摘要
汽车工业历经百年发展逐渐从生产/交通工具向消费品转变，人们也越来越注重汽车行驶过程的运动品质。在纵向运动方面，运动品质通常指汽车的驾驶性，要求汽车速度好控、驾驶感觉符合人的心理期望、不良的运动响应少、驾驶感觉一致性好。良好的驾驶性已成为驱动消费者购买汽车的重要因素。 为了保证汽车具有良好的驾驶性，一方面，由于缺乏驾驶性调教的理论依据，汽车厂商广泛通过经验丰富的主观评车师进行大量的实车场地试验标定改善汽车的驾驶性，但汽车在低速情况下车速不稳、驾驶感觉不符合心理预期、动态响应品质不佳、零部件特性/载重/坡度改变的情况下驾驶感觉不一致的问题仍然存在。另一方面，为了保证同一车型的批量化产品具有一致的驾驶感觉，需要精密制造和控制参数精确标定，加大了汽车产品的制造难度和生成成本。如何进一步提高汽车驾驶性，并保证批量化的汽车产品在全生命周期内具有一致的驾驶感觉成为汽车发展的重要愿景和工业难题之一。 针对目前存在的驾驶性问题，本文提出了一套面向驾驶性的纵向运动控制解决方案：将驾驶员的踏板操作解析为纵向加速度需求，并以纵向加速度作为中间量，采用运动闭环控制方法，准确跟踪期望的加速度，保证汽车在道路环境/载重/零部件特性改变情况下，踏板操作与纵向加速度呈固定的映射关系，实现一致的驾驶感觉。本文主要研究内容如下： 第一，面向驾驶性的纵向动力学建模研究。建立了面向汽车驾驶性的纵向动力学模型，对影响汽车纵向运动动态过程的关键环节进行了准确描述，并将动力学模型集成在驾驶模拟器进行人-车闭环试验，通过与实车场地试验进行对比，验证了模型的准确性，为后续的车辆动力学特性的测试、控制算法的开发以及驾驶感觉的调教提供虚拟测试和验证平台。 第二，驾驶员纵向运动意图研究。针对现有汽车在进行纵向驾驶意图设计时，缺乏理论依据，驾驶感觉的好坏极大程度地依赖于评车师的主观因素和水平高低，同时缺乏对稳速意图的表达，导致低速情况下车速不稳的问题，提出一种以加速度代表人的纵向运动意图的设定方法：（1）通过在稳定速度点附近设计了加速踏板低灵敏区域，实现了汽车速度易控，降低驾驶员的操作负担；（2）在远离稳定速度点的区域，根据Weber-Fechner定律，设计了加速踏板操作量与期望加速度的非线性映射关系，保证汽车加/减速运动符合人的心理预期，提高驾驶感觉；（3）将本文的纵向运动意图设定方法应用于pedalmap标定，为经典的pedalmap设计提供了理论依据和标定方法，减小了驾驶感觉调教难度。 第三，纵向运动闭环控制研究。针对经典的基于扭矩的纵向控制方法，驾驶感觉一致性较差的问题，提出了一种带直接前馈和前向通道稳态补偿校正的加速度闭环控制方法：采用稳态补偿校正方法对汽车驱/制动系统进行归一化，并基于高斯牛顿迭代法对归一化的系统进行等效系统传递函数辨识，在此基础上进一步采用范数非光滑优化原理进行闭环控制参数设计，保证运动闭环控制系统响应符合设定的理想二阶系统。通过闭环控制，可以适当放宽零部件的制造精度和控制参数标定精度要求，即使在批量化产品制造存在偏差或零部件性能衰退情况下，也能通过闭环自动进行偏差校正，使得踏板操作量与汽车纵向加速度的映射关系保持一致，保证驾驶感觉一致。同时，通过设计合理的系统频率带宽，改善了纵向运动动态响应品质，提高驾驶性。 第四，针对载重/道路坡度变化导致驾驶感觉不一致的问题。本文进一步提出了考虑载重/坡度的纵向运动闭环控制方法，在坡度和汽车总质量估计的基础上，对前向通道的稳态补偿增益系数进行动态修正，保证了坡度/载重变化情况下，汽车具有一致的驾驶感觉。 第五，驱动/制动/挡位选择与切换过程控制研究。汽车纵向控制方面具有两套独立的作动机构，且包含多挡位，在进行纵向运动控制时需要进行作动源的选择和切换。针对目前汽车在多种驾驶风格情况下，换挡策略复杂、标定工作量大的问题，提出了一种基于比力的选挡策略：在满足运动需求的情况下，以能量效率作为评价指标进行换挡规律设计，并采用比力和车速作为选挡参数进行选挡，使得一套换挡规律即可保证汽车的运动和经济性要求，并解决了换挡策略的坡度适应性问题，降低了换挡规律设计的复杂性和标定工作量。为了避免换挡冲击，本文采用挡位切换过程控制策略，保证挡位切换过程的运动平顺。 最后，搭建了基于dSPACE和驾驶模拟器的试验平台，对本文提出的控制方法进行有效性检验。试验结果表明本文的研究提高了汽车速度的易控制性；改善了纵向运动动态响应品质；在汽车零部件性能/载重/坡度发生变化情况下，实现了一致的驾驶感觉；提出的基于比力的选挡策略，仅需一套换挡规律便可解决换挡的坡度适应性问题，同时能够保证满足运动需求的前提下，兼顾整车行驶经济性，降低了换挡规律设计的复杂性和标定工作量，同时，通过挡位切换过程控制确保汽车纵向运动冲击度满足推荐标准。
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