多軸轉(zhuǎn)向車輛狀態(tài)估計(jì)與控制研究.pdf

1、多軸車輛需進(jìn)行多軸轉(zhuǎn)向，多軸轉(zhuǎn)向車輛高速行駛時(shí)的轉(zhuǎn)向控制是主動安全控制領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一。由于多軸參與轉(zhuǎn)向，各軸車輪易產(chǎn)生運(yùn)動干涉和阻力，輪胎易磨損。在車輛模型中使各軸車輪轉(zhuǎn)向角關(guān)系滿足運(yùn)動學(xué)原理，轉(zhuǎn)向時(shí)所有車輪將做純滾動，可減小運(yùn)動干涉、阻力和輪胎磨損，降低多軸轉(zhuǎn)向車輛的運(yùn)行成本和油耗，提高經(jīng)濟(jì)性。高速行駛時(shí)對多軸轉(zhuǎn)向車輛進(jìn)行轉(zhuǎn)向控制，可獲得良好的橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角響應(yīng)特性和改善轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向車輛的狀態(tài)反饋控制時(shí)，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(jìn)行估計(jì)；多軸轉(zhuǎn)向車輛軸荷大，高速轉(zhuǎn)向行駛時(shí)輪胎動力學(xué)特性易進(jìn)入非線性區(qū)，而且系統(tǒng)存在各種隨機(jī)干擾，所以研究非線性和隨機(jī)干擾條件下的貝葉斯統(tǒng)計(jì)濾波來估計(jì)狀態(tài)，對有效實(shí)施控制和保證控制性能具有重要作用。
　　由于多軸轉(zhuǎn)向車輛裝載體積大，裝載不同貨物時(shí)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(zhuǎn)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(guān)控制進(jìn)行研究。
　　橫擺角速度跟蹤控制可使多軸轉(zhuǎn)向車輛獲得參考的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向車輛轉(zhuǎn)向時(shí)橫擺角速度的跟蹤性能和轉(zhuǎn)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(yīng)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(zhuǎn)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(jié)合，對提高多軸轉(zhuǎn)向車輛轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的魯棒性和轉(zhuǎn)向性能具有重要作用。
　　總之，研究高速轉(zhuǎn)向時(shí)多軸轉(zhuǎn)向車輛的貝葉斯統(tǒng)計(jì)濾波狀態(tài)估計(jì)、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(zhuǎn)向控制系統(tǒng)魯棒性、改善高速轉(zhuǎn)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(yīng)用價(jià)值。
　　論文主要完成了以下七個(gè)方

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

6、cejka“魔術(shù)公式”的輪胎非線性動力學(xué)理論，推導(dǎo)出了多軸轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向行駛時(shí)狀態(tài)矢量正常范圍內(nèi)的點(diǎn)作為輸入變量模糊語言值和線性化點(diǎn)，確定了局部線性模型和各語言值對應(yīng)模糊集的隸屬度函數(shù)，推導(dǎo)出了多軸轉(zhuǎn)向車輛轉(zhuǎn)向行駛的側(cè)向動力學(xué)模糊T-S模型。
　　（3）對多軸轉(zhuǎn)向車輛線性模型設(shè)計(jì)完成了基于極點(diǎn)配置的狀態(tài)反饋控制器，并考

7、慮到側(cè)偏角不可測，在閉環(huán)控制系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了全維狀態(tài)觀測器，使多軸轉(zhuǎn)向車輛在輪胎線性和弱非線性工作區(qū)域內(nèi)達(dá)到了期望閉環(huán)極點(diǎn)的性能。
　?。?）基于內(nèi)模原理，設(shè)計(jì)了橫擺角速度內(nèi)模無靜差跟蹤控制，實(shí)現(xiàn)了在系統(tǒng)內(nèi)部和外界干擾條件下對多軸轉(zhuǎn)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(jì)濾波算法應(yīng)用于多軸轉(zhuǎn)向車輛非線性隨機(jī)系統(tǒng)的狀態(tài)估計(jì)，對非線性和隨機(jī)干擾的多軸轉(zhuǎn)向車輛提出了粒子濾波狀態(tài)估計(jì)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(jì)效果變差?；谪惾~斯理論的無味卡爾曼濾波對多軸轉(zhuǎn)向車輛非線性隨機(jī)系統(tǒng)具有較好的狀態(tài)估計(jì)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(jī)系統(tǒng)，提高了狀態(tài)估計(jì)精度，改善了多軸轉(zhuǎn)向車輛的閉環(huán)控制性能。
　　（6）鑒于多軸轉(zhuǎn)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(chǔ)上，設(shè)計(jì)完成了各狀態(tài)點(diǎn)線性

9、模型的H∞魯棒控制器和區(qū)域極點(diǎn)配置保性能魯棒控制器，并重復(fù)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(dǎo)出了轉(zhuǎn)向控制的總控制器。
　?。?）研制了遙控駕駛四軸轉(zhuǎn)向模型車半物理仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，建立了車輛模型和控制算法的仿真試驗(yàn)驗(yàn)證平臺。基于此仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了試驗(yàn)方法，測試了車輛模型參數(shù)，并進(jìn)行了車輛模型和控制算法的半物理仿真試驗(yàn)驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明了模糊T-S模型、基于粒子濾波算法的狀態(tài)估計(jì)方法、基于內(nèi)模原理的無靜差跟