全轮转向滑模控制器可将车辆质心侧偏角控制在较小范围,能很好地跟随车辆理想横摆角速度,同时还能够较好地抵抗侧向风和路面条件变化的干扰。     

基于李雅普诺夫和相平面图的车辆失稳机理研究

为了提高分布式驱动无人驾驶平台的操纵稳定性,基于李雅普诺夫第一法和相平面图对车辆的失稳机理进行了系统的分析.首先建立基于Fiala轮胎模型的非线性二自由度车辆动力学模型;然后对车辆非线性系统平衡点进行求解并分析;最后在不同工况下分析车辆的质心侧偏角和横摆角速度相平面图,并对稳定性条件和失稳机理进行了分析.研究结果表明:当车轮转向角小于分叉点对应的转向角度时,车辆能够很好地执行驾驶意图;当车轮转向角大于分叉点对应的角度,则稳定平衡点消失,从而导致车辆失稳.该方法为车辆稳定性分析提供了理论依据.     

三轴车辆全轮转向控制系统研究

以三轴全轮转向车辆为对象进行了转向控制系统分析,建立了三轴车辆转向二自由度单轨模型,利用MATLAB/Simulink,基于零质心侧偏角控制目标,分别采用定前后轮转角比控制方法和模糊控制方法进行了转向控制系统时域仿真,并与前两轴转向车辆进行了对比.结果表明:采用全轮转向技术,减少了车辆低速转向时的转向半径,提高了高速转向稳定性.     

一种基于数据融合的全轮驱动车辆质心侧偏角估计方法

为准确估计全轮电驱动车辆行驶状态参数,设计了一种基于数据融合的质心侧偏角估计方法。该方法充分利用低成本普通车载传感器信息、电机输入信息和驾驶信号,在建立非线性3自由度 车辆模型和轮胎模型基础上,采用无迹卡尔曼滤波算法对质心侧偏角进行估计;同时通过信号积分法估计质心侧偏角,结合车辆行驶工况和路面条件,将无迹卡尔曼滤波和信号积分两种算法结果进行了数据融合。基于硬件在环实时仿真平台进行了车辆操纵仿真验证,结果表明,提出的估计算法与单一估计算法相比,具有更高的观测精度,能够满足多种行驶工况下的质心侧偏角观测需求。     

基于侧偏特性的车辆转弯直径精确计算方法

车辆设计之初一般采用阿克曼原理进行车辆最小转弯直径的计算,由于其未考虑轮胎侧偏特性,导致计算结果误差较大.针对该问题,提出了一种考虑轮胎侧偏特性的车辆转弯直径计算方法,以某四轴越野车辆为研究对象,开展理论公式推导,根据轮胎试验数据拟合得到轮胎侧偏刚度,完成转弯直径的计算.与实车试验数据进行对比分析,结果表明:该方法计算误差小,能够准确计算车辆的转弯直径.     

四轮转向汽车操纵稳定性分析

建立了二自由度四轮转向汽车模型的动力学方程,对其进行系统的理论分析得出了四轮转向汽车的质心侧偏角、横摆角速度、侧向加速度与前轮转角的传递函数.基于某四轮转向样车,对以零质心侧偏角为控制目标的前后轮转角比例四轮转向车辆的操纵动力学进行了仿真分析,将仿真结果与前轮转向车辆进行对比,阐明了四轮转向车辆的性能优势.研究结果可为评价四轮转向车辆的设计提供理论依据.     

三轴全轮转向车辆水平集成控制研究

为提高三轴全轮转向车辆高速操纵稳定性,提出了全轮转向和横摆力矩的水平集成控制方法,分别设计上层协调控制器以及下层执行控制器。基于建立的18自由度车辆模型、轮胎载荷分配模型和Dugoff非线性轮胎模型,对车辆低附着路面转向和紧急避障转向工况进行了仿真研究。仿真结果表明：设计的水平集成控制器可以较为显著地提高车辆的操纵稳定性和主动安全性,能够实现对理想模型的良好跟踪。     

考虑侧偏的汽车低速转向研究

通过对汽车低匀速等半径转向过程受力的研究,分析、计算了前驱和后驱汽车在转向过程中,转向轮受到的侧向作用力及因此引起的侧偏角,修正了低匀速等半径转向时阿克曼定理,分析了侧偏力对稳态转向特性及前轮转向中心分布轨迹的影响。     

轮毂电机驱动车辆双重转向直接横摆力矩控制

针对某型8轮轮毂电机驱动车辆,设计一种基于直接横摆力矩控制的双重转向控制方法,建立车辆双轨2自由度动力学模型,研究包含滑移转向工况的车辆参考模型,并对滑移转向比采用基于车速与路面附着条件的模糊调节。为平衡横摆角速度控制与质心侧偏角限制之间的矛盾,在控制模型中,以横摆角速度作为直接控制变量,以质心侧偏角作为约束量,采用滑模变结构控制算法计算期望的横摆力矩,横摆力矩分配过程中采用预分配与驱动防滑控制相结合的分配策略。利用硬件在环实时仿真平台对所提出的双重转向控制算法进行分析验证,仿真结果表明：采用双重转向控制,能有效提高车辆转向的机动灵活性和操纵稳定性,对于提高轮式装甲车辆战场生存能力具有重要意义。     

计及车身弯曲变形和车轮侧偏的转向系统研究

通过分析车身的纵向弯曲变形对赛车转向的影响,得出提高车身纵向弯曲刚度能减小因车身的弯曲变形而产生的侧偏角,提高转向时的操纵稳定性.运用有侧偏转向的阿克曼理论设计赛车的转向系统参数并运用Matlab中非线性最小二乘函数进行优化,使得内、外车轮的转角变化情况与考虑侧偏的理论阿克曼公式接近,轮胎的侧滑量为最小,从而提高了赛车在弯道中的操纵稳定性.     

轮式车辆速差转向过程的转向阻力特性

研究了轮式速差转向车辆的转向阻力特性,运用离散单元方法(DEM)分析速差转向过程中轮胎与地面的相互作用,使用PFC2D软件建立轮胎侧向离散元细观仿真模型,得到转向阻力与相对滑移速度、下陷深度的数值关系.在此基础上,给出了轮胎转向阻力系数的拟合公式.仿真结果表明,轮胎推土阻力远大于轮胎与地面之间的摩擦力.     

轮毂电机驱动汽车直接横摆力矩控制研究

根据横摆角速度和质心侧偏角与汽车操纵稳定性之间的关系,以质心侧偏角和横摆角速度为控制目标进行车辆操纵稳定性控制,搭建了整车七自由度模型,通过二自由度模型获取轮毂电机驱动汽车横摆角速度和质心侧偏角的参考值;在此基础上,设计了一种轮毂电机驱动汽车直接横摆力矩控制策略,应用模糊控制方法构建了横摆力矩模糊控制器,得出为保证车辆稳定所需的附加横摆力矩,以轮胎利用率最小为优化目标,进行转矩优化分配,最后通过仿真验证了所提出的控制策略的有效性.     

人-车-路闭环系统下的车辆稳定性研究

使用MATLAB/Simulink软件,采用"魔术公式"轮胎模型,建立了7自由度的整车动力学仿真模型;结合单点预瞄最优曲率驾驶员模型,研究了人-车-路闭环系统下的车辆电子稳定性系统.通过仿真实验表明:在闭环系统下,车辆电子稳定性系统可以较好地控制汽车的横摆角速度和质心侧偏角,提高车辆主动安全性.     

自主驾驶车辆紧急避障的路径规划与轨迹跟踪控制

为减少道路突发事故,提高车辆通行效率,需要研究车辆的紧急避障以实现自主驾驶。基于车辆点质量模型,设计了非线性模型预测控制（MPC）路径规划器;基于车辆动力学模型,设计了线性时变MPC轨迹跟踪器。在路径规划层引入避障功能函数,通过车辆与障碍物的距离调节函数值大小,综合避障函数权重和路径偏差权重,规划出一条既能避开障碍物又使路径偏差最小的临时轨迹。在轨迹跟踪层,利用该临时轨迹和航向角偏差作为车辆主动转向控制参考量,将线性时变MPC优化问题转化为二次规划问题,计算满足车辆动力学约束的前轮转向角最优解。结果表明：所设计的双层MPC紧急避障控制策略对低速(60 km/h)、中速(80 km/h)、高速(100 km/h)行驶车辆有很强的适应性,高速行驶时最大质心侧偏角不超过1.0°,最大航向角偏差不超过2.5°,车辆横向稳定性良好,随着车速增大,车辆避障响应时刻提前;在多车连续避障场景中,自主驾驶车辆的质心侧偏角和航向角偏差均能控制在较小范围内,在多目标连续避障的路径规划和轨迹跟踪问题上同样具有很好的控制效果。     

硬质路面条件下履带车辆转向模型分析及验证

履带车辆与地面之间的作用关系复杂,基于地面剪切位移的方法通常会用到对时间和位置的积分,模型较为复杂,无法直接应用到车辆的实时控制算法中。通常情况下,履带车辆转向分析会将接地压力看作连续线性分布或者多矩形分布,但是试验和计算结果均表明硬质土壤条件下,履带接地压力为多峰值分布,前述两种分布均不能体现接地压力的真实状态。本文针对上述问题,在前人研究的基础上,对履带接地压力分布进行求解,提出了履带车辆接地压力简化模型。该简化模型更符合硬质路面履带接地压力的真实状态,并被应用于履带车辆转向动力学分析与验证。利用J.Y.Wong提出的垂向负载-剪切位移变化关系解决了垂向压力变化的同时剪切位移计算的问题,提出了履带车辆转向分析模型(以下简称分析模型),试验结果表明该模型有较高的精度。但是其复杂度仍然较高,为了进一步简化模型,借鉴轮式车辆轮胎侧偏角和滑转率的概念,利用履带车辆履带-地面剪切位移关系推导了简化履带车辆动力学模型(以下简称简化模型)。该模型避免了复杂的积分或者求和,显著降低了履带车辆动力学模型的复杂度,能够应用于基于模型的无人驾驶履带车辆轨迹控制方法中,且模型精度接近前述履带车辆转向分析模...     

一种自主车辆横向运动状态估计的方法

采用非线性三自由度单轨模型和考虑轮胎侧偏特性的非稳态轮胎模型,建立了用于状态估计的非线性状态方程.结合自主车辆的现有传感器配置,梳理了横向运动状态的观测(输入)和估计(输出).基于扩展卡尔曼滤波提出了横向运动状态估计的方法,开发了状态估计算法,实现了基于MATLAB/Simulink的离线状态估计平台.最后,通过对典型工况的仿真模拟以及对样车数据的离线回放验证了算法性能.试验结果表明算法能够合理、有效、准确地估计自主车辆行驶过程中的横摆角速度、横向速度、横向加速度、路面附着系数等横向运动状态,对车辆质量、转动惯量、路面附着系数的变化具有较好的鲁棒性.     

侧倾角对机械弹性车轮刚度及接地特性的影响

为提高车辆行驶的安全性,对一种新型非充气式机械弹性安全车轮在不同侧倾角工况下的刚度特性及接地特性进行了研究。在充分考虑輮轮体层合结构基础上,基于有限元法建立了包含橡胶材料的不可压缩性、大变形及车轮与地面接触非线性等特征的机械弹性车轮三维有限元模型,并通过加载试验对模型进行了精度验证。将车轮刚度特性及侧倾接地特性的仿真和试验结果进行对比,分析了侧倾角对车轮垂向刚度、下沉量、接地印迹及压力分布等特征的影响。结果表明：车轮的垂向刚度随侧倾角的增大而减小;侧倾角的存在加剧了车轮胎肩部位的应力集中,使接地区域压力分布的均匀性变差。研究结果为分析机械弹性车轮侧倾特性、輮轮胎面的不均匀磨损及其结构优化等提供了参考。     

液压驱动装甲履带车辆转向特性仿真研究

为准确分析某液压驱动装甲履带车辆转向动态特性,在对液压驱动装甲履带车辆转向行驶理论分析的基础上,运用Matlab/Simulink软件平台建立系统转向仿真模型。对车辆在中等半径转向、小半径转向以及修正转向3种转向工况的动态响应特性进行仿真分析,得到了各种转向工况的车辆动态特性以及车辆在各种转向工况下允许的最高车速。仿真结果表明,车速的变化对转向系统压力影响显著。     

基于转矩优化分配的分布式电动车辆横摆力矩研究

针对分布式电驱动车辆的操纵稳定性问题,设计了一种基于直接横摆力矩的分层控制策略.上层车辆运动控制器采用模糊控制策略,以二自由度模型为参考对象跟随期望状态下的横摆角速度和质心侧偏角,制定出维持车辆稳定行使所需要的纵向力和横摆力矩;下层基于轮胎负荷率最小的目标优化函数,参考电机和路面附着限制,采用加权最小二乘法将转矩合理分配至8个车轮.为与基于规则的平均分配方法进行对比,利用TruckSim和Matlab/Simulink完成了车辆在2种工况下的联合仿真,结果表明:模糊控制策略能对车辆目标状态进行良好跟踪,转矩优化分配方法能更好地跟随参考状态,降低车轮转矩和轮胎负荷率,提升车辆的稳定性.     

8×8分布式电驱动装甲车辆稳定性直接横摆力矩与转矩矢量控制

为提高车辆的行驶稳定性,发挥轮毂电机驱动的优势,提出一种8×8分布式电驱动轮式装甲车辆直接横摆力矩与转矩矢量控制方法。建立车辆的线性二自由度模型,求得期望横摆角速度和质心侧偏角。设计一种分层控制器：上层控制器为协调横摆角速度和质心侧偏角,采用滑模控制对两个变量的控制输出分别进行计算,并设计加权函数,得到横摆力矩输出;下层控制器将8个车 轮按轴分为4组矢量,根据横摆力矩和纵向力需求,按照转矩矢量合成的方法得到各轮转矩。实时仿真实验结果表明,该控制方法能合理分配车轮转矩,有效控制横摆角速度,提高车辆的行驶稳定性。