基于模型预测控制的汽车侧向稳定性控制研究

主动前轮转向（active front steering，AFS）和直接横摆力矩控制（direct yaw moment control，DYC）是提升汽车侧向稳定性的重要手段。当汽车侧向失稳时，DYC 的制动干预会引起汽车纵向速度下降，影响汽车的纵向动力学和驾驶舒适性。与 DYC 工作原理不同，AFS 通过转向系统的主动干预能够在不影响纵向动力学和舒适性的前提下提升汽车的侧向稳定性，近年来得到了广泛的研究。本文在现有研究的基础上，基于模型预测控制方法设计一种在预测时域内考虑轮胎力非线性变化的新型线性时变AFS 控制系统，能够有效提高系统的实时性，拓宽 AFS 的工作范围，改善在高速、低附着路面等极限工况下 AFS 汽车的侧向稳定性。 随着汽车智能化和无人化的发展，主动避撞控制逐渐成为提高汽车行车安全、减 少交通事故伤害的重要手段。基于 AFS 的侧向避撞控制只需要较小的转角干预，就 能产生足够的横摆力矩和侧向偏移，相对于纵向避撞控制在高速、低附着路面等极限工况下的纵向避撞距离更短，备受研究学者的青睐。极限工况下轮胎力常常处于非线性区域，汽车在转向避撞过程中容易出现侧滑等危险。因此，本文针对极限工况下汽车转向避撞时的行驶稳定性问题，基于模型预测控制方法设计一种考虑轮胎状态刚度预测的转向避撞控制器，能够较好地兼顾汽车在极限工况下的转向避撞效果和行驶稳定性。 此外，当轮胎侧向力接近饱和时，AFS 的控制性能将接近极限。但此时 DYC 依 然可以利用纵向力产生横摆力矩来保持汽车稳定。因此，AFS 与 DYC 的集成控制可以充分利用两者的优势，进一步提高车辆的侧向稳定性。然而，AFS 和 DYC 对汽车的运动存在相互干涉和耦合，且轮胎的侧向力和纵向力间也存在相互影响，因此 AFS与 DYC 集成控制中转向和制动的控制权分配问题一直是一个研究热点。针对这一研究问题，本文提出一种考虑轮胎均等后备能力的轮胎纵向和侧向力分配方法，并基于线性时变模型预测控制设计了一体式 AFS 与 DYC 集成控制器，能够有效解决 AFS与 DYC 的运动干涉和控制权分配问题，进一步提高汽车的侧向稳定性。