基于多模型自适应方法的智能汽车路径跟踪控制

路径跟踪控制是智能汽车的一项核心技术,跟踪效果的精确性和在各种路面附着条件下的鲁棒性是该技术的两大关键要素。但汽车动力学模型的不确定性,尤其是轮胎侧偏刚度的摄动使这两者难以同时得到满足。针对这一问题,将多模型自适应理论引入到智能汽车运动控制中处理不确定性系统的控制。首先,推导了多模型自适应控制律,提出了凸包构架下各个顶点的子模型对真实模型的自适应逼近律,并通过李雅普诺夫函数证明了所提出自适应律的收敛能力。在此基础上建立了汽车动力学模型和车辆-路径联合模型,并由多个顶点子模型构建可覆盖汽车轮胎侧偏刚度摄动范围的凸多面体,利用汽车动力学模型求解自适应率,通过车辆-路径联合模型,基于线性二次型方法(linear quadratic regulator,LQR)求解各个顶点的子模型处的反馈控制律,并通过所得出的自适应权重进行加权。基于Carsim/Simulink的联合仿真结果表明,所提出的多模型自适应路径跟踪控制器在保证鲁棒性的同时克服了传统鲁棒控制方法的保守性问题,与基于名义模型的LQR控制器和鲁棒保性能控制器相比,在高附着路面和低附着路面上都可以取得更好的控制效果,很好地解决了路径跟踪控制中精确性与鲁棒性之间的两难问题。最后,通过快速原型测试平台对算法进行了进一步的实验验证。结果表明,所提出的多模型自适应算法实时性良好,具有较好的工程应用潜力。

全通道有效磁流变减振器的自适应分段准静态建模

全通道有效磁流变减振器(magnetorheological damper,MRD)阻尼通道中磁流变液的剪切屈服应力会随位置的变化而变化,在MRD结构设计阶段,常采用准静态模型来表示MRD结构尺寸与阻尼力的关系,并预测减振器的输出阻尼力。传统准静态模型通常假设磁流变液在阻尼通道内的剪切屈服应力处处相等,模型精度低且不符合全通道有效MRD磁路特点。基于上述问题,提出了一种新型自适应分段准静态建模方法,考虑了磁流变液剪切屈服应力随阻尼通道位置的变化关系,对阻尼通道的磁场强度先采用整体低阶拟合,根据设置的误差阈值对低阶拟合结果进行0/1状态划分,再完成分段拟合。以两款不同结构的全通道有效MRD为研究对象,通过电磁有限元仿真分析了全通道有效MRD的磁路特点并建立新型准静态模型,最后通过阻尼特性测试试验,验证了该新型准静态模型的合理性与精度。

考虑前车运动不确定性的多目标自适应巡航控制

考虑前车运动状态不可控所带来的性能下降,提出一种基于高斯过程的随机模型预测多目标自适应巡航控制方法。基于车间运动关系对跟驰系统进行集成建模,综合考虑车辆安全、经济、舒适等多维诉求,确定跟驰系统目标函数与性能约束;引入径向基核描述样本间的关系,通过极大似然法获取预测模型超参数,根据历史交通数据,对前车运动轨迹进行短期预测;考虑预测结果存在的偏差,引入概率约束,建立不确定环境下的随机预测模型以保障系统在随机扰动下的整体性能最优;通过切入、加速跟驰、减速避撞等典型场景对算法的有效性与优越性进行验证。研究结果表明:所提出的方法具有良好的工况适应性,可快速消除跟踪误差与前车运动保持一致,使车辆对交通环境的反应更加敏捷。

带梯形截面导磁环的全通道有效车用磁流变减振器设计

车用磁流变减振器(MRD)往往结构尺寸较小,且传统的车用MRD阻尼通道有效工作长度较短,输出阻尼力小,导致其工程应用受到限制。针对这一问题,提出一种带梯形截面导磁环的新型全通道有效MRD以增大阻尼通道有效工作长度,减缓磁饱和,并基于磁流变液流变特性和流体动力学理论给出了具体的结构与磁路设计计算方法,将5种不同结构的MRD进行有限元仿真对比。通过阻尼特性测试试验,分析其阻尼特性并与普通MRD、带弯曲磁路全通道有效MRD进行对比,应用线性二次高斯(LQG)控制器进行减振性能分析。研究结果表明:新型全通道有效MRD能够显著提高阻尼通道有效工作长度,达到阻尼通道全长的99%以上;新型全通道有效MRD能改善小尺寸MRD易发生磁饱和的问题;在相同电流激励与尺寸约束下阻尼通道的磁场强度分布更均匀,平均磁场强度更大,具有更大的输出阻尼力;新型全通道有效MRD在结构尺寸小的同时具有更大的输出阻尼力;新型全通道有效MRD相对于普通MRD具有更好的减振性能,能够进一步降低车辆的簧上质量加速度与轮胎动变形21.51%和1.43%。该研究能有效扩宽小尺寸MRD的实际应用范围,具有一定的工程应用价值。

基于动力学解耦的紧急工况循迹跟踪控制研究

针对紧急工况下车辆纵横向动力学耦合导致传统轨迹跟踪方法精度下降的问题,提出解耦循迹跟踪算法,该算法在利用动力学解耦消减耦合负效应的基础上,通过跟踪车辆目标运动状态实现运动轨迹的间接跟踪。首先,基于理论推导与仿真,探究了车辆纵横向动力学耦合成因及其对循迹跟踪精度的影响;然后,通过修正传统3自由度车辆动力学逆系统构型确定其接口,利用随机数据集训练反馈前向神经网络(BPNN)模型以获取车辆平面运动逆系统;最后,设计基于目标运动轨迹的目标运动状态逆解算模型与基于纯跟踪思想的目标轨迹修正模型,将逆系统解耦方法应用于长航程循迹跟踪任务中。仿真与实验结果说明解耦循迹跟踪作为一种全新的跟踪方法,不仅可以完成跟踪任务,且通过与传统循迹跟踪方法对比,在耦合工况下所提出的方法具备更高的跟踪精度。

基于滑模控制的车辆纵横向耦合控制

在车辆动力学分析的基础上,建立了以纵向速度、横向速度、横摆角速度为状态变量的车辆纵横向耦合的动力学模型。以发动机扭矩(或制动力矩)和前轮转角为控制目标,车辆与前导车的纵向距离误差以及相对预瞄路径的横向距离误差作为输入参数,采用滑模控制、动态表面控制方法来设计控制器,并通过仿真计算比较了耦合与解耦两种情况下的纵向、横向位置误差。结果表明,耦合控制取得了较好的效果。

智能车辆自适应巡航控制系统建模与仿真

为实现智能车辆的自适应巡航功能,基于模糊逻辑和滑模控制理论设计了具有上下两层结构的自适应巡航控制系统。通过对节气门开度和制动压力进行协调控制,使智能车辆能准确跟踪期望加速度。同时,构建了用于保证该系统控制协调性的切换逻辑曲线。仿真结果表明,自适应巡航控制系统能够使智能车辆在加速行驶、车辆跟踪和制动减速等行驶工况下保持良好的跟踪性和适应性。

螺栓接头非线性模型及其波能耗散

建立了在高频情况下一维构件的波传播模型 ,针对工程中常见的螺栓连接梁结构 ,讨论了波在其中传播的特性及能量耗散问题 ,提出了一种简化的非线性接头模型。分析与实验结果表明 :这种非线性模型更能接近实际。波通过梁的螺栓连接时 ,存在着能量耗散 ,螺栓松紧程度对能量耗散有较大的影响。在共振频率处 ,连接部分发生较大的折射。

汽车排气消声器内部流场及温度场的数值计算

通过对一典型结构汽车排气消声器进行建模,根据流场计算特点划分网格,利用AN-SYS CFX软件对其内部流场及温度场进行数值模拟研究,分析气流速度、温度变化及压力分布对消声器性能(声学性能和空气动力性能)的影响。分析得出结论,设计消声器时必须考虑从结构上消除产生高速湍流和高速气流的可能,且在满足消声性能的前提下尽量减少压力损失,减少穿孔结构能有效地降低压力损失。

基于参数自整定模糊PID的汽车纵向控制

在对汽车纵向动力学控制系统分析的基础上,探讨基于两车的纵向自动跟踪的控制问题.建立了两车跟随运动的二阶模型,并设计了加速/制动的逻辑切换规律.应用参数自整定模糊PID控制,对PID的3个参数进行调节,控制被控车与导航车的车间纵向相对距离和纵向相对速度误差的变化范围,以达到汽车纵向控制的目的;利用小增益定理,得到了模糊PID控制系统的稳定性充分条件.仿真结果表明:该方法与一般模糊控制相比,减少了系统的超调量,增强了动态抗干扰能力,具有一定的鲁棒性,较好地解决了快速性和小超调之间的矛盾.

次级通道在线辨识的齿轮啮合振动主动控制

针对齿轮传动系统中由于啮合误差产生的周期性振动和噪声,构建在从动齿轮轴上附加压电作动器的齿轮主动结构,提出一种次级通道在线辨识的反馈FxLMS算法进行主动控制。应用C-MEX S函数在Simulink中编写了FxLMS算法模块和次级通道进行在线建模的自适应LMS算法模块,仿真算例验证了自建模块的正确性和算法的有效性。将控制算法代码下载到dSPACE中作为控制器,与内置压电作动器的齿轮主动结构组成硬件在环系统进行实验验证。结果表明,在不同啮合频率下,经过主动控制后的齿轮传动系统振动有了不同程度的减弱,在啮合频率基频处有6.9 dB的衰减。

约束阻尼结构拓扑优化设计的进化算法

约束阻尼结构的阻尼材料优化布局是约束阻尼结构振动控制设计中的关键问题,它直接影响到振动能量耗散与全局能量流分布。在约束阻尼结构设计中引入拓扑优化渐进优化算法,以约束阻尼胞单元为设计变量,建立以模态阻尼比为目标函数,约束阻尼材料用量为约束条件的拓扑优化模型。分析结构模态阻尼比相对于阻尼胞单元位置的敏度,导出灵敏度计算表达式。提出基于渐进优化算法的优化准则,通过逐步删除利用率低的材料,使目标模态阻尼比达到最大化,给出了数值计算的例子,理论计算结果验证了拓扑优化方法的正确性和有效性。

基于多传感器信息融合的车速估计方法

准确地测量计算车辆的纵横向速度是现代汽车控制系统的关键,在横摆角速度传感器、加速度计和车轮角速度传感器等多种汽车传感器所测得的信号基础上建立估计系统的状态方程和测量方程,通过汽车动力学模型计算出车辆的纵横向参考速度,最后用卡尔曼滤波技术对车速进行估计.并对参考车速误差的影响进行分析.仿真结果表明该方法估计效果好,误差小,具有可靠性和有效性.

齿轮啮合振动的主动控制方法与实验研究

为了有效抑制齿轮传动系统由于啮合误差引起的周期振动噪声,提出一种基于压电堆作动器并结合自适应算法的齿轮传动振动主动控制方案。首先根据控制齿轮轴横向振动的思想构建齿轮箱主动结构,应用C-MEX S函数编写FxLMS自适应控制算法模块;基于级联自适应陷波器的技术提取齿轮啮合振动信号进而合成参考信号;利用自适应NLMS滤波器对包含压电堆作动器的次级通道进行离线辨识实验,在得到次级通道传递函数的同时有效避免了次级通道辨识和控制器之间的相互干扰。最后将算法代码下载到dSPACE中作为控制器,与内置压电堆作动器的齿轮箱组成硬件在环系统进行实验验证。结果表明：由FxLMS算法控制的压电堆作动器对齿轮的啮合振动控制效果明显,在不同转速、不同负载情况下啮合振动有15~26dB的衰减。

轮毂电机驱动电动汽车横摆稳定性控制

为了提高轮毂电机驱动电动汽车行驶稳定性,设计了基于直接横摆力矩控制的车辆稳定性控制系统;针对滑模控制存在固有抖振的问题,建立基于模糊滑模控制理论的稳定性控制器;针对车辆质心侧偏角难以测量,建立了结构简单、计算快速的非线性滑模观测器;考虑到转矩分配的实际约束条件和分配器的响应速度,建立了等比例转矩分配器,分配各车轮上的驱动/制动扭矩。最后基于MATLAB/Simulink与Carsim联合仿真平台进行了仿真分析,结果表明该控制器能很好改善车辆的操纵稳定性,并且控制输出更加平顺。

磁流变阻尼器的有限元参数优化设计

磁流变阻尼器结构优化设计是高性能磁流变阻尼器研制及应用的关键技术。在传统磁流变阻尼器设计方法的基础上,将有限元分析方法引入结构优化设计程序中。针对某汽车磁流变阻尼器的设计、开发,建立了优化模型,提出了磁流变阻尼器优化设计计算流程。采用有限元分析软件ANSYS的参数化编程语言APDL(ANSYS Parametric Design Language),对汽车磁流变阻尼器的结构参数进行了优化。研究结果表明:采用参数化编程语言APDL程序对磁流变阻尼器进行优化设计,结构体积明显减小,磁场分布更加合理,能量利用率增加,阻尼力调节范围满足实际工程需要,优化设计方法是可行和有效的。

踏板式摩托车振动实验分析

通过对摩托车车架及发动机等部件的振动实验分析 ,找出引起车架共振的频率 ;分析发动机振源对车架振动的影响 ,使车架主要模态频率避开发动机转速范围。实验表明 :车架鞍座部位垂直方向及手把处的振动主要是由共振因素造成的 ,鞍座部位其它两方向和踏板处的振动主要是发动机振动能量传递的结果。为减少发动机振动能量传递到踏板处 ,将摩托车踏板与车架的刚性焊接改为柔性连接 ;为避免车体在垂直方向产生共振 ,除采用增加刚度的方式提高车体固有频率外 ,还可在保证车架具有足够强度的前提下 ,适当减少车体刚度 ,使其固有频率降低至发动机工作转速之下 。

车辆弯道变速行驶时的纵横向耦合控制研究

车辆弯道变速行驶时,纵横向运动存在强烈的动力学耦合效应,通过纵向和横向单独控制很难取得比较理想的控制效果。为了实现复杂工况下车辆自动跟踪控制,建立了纵横向耦合车辆模型,主要包括整车模型、传动系统模型和轮胎模型,根据滑模控制以及动态表面控制理论,研究了车辆在弯道变速行驶工况的动力学耦合控制问题,提出了一种基于滑模和动态表面控制的纵横向耦合组合控制器,仿真结果表明该耦合控制器具有较强的鲁棒性,其纵横向跟踪性能优于无耦合补偿的控制器。

汽车主动悬架H_2/H_∞多目标控制线性矩阵不等式方法

采用七自由度整车模型,以实现较好的平顺性和操纵稳定性为目标,选取路面垂直速度扰动到输出平顺性评价信号传递函数的H2范数为平顺性指标,路面垂直速度扰动到输出操纵稳定性评价信号传递函数的H∞范数为操纵稳定性指标,设计了基于LMI(linear matrix inequality线性矩阵不等式)算法的主动悬架H2/H∞多目标输出反馈控制器。研究结果表明,该控制器能在有效改善汽车的平顺性的同时不过分降低操纵稳定性,较好地解决了平顺性与操纵稳定性指标之间的矛盾。

基于磁流变减振器的汽车半主动悬架非线性控制方法

考虑磁流变减振器阻尼力和悬架弹性元件非线性特性,建立车辆半主动悬架非线性动力学模型。应用微分几何非线性控制,经过适当的非线性状态和反馈变换,实现半主动悬架非线性系统的精确线性化,并对系统实施非线性状态反馈控制;根据预定的控制目标及模糊控制策略调节控制参数,设计模糊控制器,对悬架系统进行了控制仿真研究;利用神经网络模式识别能力对输入数据处理辨别,设计控制网络层,从而达到提高悬架工作性能,改善汽车行驶舒适性的目的。将三种非线性控制方法的仿真结果进行分析比较表明:经模糊控制或神经网络控制后的悬架承受的冲击响应小、振动强度低,比微分几何控制能获得更优异的性能。