【摘 要】
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随着高等级公路的迅速发展,汽车行驶平均速度越来越高,这给行车安全带来很大的隐患;轮胎作为汽车与地面接触的唯一部件,对保证汽车的操纵稳定性与行驶安全性至关重要。高速行驶汽车爆胎后会出现明显的偏航、横摆等现象,严重时将发生甩尾、激转,严重影响驾乘人员生命财产与道路交通安全。爆胎后驾驶员由于过度紧张、经验不足等问题,难以做出准确有效的修正行为,常因过度操作甚至误操作诱发严重交通事故。爆胎后车轮有效半径减
【基金项目】
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国家自然科学基金（61873047，51975089）； 校优秀博士论文单项奖学金（201916）；
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随着高等级公路的迅速发展,汽车行驶平均速度越来越高,这给行车安全带来很大的隐患;轮胎作为汽车与地面接触的唯一部件,对保证汽车的操纵稳定性与行驶安全性至关重要。高速行驶汽车爆胎后会出现明显的偏航、横摆等现象,严重时将发生甩尾、激转,严重影响驾乘人员生命财产与道路交通安全。爆胎后驾驶员由于过度紧张、经验不足等问题,难以做出准确有效的修正行为,常因过度操作甚至误操作诱发严重交通事故。爆胎后车轮有效半径减小导致的车轮垂向载荷重构,加之爆胎汽车模型不确定性与安全约束,使得传统汽车主动安全控制系统难以取得预期的控制效果。另外,分布式驱动电动汽车的快速发展,以及其结构与性能上的优势为爆胎汽车的主动安全控制带来新的机遇。与此同时,分布式电机的引入使得整车簧下质量显著增加,加剧了爆胎汽车垂向动力学响应。为此,本文以分布式驱动电动汽车为研究对象,考虑爆胎后车轮垂向载荷转移,对高速爆胎汽车的脱困控制问题开展研究,具体如下:首先,建立包含四个车轮旋转动力学与车身纵向、侧向、横摆及侧倾动力学的汽车八自由度动力学模型。同时结合商用车标准动力学仿真软件CarSim,建立包含车轮旋转动力学的CarSim-Simulink动力学联合仿真模型;以CarSim标准车辆模型为基准,以高速单移线和双移线为测试工况,验证八自由度模型与联合仿真模型的有效性。基于高速爆胎后的轮胎力学特性与验证后的联合仿真模型,开发爆胎汽车CarSim-Simulink动力学仿真模型,分析爆胎后汽车运动特性并讨论模型的有效性。在上述已验证的车身与车轮动力学模型的基础上,结合推导的爆胎后车轮垂向载荷转移量,建立考虑垂向载荷转移的爆胎汽车动力学仿真模型,为爆胎后汽车脱困控制系统设计奠定基础。其次,面向行驶状态参数获取与快速停车的双重需求,提出集成非奇异终端滑模状态观测的主/辅制动车轮协调紧急制动控制方法。为获取控制器设计所需状态参数,构建基于非线性轮胎模型的非奇异终端滑模观测器,实现汽车行驶状态快速鲁棒观测。基于观测的状态信号,设计用于修正爆胎汽车行驶方向的横摆力矩控制器,以获取作用于主制动车轮的制动力矩。此外,为发挥除爆胎车轮和主制动车轮外的制动力,考虑垂向载荷重构推导作用于辅助制动车轮的制动力,实现爆胎汽车快速停车。针对研究对象分布式驱动的特点,设计基于约束加权最小二乘的可重构轮胎力分配器,完成主制动车轮横摆力矩与辅助制动车轮制动力的分配,协调实现爆胎汽车行驶方向稳定性与快速停车的综合控制。再次,针对高速复杂交通环境下爆胎汽车紧急制动极易引发追尾事故的问题,提出爆胎汽车纵侧向协同跟驰控制方法。为实现对纵向运动的速度干预,考虑爆胎后急剧增大的滚动阻力及其不确定性,设计基于滑模的爆胎汽车纵向速度控制器。同时为保证汽车侧向稳定性,考虑系统状态与执行器约束,发展具有多步预测、滚动优化、反馈校正的模型预测侧向稳定性控制器,完成其侧向运动控制;结合可重构轮胎力矩分配器,提出爆胎汽车控制一分配一体化跟驰方案。进一步,考虑高速侧向风等外界干扰与分布式驱动系统实时响应需求,在上述跟驰方案下分别提出基于鲁棒模型预测控制的侧向运动控制方法和基于伪逆的轮胎力分配方法,增强汽车跟驰控制系统的鲁棒性与实时性,对比研究结果验证了所提出跟驰控制方法的有效性与优越性。最后,考虑爆胎汽车动力学特性,提出基于多项式理论的爆胎汽车换道轨迹规划方法与系统脱困控制方案。考虑爆胎汽车动力学特性与安全空间约束,研究基于五次多项式的爆胎汽车换道轨迹规划方法;结合前述跟驰与紧急制动研究,探讨爆胎汽车系统脱困轨迹规划方法。综合跟驰、换道、紧急制动控制研究,提出爆胎汽车脱困轨迹规划—轨迹跟踪—力矩分配协调控制策略。仿真结果表明,基于五次多项式规划的换道轨迹具有相当的连续性与光滑性,能够满足爆胎系统动力学约束与执行器物理特性要求,集成仿真结果验证了脱困控制策略与方法的可行性与有效性。本文的研究成果为解决考虑垂向载荷转移与系统安全约束的爆胎汽车主动安全控制问题提供了可行方法,同时可为同类失效安全控制系统的设计提供理论参考与技术支撑,有助于推动汽车主动安全协同控制技术的发展。
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