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1、分类号UDCU270.1学校代码密级10590621公开*硕士学位论文基于线控全轮转向驱动协调的轮毂电动汽车操控稳定性控制研究*学 位类别工程硕士专业学位专 业名称交通运输工程学院（系、所）*指导教 师*学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文 基于线控全轮转向驱动协调的轮毂电动汽车操控稳定性控制研究 是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。论文作者签名：日期：年 月 日学位

2、论文使用授权说明本学位论文作者完全了解*关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属*。学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其他机构送交论文的电子版和纸质版，允许论文被查阅和借阅。本人授权*可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（涉密学位论文在后适用本授权书）论文作者签名：导师签名：日期：年 月 日日期：年 月日基于线控全轮转向驱动协调的轮毂电动汽车操控稳定性控制研究摘 要当前，传统集中式驱动燃油车动力源的电机化改造已取得阶段性成果。但是，这种对传统车辆底盘结构的简单继承，整车控制

3、效果改善较为有限。相比之下，采用分布式独立驱动、转向、制动的轮毂电机驱动电动汽车（下称轮毂电动汽车），各轮转向角、驱动力矩独立可控，从根本上改变了底盘的牵引控制方式。这种分布式驱动结构给车辆运动和控制带来全新可能，在主动安全性和动力学品质上更具优势，因此被业界誉为汽车的终极驱动形式。然而，这种结构和动力学特征的整车操控稳定性成为一个全新的问题。性改变，也使得轮毂电动汽车各轮之间缺乏确定约束关系，由此产生的差动转向效应会产生横摆力矩干扰，致使当前主流的DYC稳定性控制系统失效。本文依托于国家自然科学基金资助项目（51577120）“基于隐马尔可夫的全线控轮毂电动汽车操控稳定性关键问题研究”，和深

4、圳市基础研究资助项目（JCYJ20170302142107025）“全轮转向轮毂电动起汽车节能与操纵稳定性关键问题研究”，开展了线控四轮电动汽车全轮转向和全轮驱动协调控制研究，处理了转向、驱动系统因结构属性模糊带来的运动冲突问题。围绕上述研究目的，主要开展了以下工作：（1） 全线控轮毂电动汽车试验平台搭建从四轮独立转向、驱动、制动的全线控（X-by-Wire，简称XBW）电动汽车试验平 台的功能和课题组研究需求出发，设计、装配、调试了整车试验平台；为了解决悬架 系统与电动轮的适配问题，提出、设计、分析了一种全新的中心转向悬架系统；同时， 基于ADAMS/view建立试验平台的整车虚拟样机，完成

5、试验平台的稳定性分析。（2） 全线控轮毂电动车仿真平台开发仿真平台开发主要包括轮毂电动汽车动力学模型抽象、执行器动力学建模和仿真平台结构的模块化设计。对针对当前研究不足，采用模块化设计思想，建立了考虑车辆垂向运动在内的19自自由度非线性时变耦合轮毂电动汽车仿真平台，以及考虑执行器动态响应特性的非线性动态执行器模型。（3） 整车稳定性控制策略设计从稳定性控制理论入手，对轮毂电动汽车稳定控制问题进行了分析。在此基础上， 针对系统高冗余和控制的非线性特点，确定了以五层运动控制为核心的整车分层集中I 基于线控全轮转向驱动协调的轮毂电动汽车操控稳定性控制研究式稳定性控制结构，降低了车辆解耦控制难度。此外

6、，考虑到“人-车-路”闭环控制的需求，建立侧向加速度动态反馈矫正的横纵联合控制驾驶员模型，并对整车的特殊驾驶模型进行了设计分析。（4）转向和转矩协调控制研究将转向与转矩协调问题分解成运动跟踪控制和执行器分配控制。其中，运动跟踪通过统筹广义控制力协调驱动系和转向系的运动冲突；执行器分配控制则专注于广义控制力在轮胎力上的实现，解决系统执行器冗余问题。在跟踪控制中，设计了滑膜运动控制器，同时基于车辆状态综合稳定域完成驾驶员行为监测。分配控制则将轮胎力的分配问题归纳为多约束下的LQP极值优化问题，实现轮胎侧偏力和纵向力的解耦。此外，考虑到系统过约束问题，制定轮胎力混合求解策略。上述研究内容，初步实现了

7、汽车的操控稳定性控制，为课题的后续进展做了基础性工作。关键字：轮毂电动汽车；动力学模型；驱动转向协调控制；滑膜变结构控制；最优控制分配II Study on the control stability of In-wheel motord riven EV based on the coordination of steering systemand driving systemAbstractAt present, the motor transformation of the traditional centralized drive fuel vehicle engine has ach

8、ieved the stage results. However, this kind of simple inheritance to the chassis structure of traditional vehicle has limited effect on vehicle control. In contrast, the distributed independent drive and independent steering wheel motor drive electric vehicle (in-wheel motordrive electric vehicle，IW

9、MDEV), the steering angle and driving torque of each wheel areindependently controllable, which fundamentally changed the traction control mode of the chassis. The distributed driving structure brings new possibilities to vehicle motion and control, and has more advantages in active safety and dynam

10、ic quality. Therefore, it is regarded as the ultimate driving form of automobiles. However, the subversive changes in the structure and dynamics also make the stability of the vehicle handling a new problem to be solved.There is a lack of deterministic relationship between wheels of IWMDEV, and the

11、differential steering effect produced by it will cause yaw moment interference, which will cause the current mainstream vehicle stability control system to lose control effect. Based on the National Natural Science Foundation of China (NO:51577120) and the basic research grants project of Shenzhen (

12、NO: JCYJ20170302142107025), the coordinated control of steering system and drive system for four wheel IWMDEV have been carried out in this paper. This paper mainly deals with the movement conflict caused by fuzzy structural attribute of IWMDEV steering system and driving system. Focusing on the pur

13、pose of the study, the following work has been carried out.(1) Construction of test platform for X-by-Wire IWMDEVFor meeting the functional requirements of 4WIS (four wheel independent steering)/4WID (four wheel independent drive)/4WIB (four wheel independent brake) for X-by-Wire (XBW) IWMDEV, the o

14、verall IWMDEV test platform is designed, assembled in this paper. In order to solve the problem of the adaptation of the suspension system to the electric wheel, a new central point steering suspension system was proposed, designed and analyzed. In addition, the virtual prototype of the whole XBW IW

15、MDEV is built based on ADAMS/view to complete thestability analysis of the test platform.III Study on the control stability of In-wheel motord riven EV based on the coordination of steering systemand driving system(2) Development of XBW IWMDEV simulation platformThe development of the simulation pla

16、tform mainly includes the dynamic modeling abstraction of the XBW IWMDEV, the dynamic modeling of the actuator and the modular design of the simulation platform structure. Aiming at the insufficiency of current research, a 19 DOFs nonlinear time variant coupled IWMDEV simulation platform considering

17、 vehicle vertical motion and considering the dynamic response characteristics of the actuator is built by modular design.(3) The design of the stability control strategy of the whole vehicleBased on the stability control theory, the stability control problem of XBW IWMDEV is analyzed. On this basis,

18、 aiming at the characteristics of high redundancy and nonlinearity of the system control, the five layer stability control structure of the vehicle with motion control as the core is determined. The hierarchical centralized control structure reduces the difficulty of vehicle decoupling control. In a

19、ddition, considering the demand of closed loop control of “human-vehicle-road”, a driver model of lateral acceleration dynamic feedback correction is established, and the special driving model of the vehicle is designed and simulated.(4) Research on the coordinated control of steering and drivingThe

20、 problem of steering and driving coordination is decomposed into motion tracking control and actuator allocation control. The motion tracking control is used to generate the total control force, thereby eliminating the motion conflict between the driving system and the steering system. The actuator

21、allocation control focuses on the realization of the control force on the tire, so as to solve the over drive problem of the system actuator. In motion tracking control, motion controller is designed based on sliding mode variable structure control theory, and driver behavior monitoring is completed

22、 based on vehicle state comprehensive stability domain. The tire force assignment problem is summed up as the LQP extreme optimization problem with multiple constraints. Furthermore, considering the problem of over constraints, a mixed solution strategy of tire force is designed in this paper.Aiming

23、 at this goal, the above research content has done the basic work for the follow-upprogress of the subject.Key word: in-wheel motor driven EV; vehicle dynamic model; drive and steeringintegrated control; sliding model control; optimal control allocation.IV 目录摘要IAbstractIII第 1 章绪论11.1 课题研究背景及意义11.1.1

24、 研究背景11.1.2 研究意义21.2 线控轮毂电动汽车研究概况31.3 课题相关研究内容概述51.3.1 轮毂电汽车仿真平台建模研究概况51.3.2 汽车操纵稳定性控制基础理论概况61.3.3 转矩和转角协调控制研究概况71.3.4 稳定性控制结构策略研究概况81.4 主要内容和特色9第 2 章全线控轮毂电动汽车试验平台设计与分析112.1 全线控车试验平台整体结构设计112.2 中心转向悬架与驱动系统设计与分析132.2.1 电动轮转向悬架研究概况132.2.2 中心转向悬架与驱动系统结构设计142.2.3 中心转向悬架与驱动系统力学分析162.3 全线控轮毂电动汽车试验平台操控稳定性分

25、析192.3.1 试验平台虚拟样机和对比模型建模202.3.2 试验平台虚拟样机仿真与分析212.4 本章小结27第 3 章全线控轮毂电动汽车仿真平台开发283.1 仿真平台总体结构283.2 整车动力学建模293.2.1 仿真平台坐标系转换303.2.2 系统运动变量定义313.2.3 车身动力学模型323.2.4 悬架系统动力学模型343.2.5 车轮动力学模型353.2.6 轮胎动力学模型363.2.7 空气动力学模型413.3 执行单元建模413.3.1 线控驱动单元建模413.3.2 线控转向单元建模433.3.3 线控制动单元建模443.4 试验平台仿真流程463.5 仿真平台验证

26、473.6 仿真平台建模建议513.7 本章小结51第 4 章整车稳定性控制策略设计524.1 轮毂电动汽车稳定性控制分析524.1.1 传统汽车稳定性控制问题描述524.1.2 全线控轮毂电动车稳定性控制分析534.2 运动状态变量选择544.3 整车稳定性分层集中式控制结构设计554.4 横纵联合控制驾驶员模型574.4.1 驾驶员模型建模574.4.2 驾驶员模型仿真验证594.5 驾驶模式设计604.5.1 驾驶模式设计分析614.5.2 特殊驾驶模式仿真634.6 本章小结65第 5 章整车运动跟踪控制研究665.1 运动跟踪控制问题描述665.2 参考运动状态变量675.2.1 名

27、义参考状态变量675.2.2 综合运动状态允许域设计685.2.3 参考状态变量715.3 运动跟踪控制器设计745.3.1 运动跟踪控制研究现状745.3.2 滑膜变结构控制简介755.3.3 基于SMC 的运动控制器设计765.4 运动跟踪控制器仿真与分析805.4.1 仿真试验说明805.4.2 高附着路面正弦输入工况815.4.3 低附着路面鱼钩试验工况835.5 本章小结85第 6 章基于最优控制的轮胎力分配控制研究866.1 轮胎力分配控制分析866.1.1 广义控制力在轮胎力上的实现876.1.2 轮胎力在执行器上的实现886.2 基于LQP 的最优控制分配算法896.2.1 控

28、制分配算法简介896.2.2 轮胎力优化目标906.2.3 系统约束处理916.2.4 基于LQP 的混合优化求解策略926.3 车轮转向角计算956.3.1 轮胎侧偏特性逆模型956.3.2 转角计算966.4 仿真试验分析计算976.4.1 高附着路面正弦输入工况976.4.2 低附着路面鱼钩试验工况996.5 本章小结100第章 总结与展望101.1 全文总结101.2 研究展望102参考文献103致谢110硕士期间发表成果111 基于线控全轮转向驱动协调的轮毂电动汽车操控稳定性控制研究第 1 章 绪论1.1 课题研究背景及意义1.1.1 研究背景安全、节能与环保是汽车发展的方向和永恒主

29、题，尤其在事故频发、能源短缺和环境恶化的当下显得格外重要1。电子化、智能化、电动化、可再生化是实现安全、舒发展新能源汽车产业对于推动产业结构调整、促进节能减排、加快经济发展方式转变具有重要意义2, 3。近年来，迫于能源与环境的双重压力，推动新能源汽车产业的快速发展已经成为全球各个国家推进交通能源战略转型的重要措施。特别是在国际金融后，为抢占新一轮经济增长的战略制高点，主要汽车工业发达国家纷纷加大对电动汽车的研发投入并且加强政策支持力度4。世界各个国家的汽车研究单位以及高校也纷纷关注纯电动汽车的研究和开发，并且取得了许多重大的研究成果。目前，站在中国工业2025转型升级的重要节点上，发展新能源汽

30、车工业已成为“十三五”既定国家战略，并确立了以推广纯电驱动为主的跨越式技术发展路线3, 5。在此格局下，开展纯电动汽车基础技术研究，对实现我国汽车工业在新能源领域的弯道超车格外重要。图1.1 分布式驱动轮毂电动汽车及其驱动单元当前，基于传统集中式驱动燃油车的电机化改造已取得阶段性成果，并相续有量产的混合动力和纯电动汽车推出市场。此类电动汽车依赖集中式驱动结构，通过动力源电机化，并借助差速器和分动器实现二轮或全轮驱动。显然，这种对传统车辆结构的简单继承，除电机外特性曲线有所改善外，车辆驱动方式并未发生实质性改变，整车动力学品质和舒适性、经济性、主动安全性等改善较为有限，未能充分体现电机驱动技术优

31、势。相比之下，采用分布式独立驱动、转向的轮毂电机驱动电动汽车，省略了传动系统，利用电机直接驱动车轮，各轮的运动状态相互独立，整车拥有更多的可1 基于线控全轮转向驱动协调的轮毂电动汽车操控稳定性控制研究控自由度。因此轮毂电动汽车的分布式驱动方式能从根本上汽车运动和控制带来全新可能，成为极具潜力的汽车技术。了汽车驱动方式，为1.1.2 研究意义轮毂电动汽车采用电机直驱，能量传递环节少，能从根本上提高能源利用率，通过转矩的协调分配可实现节能控制；省略了传动系统，简化了底盘结构、提升车辆空间利用率，对汽车整备质量轻量化贡献较大，可显著降低制造成本，并进一步增加电动汽车续驶里程；车辆具有更多可控自由度，

32、各执行器运动相对独立，执行器除了本职工作外亦可兼做整车闭环反馈单元，用于诸如路面附着系数、车速、车轮侧偏角的实时观测中，能减少了对额外传感器和执行器的依赖；线控系统结构破除了传统系统间的约束，通过各大执行器的组合优化，便于实现线控转向（SBW）、线控制动（BBW）、线控驱动（DBW）、牵引力控制（TCS）、横摆力矩控制（DYC）、车身稳定性控制系统（ESP）、主动后轮转向（ARS）、主动前轮转向（AFS）等底盘控制技术的集成，能显著增强极限工况下车辆稳定性储备裕度，从而使车辆拥有更佳的主动安全性。因此，业界亦将轮毂电车称之为电动汽车的终极驱动形式6。（a）传统集中式集中式驱动结构（b）轮毂电动

33、汽车分布式驱动结构图1.2 集中式驱动与分布式驱动底盘结构目前，轮毂电动汽车尚处在研发中，国内外许多高校企业都投入了大量精力，也 取得许多喜人的研究成果，但是其距离实际量产依旧还存在许多关键技术难题，其中 最为迫切的是轮毂电动汽车操控稳定性研究，其作为基础是其他关键技术研究的前提， 故而更具迫切性。车辆的操纵稳定性是指在驾驶员尽量舒适状态下，车辆能遵循驾驶 员意图行驶的能力，且当遭遇外界干扰时，车辆能抵抗干扰而保持稳定行驶的能力7。由于采用分布式驱动，轮毂电动汽车各执行机构间不存在确定的机械约束，因此 整车牵引控制效果依赖于各执行机构的协调，其动力学结构形式与传统汽车相差巨大。虽放宽了对控制系

34、统设计的限制，却对控制系统提出了更高的要求。主要差异表现在 四轮独立转向、四轮独立驱动、四轮独立制动的轮毂电动车是过驱系统，需要对四个 独立驱动、独立转向的车轮进行转矩分配和转角控制，以满足对车辆运动状态变量（不超过6个）的跟踪，即执行器输出变量与被控状态变量之间是映射关系不唯一，系2 基于线控全轮转向驱动协调的轮毂电动汽车操控稳定性控制研究统自由度高度冗余；同时，传统汽车上的围绕着特定控制目标设计的稳定性控制系统相对封闭独立，当多个子系统同时作用时，由于车辆的耦合特性，控制目标间普遍存在冲突与干扰，从而难以通过传统汽车平台迁移实现轮毂电动车稳定性控制。由于采用分布式驱动，轮毂电动汽车的相关研

35、究与传统汽车的研究问题完全不同， 因此，必须研究新的理论来支撑轮毂电动汽车操纵稳定性研究。本文在国家自然科学 基金和深圳市基础研究资助下，为轮毂电动汽车稳定性研究做了基础性探索，包括设 计建立实车试验平台，进行整车复杂非线性耦合动力学仿真平台建模，围绕着4WIS、4WID轮毂电动汽车，以整车动力学控制为理论基础，以工程应用为出发点，探讨了多 约束下的分配控制问题，基于全轮主动转向与转矩分配集成控制，进行轮毂电动汽车操纵稳定性和控制策略研究。1.2 线控轮毂电动汽车研究概况分布式驱动的轮毂电动汽车在稳定性、舒适性和节能控制等方面相较于传统车辆具有显著的理论优势，因此国内外针对分布式驱动电动汽车进

36、行了大量的系统研究和实验车辆开发，为其动力学系统研究提供了试验平台。最早的轮毂电机驱动电动车源于保时捷的大胆设想，采用两个内置于前轮的电机 直接驱动汽车8，从而摈弃了发动机和传动系统。如今，轮毂电动汽车在电子稳定控制、系统集成等方面有了长足进步。针对不同应用需求，日本庆应义塾大学分别开发了高速型、高动力型二款8轮独立 驱动轮毂电动汽车 “Ellica”9，如图1.3(a)，进行了一系列的牵引控制研究；三菱汽车公司则利用轮毂电机力矩独立控制的特点进行动力学稳定性控制，推出了MIEV概念车10， 如图1.3(b)；东京大学的Hori 教授11, 12则基于量产车开发了4WID的概念电动车“UOT

37、Electric March”， 如图1.3(c)；东京农工大学的永井正夫教授13团队为研究DYC与SBW 集成控制，提出了轮毂电机驱动的 NOVEL系列微型车技术解决方案；通用公司14先后研发了轮毂电机后驱轻型概念车Hy-wire和氢燃料轮毂电动汽车Seque，如图1.3(d)；美 国俄亥俄州立大学15基于沙滩车开发的四轮轮毂电动汽车（如图1.3(e)），研究了驱动和再生制动模式下的力矩分配和节能控制。除了民用领域外，轮毂电动汽车在领域也开始得到重视，通用公司开发了8x8轮毂电机驱动“悍马” 车16, 17，南非阿姆斯科公司对“大山猫”18（如图1.3(f)）进行轮毂电机驱动改装，它们极大的

38、改善了车辆的经济性和动力性。此外，通过对驱动、转向、制动、悬架在车轮单元的集成， VOLVO18和法国米其林20分别推出了提出的ACM（Autonomous Corner Module）和active wheel motor概念车轮总成。由此可见，轮毂电动汽车已被世界视为未来电动汽车领域发展的重要方向。3 基于线控全轮转向驱动协调的轮毂电动汽车操控稳定性控制研究（a）Ellica 轮毂电动汽车（b）三菱 MIEV 概念车（c）UOT Electric March（d）Seque 氢燃料概念车（e）Ohio State University试验台图1.3 国外分布式轮毂电机驱动车辆（f）“大山猫

39、”轮式战车国内对此也开发了相应的试验平台并进行了相应的稳定性、平顺性等研究。例如，同济大学21相继开发的春晖系列电动车；清华大学22, 23设计的短途经济型微型轮毂电动汽车“哈利”；吉林大学6, 24-26的全线控轮毂电动车平台UFEV；此外，中文大学27, 28、北京理工大学7、上海交通大学29、山东大学30, 31等大学及科研单位也针对轮毂电动汽车进行了样车开发。（a）同济大学“春晖”三号（b）清华大学微型车“哈利”（c）吉林大学UFEV试验车（d）中文大学OK1（e）北京理工大学轮式战车图1.4 国内分布式轮毂电机驱动车辆（f）山东大学试验车综上所述，虽然目前国内外不少机构针对轮毂电动汽

40、车提出了一些产品级解决方案，但是实际上这种汽车的结构极其复杂，迫于安全、稳定、可靠性的原因，现阶段4 基于线控全轮转向驱动协调的轮毂电动汽车操控稳定性控制研究还远远达不到的民用化水平。相比之下，我国对于四轮驱动轮毂电动汽车研究与国外存在着较大的技术差距。因此，要充分发挥分布式轮毂电动车的驱动结构优势，还需在稳定性、节能控制等方面开展细致、深入、系统的理论研究和实践探索。1.3 课题相关研究内容概述1.3.1 轮毂电汽车仿真平台建模研究概况车辆系统是各构件通过各种约束形成的刚柔混合多体系统。车辆动力学建模研究始于 19 世纪 50 年代32, 33，最具代表性的是线性二自由度单轨模型。该模型建立

41、在轮胎侧偏特性线性基础上，故仅适用于低速线性工况，应用范围较窄。为了开展非线性仿真控制研究，主要表现在对轮胎线性侧偏特性进行了非线性改造。然而，此种模型未能考虑到车辆因俯仰、侧倾等运动造成的轴荷转移，故而也不能用于极限临界工况的稳定系控制系统开发中。目前，针对车辆动力学建模大致有二种手段：(1)求解描述车辆运动微分方程，着 重从运动机理上进行建模，典型软件有 Simulink 和 Mathcad。(2)通过多体系统动力学 进行动力解析，将动态系统看作有铰链和内力链接的刚体，代表仿真软件有Adams/Car、DADS、RecurDyn、CarSim。此类模型以丰富的试验数据为基础，能有效地降低开

42、发 周期和成本，但在定性理论研究方面存在不足。在国外，较为具有代表性的多自由度动力学模型，以 D.J.Segal34建立的十五自由度模型，和美国密西根大学交通研究中心35 的十七自由度模型为代表。国在内，吉林大学动态模拟国家重点实验室36基于 Unit Tire 建立的十二自由度汽车模型，是目前国内乃至国际权威的汽车模型之一。其后，雷雨成37、王博38基于传统汽车改造基础上对车辆模型自由度进行了拓展。针对轮毂电动汽车，日本东京大学39和东京农工大学40则均采用了七自由度4WID 车辆模型； 杨福广41 、宗长富等42 基于车辆稳定性控制需求， 建立了4WID/4WIS 车辆模型，但是上述模型均

43、未考虑车辆的垂向运动。实际上，轮毂电机安装使整车簧下质量增加明显，会恶化汽车平顺性和动力响应品质，此时簧下质量的垂向运动对整车动力学品质的影响将是显著的。主要表现为沉重的转向负载，会影响到转向角的动态品质，从而影响车辆的响应特性。此外，一般学模型多是根据研究的需要侧重于车辆的某些性能而建立的，多是基于传统汽车，动力源普遍简化扭矩特性曲线7, 43, 44或者功率 map 图25, 45形式，这种简化等效模型固然能降低仿真计算量，同时也剔除执行器的动态响应特性。采用了电机驱动、转向技术使得车辆对动力系统响应更加敏感，各自由度之间的耦合作用也更加强烈。这种仅考虑执行器静态约束的简化模型在实际中可能

44、存在较大的偏差，例如电5 基于线控全轮转向驱动协调的轮毂电动汽车操控稳定性控制研究机的转矩波动对轮胎纵向力影响较大，不单影响车辆平顺性，而且在极限轮胎力下易诱发车辆失稳。目前的车辆建模研究对述分析尚不够充分，因此建立高冗余过驱系统动力学模型能为独立驱动模型领域作了一些必要的有益的工作。考虑到后期拓展研究，文建立考虑车辆垂向运动和执行器动态响应特性的 19 自由度非线性耦合车辆动力学模型。1.3.2 汽车操纵稳定性控制基础理论概况车辆稳定性主要强调对车辆侧向动力学特性的控制。事实上，侧向动力学是一个异常复杂的非线性问题，目前尚无任何技术能够实现对侧向力的直接控制，这是困扰车辆稳定性控制的关键问题

45、。然而，车辆轮胎动力学的内在耦合特性，使得侧向力学特性与纵、垂向动力学之间存在相互作用。因此，车辆稳定性控制的实质上是通过对轮胎垂向力、纵向力的合理控制，从而影响侧偏力，使车辆状态远离失稳边界。目前，该类控制方法相应分为三类：主动转向控制（AWS）、侧倾刚度控制(RSC)和直接横摆力矩控制(DYC)，其有效作用域如图 1.5 所示。图1.5 车辆稳定性控制方法有效作用域AWS 作用域在轮胎侧偏特性线性区，由于受到轮胎力非线性饱和因素影响，其单独控制效果无法得到本质上的提升。RSC 主要利用轮胎侧偏刚度与垂向力的耦合关系， 通过调节悬架侧倾刚度产生期望侧倾力矩来提高操纵稳定性；该类方法严重依赖于

46、主 动或半主动悬架技术（ASS），在载荷转移明显时才具有效果4。DYC 利用轮胎纵向力和侧偏力间的非线性耦合关系，通过驱动或制动使各轮产生纵向滑移率差，从而产 生作用于车辆的横摆力矩，理论上适用于一切车辆的稳定性控制。得益于在位姿调整 的上的显著效果，DYC 控制在车身稳定性系统（ESP、VSC）得到了良好的运用，主要用于极限工况下提升整车安全性，成为当前车辆上主流稳定性控制系统。传统的 DYC 是通过限滑差速器实现，结构较为复杂，相比下四轮独立的轮毂电动汽车的系统结构则具有更佳的硬件基础：电机扭矩的响应直接输出快，扭矩的大小更精确；电机扭矩独立可控，且易于测量。利用这两个优点，就可以通过独立

47、控制电机扭矩的方式产生纵向力差，从而改变作用在汽车上的横摆力矩。因此，选择 DYC 控制6 基于线控全轮转向驱动协调的轮毂电动汽车操控稳定性控制研究来解决线控轮毂电动汽车的操作稳定性问题是较为理想的选择。1.3.3 转矩和转角协调控制研究概况转矩和转角协调控制问题在传统汽车是极少被关注的问题，主要是因为传统汽车并不具有主动转向的能力。由于差速器的等扭矩分配和转向梯形的约束作用，驱动系统和转向系统分别负责驱动和转向，各大子系统功能结构清晰，不存在相互干扰。由于主动转向 AWS 和 DYC 都能产生附加横摆力矩，从而促使车辆转向。这种差动助力转向效应，对车辆的稳定性和转向特性都有较大影响。此时，轮

48、毂电机拖动的车轮不仅是驱动系统的执行器，更是转向系统的重要组成部分，造成系统的结构属性模糊。当然，传统的 DYC 未直接利用轮胎侧偏力学特性，横摆力矩控制不符合转向运动的基本机理，因此对于车辆侧向运动控制并非总是理想，表现在车辆纵向速度的波动， 会削弱驾驶员的操纵信心和驾乘舒适性。于是，出现了将各种系统进行集成的车辆动 力学横摆稳定性控制，其中主要是 AWS 与 DYC 的集成46。轮毂电动汽车通过差动驱 动的方式实现 DYC 控制，不产生纵向速度损失，介入较传统差动制动更为温和；同时， AWS 可以缩短横向加速度及偏转运动的响应时间，减小车体的侧偏角，从而提供良好的操纵性和驾驶舒适性。因此针

49、对轮毂电动汽车的稳定性控制研究集中在AWS 和DYC 集成融合，即转向与转矩协调控制。对此，日本东京农工大学 Masao Nagai47利用前馈和反馈的控制结构研究主动前轮转向（AFS）和 DYC 集成控制，以及主动后轮转向（ARS）和 DYC 集成控制。德国大陆公司48ESC则在 ESC 的基础上集成 AFS 控制，利用 AFS 补偿部分由于差动制动造成的横摆力矩。美国俄亥俄州立大学Junmin Wang49利用分层式控制结构研究了四轮独立驱/制动、四轮独立转向的集成控制问题。英国利兹大学 Crolla50基于滑模变结构控制理论(SMC)设计集成控制器对 AFS 和车辆动力学稳定性控制系统（

50、DSC）进行了协调，减小两子系统之间的功能冲突、提高汽车底盘控制集成度。国内，喻凡教授51课题组，提出了广义执行器-受控对象底盘集成控制体系，采用SMC、鲁棒控制方法进行了 TCS 集成控制研究。山东大学的杨秀建52等人基于经典自行车单轨车辆模型设计了 AFS 和主动制动集成控制器，用于提高侧偏刚度不确定性下的极限工况稳定性。刘力53等采用 MPC 理论设计了 AFS 和 DYC 集成控制器，研究了运动模式间的平滑切换和基于运行状态反馈的权重系适应调整问题。朱冰54等人基于频域控制方法设计了AWS 与主动制动集成控制器； 55基于MPC 对AWS 和主动制动进行了集成控制研究。综上所述，针对转

51、角和转矩的集成控制，国内外都已经进行深入探索，并取得了一定研究成果，可为本课题提供重要借鉴。但是，此类研究成果多是基于单独 AFS 或者 ARS 与 DYC 的集成，对 4WS 与横摆力矩的集成控制研究尚不充分。四轮AWS 对车身姿态微调上存在较大的优势，单纯的 AFS 或者 ARS 与转矩的集成控制，显然造成了7 基于线控全轮转向驱动协调的轮毂电动汽车操控稳定性控制研究一定的执行资源的浪费。因此，本文将在车辆动力控制基础上，开展全轮转向与全轮驱动协调集成控制研究，以便充分发掘轮毂电动车在稳定性控制上的潜力。1.3.4 稳定性控制结构策略研究概况通过集成控制完成多系统协调是运动控制的重要共识，

52、目前应用于汽车底盘控制的集成控制测策略主要有三种：基于信息共享的集成控制策略、基于仲裁协调的集成控制策略、基于子系统功能融合的集成控制策略。1) 基于信息共享的集成控制策略早期的集成控制主要利用信息共享实现，其特征在于各大子稳定控制系统的决策器相互独立，通过总线相关联后，利用信息共享达到一定的集成效果。例如，丰田公式的 Kizu56等人推出 FXV-II 概念车，通过信息共享实现了 AS、ARS、TCS、ABS 的集成控制。同样，丰田的 Sato57-59等人提出交互式自适应控制概念，使用所有相关系统的状态计算特定系统的目标值。利用交互式自适应策略，三菱公司的 Mitamura60等人实现了对

53、制动系统和转向系统的集成控制。Taheri61等在设定 ABS 最优滑移率时考虑了车轮转角的影响，以改善大转角、强制动时车辆稳定性。2) 基于仲裁协调的集成控制策略利用仲裁策略对子系统功能进行协调的集成策略，多利用设置额外的协调控制器 来实现。例如，Guvenc62等对 AFS 和差动制动的协调控制做了初步研究，通过分配系数决定两个系统附加横摆力矩的比例。Bedner63等通过设置监督控制单元对 4WS 与VSE 进行了协调控制，通过设置系统优先级的方式协调系统控制。Burgio64等利用系统反馈线性化方法对 AFS 和 ESP 进行协调，当 AFS 达到饱和后，不足的稳定横摆力矩由主动制动来

54、实现。同济大学姜炜65等根据侧向加速度划分 AFS 和 DYC 的协调作用域。Hwang66采用侧偏角相平面图判断当前车辆状态，并依据车辆状态对AFS、ESP 的使用。Rengaraj67等基于模糊规则协调了 AFS、ASS、ESC 和可变驱动分配系统（VTD） 各自工作域。3) 基于子系统功能融合的集成控制策略将子系统的功能集成到独立的集成控制器中的协调集成方法，只保留执行器的执行分配控制功能，子稳定系统的决策功能集中到了集成控制中。例如，Fruechte68等人就提出了基于功能集成的汽车转向、制动、动力传动和悬架的集成控制概念。Boada69 等通过建立质心侧偏角、横摆角速度与附加稳定横摆

55、力矩、主动前轮转角间的模糊规则实现了期望制输入。类似的，杨福广30, 41等针对低附着高速工况下的操纵稳定性， 设计采用模糊控制集成器实现了 AFS 与 DYC、ARS 与 DYC 的集成控制。上海交通大学喻凡70等人基于模型预测控制（MPC）设计了整车稳定性控制器。吉林大学杨建森71以前轮转角与四轮转矩为控制变量，应用 MPC 建立汽车集成控制算法。武建勇72等设计了车身侧偏角滑模观测器，基于鲁棒模型匹配控制对 AFS 与 DYC 进行集成。8 基于线控全轮转向驱动协调的轮毂电动汽车操控稳定性控制研究信息共享式集成保留了各子系统的完整结构，集成程度较低，总体上对提高汽车稳定性作用有限，基本被

56、边缘化。相比之下，基于仲裁控制策略，采用自底向上针对特定硬件配置的设计思路，集成控制带来的性能提升仍然有限。这种弊端主要表现在利用规则和逻辑判断以决定执行器的优先级和控制量的分配方式，难以适应汽车复杂行驶工况的动态过程，牺牲了执行器的独立性。鉴于以上原因，目前第三种集成控制策略成为研究热点。由于采用自顶向下的开发思想，算法集成度高，并在设计初始便充分考虑了整车的动为学特性，所以理论上可以达到全局最优。自顶向下的设计模式的复杂度高，控制器计算负担大，牺牲了算法的鲁棒性和可 扩展性。为了降低集中式控制器的设计难度实现难度，并兼顾控制器的拓展性，当前 业内通用的做法是将集成控制器进行功能划分，寄望于利用分层式控制架构实现与集 中式控制方法等同的整体控制效果。因此本文设计了基于 DYC 的分层式集成控制结构，通过上层运动跟踪，下层控制分配的总体控制策略，实现整车操纵稳定性控制。1.4 主要内容和特色本文主要特色提出、设计、分析了全新的中心转向悬架；为建立了考虑车辆垂向作用的 19 自由度非线性耦合轮毂电动汽车仿真平台，并充分考虑了执行器动态响应特性；为整车控制设计了基于 DYC 的分层集中式稳定性控制策