基于智能轮胎的高阶全状态底盘集成控制机理与策略研究

The Integral Chassis Control System provides optimal vehicle performance through the integration of the various dynamics subsystem. It is one of the hotspots on leading-edge about how to improve the integration level and accuracy of the system. However, the improvement of further system integration will be limited using existing 2 DOF (degrees-of-freedom) or 3 DOF reference model based hierarchical integration mechanisms. Furthermore, tire forces are achieved by estimation generally, which restricts the precision of control. In this project, the deep-level integral chassis control theory and strategy will be researched based on intelligent tire system with MEMS tri-axial accelerometers mounted on the inner linear of the tread. First, a tri-axial acceleration frequency-domain response based method for tire force measurement and estimation will be put forward. It means that real-time tire force feedback could be achieved. Second, dynamic coupling and coordination based on all degrees of freedom of the vehicle body will be researched. Additionally, the structural nonlinearity of system with high-rank state variables will also be studied. Finally, the high-rank nonlinear control strategy and algorithm for full-states with vehicle body and wheel systems integration is going to be achieved. The results could lead to a breakthrough to the existing hierarchy for vehicle dynamics and wheel dynamics control, provide higher-level integration about more control targets and more degrees of freedom of a vehicle, and predict and utilize the adhesion potential of tires more accurately. Therefore, the overall vehicle driving performance and control precision will be improved effectively.

汽车底盘集成控制可以通过集成各动力学子系统使车辆性能达到综合最优，如何提高系统的集成化程度和精度已成为当前的研究热点和前沿。但是，现有研究大多基于2或3自由度参考模型，采用分层机制实现集成控制，限制了控制集成度的进一步提高；同时，轮胎力大多采用动力学估算方法得到，控制精度有限。本项目将基于MEMS三轴加速度传感器的智能轮胎引入到底盘集成控制系统，研究高阶全状态底盘深度集成控制机理与策略。开发基于胎冠内壁加速度响应频域特性的轮胎力测算方法，实现轮胎力实时反馈；探索分析车体全自由度动力学耦合与协调机理以及包含状态量高阶项的结构非线性系统特性；并以此为基础，设计车体系统与车轮系统全状态集成高阶非线性控制策略与算法。本项目的开展，可以突破现有整车动力学控制与车轮动力学控制的分层结构局限，实现更多控制目标和更多整车自由度的高度集成，同时，可以准确预估轮胎附着潜力，有效提升整车控制精度和综合行驶性能。

充气轮胎是轮式道路车辆最为重要的部件之一，轮胎主动化与智能化的研究意义重大。本项目将基于MEMS三轴加速度传感器的智能轮胎引入到底盘集成控制系统，力图解决轮胎信息的在线获取及其在车辆动力学控制系统中应用的关键科学问题。..基于智能轮胎的路面识别算法是本项目的研究重点之一。项目组搭建了智能轮胎系统，并通过台架试验和道路试验研究了智能轮胎中胎内三向加速度响应与轮胎力的关系，提取出主要特征信息，设计了轮胎力与路面附着系数测算方法；研究了基于车辆状态观测和轮胎模型参数辨识的路面识别方法，与智能轮胎测算方法形成互补。..考虑车辆高阶非线性及耦合特性的集成控制是本项目的另一个重要研究内容。本项目建立了几种不同自由度的线性与非线性的参考模型；在对非线性参考模型特性分析的基础上，采用TS模糊方法重构车辆参考模型来处理非线性问题，应用PDC+LMI方法实现控制器的设计；面向前述成果中获取的轮胎力和路面附着系数在控制中的应用，开展了纵向动力学集成控制的研究；面向底盘集成控制问题，进行了MIMO系统耦合特性分析，据此进行了解耦控制问题的研究。..为了将车轮及执行器写成统一的参考模型体系，项目组进行了非线性执行器全状态参考模型以及其控制问题的研究。测试分析了电磁阀响应特性、轮缸增减压特性等液压制动系统响应特性；分别应用基于特性的方法和基于键合图的方法建立了精确的制动系统模型，并据此提出了几种不同的制动压力调节策略；基于键合图建立的制动系统参考模型可以适用于全状态模型建立的需求，项目组以此为基础，通过反步法处理其中的非线性问题，实现高精度的车轮滑动率控制。..本项目的研究建立了一套基于智能轮胎的路面估算体系，开展了考虑车辆非线性特性以及执行器非线性特性的底盘集成控制的研究，有助于底盘控制的智能化和集成化的研究。项目运行期间发表论文10篇，其中SCI检索论文3篇，期刊EI检索论文3篇，会议EI论文4篇。另有1篇SCI论文已录用并online，2篇SCI在审，2篇SAE论文在审，2篇中文EI期刊已录用待发表。获得实用新型专利授权3项，相同内容均申请了发明专利，并处于等待实审提案阶段，软件著作权1项。项目组以本研究成果为基础，正面向智能轮胎机理与技术、基于多源信息融合车辆全状态估计、轮胎状态反馈的底盘控制等问题开展后续的研究。