基于分布式驱动的线控底盘汽车集成及轨迹跟踪控制研究

作     者：申泽宇 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：郑宏宇

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 082304[工学-载运工具运用工程] 080204[工学-车辆工程] 0802[工学-机械工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：车辆动力学 线控底盘 模型预测控制 集成控制 轨迹跟踪控制 

摘      要：传统汽车经历过一个多世纪的发展已经趋于完善,但是由于市场对于车辆的性能要求不断提升,传统车辆上机械结构的局限性使得整车性能很难再有较大的提升。近些年,随着驱动电机和底盘线控、智能算法等技术不断发展,未来车辆线控化、电动化和智能化已经成为发展趋势。同时,车辆各项性能的提升也是减少交通事故、降低污染,以及提高驾驶安全性、舒适性的有效途径。本文以分布式驱动线控底盘车辆为研究对象,该类型的结构是将分布式线控驱动和分布式线控底盘技术相结合,取消了大部分的机械连接,车辆上的四个车轮上配备有轮毂或轮边驱动电机,四轮独立线控转向和四轮独立线控制动等,使得该结构的车辆具有更高的可控自由度,适于采用底盘集成控制技术,可以有效的控制车辆转向、驱动/制动系统执行器,充分发挥车辆的各项性能。同时,分布式驱动线控底盘车辆的硬件配置也是实现车辆无人化驾驶的有利条件。依托于国家重点研发计划项目——多系统高效集成轮毂电机行动模块与整车转矩矢量分配技术(2021YFB2500703),本文基于分布式驱动线控底盘车辆,主要研究了底盘集成控制算法以及车辆在无人驾驶条件下的轨迹跟踪控制算法。综上,本文的主要研究内容如下:(1)建立车辆动力学模型。为研究分布式驱动线控底盘车辆的动力学特点,并为集成控制算法和轨迹跟踪控制算法提供开发基础,建立了四轮独立转向和驱动的车辆动力学仿真模型。该模型能够反映车辆纵向、侧向、横摆运动之间的耦合关系以及四个车轮的转向/驱动运动特性。最后,对车辆模型的精度进行了简单对比验证。(2)基于分布式驱动线控底盘车辆,设计底盘集成控制算法。设计的集成控制算法采用了包含集中控制层、轮胎力分配层和执行器控制层在内的分层控制架构。集成控制层以车辆纵向车速、横向车速和横摆角速度运动状态为控制目标,采用模型预测控制算法,求解出为响应驾驶员指令所需要的控制量,即车辆运动所需的总力、总力矩;轮胎力分配层是将在上层计算得到的总合力/力矩分配至四个车轮的横纵向共八个独立的控制量。这里考虑采用最优控制方法将轮胎力分配问题转化为二次规划问题,以轮胎利用效率为优化目标进行求解,得到各轮胎纵向力和侧向力以提高车辆稳定性;执行器控制层用于计算车辆运动的最终执行器控制指令,即四轮的转角及驱动/制动力。轮胎的纵向力可以由驱动/制动力控制直接实现,而车轮转角需要建立轮胎逆模型,通过计算轮胎侧偏角,进而求得车轮转角。(3)基于分布式驱动线控底盘车辆,设计轨迹跟踪控制算法。建立基于主动后轮转向的四轮转向车辆单轨动力学模型,并利用模型预测控制理论和主动后轮转向控制策略设计了两种典型的四轮转向车辆轨迹跟踪控制器,后续用于和本文设计的四轮独立转向车辆轨迹跟踪控制器进行性能对比。针对四轮独立转向和驱动的线控底盘车辆的四轮独立转向特性,在上面底盘集成控制方案的基础上,将底盘集成控制层中的集成控制层切换为轨迹跟踪控制层,而轮胎力分配层和执行器控制层保持不变。在轨迹跟踪层中,假设车辆行驶轨迹已给定,求解车辆运动的总力、总力矩,进而实现对预期行驶路径的准确跟踪。(4)为了验证所研究算法的有效性,本文建立Matlab/Simulink和Car Sim联合仿真平台,对提出的控制算法的有效性进行了验证。在底盘集成控制算法验证中,通过对不同工况和不同算法的对比结果表明,研究的底盘集成控制算法相比于直接横摆力矩控制算法,可以提高车辆的行驶稳定性;在轨迹跟踪控制算法验证中,将设计的两种典型四轮转向控制器和本文提出的适用于分布式驱动线控底盘车辆的轨迹跟踪控制器进行了对比验证,结果表明三种控制器都能实现对参考轨迹的基本跟踪需求,其中分布式驱动线控底盘车辆轨迹跟踪控制器对多种工况的适应性更好,控制精度更高。