基于人-车交互作用的车辆运动包络控制研究

Some limits do exit in practic for any vehicle, such as tire-ground friction limits represented by tire elliptical envelopes,which restrict vehicle dynamic performance hereby. For conventional vehicles, the limit performances greatly depend on the driving level of human operators. However, for modern vehicles equipped with chassis active control systems, their motions limits are not only determined by the driver characteristics and his/her adaptability to driving enviroments, but also by vehicle mechanical properties, electrical control system characteristics and other factors. Based on a developed electric vehicle prototype, and from the viewpoint of interaction relationship between driver, vehicle and various coordinating and integrating active control subsystems, the motion envelope control strategies for driver-vehicle close-loop system is proposed for the purpose of ensuring optimal global vehicle dynamics performances and reducing human driving workload. The research focuses on the three key issues, i.e., 1) how to obtain the real-time monitoring and estimation for vehicle motion state corresponding to prevailing driver demands; 2) how to design envelope control strategy to ensure the driver-vehicle interaction system stability within its limits; 3) how to combine driver model and make full use of the limit characteristics of vehicle and the electrical control subsystems to maintain optimal driver-vehicle system dynamics performance for realizing "No Worries" driving. This project is in line with the cutting-edge research of current vehicle development trends toward electrical wire control, with significant theoretical and practical values.

任一车辆都存在本身固有的极限能力问题，如以轮胎椭圆包络线表示的轮地附着极限对车辆动力学性能的限制。对传统车辆而言，其极限能力的发挥很大程度取决于驾驶者的操控水平。然而，对装有底盘动力学主动控制系统的现代车辆而言，其运动极限能力则由车辆系统机械特性、控制系统特性、驾驶员特性及其对行驶环境的适应能力等因素共同决定。本项目以某电动原理样车为例，从人、车和主动控制系统组成的闭环系统的相互关系出发，提出基于人-车交互作用的车辆运动包络控制的研究课题。研究内容包括：如何根据驾驶员操控指令对车辆及其运行状态进行实时监测和估计；如何采用包络控制策略在极限范围内实现人-车交互系统的运动稳定控制；如何结合驾驶员模型、充分利用车辆及其控制系统的极限特性，实现人-车系统综合性能最优，提高车辆的主动安全性及舒适性，同时实现驾驶员的"无忧虑"驾驶。本项目的研究是车辆动力学及其控制领域的前沿，具有很好的理论和实际意义。

任一车辆都存在本身固有的极限能力问题，如以轮胎椭圆包络线表示的轮地附着极限对车辆动力学性能的限制。对传统车辆而言，其极限能力的发挥很大程度取决于驾驶者的操控水平。然而，对装有底盘动力学主动控制系统的现代车辆而言，其运动极限能力则由车辆系统机械特性、控制系统特性、驾驶员特性及其对行驶环境的适应能力等因素共同决定。本项目首先针对车辆动力学模型中不确定性参数轮胎力和轮胎侧偏刚度设计了双卡尔曼滤波观测器，利用参考车辆动力学模型对车辆质心侧偏角等参数进行了辨识，同时研究了车辆运动包络极限，并提出了一种车辆稳定性极限的相平面表述方法，并基于车辆运动包络极限，利用模型预测控制算法设计了主动转向、主动制动、主动转向与主动制动集成控制器，并进行了仿真分析。在前述研究基础上，项目针对安全驾驶分析，定义了基于车辆状态的“道路安全边界”，对车辆包络极限约束条件提出了一种基于动力学的道路安全边界约束条件求解方法，引入了道路安全边界的求解方法，并对车辆集成控制进行了仿真分析。为了研究驾驶员特性对车辆操纵特性的影响，项目结合车辆和驾驶员状态反馈信息建立了预瞄–补偿优化神经网络驾驶员模型，联合MSC CarSim 建立了人-车-路闭环试验系统，并进行了仿真实验分析与实车操纵稳定性实验分析。同时基于项目组设计的四轮轮毂电机驱动电动车样机，利用分数阶PID 控制理论对实验室线控轮毂电机驱动电动车设计了新的操纵稳定性控制器，并通过实验对控制程序进行了验证。