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基于卡尔曼滤波的半挂汽车列车侧倾控制 摘要 半挂汽车列车由牵引车和半挂车组成 与普通货车相比有很多优点 在现代公路运输中起到重要作用 但由于其质量大 重心高 极易发生侧 翻事故 所以 提高半挂汽车列车侧倾稳定性就显得尤为重要 而实时 准确地获取车辆行驶过程中的关键状态参数是实现安全控制的前提和必要 条件 但由于各种限制 汽车的部分状态变量又不能直接测得或者很难用 合理的成本测得 本文围绕半挂汽车列车运行姿态监测及侧倾控制这一主题 主要从基 于卡尔曼滤波理论的状态估计 半挂汽车列车侧倾控制策略两个方面展开 研究 首先 建立了七自由度的半挂汽车列车操纵动力学数学模型 并利用 m a t l a b 软件的s i m u l i n k 模块建立了仿真模型 在所建模型基础上 根据卡尔 曼滤波理论设计出状态估计器 利用较易测量的辅助变量信息对半挂汽车 列车难以测量或测量成本较高的运行参数进行估计 并将估计值与仿真测 量值做比较 分析过程噪声协方差q 和量测噪声协方差尺的变化对估计值的 影响 结果表明 在设计k a l m a n 滤波估计器时 q 和r 对参数估计精度有很 大的影响 为此 本文提出了基于s i m u l i n kr e s p o n s eo p t i m i z a t i o n 优化工具 箱的优化方法 对q 和r 进行优化 解决了噪声测量困难的问题 同时提高 了k a l m a n 滤波估计器的状态估计精度 然后 设计出模糊p i d 控制器对半挂汽车列车进行侧倾控制 针对以往 p i d 控制器参数调整复杂繁琐的问题 提出利用m a t l a b 优化函数对p i d 参数 进行整定 为p i d 参数的整定提供了一个更方便快捷有效的途径 该控制器 根据卡尔曼滤波估计器估计出的侧倾角 利用模糊p i d 控制方法将侧倾角控 制在一定范围内 仿真结果表明 本文所采用的模糊p i d 控制策略 可以显 著提高半挂汽车列车侧倾稳定性 基于卡尔曼滤波的软测量技术和基于模糊p i d 控制的主动悬架目前在 半挂汽车列车上运用极少 本文利用卡尔曼滤波理论 对半挂汽车列车不 能直接测量或测量成本较高的状态参数进行估计 可极大地降低测量和控 制成本 并且可对半挂汽车列车的侧翻趋势进行预估和预警 以及时实施 控制进行干预 防止半挂汽车列车因侧倾过大而发生侧翻事故 关键词 半挂汽车列车卡尔曼滤波状态估计模糊p i d 侧倾控制 i i r o l lc o n t r o lo ft r a c t o r s e m i t r a i l e rb a s e do n k a l m a nf 1 1 月e r a b s t r a c t t r a c t o rs e m i t r a i l e ri s c o m p o s e do ft r a c t o ra n ds e m i t r a i l e r c o m p a r i n g w i t ho t h e rc o m m o n t r u c k i th a sal o to fa d v a n t a g e sa n dp l a y sa ni m p o r t a n tr o l e i nm o d e mr o a dt r a n s p o r t b u tb e c a u s eo fi t sl a r g em a s s h i g hc e n t e ro f g r a v i t y i t sr o l l o v e ra c c i d e n ti se a s i l yt oo c c u r s oi ti s e x t r e m e l yi m p o r t a n tt oi m p r o v e t h er o l ls t a b i l i t yo ft r a c t o rs e m i t r a i l e r t h et i m e l ya n de x a c ti n f o r m a t i o no ft h e v e h i c l es t a t ei se s s e n t i a lt os a f ec o n t r o l b u tb e c a u s eo fv a r i o u sl i m i t a t i o n s s o m e v e h i c l es t a t ev a r i a b l e sc a n tm e a s u r e dd i r e c t l yo rh a v eh i g hm e a s u r e m e n t c o s t t h i sd i s s e r t a t i o na r o u n ds t a t e m o n i t o r i n ga n dr o l l c o n t r o lo ft r a c t o r s e m i t r a i l e r m a i n l yr e s e a r c h e dt h es t a t ee s t i m a t i o nb a s e do nk a l m a nf i l t e r t h e o r ya n d t h es t r a t e g yo ft r a c t o rs e m i t r a i l e rr o l lc o n t r o l a tf i r s t a7 d o fd y n a m i cm o d e lo ft r a c t o rs e m i t r a i l e rw a se s t a b l i s h e d a n das i m u l a t i o nm o d e lw i t ht h em a t l a b s i m u l i n ks o f t w a r ew a se s t a b l i s h e dt o o b a s e do nt h em o d e l as t a t ee s t i m a t o rb a s e do nk a l m a nt h e o r yw a sd e s i g n e d u s i n ge a s i l ym e a s u r e dp a r a m e t e r st oe s t i m a t et h ep a r a m e t e r st h a ta r ed i f f i c u l t l y m e a s u r e do rh a v eh i g hm e a s u r e m e n tc o s t a f t e rt h a t c o m p a r e de s t i m a t e dv a l u e s a n ds i m u l a t i o nm e a s u r e m e n t sa n d a n a l y z e dt h ei n f l u e n c ew i t hc h a n g e so f p r o c e s sn o i s ec o v a r i a n c eaa n dm e a s u r e m e n tn o i s ec o v a r i a n c er t h er e s u l t s s h o w e dt h a taa n drh a v eg r e a te f f e c to ne s t i m a t ea c c u r a c yo fk a l m a n f i l t e r s o t h i sd i s s e r t a t i o np r e s e n t e dao p t i m i z a t i o nm e t h o db a s e do ns i m u l i n kr e s p o n s e o p t i m i z a t i o nt oo p t i m i z eq a n dr t h i sm e t h o dc o u l ds o l v et h ep r o b l e mo fn o i s e m e a s u r e m e n ta n di m p r o v e dt h ee s t i m a t i o na c c u r a c yo fk a l m a nf i l t e r t h e n af u z z yp i dc o n t r o l l e rw a sd e s i g n e dt oc o n t r o lt h er o l lo ft r a c t o r s e m i t r a i l e r a i m i n gt h ec o m p l e x i t yo fu s u a lm e t h o d st os e r i n gp i dc o n t r o l l e r i i i p a r a m e t e r s p r e s e n t e du s i n g m a t l a bo p t i m i z a t i o nf u n c t i o nt os e t t i n g p i d p a r a m e t e r s t h i sm e t h o dp r o v i d e dam o r ec o n v e n i e n ta n d e f f e c t i v ew a yf o rt h e s e l e c t i o no fp i dp a r a m e t e r s t h i sf u z z yp i dc o n t r o l l e rc o n t r o l l e dt h er o l la n g l e t oac e r t a i nr a n g eb a s e dt h er o l la n g l ee s t i m a t e db yk a l m a nf i l t e r t h er e s u l t s s h o w e dt h a tt h i sf u z z yp i dc o n t r o ls t r a t e g yc o u l di m p r o v et h er o l ls t a b i l i t yo f t r a c t o rs e m i t r a i l e re f f e c t i v e l y a tp r e s e n t t h es o rm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yb a s e do nk a l m a nf i l t e ra n d t h ea c t i v e s u s p e n s i o nb a s e do nf u z z yp i dc o n t r o la r er a r e l yu s e d i nt r a c t o r s e m i 一仃a i l e r t h i sd i s s e r t a t i o ne s t i m a t e dt h ed r i v i n gs t a t eo f t r a c t o rs e m i t r a i l e r w h i c ha r ed i f f i c u l t l ym e a s u r e do rh a v eh i g hm e a s u r e m e n tc o s tu s i n gk a l m a n f i l t e rt h e o r y w h i c hc o u l dg r e a t l yr e d u c et h em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lc o s t i n a d d i t i o n t h et r e n do fr o l l o v e rc o u l d b ef o r e c a s t e db a s e dt h em e a s u r e m e n t t h e n t h ec o n t r o ld e v i c ec o u l di n t e r v e n c et i m e l yt op r e v e n tr o l l o v e ra c c i d e n tw h i c h c a u s e db yt h eo v e r s i z er o l la n g l e k e yw o r d s t r a c t o rs e m i t r a i l e r k a l m a nf i l t e r s t a t ee s t i m a t i o n f u z z yp i d r o l lc o n t r o l i v 符号 a x q y n z g 1 6 l 口2 6 2 c 符号说明 意义单位 刚体微元质量加速度在x y z 方向的投影 m s 2 牵引车质心至其前 后轴的距离 半挂车质心至铰接点a 半挂车车轴的距离 悬挂质量质心至z 轴的距离 m m m c 1 c 妒2 c 妒3 牵引车前 后悬架及半挂车悬架侧倾角阻尼 n m s r a d 1 d 4 畋 p e e e 墨 e e 艺 辱 绣 绣 啊 吃 i 矿i 矿i 黟 i2 p i 2 i m i 2 i 瞄 i 2 墨 k 2 岛 牵引车质心至铰接点a 的距离 牵引车车轮距x 轴的距离 半挂车车轮距x 轴的距离 非悬挂质量质心至z 轴的距离 所有外力在x y z 方向投影的和 牵引车前 后轴及半挂车车轴的侧偏力 牵引车 半挂车每个主动悬架的作动力 牵引车 半挂车悬挂质量质心至x 轴的垂直距 离 铰接点a 至牵引车 半挂车x 轴的垂直距离 刚体对x y z 轴的转动惯量 刚体对y 轴和z 轴 x 和z 轴 x 和y 轴的惯性 积 牵引车 半挂车对z 轴的转动惯量 牵引车 半挂车悬挂质量对x 轴的转动惯量 牵引车 半挂车悬挂质量对x 和z 轴的惯性积 牵引车前 后轮及半挂车车轮的侧偏刚度 v i i n m m k g m 2 k m 2 埏 m 2 k g r r l 2 蝇 m 2 n r a d 1 m m m m n n 巧 k k 妒 牵引车前 后悬架及半挂车悬架侧倾角刚度 n m r a d d 6 聊 m m x m y m z m s l m s 2 p g a 吼 魏 9 2 吃 v w l 2 野 易 k 砭 6 压 卢 咖 晚 吼 仍 妒 刚体微元质量 刚体质量 所有外力对x y z 轴力矩的和 牵引车 半挂车质量 牵引车 半挂车悬挂质量 刚体的侧倾 俯仰 横摆角速度 牵引车的侧倾 俯仰 横摆角速度 半挂车的侧倾 俯仰 横摆角速度 刚体的行驶速度 侧向速度 垂直速度 牵引车 半挂车的行驶速度 牵引车 半挂车的侧向速度 牵引车 半挂车的质心速度 牵引车前轮转角 牵引车 半挂车的质心侧偏角 牵引车 半挂车的侧倾角 牵引车 半挂车的横摆角 牵引车与半挂车的相对横摆角 v i i i g g 咖 g g 喵 心 唱 d d d d d 琏 k m k 蜒 砧 讪 础 小 m m m m m m m 捌 广西大学工程司配b 学位论文 基于卡尔曼滤波的半挂汽车列车便g 倾控制 第一章前言 1 1 本课题研究的目的和意义 半挂汽车列车属于重型商用车 由牵引车和半挂车组成 牵引车和半挂车通过牵引 车上的鞍座连接 半挂车本身无动力 自身的载荷由牵引车和半挂车共同承担 并可通 过鞍座将力传递给牵引车 半挂汽车列车载运量大 可进行甩挂运输 与普通货车相比 甩挂运输车辆周转快 效率高 成本低 节能减排效果更好 在发达国家早已成为主流运输方式 随着我国高 速公路网络的发展 半挂汽车列车能够以更高的车速行驶 但由于其质量大 重心高等 特点 易发生侧翻事故 所以提高半挂汽车列车侧倾稳定性就显得尤为迫切和重要 1 1 1 侧倾的危险性 在汽车转向的时候 会产生离心力 使车身绕着侧倾轴旋转 引起侧倾 从而使一 侧轮胎的垂直载荷增加而另一侧的垂直载荷减小 随着侧倾角的增大 当一侧的垂直载 荷减小到零的时候 就会达到侧倾的极限 引起侧翻 据统计 汽车侧翻已经成为仅次于汽车碰撞的第二大安全事故 大部分是由于道路 转弯 地面路滑或者是遇到紧急情况急转方向盘造成的 1 1 汽车侧翻无论从人身伤亡 财产损失 公共设施破坏 环境污染各方面来说都给人们生活造成了很大影响 半挂汽车列车与单体车相比 质量大 重心高 轮距相对车身高度较小 在大幅转 向等工况下 横向载荷转移率l t r l a t e r a ll o a dt r a n s f e rr a t i o 会快速增大 引起侧翻 并且 由于驾驶员位于牵引车的前部 离半挂车有一定距离 当半挂车达到侧翻极限时 驾驶员通常不容易感觉得到 从而无法做出相应措施 因为半挂汽车列车惯性大 发生 失稳后还容易引起连环交通事故 造成更大损失 因此 提高半挂汽车列车的侧倾稳定 性 减小车身侧倾角具有重要的意义 1 1 2 状态估计的必要性 实现安全控制的前提就是及时 准确的获取车辆行驶状态参数 通常汽车状态参数 测量是通过车载传感器 如陀螺仪 加速度传感器 转速传感器等直接测量 但实际上 很多参数都很难用合理的成本直接测量 比如车辆质心侧偏角 侧倾角 基于卡尔曼滤 波的状态估计理论目前在半挂汽车列车上运用极少 本文采用了基于卡尔曼滤波的软测 1 广西大掌工程硕士掌位论文 基于卡尔曼 滤波的半挂汽车列车便口倾控制 量技术 秘用较易在线测量的辅助变量信息去估计难以测量或测量成本较高的变量 可 减少一些成本较高的传感器 极大地降低控制成本 因而具有较高的实用价值及较为广 阔的应用前景 1 1 3 主动悬架对汽车侧倾的控制作用 悬架主要分为被动悬架 半主动悬架和主动悬架三种 被动悬架就是由传统的弹性 原件 减振器 导向机构组成 半主动悬架的刚度或阻尼是可调的 主动悬架系统有两 种 一种是并联式主动悬架 它是在被动悬架系统中增加一个作动器 由于只是在被动 悬架的基础上补充部分能量 因此消耗能量小 并且即使控制系统出现故障 它仍能按 被动悬架的方式工作 另一种是独立式主动悬架 这种主动悬架是由作动器完全代替被 动悬架的弹性元件和减振器 消耗能量多 并且在控制系统出现故障时 悬架就失去了 作用 所以使用较少 主动悬架系统按照介质不同又可以分为主动油气悬架 主动空气 悬架 主动液力悬架三类 其中主动油气悬架通过调节气室容积来改变气压 从而改变 弹簧刚度 主动空气悬架通过给空气弹簧充放气来改变弹簧刚度 主动液力悬架通过改 变液压缸上下侧的油压 使活塞产生往复伸缩运动来适应路面的不平顺性 半主动悬架和主动悬架都能够通过调节悬架的力来减小车辆侧倾 主动悬架虽然相 对成本较高 但是能更优的调整悬架的控制力 本文所采用的悬架就是并联式主动悬架 本文利用k a l m a n 滤波估计器估计出半挂汽车列车运行姿态后 就可以对其侧倾稳定 性进行判断 使控制装置及时的进行干预 即利用基于模糊p i d 控制的主动悬架产生与 侧倾方向相反的作动力 从而产生反向力矩 将牵引车和半挂车悬挂质量的侧倾角控制 到较小的范围内 提高半挂汽车列车的侧倾稳定性 防止半挂汽车列车发生侧翻事故 1 2 车辆状态估计国内外研究现状 目前应用于车辆状态估计的算法主要有 卡尔曼滤波算法 龙贝格观测器 鲁棒观 测器和神经网络算法等 2 龙贝格观测器是通过系统的基点配置来达到状态估计目的的 一种方法 鲁棒观测器在参数变动的情况下 通过合理设计鲁棒反馈增益 使模型参数 波动对估计结果的影响尽可能小 神经网络估计法可以解决卡尔曼滤波的发散现象 能 很好的预测非线性系统 但是该方法需要大量试验数据 所以实现困难 龙贝格观测器 和鲁棒观测器虽然在车辆状态估计中得到了较深入的研究 但在实际使用中的效果还有 待进一步确认 卡尔曼滤波是目前应用最广泛的状态估计算法 在横摆角速度 质心侧 偏角 轮胎力 路面附着系数的估计等方面都有所应用 2 z 西大掌工程硕士掌位论文 基于卡尔曼滤 滚 的半挂汽车列车侧倾控制 1 2 1 国外研究现状 1 9 9 5 年 l r r a y 禾l j 用扩展卡尔曼滤波算法对车辆轮胎力 道路摩擦系数等进行了 估计并取得了较好的效果 3 1 1 9 9 9 年 美国的a gu l s o y s n s i v a s h a n k a r 等人采用经典扩展卡尔曼滤波算法与 简单的汽车动力学模型 提出了三种汽车横摆角速度的估计方法 并申请了汽车横摆角 速度辨识的专利 4 2 0 0 0 年 h s a s a k i 和t n i s h i m a k i 提出用神经网络方法对汽车质心侧偏角进行估计 但是这种神经网络估计器比较费时 5 o 2 0 0 5 年 h c h e r o u a t m b r a c i 等人基于李雅普诺夫稳定性理论进行推导 得到可 以使估计收敛的反馈增益 6 考文垂大学的t a w e n z e l k j b u r n h a m 等人于2 0 0 6 年提出利用双扩展卡尔曼滤波 器同时进行车辆状态和参数的估算 7 1 2 0 0 9 年 l yh s u 和t l c h e n 提出了一种新的基于扩展卡尔曼滤波的汽车全状态估 计和预测方法 8 1 该方法使用的汽车模型里引入了道路角度和非线性悬架系统 并且应 用了可切换观测器 降低了数学推导的工作量 2 0 1 0 年 m e s a b b i o n i 建立了三种估计车辆侧偏角的神经网络 9 1 第一种是一般的 不包括时间延迟和反馈的网络 第二种将时间延迟引入到纵向速度和横摆角速度的输入 里 第三种是在第二种的基础上加上了车辆侧偏角的估计反馈 通过比较三种神经网络 在不同工况下对车辆侧偏角的估计情况 可以得出 第二种神经网络的估计效果最好 2 0 1 1 年 r r a j a m a n i 和d p i y a b o n g k a m 开发了一种在主动防侧倾系统中对车辆变量 进行实时估计的算法 可以对侧倾角和车辆质心高度这些难以测量的变量进行估计 1 0 1 这个算法包括传感器融合算法和非线性动态观测器 传感器融合算法需要一个低频率侧 倾角传感器 动态观测器则需要一个横向加速度计和一个陀螺仪 1 2 2 国内研究现状 国内关于车辆行驶状态的研究尚处于起步阶段 但已有一些研究成果 2 0 0 4 年高振海 郑南宁等人结合两自由度汽车模型 利用方向盘转角和侧向加速度 去估计难以直接测得的汽车横摆角速度和质心侧偏角 并进行了汽车操纵稳定性实车试 验 1 1 实车试验结果与仿真结果相比较 验证了基于卡尔曼滤波的软测量方法的有效性 2 0 0 5 年江苏大学的陆丹建立了基于非线性轮胎模型的汽车模型 针对卡尔曼滤波的 广西大学工程硕士掌位论文 基于卡尔曼滤波的半挂汽车歹q 车侧倾控制 发散隧 设计了自适应卡尔曼滤波估计器 对系统噪声进行自适应处理 去预估汽车 横摆角速度 质心侧偏角等参剡1 2 2 0 0 6 年吉林大学的乔涛通过间接测量的方法 根据汽车侧向加速度等信息 通过自 适应卡尔曼滤波和扩展卡尔曼滤波方法 实现汽车行驶状态参数的估计 4 2 0 0 8 年郑智忠 李亮等人研究了卡尔曼滤波在汽车动力学稳定性控制系统的应用 基于简化的h s r i 轮胎模型 利用扩展卡尔曼滤波方法去估计汽车质心侧向速度 1 3 1 2 0 0 9 年江苏大学的王国林 方超等人提出在汽车高速行驶或者大侧偏姿态下 可以 采用双线性轮胎模型即分段线性轮胎模型 然后在该模型基础上 利用自适应卡尔曼滤 波算法估计汽车质心侧偏角等参数 并在a d a m s 与m a t l a b 环境下进行了联合仿真 1 4 1 2 0 0 9 年吉林大学的胡丹基于四自由度车辆模型与非线性h s r i 轮胎模型 提出利用双 扩展卡尔曼滤波估计器同时估计车辆行驶状态与路面附着系数 2 根据车辆行驶状态参 数可以估计出路面附着系数 路面附着系数的改变又通过轮胎力影响着车辆行驶状态的 估计 通过两个估计器的相互校正 实现了在路面变化情况下对车辆行驶状态的精确估 计 2 0 0 9 年吉林大学的张立达研究了卡尔曼滤波在e s p 控制系统中的运用 在c a r s i m 环 境下 利用无迹滤波理论实现了汽车纵向和侧向车速 轮胎纵向力和侧向力的估计 1 5 1 2 0 1 1 年 吉林大学的刘通提出一种基于模糊控制的卡尔曼滤波车速估计方法 1 6 用 模糊控制器得到不同工况下卡尔曼滤波器的参数 该模糊控制器以车轮速度和车辆加速 度的估计值和实测值的差作为输入 鉴于该算法比较费时 利用f p g a 进行硬件实现 2 0 1 1 年 吉林大学的陈林比较了扩展卡尔曼滤波 无迹卡尔曼滤波和离子滤波三种 滤波方法在商用车状态估计方面的有效性 1 7 仿真结果表明 当车辆工作在线性区域时 扩展卡尔曼滤波方法比其他两种方法更具有有效性 1 3 车辆侧倾稳定性国内外研究现状 1 3 1 国外研究现状 在重型车辆稳定性控制方面 目前国际上主要应用侧翻预警系统 主动悬架系统 半主动悬架系统 后轴转向系统 差动制动 侧倾控制系统 侧翻稳定控制系统r s c r o l l o v e rs t a b i l i t yc o n t r 0 1 侧倾稳定支持系统r s s r o l l o v e rs u p p o r ts y s t e m 和电子 稳定控制系统e s c e l e c t r o n i c a l l ys t a b i l i 够c o n t r 0 1 等技术提高车辆侧倾和横摆稳定性 减少事故发生率 4 西大学工程硕士掌位论文 基于卡尔曼滤波的半挂汽车列车便卵顷控制 1 侧翻预警系统 目前在侧翻预警系统的研究中使用的侧翻指标大概分为两种 一是选用横向加速度 和侧倾角等侧翻信号作为侧翻指标 二是选用横向载荷转移率l t r 作为侧翻指标 当l t r 的绝对值等于1 时 说明有一侧轮胎已完全离地 垂直载荷为零 车辆达到侧翻极限 2 0 0 9 年 h i m i n e a b e n a l l e g u e 等人提出在重型车上使用高阶滑模观测器估计轮胎 垂向力并以此计算出l t r 1 8 1 从而预测重型车辆的侧翻危险 并利用一个装有此观测器 的卡车在直线行驶 曲线 z 字型等多种工况下进行了试验 2 0 1 0 年 s k c h e n n m o s h c h u k 等人提出了一个基于卡尔曼滤波状态估计和基于 能量的侧倾指标的侧翻控制策略 并进行了实车测试 1 9 1 2 0 1 1 年 s y i m 设计了一个线性最优侧倾预警控制器 2 0 1 这个控制器采用线性二次 静态输出反馈控伟i j l qs o f 方法 利用差动制动和主动悬架相结合的技术控制侧倾 并 在c a r s i m 环境下用b o d e 图进行了分析 结果显示 该控制器可以降低车辆侧倾角和横向 加速度 2 主动 半主动悬架系统 主动侧倾技术 a r c 主要是依靠主动悬架系统和半主动悬架系统实现的 通过两侧 车轮纵向力的差动输入实现侧倾控制 从而避免车辆侧翻事故发生 2 0 0 9 年 l i f uw a n g 和n o n gz h a n g 对独立主动悬架 d d a s 控制车辆侧翻的性能进 行了研究口1 1 设计的主动悬架由四个相互关联的双向液压作动器构成 可以主动对车辆 侧翻提供必要的回复力矩 实验证明 d d a s 控制是有效的 2 0 1 0 年 yi r y u d o k a n g 等人将基于主动侧倾控制的后空气悬架系统应用于重 型商务汽车上 翻 这个空气悬架通过开关一个电磁阀执行机构来改变侧倾刚度 实车试 验证明 这个后空气悬架系统和a r c 系统能使汽车的侧倾响应性能得到提高 2 0 1 1 年 z a k a d i r k h u d h a 等人利用主动侧倾控制悬架系统来提高客车的动力 性能 2 3 1 该系统的控制器由两个控制器组成 内环控制器用来抑制不需要的重心转移 外环控制器采用模糊逻辑控制来抑制车身垂直位移和侧倾角 3 后轴转向系统 后轴转向系统是指汽车后轴具有转向功能 后轴转向系统可以减小车辆转向半径 通过转向系统的调整使汽车在出现侧翻之前就恢复到稳定状态 2 0 0 9 年 p 6 t e rg d s p d r 提出了一种将主动转向系统 主动制动和主动侧倾控制相结 合的算法 2 4 1 这种算法可以提高车辆操纵稳定性 广西大掌工程硕士学位论文基于卡尔曼滤波的半挂汽车列车侧倾控制 2 0 1 0 年 c e b e a l 和j c g e r d e s 提出利用两个控制器预防车辆侧翻 一个控制器利 用后轴的差分驱动器改变车辆状态 另一个控制器使用后轮转向 r w s 改变车辆状态 从而达到预防牟辆侧翻的目的 2 5 1 2 0 1 1 年k n a t a l s o h 等人针对电动汽车提出了一种侧倾力矩直接控制方法 2 6 1 这 个控制方法是由基于轮胎侧向力控制的四轮转向控制器实现的 首先通过侧向力传感器 获得轮胎侧向力 然后利用一个侧倾角观测器去估计车辆侧倾角 从而使侧倾力矩控制 器起作用 4 差动制动 当汽车行驶在危险状况时 驾驶员一般会下意识的进行制动 但是因为驾驶员有一 个反应时间 而侧翻是在很短暂的时间内就会发生的 所以单靠驾驶员的制动操作很难 控制车辆侧翻 差动制动是指在每个车轮上施加不同的制动力 从而给车辆一个横摆力 矩 减小车辆的横摆角速度 同时 制动力还可以使车速减小 进而减小车辆侧向加速 度 达到控制侧翻的目的 差动制动方法所需成本小 并且易于实现 但是 它的缺点 是 如果制动力过大 会引起车轮抱死 1 9 9 8 年 l p a l k o v i c s a s e m e s e y 等人提出一种采用全轮制动技术的商用车侧翻预 防系统 通过测量轮速和横向加速度来检测轮胎接地状态 以及时进行制动控制鲫 1 9 9 9 2 0 0 0 年 t j w i e l e n g a 提出一种用差动制动代替全轮制动的防侧翻控制系统 2 8 2 9 1 该系统采用弹簧减震器判断车轮是否离地 若车轮离地或车辆侧向加速度超过门 槛值 差动制动系统就会被触发 从而避免侧翻 5 主动防侧倾杆 主动防侧倾杆的两端与车轮相连 杆的中间通过两个作动器连到车身上 通过放松 一端作动器而压缩另外一端作动器可以给车辆提供一个侧倾控制力矩 从而稳定车辆 2 0 1 1 年 s y t m 和k 针对混合动力4 轮驱动车 提出了一种主动侧倾控制系统 a r c s 和集成底盘控制 i c c 相结合的方法 3 0 主动侧倾控制系统采用主动防侧 倾杆作为执行机构控制汽车侧倾 集成底盘控制系统则可以在控制侧倾的同时保持车辆 的可操作性 6 重型车辆r s c 瓜s s e s c 稳定控制系统及其他 目前重型车辆稳定性控制系统主要包括防侧翻稳定控制系统r s c 侧倾稳定支持系 统r s s 和电子稳定控制系统e s c 大类 r s c 是在a b s 的基础上加上一个侧向加速度传 感器 在传感器测量的侧向加速度临近极限值的时候 系统就会激活a b s 进行制动 使 6 广西大掌工程硕士掌位论文基于卡尔曼滤波的半挂汽车列车侧倾控制 车辆速度减小 r s s 是基于挂车电子制动系统e b s e l e c t r o n i cb r a k i n gs y s t e m 技术发 展起来的 在系统检测的挂车侧向加速度和车轮滑移率临近侧翻极限时 系统会施加挂 车制动力 e s c 实时检测车辆侧向加速度和横摆角速度 在临近危险时可以通过制动实 现车辆稳定控制 2 0 0 9 年 a g o o d a r z i 提出一套基于最优控制的重型铰接车辆横摆力矩和侧倾力矩综 合控制算法 3 l 并利用e b s 得到期望的横摆力矩 2 0 1 1 年 h j k i m 提出了一种基于h 控制方法的车辆电子侧倾控制方案 3 2 1 并通 过硬件在环试验研究了此方案的控制性能 结果表明此控制方案对于提高车辆侧倾稳定 性是可行的 1 3 2 国内研究现状 我国目前在汽车侧倾稳定性方面的研究多见于高校 主要研究内容集中于以下几个 方面 1 侧翻指标 一般以侧向加速度 侧倾角或者l t r 作为侧翻指标 2 侧翻预 警方法 多采用侧翻预警时间t t r t i m e t o r o l l o v e r 算法进行侧翻预警 3 侧翻控 制技术 我国对r s c r s s e s c 等成熟产品的使用少 以半主动悬架 主动悬架 差 动制动 主动转向 防侧倾杆技术为主 近两年又有学者提出用差动制动和主动转向 差动制动和半主动悬架相结合的联合控制方案 4 侧倾控制方法 集中于使用线性二 次型最优l q 控制方法和p i d 控制方法 我国在汽车侧倾稳定性方面已经有了一定的研究基础 但是在半挂汽车列车侧倾稳 定性方面的研究起步较晚 尚处于初级阶段 且大多数是用仿真软件进行理论研究 针 对半挂汽车列车的防侧翻控制系统还没有实质性的开发和研究 国内在汽车侧倾稳定性 方面的研究如下 2 0 0 3 年贵州工业大学的何锋 杨利勇等人介绍了基于差动制动方法的车辆防侧翻控 制方法 引x l t r 作为侧翻系数 并推导出l t r 与车辆侧倾角和侧向加速度的关系吲 仿真结果表明差动制动能够有效地提高车辆防侧翻能力 2 0 0 5 年吉林大学的冯向敏对基于主动防侧倾杆的半挂汽车列车侧倾控制进行了研 究 3 4 1 仿真结果表明 对于单一车辆 采用主动防侧倾杆能将车辆侧倾稳定性提高1 7 对于半挂汽车列车 采用主动防侧倾杆能将车辆侧倾稳定性提高31 2 0 0 5 年长安大学的余强 马建提出采用主动和半主动悬架来减小汽车侧倾 3 5 3 6 通 过仿真可知 两种悬架系统都可以使汽车的侧倾角 侧倾角速度 侧倾角加速度和l t r 广西大掌工程硕士掌位论文基于卡尔曼滤波的半挂汽车列车积扪顷控制 大幅减小 并且主动悬架系统比半主动悬架的改善效果更好 但是安装和使用成本较高 2 0 0 5 年西华大学的徐延海介绍了一种基于主动转向技术的汽车防侧翻控制方法 3 7 1 该方法采用主动转向技术来改变转向角 有效减小了汽车侧向加速度 2 0 0 7 年吉林大学的宋尚斌针对车速不变的半挂汽车列车模型 采用基于l q r 的主动 防侧倾杆进行侧倾控制 并进行t m a t l a b 仿真 38 1 仿真结果表明主动防侧倾杆可以改善 9 一 车辆的侧倾稳定性 2 0 0 7 年华中科技大学的段小成 唐新蓬等人研究了基于模糊p i d 控制的主动横向稳 定杆对侧倾的控制作用 并在a d a m s c a r 和m a t l a b s i m u l i n k 环境下进行了联合仿真 1 3 9 1 仿真结果表明 该系统能有效地减小车身侧倾角和侧倾角速度 并使车辆的横摆角 速度也得到了一些改善 2 0 0 7 年南京航空航天大学的金智林 翁建生等人提出了一种基于模型的汽车侧翻预 警算法和防侧翻控制算法 4 0 l l 当t t r d 于3 秒时 触发p d 控制器对汽车实施差动制动侧 倾控制 2 0 0 7 2 0 0 8 年南京航空航天大学的王宪宇 张先奎提出利用双飞轮控制车辆侧翻 1 4 1 4 2 1 当汽车处于平稳状态时 两个飞轮以相同的转速向相反的方向转动 当预测到车 辆即将发生侧翻时 控制系统就会控制相应的飞轮减速 产生一个反向力矩以抑制汽车 侧翻 2 0 0 8 年吉林大学的黄杰燕 丁志新等人针对重型车辆 提出一种基于t t r 的侧翻预 警算法和基于l q r 的防侧翻控制策略 4 3 4 4 以l 1 r 作为侧翻性能指标 应用差动制动的 方法对重型车辆进行主动侧倾控制 并在t r u c k s i m 和m a t l a b s i m u t i n k 环境下进行了斜坡 阶跃 避障以及鱼钩四个转向工况的联合仿真 2 0 0 8 年吉林大学的宗长福 朱天军等人对基于回路传输恢复技术的线性二次高斯 l q g 主动侧倾控制方法在重型半挂车上的应用进行了研究 4 5 仿真结果表明 l q g l t r 主动侧倾控制方法可以使牵引车驱动轴的l t r 峰值减小3 以上 使重型半挂车的 侧倾稳定性得到显著提高 2 0 0 8 年吉林大学的王灵龙研究了采用磁流变技术的半主动悬架系统对汽车侧倾稳 定性的改善作用 4 6 该悬架系统使用阻尼连续可调的磁流变减振器 文章通过优化 扩 展天棚阻尼控制参数 提出了一种新的r s i a 天棚阻尼控制策略 2 0 0 8 年吉林大学的宗长福 麦莉等人分析了车辆结构参数对重型半挂车侧倾稳定性 的影响 4 7 1 仿真结果表明 牵引车的驱动轴最先发生侧翻工况 是侧倾危险车轴 车速 广西大学工程硕士掌位论文基于卡尔曼滤波的半挂汽车列车侧倾控制 越高 轮距越小 簧载质量质心越高 侧倾稳定性越差 越容易翻车 适当的提高半挂 车的悬架侧倾高度并降低牵引车的悬架侧倾刚度可提高整车侧倾稳定性 这些结论为重 型半挂车侧倾稳定性的设计提供了理论依据 2 0 0 9 年张磊发明了一种可增强抗侧倾能力的挂车空气悬架 4 引 在两侧左右支架总成 间采用加强横梁和左 右加强板进行加强 提高了操纵稳定性 同时在车桥后方两侧导 向臂总成之间 采用帽形梁连接 使汽车的抗侧倾能力得到提高 2 0 0 9 年吉林大学的黄乾生采用横摆角速度 侧向加速度 铰接角和铰接角速度为控 制变量 使用l q r 方法求出牵引车恢复稳定状态所需的最优补偿力矩 并利用p d 控制器 使制动轮的滑移率保持在最优滑移率附近1 4 9 1 仿真结果表明 该方法降低了半挂汽车列 车最常出现的三类不稳定现象川0 翻 挂车摆振和整车折叠发生的机率 2 0 1 0 年 吉林大学的朱天军提出了改进的t t r 重型车辆侧翻预警控制算法 5 0 1 使用 k a l m a n 滤波估计器对重型车辆的状态进行估计 解决了重型车辆动态侧翻门限值难以准 确获得的问题 保证了侧翻预警的精度 2 0 1 0 年 淮阴工学院的夏晶晶 常绿等人对空气悬架控制大型客车侧翻的效果进行 了研究 5 l 2 0 1 0 年 厦门大学的吴新烨 葛晓宏等人利用m a t a l a b 对汽车的侧翻模型进行了仿真 通过分析得出 质心高度的降低 侧倾中心高度 悬架组合角刚度和轮胎垂直刚度的适 度增加 轮距的增大都可以增大汽车侧翻阀值 这几个因素是影响侧翻的重要因素 这 些结论为汽车侧翻稳定性的优化研究提供了科学依据 5 引 2 0 1 0 年 2 0 1 1 年 内蒙古工业大学机械学院的朱颖 郭志平等人研究了稳态转向时 车辆侧向加速度对侧倾角和侧倾角速度阈值的影1 1 向 5 3 5 4 1 得出车辆侧倾角和侧倾角速度 阈值随侧向加速度的增大而减小的结论 并采用数值分析方法对动态侧翻模型进行求 解 设计出一种侧翻判别函数 可直接依据侧倾角和侧向加速度来预测车辆侧翻 2 0 1 1 年浙江大学的岑达希和南京航空航天大学的徐耀耀 翁建生等人研究了主动转 向与差动制动相结合的车辆防侧翻控制方法 5 5 5 6 该联合控制策略解决了车辆侧翻控制 和行车轨迹保持的矛盾 2 0 i1 年吉林大学的赵鑫对汽车半主动悬架系统的侧倾控制算法进行了研究 5 7 研究 结果表明 模糊p i d 控制器比单纯p i d 控制器的防侧翻控制效果更好 反应速度更快 并 且悬架阻尼连续调节的控制效果要好于 软 中 硬 三态悬架阻尼调节的控制效果 2 0 1 1 年 重庆大学的卢少波 李以农等人提出了一种差动制动和半主动悬架联合控 9 广西大掌工程硕士学位论文基于卡尔曼滤波的半挂汽车列车侧倾控制 制车辆侧翻的控制策略 5 引 仿真结果表明联合控制策略比单一控制策略更能提高车辆抗 侧翻能力 1 4 本文主要研究内容 从上述文献可知 对于汽车的状态估计和侧倾控制国内外已有不少研究成果 但是 对于半挂汽车列车的状态估计和侧倾控制的研究还较少 特别是国内 本文主要应用卡 尔曼滤波理论对半挂汽车列车的行驶状态进行估计 并利用基于模糊p i d 控制的主动悬 架对半挂汽车列车进行侧倾控制 主要研究内容如下 1 本文首先结合汽车操纵动力学建立了七自由度的半挂汽车列车整车动力学模型 并利用m a t l a b 软件的s i m u l i n k 模块建立了仿真模型 2 针对汽车部分状态变量不能直接测量或难以用合理的成本测量的问题 设计出 k a l m a n 滤波估计器对半挂汽车列车的行驶姿态进行估计 利用牵引车横摆角速度 牵引 车和半挂车的相对横摆角对牵引车的质心侧偏角 侧倾角和半挂车的横摆角速度 侧倾 角进行估计 通过估计值与仿真测量值的比较 分析了过程噪声协方差q 和量测噪声协 方差尺的变化对估计值的影响 然后利用m a t l a b 的s i m u l i n kr e s p o n s eo p t i m i z a t i o n 优化工 具箱对过程噪声协方差q 和量测噪声协方差r 进行优化 以得到满意的估计值 3 设计出模糊p i d 控制器 根据k a l m a n 滤波估计器估计出的车身侧倾角 利用基于 模糊p i d 控制的主动悬架将牵引车和半挂车的侧倾角控制到较小的范围内 其中p i d 的初 始参数由m a t l a b 优化工具箱中的f g o a l a t t a i n 多目标优化函数优化得到 该方法解决了以往 p i d 控制器参数整定复杂繁琐的问题 最后将实施了控制与未实施控制的半挂汽车列车 包括侧倾角在内的六个主要状态变量进行比较 并分析控制性能 此外 还利用m a t l a b 函数对系统的可控性 可观性和稳定性进行了分析 广西大掌工程硕士掌位论文基于卡尔曼滤波的半挂汽车列车侧倾控制 2 1 刚体动力学 第二章整车动力学建模及其仿真 2 1 1 刚体上任意点的加速度 通过刚体上一极点0 建立一个与大地坐标系平行的移动坐标系o x y z 和一个固结在 刚体上的动坐标系o x y z 5 9 1 如图2 1 所示 图2 1 任意点m 加速度的确定 f i g 2 1t h ed e t e r m i n eo fa c c e l e r a t i o no fa r b i t r a r yp o i n tm 以 j k 表示动坐标系o x y z 沿各坐标轴的单位