四輪驅動電動輪汽車主動變道系統的穩定性研究

段婷婷 張玉穩 姜紹忠

摘 要：考慮汽車主動變道的安全距離模型對電動輪汽車主動變道系統的穩定性的影響，依據理想的整車穩定性狀態參量，設計基于滑模-PID控制理論的控制器對整車的穩定性參數進行跟蹤，并通過Carsim和Matlab/Simulink的聯合在線仿真，驗證該系統穩定性控制研究的可行性，從而保證較好的駕駛安全和行駛穩定，為電動輪汽車的主動安全乃至自動駕駛的開發提供理論基礎。

關鍵詞：制動距離;轉向距離;滑模-PID;主動變道

隨著汽車產業的不斷升級，全球的節能環保和汽車安全問題也越來越受到重視。而伴隨著汽車的智能化、電動化、國際化和共享化概念的興起，主動變道系統的研究也開始熱門起來[1]。國內外目前對四輪獨立驅動電動輪汽車的研究主要集中在轉矩協調控制和穩定性研究上，針對融合了主動安全的研究較少。Taehyun Shim等研發基于軌跡規劃器、基于模型預測控制的主動前輪轉向系統和輪矩分配系統的無人駕駛車輛的主動避撞系統[2]。該系統主要是用跡規劃器規劃好一條合理的最優路徑，再基于模型預測控制器對汽車的轉向系統和驅動系統進行轉矩分配，以期達到最優的軌跡跟蹤效果。李印祥等人提出在應急工況下的車輛應急變道的路徑優化策略，提出雙安全模型[3]。

1 動力學模型

1.1 整車模型

本文化繁為簡，將復雜多變的整車系統簡化成七自由度模型：

1.2 車輪模型

對電動輪汽車的車輪的受力分析可知：

2 控制策略

2.1 理想狀態參量

整車二自由度車輛模型可得：

2.2 安全距離模型

當前方有車輛行駛時，也應考慮兩車的相對距離和相對速度，故根據ECE法規和相關汽車的制動數據可得：

2.3 控制器設計

為增強電動輪汽車在主動變道工況下的穩定性控制器的抗干擾能力和自適應性，本文選擇使用滑模控制器作為控制方法，考慮其抖振現象，合理取值滑模面的邊界層厚度[4]。因此，橫擺力矩的滑模控制律為：

3 控制結果及分析

為驗證滑模-PID控制器對電動輪汽車在主動變道工況下的穩定性的控制效果，本文設定車況速度為36km/h，并采用matlab/Simulink與Carsim聯合在線仿真。圖1和圖2為車速為仿真的橫擺角速度和質心側偏角。與不加控制器相對比，滑模-PID控制下的橫擺角速度值響應速度快，且振蕩幅值較小，能較快的趨于穩定;質心側偏角相較于未加控制的質心側偏角的振蕩值小很多，且迅速收斂于穩定。

4 結論

本項目在研究滑模原理和汽車安全的基礎上，考慮主動變道安全距離模型對電動輪汽車穩定性影響，選擇整車穩定性參數為控制變量，設計滑模-PID穩定性控制器，并通過carsim和simulink的在線聯合仿真驗證了該穩定性控制器效果較好，從而保證較好的駕駛安全和行駛穩定，為電動輪汽車的主動安全乃至自動駕駛的開發提供理論基礎。

參考文獻：

[1]邊明遠.基于緊急變道策略的汽車主動避障安全車距模型[J].重慶理工大學學報（自然科學），2012，26（04）：1-4.

[2]Yu Z，et al.Hybrid trajectory planning for autonomous driving in highly constrained environments[J].IEEE Access，2018，6：32800-32819.

[3]李印祥.汽車主動制動/轉向避障控制系統研究[D].合肥工業大學，2018.

[4]段婷婷，等.電動輪汽車驅動系統的滑模-PID控制[J].江蘇大學學報（自然科學版），2015，36（03）：260-264.

基金項目：天津市自然科學基金項目18JCTPJC52800;天津中德應用技術大學科研基金項目（zdkt2018-010）