冗余执行机构电动汽车主动安全控制策略研究

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线控转向和轮毂电机技术为电动汽车的发展带来了全新的空间,四轮独立驱动独立转向(4WIS-4WID)配备的电动汽车可大幅提升整车动力学性能,同时由于系统执行机构数量大于被控对象数量,系统存在冗余问题,使得传统底盘控制方法难以适应。本文在沈阳市科学计划项目“电动汽车双馈全驱差速及操纵稳定性控制关键技术研究”(F12-277-1-11)的资助下,针对执行机构冗余的特点,设计并研究了电动汽车的主动安全控制系统。首先,在MATLAB/Simulink中建立了4WIS-4WID电动汽车模型。其中包括整车动力学模型,轮胎模型以及驱动,制动,转向机构模型。并与车辆动力学仿真软件Carsim中的标准车辆模型进行了仿真对比,验证了车辆模型的有效性。其次,分析了前轮转向车辆模型的局限性,在此基础上针对4WIS-4WID电动汽车存在冗余执行机构的特点,设计汽车主动安全控制系统,系统采用分层结构自上而下控制与路面附着系数反馈相结合的方式,在跟踪驾驶员意图的同时,保证了系统在特殊工况以及突发情况下对车辆进行必要的干预。系统上层由驾驶员意图辨识模块和整车动力学控制器组成,通过理想二自由度车辆模型将驾驶员的输入转换为车辆运行所需要的纵向速度,侧向速度和横摆角度,并通过非线性系统精确线性化和前馈补偿的方式,输出整车运行所需的纵向合力,侧向合力和横摆合力矩给定。系统下层为轮胎力分配控制层,采用二次规划的方法,以最小化跟踪整车动力学控制器输出误差和执行机构输出为目标,以多边形逼近轮胎摩擦圆约束为约束,分配四轮纵向合力和侧向合力。同时,利用轮毂电机转矩可测的特点,在控制力矩的同时反馈路面附着系数,使系统适应特殊工况。最后,分析了两种使控制系统失效的工况,对控制系统进行了改进。在高速大转向工况下,引入消除轮胎力干涉的目标函数,使轮胎力的利用率达到最佳。在某一执行机构出现故障时,通过对故障进行评估并利用执行机构冗余的特点,对系统可控状态进行重构,使系统重新实现对车辆的有效控制。
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