【正文】 件簡介 ...................................................................................... 18 仿真結(jié)果分析 ............................................................................................................... 18 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 IV 第五章 總結(jié)與展望 ..................................................................................................................... 24 全文總結(jié) ......................................................................................................................... 24 研究展望 ......................................................................................................................... 24 參考文獻(xiàn) ....................................................................................................................................... 26 致謝 ............................................................................................................................................... 28 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 1 第一章 緒 論 研究意義與背景 隨著社會 節(jié)拍 的加快、交通條件的改善和 車輛 技術(shù)的不斷進(jìn)步，現(xiàn)代 交通車輛 的行駛速度 得到了 很大的 提高 。 但隨之而來的風(fēng)險(xiǎn)也在逐步增加，有關(guān)研究機(jī)構(gòu)對大量交通事故進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析后發(fā)現(xiàn)，與車速有關(guān)的交通事故的發(fā)生概率超過了 80%。在對這些交通事故發(fā)生的原因進(jìn)行調(diào)查后 ， 人們又發(fā)現(xiàn) 車速在 80km/h 到 100km/h 之間行駛的汽車發(fā)生的交通事故，大約 40%是與汽車側(cè)向失穩(wěn)有關(guān)。 汽車行駛 速 度 越高，失穩(wěn)引發(fā)的交通事 件 的比例越 高 ，當(dāng)車速超過 160km/h 時(shí)，幾乎每起 交通 事故都是 因?yàn)?側(cè)向失穩(wěn)而 產(chǎn)生 的 [1]。 汽車的操縱穩(wěn)定性是決定汽車高速行駛安全的 關(guān)鍵 性能， 是以 ， 如何提高 車輛 行駛操縱穩(wěn)定性是 當(dāng) 代 車輛 研究的 主要 課題。隨著電子技術(shù)的 成熟 ，控制技術(shù)的進(jìn)步， 跟多的 的電子控制 單元 被安裝在汽車上。以用來提高汽車的穩(wěn)定性。 20 世紀(jì)七 八 十年代，防抱死系統(tǒng) (ABS)開始 被應(yīng)用于 汽車上，這種 裝置 能 讓 汽車的滑移率保持在 范圍內(nèi)， 提升 了 輪胎 與地面間的附著力， 改良 了車倆制動時(shí)的側(cè)向穩(wěn)定性。而在 20 世紀(jì)九十年代，又有人提出了多種 車輛 穩(wěn)定性 理念 [2]。 其中比較成功的是 BOSCH 公司的 VDC 概念， Benz 公司的 ESP 概念，豐田公司的 VSC 概念 。 直到上世紀(jì)九十年代末，通過對 汽車 控制理論的分析 和進(jìn)一步研究后 ， 為了提高車輛的行駛安全性，許多汽車公司，例如奔馳和寶馬， 提出了 諸如或類似 前輪主動轉(zhuǎn)向 （ Active Front Steering, AFS)和 直接橫擺力矩控制 （ Direct Yaw Control, DYC)等直接對汽車的橫擺運(yùn)動進(jìn)行控制的概念。 現(xiàn)階段 雖然 前輪主動轉(zhuǎn)向 （ AFS)和直接橫擺力矩控制 （ DYC)方式 都可以 獨(dú)自 改善車輛的操縱穩(wěn)定性，但是車輛在 極限 工況下行駛時(shí)， AFS 和 DYC 會 造成相互干預(yù) 、 相互 影響的結(jié)果 ，從而導(dǎo)致它們的 長處 未能同時(shí)發(fā)揮 作用 ， 是以 ，為了進(jìn)一步 提升汽車 的穩(wěn)定性，可以根據(jù) 汽車 實(shí)際 狀況 的不同對 AFS 和 DYC 進(jìn)行 分層 控制以發(fā)揮各自的 長處 ； 同時(shí) ，隨著電動汽車 技術(shù)的提高 ， AFS 和 DYC 控制方法 有 了更加靈活、有效的實(shí)現(xiàn) 平臺 ， 所以 ， 聯(lián)合 電動汽車的優(yōu)勢，對 AFS/DYC 集成控制策 略 的 研宄有利于進(jìn)一步 提升汽車的 穩(wěn)定性 。 隨著輪轂電機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，獨(dú)立驅(qū)動 /制動及主動懸架在單個(gè)輪轂電機(jī)車輪 中被 合為一體，如圖 ?；诖?，四輪獨(dú)立驅(qū)動電動 輪 汽車 能 實(shí)現(xiàn)主動懸架的集成控制。四輪獨(dú)立驅(qū)動輪轂電機(jī)電動汽車相對于傳統(tǒng)汽車具有更好的可控自由 性和靈活性 ，是研究新一代 汽車 控制 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 2 技術(shù)、探索 汽車 最優(yōu)動力學(xué)性能的理想載體。 圖 Protean 輪轂電機(jī)總成 在穩(wěn)定性控制方面， 輪轂電機(jī)電動汽車相對于傳統(tǒng)汽車具有以下一些優(yōu)點(diǎn)：（ 1）四輪轉(zhuǎn)矩 可以被相互 獨(dú)立 改變且更容易測量 ，相對于 傳統(tǒng)的動力 傳遞系統(tǒng)其響應(yīng) 速度 更 快， 對于汽車穩(wěn)定性控制，特別是對于 AFS 和 DYC 聯(lián)合控制的應(yīng)用有更好的效果 。（ 2）傳統(tǒng)汽車 ，就算是 四輪驅(qū)動汽車 對于各個(gè)車輪的縱向力只能按照幾個(gè)固定的比值分配 ，而輪轂電機(jī)電動汽車 因每個(gè)車輪都有獨(dú)立的驅(qū)動裝置，則可以實(shí)現(xiàn)對每個(gè)車輪的縱向力進(jìn)行以任意數(shù)值的分配，這跟有利于 AFS 和 DYC 聯(lián)合控制的實(shí)現(xiàn) 。（ 3）通過 對于 汽車底盤集成控制 性能潛力的挖掘 ，現(xiàn)已出現(xiàn)了獨(dú)立制動 /驅(qū)動 /主動懸架于一體的輪轂電機(jī)總成，如圖 所示， 該系統(tǒng) 通過對車輪各向力 的整體控制，可以保證汽車各子系統(tǒng)之間工作 互不干擾 ， 更加方便了 AFS 和 DYC對于汽車的聯(lián)合控制 ，提高汽車正常行駛的舒適性和極限工況下的主動安全性 以及轉(zhuǎn)彎時(shí)的穩(wěn)定性 。 本 文 正是基于 車輛行駛 穩(wěn)定性和安全性的要求，在現(xiàn)有 AFS 和 DYC 控制 方式 的基礎(chǔ)上，通過分層控制結(jié)構(gòu)對其建立集成控制 方法 ，充分 利用 其的優(yōu)點(diǎn)， 提升汽車的 操縱穩(wěn)定性。 并充分挖掘輪轂電機(jī)電動車性能潛力 將其優(yōu)勢與汽車穩(wěn)定控制的要求相結(jié)合，以設(shè)計(jì)出一種能克服傳統(tǒng) AFS 和 DYC 單獨(dú)控制方式的缺點(diǎn)的控制方案。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 3 圖 驅(qū)動 /制動 /主動懸架一體的輪轂電機(jī)總成 研究現(xiàn)狀 車輛穩(wěn)定性控制 系統(tǒng)是 汽車電 子 控研究的前沿， 經(jīng)過近 25 年的發(fā)展正逐步形成為一個(gè)關(guān)鍵 的研究方向 。 為了改善車輛操縱性 的 穩(wěn)定性和安全性 ， 近年來國內(nèi)外出現(xiàn)了一系列的AFS 和 DYC 集成控制系統(tǒng)，隨著研究的不斷深入，集成控制系統(tǒng)考慮的因素越來越多，集成度也逐漸增加。 國外研究現(xiàn)狀 Nagai 等人考慮了主動前輪轉(zhuǎn)向和直接橫擺力矩聯(lián)合控制對改善開環(huán)汽車的操縱穩(wěn)定性的作用。運(yùn)用跟蹤理想的非線性車輛模型的控制策略，分別考慮了在制動轉(zhuǎn)彎、不同道路輸入以及側(cè)向風(fēng)干擾時(shí)車輛的穩(wěn)定性 [3]。 Yoshioka 等人使用了滑模控制理論來實(shí)現(xiàn)直 接橫擺力矩控制 (DYC)，克服了一些不確定因素 (如車速，路面摩擦系數(shù)以及車的質(zhì)量的改變 )的影響，使得控制的魯棒性得到大大改善[4]。 Yoichi Hori 研究了應(yīng)用于四輪驅(qū)動電動汽車的控制方法 :一種高性能 AFS 和 DYC 的質(zhì)心側(cè)偏角和橫擺用速度解稱控制 ,基于質(zhì)心側(cè)偏用模糊觀測器的直接橫擺力矩控制 ,以及基于最大驅(qū)動轉(zhuǎn)矩估計(jì)的牽引控制方法 [57]。 Masao Nagai 實(shí)驗(yàn)室在 2022 年、 2022 年先后對主動前輪轉(zhuǎn)向 (AFS)與直接橫擺力矩控制(DYC)集成控制方法、多電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動電動汽車的操縱穩(wěn)定性控制方 法進(jìn)行了研究 [3,8]。 Nagai,shino M 等人 設(shè)計(jì)了前饋控制器和魯棒次優(yōu)狀態(tài)反饋控制器對主動前輪轉(zhuǎn)向和橫擺力矩控制進(jìn)行協(xié)調(diào)控制 ，較好地解決了 AFS 與 DYC 在橫擺角速度或者質(zhì)心側(cè)偏角方面 的集成控制問題 [3,9]。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 4 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 清華大學(xué)的晏蔚光、陳全世在兩自由度線性模型的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種前饋復(fù)合控制結(jié)構(gòu)，將直接橫擺力矩控制和主動前輪轉(zhuǎn)向控制相結(jié)合以提高制動穩(wěn)定性 [10]。 北京理工大學(xué)的陳思忠教授研究了把輪胎的非線性和汽車動力性考慮在內(nèi)的直接橫擺力矩控制 (DYC)，以提高大側(cè)偏角和高側(cè)向加 速度的操縱穩(wěn)定性和主動安全性 [11]。 清華大學(xué)李克強(qiáng)教授利用四輪驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)矩獨(dú)立可控的優(yōu)勢 ,在建立了不同優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)條件下 ,根據(jù)上層控制器計(jì)算的期望橫擺力矩、路面附著限制及電機(jī)驅(qū)動 /制動轉(zhuǎn)矩輸出限制這些不同的優(yōu)化分配約束條件 ,采用控制算法對輪胎縱向力進(jìn)行實(shí)時(shí)動態(tài)分配 ,調(diào)整車輛的行駛狀態(tài) [12]。 溫曉南，柴衛(wèi)紅等人提出了基于模糊邏輯控制的主動前輪轉(zhuǎn)向（ AFS）和直接橫擺力矩控制（ DYC）的汽車動態(tài)控制系統(tǒng) ,以使車輛的角速度和操縱穩(wěn)定性兩方面的性能達(dá)到一個(gè)新的水平 [13]。 李剛，宗長富，姜立勇等人針對汽車 主動前輪轉(zhuǎn)向（ AFS）與直接橫擺力矩（ DYC）協(xié)調(diào)控制問題提出了一種基于模型預(yù)測控制的集成控制算法，目的在于通過在線優(yōu)化實(shí)現(xiàn)綜合考慮橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角的多目標(biāo)控制，來擴(kuò)大穩(wěn)定性控制的范圍 [14]。 綜上所述，在國內(nèi)外都對 AFS 和 DYC 有了一定的研究， 但現(xiàn)階段 仍然 是著力于開發(fā)單個(gè)系統(tǒng)的性能，對于兩者的 集成控制仍然缺乏明確的控制策略，使得 AFS、 DYC 系統(tǒng) 無法在一個(gè)車輛上同時(shí)使用 充分發(fā)揮它們的優(yōu)勢 來互補(bǔ)其劣勢。這樣會導(dǎo)致汽車在不同工況運(yùn)行時(shí)，主動安全控制系統(tǒng)會出現(xiàn)工作情況不理想的特性。 因此，本文 就 AFS 和 DYC 的聯(lián)合控制方法進(jìn)行了探討， 通過 采用分層控制結(jié)構(gòu) 策略，制定了兩者在汽車穩(wěn)定性控制中的協(xié)作方式和工作條件 。 本文的 研究內(nèi)容 汽車側(cè)向失穩(wěn)的主要原因是橫擺力矩失去了控制。因此，先介紹了 現(xiàn)階段 兩種控制橫擺力矩 主要方法 。 一種方法是車輛直接橫擺力矩控制（ DYC ） 。 在汽車 前輪和后輪 使用的縱向力， 所產(chǎn)生的繞質(zhì)心 的 橫擺力矩有很大的區(qū)別。轉(zhuǎn)向時(shí)，外前 增加或減少的 輪縱向力引起的附加橫擺力矩和由側(cè)向力降低引起的附加橫擺力矩方向相同， 且 均與轉(zhuǎn)向方向相反，當(dāng)轉(zhuǎn)向過度時(shí)，在此輪施加縱向力，對 矯正 過度轉(zhuǎn)向最有效；同理，在內(nèi) 后輪上施加縱向力對 矯正 不足轉(zhuǎn)向最有效。 控制四個(gè)車輪的縱向力的分布及幅度 的 DYC 系統(tǒng) ，在汽車上產(chǎn)生可以穩(wěn)定車輛的 外部 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 5 橫擺力矩，使車輛保持在中性轉(zhuǎn)向稍偏不足轉(zhuǎn)向的狀態(tài)。由于減少了縱向力或者增大側(cè)向力，從而提高了操縱穩(wěn)定性。 另一種方法是通過控制轉(zhuǎn)向角，而轉(zhuǎn)向角控制最實(shí)用有效的方法是主動前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（ AFS），這種方法就是依據(jù)駕駛 狀況 ，自動調(diào)節(jié)車輛轉(zhuǎn)向 系統(tǒng)的 傳動比，從而 給 前輪 增加一個(gè)附加 的轉(zhuǎn)向角度。在低速時(shí)，轉(zhuǎn)向傳動比減小， 給前輪一個(gè)正值的汽輪附加轉(zhuǎn)向角， 可以減少駕駛者對轉(zhuǎn)向力的需求 或彌補(bǔ)汽車的轉(zhuǎn)型不足 ，提高轉(zhuǎn)向 的靈敏性和操縱性 。在高速時(shí)，轉(zhuǎn)向傳動比增大， 給 前輪 一負(fù)值的附加 轉(zhuǎn)向角度， 減小汽車的轉(zhuǎn)向過度，提高了汽車的轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性。 但是由于 汽車 輪胎側(cè)向力固有的非線性特性， AFS 在車輛線性操作區(qū)域內(nèi) 對穩(wěn)定性控制有較好的效果 而 在非線性區(qū)效果不佳，而 直接橫擺力矩控制（ DYC）在線性和非線性區(qū)域內(nèi)對穩(wěn)定性控制都能滿足期望的要求 ， 但 持續(xù)橫擺力矩控制會 改變汽車的縱向速度，且需較大的橫擺力矩， 影響 了 駕駛的舒適性 和穩(wěn)定性 。 為了解決 AFS 和 DYC 各自的缺點(diǎn)，同時(shí)又不會對現(xiàn)有基礎(chǔ)做出大的改動，本 文又 研究了 AFS/DYC 的集成控制策略方法 ， 該方法是通過調(diào)整在兩種控制模式下主動前輪系統(tǒng)產(chǎn)生的修正橫擺力矩實(shí)現(xiàn)的?？刂葡到y(tǒng)采用分層控制。 第一層為 決策 層，包括駕駛員、參考模型、AFS 控制器和 DYC 控制器。其中，駕駛員輸出駕駛意圖，參考模型輸出理想狀態(tài)并被用于判斷駕駛意圖的穩(wěn)定性。 AFS 控制器和 DYC 控制器則是根據(jù)駕駛意圖與理想狀態(tài)的差值來對車輛狀態(tài)進(jìn)行補(bǔ)償，以保證車輛的操縱穩(wěn)定性。 AFS 控制器是在線性狀態(tài)下控制狀態(tài)響應(yīng)，DYC 控制器是在的非線性狀態(tài)下控制狀態(tài)響應(yīng)，其對 AFS 控制器起到了補(bǔ)償?shù)淖饔谩? 第二層為執(zhí)行層，包括 附加主動前輪轉(zhuǎn)角和附加橫擺力矩的 分配 ， 其中附加主動前輪轉(zhuǎn)角通過轉(zhuǎn)向電機(jī)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，而附加橫擺力矩通過約束條件下的二次規(guī)劃方法求得各個(gè)