基于主動橫擺力矩優化分配的車輛底盤集成控制研究

宋會

摘要：本篇文章主要基于主動橫擺力矩優化分配的車輛底盤集成控制進行思考討論，從車輛動力學模型到最后的仿真驗證都進行仔細的介紹。對安全控制系統進行深入的研究，并開展相關的實驗可以發現開發中存在的缺點，通過對主動橫擺力矩進行優化分配后的仿真結果可以使得底盤控制器具有較好的控制效果，這可以進一步保障車輛的穩定性。

關鍵詞：底盤集成控制器；主動橫擺力矩；優化分配；控制

1 車輛動力學建模

車輛動力學建模主要有兩個方面組成，它們分別是控制器設計的參考模型和控制器的驗證模型，接下來就對這兩個部分進行思考介紹，主要有以下幾個方面：

1.1 控制器設計的參考模型

控制器設計時，參考模型需要真實地將系統進行操作時的特性反映出來，故工作人員需要嚴格按照要求開展工作，做到越簡單越好。此次選用二自由度半車輛模型，如圖1：

根據二自由度的車輛運動學的方程式可以了解到其中的m代表整車的質量，v代表車輛的質心縱向速度，β代表質心的側偏角速度，γ代表橫擺角的速度，F代表著車輛前軸的側向力、車輛的后軸側向力，在具體運算中需要具體標注，I代表車輛橫擺轉動的慣量，車輛質心到前軸的距離和車輛質心到后軸的距離，同樣需要清楚標注出來。

1.1 控制器的驗證模型

如果車輛裝備了主動控制和主動轉向，需要建立相關的十五自由度非線性控制器驗證模擬。第一是簧載質量，自由度數為6，運動類型是橫擺運動、垂直運動、縱向運動、側向運動、側傾運動以及俯仰運動；第二是非簧載質量，自由度數是4，運動類型是四個垂向運動；第三是車輛旋轉慣量，自由度數是4，運動的類型是四個旋轉運動；第四是前輪轉動慣量，自由度數是1，運動類型是轉向輪轉向旋轉運動。

2 底盤集成控制主環路控制器設計

底盤集成控制主環路控制器設計也是由兩個方面所組成的，它們是車輛的狀態觀測器設計和主環路控制器的設計。接下來就對其進行思考介紹，主要有以下幾個方面：

2.1 車輛的狀態觀測器設計

車輛的狀態觀測器是可以根據車輛自備的傳感器信號來對駕駛員的意圖進行辨別，同時可以對車輛的現狀有一定的了解，這些數據被控制器控制從而對車輛的運動狀態等作出相關的決策。底盤集成控制系統車輛需要車輛很多的狀態數據，比如說車輪的垂直荷載、路面的附著系數、橫擺角的速度、車輛的質心側偏角度以及車輛的縱向速度等，其中一部分參數可以通過傳感器直接獲得，還有部分參數是需要根據觀測器來進行計算的。

2.2 主環路控制器的設計

主環路控制器的設計是不需要對車輛輪胎側偏力非線性進行考慮的，同樣也不需要考慮汽車的前軸和汽車的后軸遭受到的側向力與汽車前后軸遭受的側向力與對應側偏角是線性的關系。

3 主動橫擺力矩優化分配

前面的文章對車輛動力學建模和底盤集成控制主環路控制器設計進行思考介紹，接下來就對主動橫擺力矩優化分配進行思考討論。

我們根據車輛動力學的原理可以將期望的橫擺力矩寫成M=Bu，通過主動轉向或者是對目標的車輪施加主動制動，在經過計算后可以得到期望的主動橫擺力矩。這次研究是使用二次規則來優化分配車輛的主動制動目標橫擺力矩，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行的區域和主動轉向系統的最大動轉向角。工作人員采用積極集法對主動目標橫擺力矩優化分配問題進行研究分析后可以得到最為科學的主動橫擺力矩的分配方法。將分配的側向力和力矩再通過輪胎的逆模型將其轉化成為目標滑移率和目標側偏角，目標執行器會將其轉化成為車輪制動力和主動轉向角。

4 仿真驗證

上文對主動橫擺力矩優化分配進行思考分析，這幫助我們進一步了解了優化分配的過程。在主動橫擺力矩優化分配結束后需要通過仿真驗證來確定其可行性，接下來就對仿真驗證環節進行思考討論。

仿真驗證主要是驗證主動橫擺力矩分配的算法和相應的底盤集成控制系統性能，在這個環節中，工作人員采用的是十五自由度的非線性車輛動力學模型。在單移線和階躍轉向兩種比較典型的環境下進行離線仿真的驗證，如圖2：

在仿真驗證的環節之中可以發現在沒有使用底盤集成控制的時候，車輛質心側偏角和橫擺角速度都偏離了名義值，慢慢會喪失方向穩定性。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，同時可以更好地控制質心側偏角，這可以保障車輛具有更好地穩定性。

5 總結

總的來說，本篇文章對基于主動橫擺力矩優化分配的底盤集成控制系統進行思考討論，從車輛動力學建模到最后的仿真驗證環節都進行了深入的研究，可以得出該系統是具有一定的控制效果的，它可以提高車輛的操縱穩定性，它值得在生活生產中推廣應用。在整個過程中，需要對主動橫擺力矩優化分配格外重視，該環節對于最終的效果有著直接的影響。

參考文獻

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（作者單位：南京恒天領銳汽車有限公司）