汽车是现代人类自由与文明的重要载体。汽车主动安全性关系到人们的生命安全,而汽车动力学控制系统能够有效提高汽车主动安全性,其主要控制目标一般为最大限度跟踪驾驶员意图并保证稳定性。由于缺少道路环境信息,传统汽车动力学控制系统主要关注“车”本身的性能极限,而无法准确判断驾驶员的操作意图是否安全,但驾驶员不当操作是道路交通事故的重要因素。近年来,道路环境信息感知技术的成熟为识别驾驶员不当操作提供了基础,如何利用道路环境信息提高汽车的性能表现,特别是提升主动安全性成为亟待解决的问题,而其中对汽车非线性动力学的考虑则是研究重点和难点之一。针对此背景,本文基于汽车行驶状态与道路环境信息已知的假设,提出了一种同时考虑“汽车稳定性极限”与“道路安全边界”的汽车动力学集成控制策略。采用由“车”到“路”的研究思路,先研究汽车本身的性能极限,再从动力学角度研究了道路环境约束下的汽车安全行驶状态边界--道路安全边界。本文将道路安全边界定义为:汽车的运动状态如果在该边界范围内,则总能找到至少一组操作使汽车安全行驶,而若在该边界范围外,无论驾驶员接下来采取什么样的操作,最后总要发生碰撞或超出道路边界。本文基本控制策略为,集成控制器通过对主动转向与主动制动的集成控制最优的跟踪驾驶员期望并保证汽车稳定,当驾驶员期望超过“道路安全边界”时,则主动干预控制目标,将汽车状态控制在“道路安全边界”上,保证汽车在道路环境下的安全行驶。本文主要研究内容包括以下几部分:首先,设计了四轮轮胎纵向力、侧向力与侧偏刚度估计算法,为后续集成控制器与道路安全边界求解实时提供精确的轮胎力与侧偏刚度信息,保证算法适应性与精度。基于非线性轮胎模型,采用双卡尔曼滤波算法同时估计轮胎力与轮胎侧偏刚度,保证了不同轮胎特性下的估计精度,并利用Carsim整车模型进行了仿真验证。然后,设计了分层结构的主动转向与制动集成控制器。上层整车运动控制层采用模型预测控制算法,预测模型为前轴侧向力与附加横摆力矩为输入的线性时变二自由度模型,计算跟踪名义横摆角速度与质心侧偏角所需的期望前轴侧向力与附加横摆力矩;下层执行层采用基于非线性轮胎模型的轮胎力优化分配算法求解最优的各轮制动力与前轮转角以跟踪期望控制力与力矩。将集成控制中最难处理的轮胎力耦合与非线性问题转移到下层处理,能够减少非线性因素对控制器设计影响,提高控制精度,并避免非线性轮胎模型在模型预测控制算法中迭代带来计算负担。在利用Carsim整车模型的仿真中,受益于实时估计的轮胎力与侧偏刚度信息,即使轮胎特性和路面附着系数发生变化,控制器均可取得满意的控制效果。之后,提出了一种基于动力学的道路安全边界求解算法。目前与碰撞危险预测相关的研究多采用运动学方法而无法充分考虑汽车动力学性能极限。本文利用前轴侧向力为输入的二自由度模型预测汽车状态,消除了前轴轮胎非线性对算法的影响,并通过对输入与汽车状态的线性约束来考虑其他非线性因素,最终将道路安全边界求解转化为汽车边界状态的线性规划问题。在不过多增加计算复杂度的前提下,充分考虑了车辆的动力学特性。最后,对所提出的算法进行了“人-车-路”系统闭环仿真。结果表明,在单移线试验中,仅考虑汽车稳定性极限时,集成控制能够保证汽车稳定但不能保证所有驾驶员安全通过试验;而考虑道路安全边界时,控制器能够在驾驶员操纵不当时及时介入控制,帮助不同驾驶员成功完成单移线试验。并且验证了算法对路面附着系数与轮胎特性的良好适应能力。