智能汽车行驶动力学建模与多目标优化控制技术

According to an innovative research opportunity for vehicle ride dynamics and control technique from the intelligence of automotive, this project addresses the common basic scientific issues, including the extraction and recognition of the road, the integrated modeling of the road and vehicle coupling system, the suspension control with non-stationary random road excitation and the multi-object control method considering comfort, energy saving and safety. Motivated by these issues, this project focuses on the following aspects: firstly, we provide the accurate description and reconstruction of the road information and the ride dynamics modeling technique on the condition of non-stationary random road excitation which reveals the behavior mechanism of the road and vehicle coupling complex dynamic system. What’s more, this project investigates the suspension control problem with the road and vehicle coupling and non-stationary random road excitation, we discuss the multi-object optimal control problem from the conflicting trade-off and restrict about comfort, energy saving and safety, and we also provide the control method to promote the ride dynamics performance of the intelligent vehicle from a new perspective. Finally, the verification methods are presented to verify a part of the research results on the test bench. Considering the actual requirements, this project will obtain innovative research results on the following issues: promoting the overlapping between the control science and vehicle engineering discipline, the description and reconstruction of the road information, the ride dynamics modeling method considering tire dynamics and the suspension K&C characteristics, the finite frequency domain control method of the suspension system and the multi-object distributed optimal control method of comfort, energy saving and safety. This project will definitely provide the analysis method and control technique for ride dynamics modeling and control problem of the intelligent vehicle.

根据汽车智能化对行驶动力学建模与控制带来的新的创新性研究机遇，本项目提炼路面特征提取与识别、车路耦合行驶动力学系统建模、非平稳随机激励下悬架控制、舒适/节能/安全多目标控制等共性基础科学问题。研究路面信息准确描述与重构以及非平稳随机激励下行驶动力学建模方法，揭示车路耦合复杂行驶动力学系统的行为机理；研究车路耦合非平稳随机激励带来的悬架控制问题以及舒适/节能/安全多目标冲突与制约带来的多目标优化控制问题，从全新的角度探索提升智能汽车行驶动力学性能的控制方法；研究实验验证方法，并对部分研究成果进行实验验证。本项目结合实际需求，形成控制学科与车辆工程学科的交叉，在道路信息描述与重构、融合轮胎动态和悬架K&C特性的行驶动力学建模方法、悬架系统有限频域控制以及舒适/节能/安全多目标分布式优化控制等方面取得创新性成果。本项研究将为迎接智能汽车行驶动力学建模与控制面临的挑战提供理论与方法。

智能汽车适应汽车舒适/节能/安全的社会需求，是未来汽车技术创新的主要领域。传统汽车行驶动力学在车路耦合平稳随机激励假设下研究垂向运动的建模与控制方法。其特点是路与车的研究分离，目标单一，难以充分反映行驶动力学的特性与控制需求。智能汽车具有更多的外部信息感知与协同控制功能，带来了从车路耦合非平稳激励的本质，分析与研究车路耦合复杂行驶动力学特性，从舒适/节能/安全多目标角度研究行驶动力学控制的新的研究机遇。在此背景下，本项目提炼非平稳随机激励下复杂行驶动力学系统建模以及悬架系统舒适/节能/安全多目标控制的基础科学问题，研究智能汽车道路特征识别与重构、车路耦合复杂行驶动力学特性分析与建模方法；研究非平稳随机激励下悬架控制以及舒适/节能/安全多目标冲突与制约带来的多目标优化控制方法；研究实验验证方法和对部分研究成果进行实验验证。项目完成了预期研究目标和成果目标。通过研究，揭示了车路耦合非平稳激励下振动传递特性与规律，给出了描述方法并建立了行驶动力学一体化模型，为高精度行驶动力学系统建模提供了基础模型与方法，为研究轮胎、悬架刚度与阻尼特性对不同激励的振动传递影响提供了分析基础；获得了非平稳随机激励下最优控制变量满足的必要条件，打下了非凸控制区域非平稳随机最优控制的研究基础；给出了非平稳激励下的悬架控制方法，提高了复杂行驶工况下的悬架控制性能；给出了从垂/侧/纵三个维度提升车辆舒适/节能/安全多目标性能的机理解释和悬架控制方法，为揭示悬架系统在舒适/节能/安全多目标控制中的作用与适用范围提供了理论依据与分析方法以及多目标优化控制方法；给出了将目前车辆操控与悬架系统在两个维度上独立进行控制的模式拓展为协调控制模式的方法，为解决智能汽车不平路面行驶时缺乏舒适性感知，难以满足舒适性需求的问题提供了解决思路与控制方法。通过台架和车辆道路实验，对部分建模与控制方法进行了实验验证。