基于主動(dòng)橫擺力矩優(yōu)化分配的車輛底盤集成控制研究

宋會(huì)

摘要：本篇文章主要基于主動(dòng)橫擺力矩優(yōu)化分配的車輛底盤集成控制進(jìn)行思考討論，從車輛動(dòng)力學(xué)模型到最后的仿真驗(yàn)證都進(jìn)行仔細(xì)的介紹。對(duì)安全控制系統(tǒng)進(jìn)行深入的研究，并開展相關(guān)的實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)開發(fā)中存在的缺點(diǎn)，通過對(duì)主動(dòng)橫擺力矩進(jìn)行優(yōu)化分配后的仿真結(jié)果可以使得底盤控制器具有較好的控制效果，這可以進(jìn)一步保障車輛的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：底盤集成控制器；主動(dòng)橫擺力矩；優(yōu)化分配；控制

1 車輛動(dòng)力學(xué)建模

車輛動(dòng)力學(xué)建模主要有兩個(gè)方面組成，它們分別是控制器設(shè)計(jì)的參考模型和控制器的驗(yàn)證模型，接下來就對(duì)這兩個(gè)部分進(jìn)行思考介紹，主要有以下幾個(gè)方面：

1.1 控制器設(shè)計(jì)的參考模型

控制器設(shè)計(jì)時(shí)，參考模型需要真實(shí)地將系統(tǒng)進(jìn)行操作時(shí)的特性反映出來，故工作人員需要嚴(yán)格按照要求開展工作，做到越簡(jiǎn)單越好。此次選用二自由度半車輛模型，如圖1：

根據(jù)二自由度的車輛運(yùn)動(dòng)學(xué)的方程式可以了解到其中的m代表整車的質(zhì)量，v代表車輛的質(zhì)心縱向速度，β代表質(zhì)心的側(cè)偏角速度，γ代表橫擺角的速度，F(xiàn)代表著車輛前軸的側(cè)向力、車輛的后軸側(cè)向力，在具體運(yùn)算中需要具體標(biāo)注，I代表車輛橫擺轉(zhuǎn)動(dòng)的慣量，車輛質(zhì)心到前軸的距離和車輛質(zhì)心到后軸的距離，同樣需要清楚標(biāo)注出來。

1.1 控制器的驗(yàn)證模型

如果車輛裝備了主動(dòng)控制和主動(dòng)轉(zhuǎn)向，需要建立相關(guān)的十五自由度非線性控制器驗(yàn)證模擬。第一是簧載質(zhì)量，自由度數(shù)為6，運(yùn)動(dòng)類型是橫擺運(yùn)動(dòng)、垂直運(yùn)動(dòng)、縱向運(yùn)動(dòng)、側(cè)向運(yùn)動(dòng)、側(cè)傾運(yùn)動(dòng)以及俯仰運(yùn)動(dòng)；第二是非簧載質(zhì)量，自由度數(shù)是4，運(yùn)動(dòng)類型是四個(gè)垂向運(yùn)動(dòng)；第三是車輛旋轉(zhuǎn)慣量，自由度數(shù)是4，運(yùn)動(dòng)的類型是四個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；第四是前輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，自由度數(shù)是1，運(yùn)動(dòng)類型是轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

2 底盤集成控制主環(huán)路控制器設(shè)計(jì)

底盤集成控制主環(huán)路控制器設(shè)計(jì)也是由兩個(gè)方面所組成的，它們是車輛的狀態(tài)觀測(cè)器設(shè)計(jì)和主環(huán)路控制器的設(shè)計(jì)。接下來就對(duì)其進(jìn)行思考介紹，主要有以下幾個(gè)方面：

2.1 車輛的狀態(tài)觀測(cè)器設(shè)計(jì)

車輛的狀態(tài)觀測(cè)器是可以根據(jù)車輛自備的傳感器信號(hào)來對(duì)駕駛員的意圖進(jìn)行辨別，同時(shí)可以對(duì)車輛的現(xiàn)狀有一定的了解，這些數(shù)據(jù)被控制器控制從而對(duì)車輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等作出相關(guān)的決策。底盤集成控制系統(tǒng)車輛需要車輛很多的狀態(tài)數(shù)據(jù)，比如說車輪的垂直荷載、路面的附著系數(shù)、橫擺角的速度、車輛的質(zhì)心側(cè)偏角度以及車輛的縱向速度等，其中一部分參數(shù)可以通過傳感器直接獲得，還有部分參數(shù)是需要根據(jù)觀測(cè)器來進(jìn)行計(jì)算的。

2.2 主環(huán)路控制器的設(shè)計(jì)

主環(huán)路控制器的設(shè)計(jì)是不需要對(duì)車輛輪胎側(cè)偏力非線性進(jìn)行考慮的，同樣也不需要考慮汽車的前軸和汽車的后軸遭受到的側(cè)向力與汽車前后軸遭受的側(cè)向力與對(duì)應(yīng)側(cè)偏角是線性的關(guān)系。

3 主動(dòng)橫擺力矩優(yōu)化分配

前面的文章對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)建模和底盤集成控制主環(huán)路控制器設(shè)計(jì)進(jìn)行思考介紹，接下來就對(duì)主動(dòng)橫擺力矩優(yōu)化分配進(jìn)行思考討論。

我們根據(jù)車輛動(dòng)力學(xué)的原理可以將期望的橫擺力矩寫成M=Bu，通過主動(dòng)轉(zhuǎn)向或者是對(duì)目標(biāo)的車輪施加主動(dòng)制動(dòng)，在經(jīng)過計(jì)算后可以得到期望的主動(dòng)橫擺力矩。這次研究是使用二次規(guī)則來優(yōu)化分配車輛的主動(dòng)制動(dòng)目標(biāo)橫擺力矩，在具體的操作過程中需要有約束條件，即T=Bu。約束條件主要輪胎摩擦圓的限制力可以執(zhí)行的區(qū)域和主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的最大動(dòng)轉(zhuǎn)向角。工作人員采用積極集法對(duì)主動(dòng)目標(biāo)橫擺力矩優(yōu)化分配問題進(jìn)行研究分析后可以得到最為科學(xué)的主動(dòng)橫擺力矩的分配方法。將分配的側(cè)向力和力矩再通過輪胎的逆模型將其轉(zhuǎn)化成為目標(biāo)滑移率和目標(biāo)側(cè)偏角，目標(biāo)執(zhí)行器會(huì)將其轉(zhuǎn)化成為車輪制動(dòng)力和主動(dòng)轉(zhuǎn)向角。

4 仿真驗(yàn)證

上文對(duì)主動(dòng)橫擺力矩優(yōu)化分配進(jìn)行思考分析，這幫助我們進(jìn)一步了解了優(yōu)化分配的過程。在主動(dòng)橫擺力矩優(yōu)化分配結(jié)束后需要通過仿真驗(yàn)證來確定其可行性，接下來就對(duì)仿真驗(yàn)證環(huán)節(jié)進(jìn)行思考討論。

仿真驗(yàn)證主要是驗(yàn)證主動(dòng)橫擺力矩分配的算法和相應(yīng)的底盤集成控制系統(tǒng)性能，在這個(gè)環(huán)節(jié)中，工作人員采用的是十五自由度的非線性車輛動(dòng)力學(xué)模型。在單移線和階躍轉(zhuǎn)向兩種比較典型的環(huán)境下進(jìn)行離線仿真的驗(yàn)證，如圖2：

在仿真驗(yàn)證的環(huán)節(jié)之中可以發(fā)現(xiàn)在沒有使用底盤集成控制的時(shí)候，車輛質(zhì)心側(cè)偏角和橫擺角速度都偏離了名義值，慢慢會(huì)喪失方向穩(wěn)定性。而在使用底盤集成控制之后，車輛可以比較好的跟蹤橫擺角速度名義值，同時(shí)可以更好地控制質(zhì)心側(cè)偏角，這可以保障車輛具有更好地穩(wěn)定性。

5 總結(jié)

總的來說，本篇文章對(duì)基于主動(dòng)橫擺力矩優(yōu)化分配的底盤集成控制系統(tǒng)進(jìn)行思考討論，從車輛動(dòng)力學(xué)建模到最后的仿真驗(yàn)證環(huán)節(jié)都進(jìn)行了深入的研究，可以得出該系統(tǒng)是具有一定的控制效果的，它可以提高車輛的操縱穩(wěn)定性，它值得在生活生產(chǎn)中推廣應(yīng)用。在整個(gè)過程中，需要對(duì)主動(dòng)橫擺力矩優(yōu)化分配格外重視，該環(huán)節(jié)對(duì)于最終的效果有著直接的影響。

參考文獻(xiàn)

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（作者單位：南京恒天領(lǐng)銳汽車有限公司）