车辆动力学分布式转向/驱动/制动系统控制与非线性模型预测优化研究【附数据】

最新推荐文章于 2025-12-10 18:59:46 发布

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#分布式

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（1）中央控制器的开发与基本驾驶模式设计

针对全线控电动汽车独特的底盘结构，开发了中央控制器以协调分布式转向、驱动、制动系统，并为动力学观测与控制算法提供硬件载体。该中央控制器采用快速控制原型技术搭建，设置六个并行执行的定时循环，对车载传感器和执行器进行统一监测、控制、协调和记录。基于运动学原理，设计了中低速下的基本驾驶模式，如前轮转向、四轮异向转向、楔形转向、原地转向，并使用有限状态机设计模式间的切换逻辑。实车试验结果表明，所搭建的中央控制器原型满足实时测试与控制平台的开发需求，并实现整车在低速下全方位移动的功能

。

（2）动力学观测器的搭建与状态估算

基于双无轨卡尔曼滤波理论，搭建了全线控电动汽车的动力学观测器，用以在线获知车辆的平面运动状态，供底盘集成控制器使用。观测器能够准确辨识左右侧车轮总的电机力矩值，并通过驱动电流控制信号计算出两侧轮毂电机的等效力矩系数，提高观测和控制精度。离线仿真和实车验证结果表明，状态估算模块在前轮转向和四轮转向模式下能很好地实现对全线控电动汽车纵向速度和侧向速度的估计，并可过滤掉陀螺仪的信号噪声，参数识别模块对电机驱动力矩的观测也达到了非常高的准确度

。

（3）动力学集成控制方法的研究与实现

全线控电动汽车因其灵活的底盘布置和极高的可控自由度，成为进行动力学集成控制的理想平台。提出了一种基于模型的5层式底盘集成控制方法，用以协调分布式转向／驱动／制动系统，达到“稳定性为主、操纵性为辅”的设计目标。驾驶员控制层利用线性二自由度参考模型和最优预瞄侧向加速度模型体现驾驶员对汽车操纵响应的预期；车体运动控制层引入多输入多输出的非线性滑模控制器计算跟踪驾驶员操纵指令所需的车体运动控制总力／总力矩；在轮胎力分配层中使用八边形约束对摩擦圆进行线性逼近，并考虑轴荷转移的影响，将最优分配过程分解为不多于3个包含线性等式与不等式约束的二次规划问题，并设计合适的目标函数，使轮胎的稳定裕度在普通工况下达到最大，而在极限工况下尽量提高汽车的操纵稳定性；执行器执行层通过控制轮毂电机的驱动/制动力矩以及转向电机的转角来实现轮胎力分配层输出的目标轮胎力。通过CarSim与MATLAB/Simulink联合仿真以及实车场地试验，验证了动力学集成控制算法通过协调驱动及转向系统，使汽车能够较好地跟踪目标车速和理想横摆角速度，符合设计要求

# 模拟车辆动力学控制的Python代码

class VehicleDynamicsController:
    def __init__(self, vehicle_parameters):
        self.vehicle_parameters = vehicle_parameters
        self.state = {'velocity': 0, 'steering_angle': 0, 'yaw_rate': 0}
    
    def update_state(self, control_input):
        # 根据控制输入更新车辆状态
        self.state['velocity'] += control_input['acceleration'] * self.vehicle_parameters['time_step']
        self.state['steering_angle'] += control_input['steering_torque'] * self.vehicle_parameters['time_step']
        self.state['yaw_rate'] += control_input['yaw_moment'] * self.vehicle_parameters['time_step']
    
    def calculate_forces(self):
        # 计算作用在车辆上的力和力矩
        forces = {
            'longitudinal_force': self.state['velocity'] * self.vehicle_parameters['mass'],
            'lateral_force': self.state['steering_angle'] * self.vehicle_parameters['cornering_stiffness']
        }
        return forces
    
    def simulate_dynamics(self, control_input):
        # 模拟车辆动力学
        self.update_state(control_input)
        forces = self.calculate_forces()
        return forces

# 车辆参数
vehicle_parameters = {
    'mass': 1500,  # 车辆质量，单位：kg
    'cornering_stiffness': 100000,  # 轮胎角刚度，单位：N/rad
    'time_step': 0.1  # 仿真时间步长，单位：s
}

# 控制输入
control_input = {
    'acceleration': 2,  # 加速度控制输入，单位：m/s^2
    'steering_torque': 0.5,  # 转向扭矩控制输入，单位：Nm
    'yaw_moment': 1000  # 横摆力矩控制输入，单位：Nm
}

# 创建车辆动力学控制器实例
controller = VehicleDynamicsController(vehicle_parameters)

# 模拟车辆动力学
forces = controller.simulate_dynamics(control_input)
print("Calculated Forces:", forces)