● 摘要
随着道路交通的发展以及汽车技术的进步，车辆的行驶工况变得日益复杂与多变，一般的驾驶员不能很好地应付各种复杂而危险的工况，由此产生了大量的交通事故和人员伤亡，这使得车辆的主动安全问题成为人们最关心的话题。在各类交通事故中，由于车辆在极限或各种恶劣工况下失稳引起的事故也日益增多。因此，为了提高车辆的操纵稳定性，尤其是为了应付紧急和危险工况，人们提出了车辆动力学控制的概念，通过优化轮胎与路面间的相互作用来提高车辆的行驶安全性和操纵稳定性。车辆动力学控制是指为了提高车辆的行驶安全性、操纵稳定性和乘坐舒适性而对行驶车辆进行各方向的运动控制，包括纵向、侧向和垂向三个方向的平动以及横摆、侧倾和俯仰三个方向的转动。(1). 研究了四轮转向/驱动车辆的解耦控制问题。首先，考虑线性模型的渐近解耦控制。基于简单的横摆角速度反馈，可以实现侧向速度、横摆角速度的渐近解耦，并且可以在既定的速度范围内任意配置闭环系统的极点。同时，H∞优化的解耦控制可以提高系统的动态性能，降低系统瞬态时侧向速度、横摆角速度的耦合效应。其次，研究非线性车辆模型的解耦控制问题。采用类线性化的技巧化简原始模型，它保留了原始模型固有的非线性耦合特性，包括加速/制动力、转向角和车辆状态之间的耦合。通过选取纵向加速/制动力和转向角速度作为控制输入，设计了近似解耦控制器，使得系统在稳态时是解耦的，而且近似解耦需要较小的控制输入。为了得到系统的完全解耦，选取虚拟控制输入，设计了输入输出解耦控制器，可以得到更简单的解耦子系统。同时，针对系统的特点，设计了两种不同的观测器来估计车辆状态。最后，给出了仿真结果来验证解耦控制器的有效性。(2). 采用纵向和侧向联合的控制策略，研究了四轮转向/驱动车辆的路径跟踪、路径保持控制问题。车辆在加速/制动和转向联合工况下，由于大的加速/制动力、低附着路面的影响导致轮胎力饱和，从而产生路径偏离和车轮侧滑现象。从理论上讲，车轮侧滑与其联合侧偏的幅值相关，而车轮联合侧偏由纵向侧偏和侧向侧偏两个元素组成，且它们是相互耦合的，共同刻画轮胎/路面间的相互作用。由于车轮动态远快于车体动态，基于奇异扰动理论，首先考虑静态的联合侧偏，将车轮动态由类稳定状态代替，然后采用线性矩阵不等式（LMI）方法抑制车辆的路径偏离和车轮侧滑。其次，考虑动态的联合侧偏，即车轮动态和车身动态联合的控制策略。基于分层控制策略实现不同尺度空间下系统的联合控制，上层控制器分配理想的力和力矩，从而完成车辆的路径跟踪任务；动态优化的思想用于中间层控制器，输出理想的纵向、侧向侧偏值；最后，基于车轮动态模型得出所需的车轮制动力矩。同时，考虑路面摩擦参数的不确定性，基于Lyapunov函数方法给出参数的自适应律，并保证参数的收敛性和闭环系统的稳定性。(3). 基于车辆运动学模型，设计了估计车辆纵向和侧向速度的非线性自适应观测器，同时实时的辨识路面摩擦参数，因而该观测器对路面参数的变化比较敏感。路面摩擦模型采用单参数的非线性模型，并且基于Lyapunov函数方法设计了摩擦参数的自适应律。该观测器采用标准的车辆传感器测量技术，即横摆角速度、加速度、车轮转速和转向盘转角的测量。考虑到车轮纵向和侧向力的耦合效应，纵向和侧向加速度同时用来设计自适应观测器。可以证明在满足一致δ 持续激励条件下，此观测器是一致全局渐近稳定的。进一步，可以得到局部一致指数稳定性。最后仿真结果验证了观测器的性能，即使在低摩擦路面。(4). 考虑车辆的侧倾稳定性，研究了车辆主动悬架系统的鲁棒控制问题。由于车辆在行驶过程中，悬架系统的性能可能受簧载质量、阻尼比以及衰减率等时变参数和机械元件时滞影响，因此，我们设计了车辆主动悬架系统的鲁棒H∞ 控制器，使得闭环系统在执行器时滞和参数摄动的情形下是鲁棒稳定的。为了验证控制器的性能，选取四分之一悬架模型进行仿真，结果表明该控制器能够有效地抑制路面扰动，提高车辆的行驶安全性和乘坐舒适性。