汽车复杂约束下的多目标集成控制研究

汽车控制系统的架构设计传统上缺乏理论指导，具有一定的随意性和硬件依附性，而汽车集成控制也往往受制于各子系统间的物理界限，难以取得满意的集成性能，尤其是对汽车在复杂约束下的多目标集成控制。本项目试图探索下一代汽车控制架构和集成控制新的设计理论和方法。一方面，通过对汽车复杂控制系统的抽象描述和分解，建立新的控制架构下各子系统间的有机关联和交互，实现多控制功能模块的集成和多控制目标的融合。另一方面，通过对环境感知和驾驶员意图的抽象描述，实现对多控制命令的集成，用于系统地研究和设计复杂的人-机-环境协调和交互。同时，通过建立对汽车复杂约束的动态数学描述，探索基于约束优化的汽车过驱动控制分配的新理论和新方法；探索在线实时数值优化迭代的效率和稳定性问题等。本项目还试图将控制系统的架构设计和集成控制方法相结合，探索基于过驱动的控制架构和过驱动控制分配方法相结合的汽车容错控制设计理论和方法等。

以电子控制为核心，以电驱动、电传动、电制动和电转向等为执行机构的新一代汽车底盘系统已成为未来汽车工业发展的潮流和前沿，其出现与发展为汽车的整体优化与控制提供了良好的机遇，同时，也带来了更多的挑战，系统的耦合程度更高、冗余度更大、约束更复杂，要实现系统的优化集成控制变得更加困难。因此，充分理解人-车-环境系统特征，建立协同优化机制，实现汽车复杂约束下的多目标整体优化与控制已成为汽车技术发展中亟待解决的关键问题。.本项目系统深入的研究了汽车复杂约束下的多目标整体优化与控制关键技术：（1）探索了汽车复杂控制系统下的控制层次、框架以及控制流程的设计理论和方法，建立了新一代汽车集成控制系统的控制架构；（2）提出了对环境感知功能的抽象描述方法，建立了面向汽车智能集成控制的人-车-环境一体化仿真平台、硬件在环仿真平台和新一代汽车原型样车实车测试平台等一套完整的集成控制开发环境；（3）设计了车辆状态参数在线估计方法，对车速、路面附着系数和质心侧偏角等关键参数进行了估算；（4）建立了基于环境感知、汽车运动学模型和汽车行驶环境模型的汽车智能轨迹规划策略；（5）提出了前馈与反馈相结合的优化控制分配策略，突破了传统控制系统采用的基于误差门限的控制方式；（6）提出了一种基于容错控制架构和冗余控制分配相结合的过驱动系统容错控制理论和方法，通过对执行机构约束及控制目标的抽象描述将其转化为基于动态约束优化的控制分配问题，实现了系统的容错控制；（7）综合考虑汽车动力学控制、能量管理与分配控制、故障诊断与容错控制等多控制功能模块的集成和多控制目标的融合，提出了动态多目标优化控制分配策略，并设计了罚函数近似算法与专用的主动集法，实现了优化算法的实时求解。.通过本项目的研究，建立了多目标、复杂约束下汽车整体性能控制的新理论和新方法，增强了车辆主动安全性能，提高了控制系统的效率、鲁棒性、可移植性和可重用性。项目运行期间，发表学术论文26篇，其中SCI检索论文6篇，EI检索论文20篇，SAE论文5篇；申请发明专利10项，授权发明专利1项，授权实用新型专利7项；授权软件著作权1项；培养博士后2人，博士生5名，硕士生11名；组织、参加国内外学术交流活动20余次；项目负责人应邀在国内外学术和行业会议上作特邀主旨报告18次；并先后当选2014年“科学中国人”年度人物，入选2015年IEEE VTS杰出教师计划。