车辆状态和路面附着系数的非线性估计方法研究
车辆行驶安全问题已成为全球性的社会问题。车辆主动安全控制系统可有效提高车辆的操纵稳定性，避免交通事故的发生，但这些系统的实现依赖于准确的纵向和横向车速等状态信息以及轮胎摩擦力和路面附着系数。目前，上述未知参变量在实际车辆中很难直接测量，因此，其估计问题近年来得到了国内外研究学者的广泛关注，具有重要的理论意义和工程应用价值。 本文基于非线性车辆动力学模型，研究了车辆状态(包括纵向车速、横向车速和横摆角速度)、轮胎摩擦力和路面附着系数的非线性估计问题。为了使研究工作具有系统性和完整性，本文首先建立了车辆的非线性动力学模型，随后对车辆状态的估计按路面平坦且附着系数已知、路面不平且附着系数未知以及路面不平但附着系数已知三个方面展开，分别探讨了保证稳定性的非线性估计方法，并检验了方法的有效性。最后，本文还对纵向和横向车速以及路面附着系数的联合估计问题进行了讨论，提出了一种有效的非线性估计方法。此外，上述方法都可以同时对轮胎摩擦力进行估计。 建立车辆动力学模型是估计方法研究的基础。第2章建立的非线性车辆动力学模型不但考虑了车辆的纵向、横向和横摆运动，还考虑了车辆行驶过程中的轮胎垂直载荷转移、轮胎纵向和横向摩擦力的耦合及其饱和特性等因素的影响，是一个相对较为完备的车辆模型，且便于分析和计算。最后通过对轮胎模型的仿真分析以及对车辆模型的实车试验检验了模型的精度和有效性。 针对车辆模型的非线性动态特性，第3章提出了一种车辆状态的非线性观测器设计方法，能够有效解决路面平坦且附着系数已知情况下的车辆状态估计问题。基于Lyapunov稳定性分析方法给出了观测器收敛的充分条件，并借助输入到状态稳定性(ISS)理论研究了系统存在加性扰动时观测器误差方程的稳定性。最后在理论分析所得结果的基础上，结合实际应用讨论了观测器增益的选取，并基于高精度车辆动力学实时仿真系统和实车试验数据，通过与其它估计方法在不同路面条件下多种驾驶工况的对比研究，检验了所提方法的有效性。 考虑到不平路面坡度和倾斜角的影响以及路面附着系数未知的情况，第4章提出了一种适应路面角度和附着系数的车辆状态非线性估计方法。该方法通过对轮胎纵向摩擦力的在线实时估计，并将路面角度引起的加速度测量偏差描述为系统的未知输入，随后基于滑模未知输入重构技术设计车辆状态观测器，从而在 不需要预知路面附着系数的情况下实现了对车辆状态和路面角度的同时估计，且所提估计方法能够从理论上保证稳定性。如果路面附着系数已知，则上述方法可简化为仅适应路面角度的车辆状态估计方法。最后通过仿真和试验研究以及与第3章方法的对比分析检验了所提方法的有效性。 为了准确识别当前的路面附着系数，并考虑到该参数与车辆纵向和横向运动的非线性动态特性密切相关，第5章基于滚动时域估计策略提出了一种纵向和横向车速以及路面附着系数的非线性估计方法，并分析了估计方法的稳定性。该方法考虑了由路面不平度引起的系统扰动的影响，并能够将路面附着系数和系统扰动的约束显式表达在优化问题中，通过滚动优化动态满足，从而提高了估计结果的精度和合理性。对该方法的仿真和试验检验结果，以及与扩展卡尔曼滤波器方法的对比分析表明了其有效性。
车辆状态;路面附着系数;非线性估计;操纵稳定性;轮胎摩擦力;安全控制系统
哈尔滨工业大学
博士
控制科学与工程
刘志远
2009
中文
U461.91
145
2013-03-05（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）