四轮毂独立驱动电动汽车行驶稳定性的动态最优协调与多模解耦控制

Four in-wheel motors independently driving electric vehicle (EV) has become an important research orientation on EV. It possesses unique advantages and development potentials in terms of power allocation, controlling performance and energy utilization. Active safety oriented stability control is one of the significant issues to be explored and investigated for the evolution of four in-wheel motors driving EV. Facing "the description procedure of multi-target control coupling" during the research on active safety for four in-wheel motors driving EV, system identification theory is adopted to identify its real time running parameters dynamically and the asymptotic stability dominant factors affecting safety are analyzed. Focusing on the active steering and drive/brake control technology, the nonlinear dynamical mathematical model for four in-wheel motors driving EV is built using modern control theory. Phase plane method is utilized to discriminate its steady/unsteady online and the stability coordinated control architecture can be constructed according to hierarchical control theory. Combining the dynamic characteristics and efficiency of in-wheel motor, the multi-mode decoupling control between each wheel can be executed based on dynamic control allocation. Finally, the effectiveness of dynamic optimization coordination strategies and robust stability control is verified by means of simulations and experiments. The project achievements have significant scientific value and practical significance for four in-wheel motors driving EV to improve its stability and initiative accident prevention ability.

四轮毂独立驱动电动汽车以其在动力配置、操控性能及能源利用等方面的独特优势和巨大潜力，已经成为电动汽车研发的一个重要方向，而面向主动安全的行驶稳定性控制是其发展过程中需要探索和研究的重要课题之一。 针对轮毂电机驱动的电动汽车主动安全研究中"多目标控制耦合的描述过程"，运用系统辨识理论动态识别电动汽车的实时行驶参数，剖析其行车安全渐进稳定的主导因子；围绕主动转向与驱动/制动控制技术，基于现代控制理论建立四轮毂驱动电动汽车的非线性动力学数学模型；采用相平面法进行电动汽车的稳态/非稳态鲁棒在线镇定，并利用分层控制原理提出稳定性最优化协调控制结构；结合轮毂电机的动态特性及工作效率，基于动态控制分配方法进行各轮之间的解耦控制，最后运用仿真实验手段验证动态最优协调策略和鲁棒稳定控制算法的有效性。 研究成果对提高四轮独立驱动电动汽车的行驶稳定性及事故主动防控能力具有重要的科学价值和现实意义。

研究和探索节能、环保和安全的汽车是实现交通可持续发展的必由之路。由于轮毂电机具有响应速度快、控制精度高、可控性好等优点，使得四轮独立驱动电动汽车比传统汽车更具有底盘主动化、电子化的潜力和优势。本项目针对四轮独立驱动电动汽车的特点，对四轮独立驱动电动汽车的行驶稳定性协调控制问题进行了研究。. 项目基于电动汽车综合实验平台参数，建立了四轮独立驱动电动汽车各子系统的数学模型，并对所建模型进行了参数试验，验证了所建平台的拟合度、有效性和精确性。基于Carsim和Simulink建立了多自由度四轮独立驱动电动汽车动力学仿真平台，并分析了车辆失稳的致因及主导因素。基于隐马尔科夫HMM模型对驾驶员的避障驾驶意图辨识进行了研究，结合车辆运行状态，提出了四轮独立驱动电动汽车行驶稳定性协调控制的总体结构和工作原理。针对目前的控制策略存在的稳定性区域判别准确性问题和转矩分配问题，项目提出了一种联合利用相图和安全速度区域判别稳定性的方法，实时判断出当前的汽车运行状态是否稳定，利用最优力矩分配法协调控制四轮毂电机独立驱动电动汽车。在此基础上分析了轮毂电机的动态响应过程和工作效率特性，建立了转矩最优分配控制数学模型，进行最优转矩分配控制算法研究。通过对转矩平均分配、转矩先前后轴分配再左右平均分配、根据垂直载荷动态分配等三种转矩分配策略进行对比研究，发现根据垂直载荷动态分配方法具有更高转矩利用效率。最后对典型汽车行驶工况进行了仿真验证，结果表明本项目所提出的稳定性协调控制算法可以有效的控制汽车的横摆角速度、质心侧偏角、车轮滑移率，从而有效了保证了四轮毂电机独立驱动电动汽车的行驶稳定性。. 本项目研究结果为提高四轮独立驱动电动汽车主动安全及事故预防能力提供有效的技术支撑，同时多轮协调控制技术能够为军事用途的电动车、无人驾驶智能车及深空探测车提供借鉴。