车辆状态和路面附着系数的非线性估计方法研究

针对汽车底盘与安全控制系统中存在的关键科学问题"车辆状态和路面附着系数的估计"，从实际系统的需求出发，在兼顾估计效果和低成本的前提下，优化系统的传感器配置，通过对车辆动力学特性的分析，研究车辆动力学模型误差的补偿方法，利用先进控制理论，研究有未知输入且存在不确定因素的非线性系统状态与参数估计的有效方法，实现对车辆状态和路面附着系数的实时可靠估计，研究非线性估计算法的优化及嵌入式实现，研究估计算法的实验方法及实验数据的分析方法，结合理论与应用技术的创新，完成估计算法在多种工况下的硬件在环实验和实车实验。本项目的研究有助于推动先进控制理论在车辆工程中的应用，其成果可指导进一步开发具有自主知识产权的汽车底盘与安全控制系统。

车辆状态和路面附着系数估计是汽车底盘控制系统中的关键问题。项目在分析汽车各部分动力学特征与控制需求的基础上，针对车辆动力学非线性估计及其实现方法进行了深入研究，主要工作如下：1）系统总结了国内外在车辆动力学建模及车辆状态、轮胎摩擦力和路面附着系数估计领域的最新研究进展，并提出了发展展望；2）在分析车辆动力学系统未知物理量与传感器测量信息之间关系以及不同传感器成本差异等因素的基础上，提出了一种车载传感器的配置方案，该方案兼顾了车辆状态的可靠估计与系统的低成本要求，并且在不同的量产车型中得到了验证；3）提出了针对不同车载传感器信号的接口电路和信号处理电路设计方法以及传感器测量信号的软件滤波处理方法，并在一汽奔腾B50和B70轿车中进行了应用验证；4）在分析轮胎纵和横向摩擦力在线性区域及非线性区域的主要动态特性、轮胎摩擦力的饱和特性，以及轮胎纵向与横向摩擦力之间的耦合关系及其与轮胎垂直载荷、路面附着系数之间关系的基础上，详细讨论了Dugoff轮胎模型在不同工况下的计算精度及误差产生的主要原因；5）建立八自由度非线性车辆动力学模型，构建实车实验环境，并根据国标和ISO标准对车辆制动系统和操纵稳定性试验的要求，制定试验计划，获得不同驾驶工况和路面条件下的实验数据，为车辆动力学模型和估计算法验证奠定了数据基础；6）针对平坦路面的车辆状态估计问题，将路面附着系数的估计转化为轮胎摩擦力估计，提出了基于滑模观测器的车辆状态估计和轮胎摩擦力重构技术，给出了观测器收敛的充分条件，并通过仿真和实验验证了估计算法的有效性；7）针对坡度路面的车辆状态估计问题，将路面坡度和倾斜角描述为系统的未知输入，并通过车身侧倾角的估计，提高车辆动力学模型的精度，进而设计观测器实现了车辆状态的可靠估计，并基于输入到状态稳定性（ISS）理论讨论了观测器误差方程稳定的充分条件，该方法能够实现对车辆状态和路面条件的联合估计；8）提出了基于现场可编程门阵列（FPGA）的估计算法优化和实现方法，并对比了硬件描述语言和片上可编程系统（SOPC）两种不同实现方法的优缺点，为复杂算法的实现提供了可行方案；9）提出了一种基于Labview的汽车电控单元集成测试技术和集成测试系统架构，设计并构建了汽车底盘电控单元硬件在环试验环境，为估计算法测试提供平台。