多軸轉向車輛狀態(tài)估計與控制研究.pdf

1、多軸車輛需進行多軸轉向，多軸轉向車輛高速行駛時的轉向控制是主動安全控制領域的關鍵技術之一。由于多軸參與轉向，各軸車輪易產(chǎn)生運動干涉和阻力，輪胎易磨損。在車輛模型中使各軸車輪轉向角關系滿足運動學原理，轉向時所有車輪將做純滾動，可減小運動干涉、阻力和輪胎磨損，降低多軸轉向車輛的運行成本和油耗，提高經(jīng)濟性。高速行駛時對多軸轉向車輛進行轉向控制，可獲得良好的橫擺角速度和質(zhì)心側偏角響應特性和改善轉向性能，有利于輔助駕駛和減輕駕駛員的緊張程度，從而

2、提高操縱穩(wěn)定性和安全性。
　　研究多軸轉向車輛的狀態(tài)反饋控制時，由于存在系統(tǒng)和量測干擾以及某些狀態(tài)的不可測，需對車輛狀態(tài)進行估計；多軸轉向車輛軸荷大，高速轉向行駛時輪胎動力學特性易進入非線性區(qū)，而且系統(tǒng)存在各種隨機干擾，所以研究非線性和隨機干擾條件下的貝葉斯統(tǒng)計濾波來估計狀態(tài)，對有效實施控制和保證控制性能具有重要作用。
　　由于多軸轉向車輛裝載體積大，裝載不同貨物時易引起車輛參數(shù)發(fā)生較大變化，造成車輛模型較大的不確定性。綜合

3、考慮到多軸轉向車輛輪胎非線性、模型不確定性和外界干擾等因素的影響，有必要對提高魯棒性能的相關控制進行研究。
　　橫擺角速度跟蹤控制可使多軸轉向車輛獲得參考的轉向性能。基于內(nèi)模原理的無靜差跟蹤控制，可使得跟蹤的穩(wěn)態(tài)誤差為零和增加跟蹤的魯棒性，對提高多軸轉向車輛轉向時橫擺角速度的跟蹤性能和轉向性能具有重要作用。
　　模糊T-S模型精度高于近似線性模型，魯棒控制算法基本是基于線性模型，將魯棒控制算法應用于模糊T-S模型的局部線性模

4、型得到局部魯棒控制器，再利用模糊T-S推理，求出轉向控制的魯棒總控制器，使得模糊T-S模型和魯棒控制相結合，對提高多軸轉向車輛轉向控制系統(tǒng)的魯棒性和轉向性能具有重要作用。
　　總之，研究高速轉向時多軸轉向車輛的貝葉斯統(tǒng)計濾波狀態(tài)估計、基于內(nèi)模原理的橫擺角速度無靜差跟蹤控制以及基于模糊T-S模型的魯棒控制，對提高轉向控制系統(tǒng)魯棒性、改善高速轉向性能和提高操縱穩(wěn)定性及安全性均具有重要理論和應用價值。
　　論文主要完成了以下七個方

5、面的研究工作：
　?。?）提出了一種將車輛模型的多軸車輪轉角輸入簡化為前輪轉角輸入和第二軸車輪轉角輸入的方法。車輛在高速時輪胎易磨損，轉向時車輪要保持純滾動狀態(tài)。而根據(jù)剛體運動學理論，多軸車輛的各軸車輪要繞同一個轉向中心轉動；根據(jù)阿克曼（Ackerman）原理，各軸車輪轉角之間存在約束關系，當前輪轉角由駕駛者操縱和主動轉向控制確定后，只需確定任意后軸車輪轉角就可確定轉向中心，其它后軸車輪轉角即可同時確定。
　?。?）基于Pa

6、cejka“魔術公式”的輪胎非線性動力學理論，推導出了多軸轉向車輛狀態(tài)和輸入分離的近似二自由度和三自由度非線性模型；根據(jù)模糊T-S推理理論，選擇了車輛狀態(tài)作為推理輸入，選擇了車輛高速轉向行駛時狀態(tài)矢量正常范圍內(nèi)的點作為輸入變量模糊語言值和線性化點，確定了局部線性模型和各語言值對應模糊集的隸屬度函數(shù)，推導出了多軸轉向車輛轉向行駛的側向動力學模糊T-S模型。
　?。?）對多軸轉向車輛線性模型設計完成了基于極點配置的狀態(tài)反饋控制器，并考

7、慮到側偏角不可測，在閉環(huán)控制系統(tǒng)中設計了全維狀態(tài)觀測器，使多軸轉向車輛在輪胎線性和弱非線性工作區(qū)域內(nèi)達到了期望閉環(huán)極點的性能。
　　（4）基于內(nèi)模原理，設計了橫擺角速度內(nèi)模無靜差跟蹤控制，實現(xiàn)了在系統(tǒng)內(nèi)部和外界干擾條件下對多軸轉向車輛參考橫擺角速度的無靜差魯棒性跟蹤。
　?。?）將基于貝葉斯理論的統(tǒng)計濾波算法應用于多軸轉向車輛非線性隨機系統(tǒng)的狀態(tài)估計，對非線性和隨機干擾的多軸轉向車輛提出了粒子濾波狀態(tài)估計方法。由于系統(tǒng)非線性

8、，基于線性模型的狀態(tài)觀測器估計效果變差。基于貝葉斯理論的無味卡爾曼濾波對多軸轉向車輛非線性隨機系統(tǒng)具有較好的狀態(tài)估計效果，但僅適用于高斯干擾，而粒子濾波方法能較好地適用于非高斯非線性隨機系統(tǒng)，提高了狀態(tài)估計精度，改善了多軸轉向車輛的閉環(huán)控制性能。
　?。?）鑒于多軸轉向車輛模型參數(shù)不確定性、外界干擾和輪胎非線性等因素的影響，為了提高控制精度和控制系統(tǒng)魯棒性，依據(jù)模糊T-S推理理論，在車輛模糊T-S模型基礎上，設計完成了各狀態(tài)點線性

9、模型的H∞魯棒控制器和區(qū)域極點配置保性能魯棒控制器，并重復使用了車輛模糊T-S模型推理的前提條件，由模糊T-S理論推導出了轉向控制的總控制器。
　?。?）研制了遙控駕駛四軸轉向模型車半物理仿真試驗系統(tǒng)，建立了車輛模型和控制算法的仿真試驗驗證平臺?；诖朔抡嬖囼炏到y(tǒng)，設計了試驗方法，測試了車輛模型參數(shù)，并進行了車輛模型和控制算法的半物理仿真試驗驗證。驗證結果表明了模糊T-S模型、基于粒子濾波算法的狀態(tài)估計方法、基于內(nèi)模原理的無靜差跟