智能轮胎胎/路参数估计及四轮驱动电动汽车轮胎力最优分配控制

Four-wheel drive electric vehicle is a nonlinear coupling over-drive system, and the intelligent tire technology shows great opportunities and challenges to the 4WDEV dynamics and control. Currently, it is urgent to achieve the real-time and robust estimation for the key parameters of the tire-road friction under complex conditions, and to optimize the tire force allocation through the redundant control freedoms of the overdrive system. To address all the scientific issues above, this project will focus on: (1) Real-time identification on the nonlinear tire forces of intelligent tire and the estimation of the key parameters of tire-road contact. (2) Modeling of tire high dimensional coupling transient characteristics and vehicle dynamics with the driving motor. (3) Vehicle stability analysis in 3D space and its boundary identification on four-wheel drive electric vehicles. (4) Optimal tire force distribution control of the four-wheel drive electric vehicle. This project is to clarify the relationship between tread and carcass deformation and tire mechanical properties, formulate the identification method of intelligent tire kinematic and dynamic state based on in-tire sensing, reveal the coupling mechanism of lateral-longitudinal-vertical dynamics of tires and vehicles, propose the method to describe and identify vehicle dynamic stability boundary, and fully active the control potential from the tire coupling characteristics, finally, achieve the optimal allocation of the tire force to satisfy the vehicle’s efficiency, agility and safety performances.

四轮驱动电动汽车是一个非线性耦合过驱动系统，结合智能轮胎信息感知，给整车动力学和控制带来了全新的机遇和挑战。亟须解决复杂工况下胎路关键参数的实时与鲁棒估计，以及通过多驱动系统带来的控制自由度进行轮胎力的最优分配。本项目围绕上述科学问题，重点研究：（1）智能轮胎非线性六分力实时解算与胎路关键参数估计；（2）电机驱动下轮胎高维耦合瞬态特性及整车动力学建模；（3）四轮驱动电动汽车空间动力学稳定性分析与失稳边界辨识；（4）四轮驱动电动汽车轮胎力最优分配控制研究。以期阐明轮胎胎体胎面变形与力学特性关系，形成基于胎内传感的智能轮胎运动状态与力学状态辨识方法，揭示轮胎及车辆“侧-纵-垂”动力学耦合机制，提出车辆动力学失稳边界描述和辨识方法，充分挖掘轮胎耦合力学特性的控制潜能，实现四轮驱动电动汽车的轮胎力最优分配和高效、敏捷、安全的操纵稳定性控制目标。

四轮驱动电动汽车是一个非线性耦合过驱动系统，结合智能轮胎信息感知，给整车动力学和控制带来了全新的机遇和挑战。亟须解决复杂工况下胎路关键参数的实时与鲁棒估计，以及通过多驱动系统带来的控制自由度进行轮胎力的最优分配。针对复杂工况下轮胎和道路参数高精度估计难题，开展了智能轮胎非线性六分力实时解算与胎路关键参数估计研究。搭建了基于三轴加速度传感器的智能轮胎测试系统，分析了加速度信号的时频特征与轮胎动力学状态之间的联系，揭示了其内在机理，提出了面向不同轮胎状态估计的加速度信号特征提取方法，基于物理模型和机器学习方法设计了轮胎力、侧偏角、滑移率以及摩擦系数的实时估计方案，其中轮胎力和滑移率估计误差在5%以下，侧偏角估计误差在9%以下。针对轮胎和车辆系统高维耦合动力学特性的描述难题，开展了电机驱动下轮胎高维耦合瞬态特性及整车动力学建模研究。结合试验和理论分析，阐明了胎压对轮胎稳态和非稳态动力学特性的影响机理，建立了考虑胎压影响的轮胎稳态和非稳态模型，在此基础上，建立了四轮独立驱动电动汽车整车十四自由度动力学模型。针对复杂工况下车辆失稳机理和失稳状态演化评估难题，开展了四轮驱动电动汽车空间动力学稳定性分析与失稳边界辨识研究。基于李雅普诺夫稳定性理论、操纵图法和相平面分析法揭示了极限工况下轮胎及车辆“侧-纵-垂”动力学耦合机制以及车辆失稳的内在原因，提出了车辆动力学失稳边界描述和辨识方法以及稳定裕度指标。针对四轮驱动电动汽车过驱动系统控制难题，开展了轮胎力最优分配控制研究，结合提出的车辆稳定裕度评价指标，设计了四轮驱动电动汽车操纵性和稳定性权重自适应调节控制方法，在常规工况以及复合工况下都能有效提升汽车的综合性能。