商用车装载量大,在公路物流与矿业运输等行业中有着不可替代的作用。但其载荷大、质心高、轮距较窄、轴距长等缺点导致商用车辆极易发生侧翻与横摆稳定性事故。多轴商用车多用于运输大质量货物,其工作环境最为恶劣,因此稳定性事故发生的机率更大,一旦发生事故更会造成极其严重的财产与人员损失,其稳定性问题本应受到更多的关注与研究。但是,目前鲜有专门针对多轴商用车辆而研发的稳定性控制算法,很多研究都将多轴车辆简化成两轴车辆进行研究。但多轴商用车的特点在很多方面与两轴车辆存在明显不同,这些控制算法难以直接应用,因此开发一款专门针对多轴商用车的稳定性控制算法意义极其重大。本文依托于吉林省科技发展计划项目“基于电控制动系统的重型商用车稳定性控制”(项目编号:20170414045GH)与国家自然科学基金委员会资助项目“公路液罐车液固耦合机理与防侧翻控制研究”(项目批准号:51575224),提出了一款专门针对四轴商用车的稳定性集成控制算法。该控制算法将差动制动与主动转向按照全新的规则集成到一起,对多轴商用车的侧翻与横摆稳定进行了控制。该算法的提出填补了我国多轴车辆稳定性集成控制算法研究的空白,为多轴车辆稳定性控制器的自主研发与设计提供了理论支持,极具指导意义。论文主要进行了以下几个方面的研究工作:1、本文提出了一种多轴车辆垂向载荷建模思路,根据这一思路分别建立了三轴与四轴车辆车轮垂向载荷模型。为了解决多轴车辆车轮垂向载荷计算中的过约束问题,本文将多轴车辆分割成几个部分,并在断开位置增加了虚拟受力。在此基础上结合简化的魔术公式(MF,Magic Formula)轮胎模型、三自由度车辆模型的车体模型,建立了四轴车辆的整车模型,经过仿真验证该模型能够很好地表达四轴车辆行驶中的状态。车辆被分割成若干部分,各部分的质量被分开单独计算,因此该模型能够描述货物非均匀放置的车辆行驶状态。2、在实际情况中,车辆参数与状态并不便于直接获得,因此需要进行参数与状态的辨识与估计。多轴车辆垂向载荷模型的参数与车轮垂向载荷获得也同样面临这样的问题。本文在扩展卡尔滤波(EKF,Extended Kalman Filter)的基础上进行了改进,增加了滑模趋近单元以提高计算速度,提出了一款新型自适应扩展卡尔曼滤波算法。同时在研究了四轴车辆参数粗略计算方法后,针对性地提出了滤波估计算法的初值自适应更新算法。在此基础上,本文建立了三轨自适应扩展卡尔曼滤波(ATEKF,Adaptive Treble Extended Kalman Filter)同时对四轴车辆车轮垂向载荷、参数与状态进行了估计与辨识。最后再根据车辆的后部放大效应这一规律,结合仿真实验效果提出了第三轴与第四轴垂向载荷的垂向载荷修正算法。经过与Truck Sim联合仿真验证,本文提出的ATEKF估计算法能够有效地估计出四轴商用车车轮的垂向载荷。该ATEKF算法所表现出的能力优于TEKF算法,文本提出的初值自动更新算法、垂向载荷修正算法都具有优秀表现。在ATEKF验证工况设计中,特别设置了货物集中放置的情况。ATEKF的仿真结果从侧面说明了本文提出的四轴车辆模型对货物非均匀放置的车辆运动状态描述准确,因此证明了所提出的多轴车辆车轮垂向载荷的建模思路适用于对货物非均匀放置的车辆进行建模。3、在集成控制算法的开发中最重要的问题是如何向所集成的差动制动与主动转向系统分配任务。如果能获知在当前状态下差动制动与主动转向对车辆所能产生的最大影响,对两者的协调分配具有及其重要的意义。为了了解在某一时刻两种控制方式所造成的车辆状态变化,本文提出了差动制动与主动转向所产生横摆力矩与侧向力的计算方法,并对车辆不同状态与位置参数下的控制效果进行了分析。在此基础上,分析总结出两种控制方式所能达到极限横摆力矩的计算方法,并提出了通过极限横摆力矩对差动制动与主动转向能力进行对比的方法。经验证,极限横摆力矩对比法能够用于描述差动制动与主动转向两种控制方式的能力。4、在对多轴车辆特性进行分析与总结的基础上,本文提出了一种全新的稳定性集成控制算法。该算法能够控制车辆的侧翻与横摆稳定性,并对稳定性控制中产生的轨迹偏移进行抑制,降低事故的发生率。稳定性集成控制算法的关键在于总控制量的计算与所集成子系统(差动制动与主动转向)的控制量分配。本文所建立的稳定性集成控制算法分为三层,分别为决策层、分配层与执行层。决策层对车辆是否需要控制进行判断,并计算出所需控制总量。分配层包含分析、集成控制分配、制动力与主动转向角分配三个部分。分析部分包含差动制动效果分析、主动转向效果分析、车辆-车道未来时刻相对位置预测三部分;集成控制分配通过分析部分所提供信息得到比例系数对总控制量进行分配;制动力与主动转角分配根据集成控制分配的各轮控制量计算所需的目标制动力与目标主动转角。执行层则负责具体实施,控制各轮缸形成所需的目标制动压力与主动转向目标转角。在分配层分析部分,本文提出了车辆-车道相对位置预测方法,用以判断稳定性控制所产生的轨迹偏移是否需要抑制。在集成控制分配部分,本文提出了基于两种控制方式能力极限控制量的分配计算方法,通过构建比例系数,对总控制量按能力大小进行分配。本文根据车辆-车道相对位置预测的结果,在分配中引入轨迹偏移抑制因子adk,实现在对车辆进行稳定性控制的同时对车辆轨迹偏移进行抑制。在制动力与主动转角分配部分,本文同时提出了基于优化的分配方法(DO,Distribute by Optimization)、简化分配算法(SD,Simplified Distribution)两种方式对车轮目标制动力与主动转向目标转角进行了计算。经过联合仿真验证,基于这两种不同分配方法的稳定性集成控制算法都能够很好地控制车辆稳定性(载重20000kg时,最大安全初始车速在提升了27.3%后,依然能够保持车辆的稳定)。除此之外,算法能够对车辆轨迹的偏移进行有效抑制(偏移量减少20%)。5、本文根据要求搭建了多轴车辆硬件在环试验台,对所提出的稳定性集成控制算法进行了试验验证。该多轴商用车硬件在环试验台,具有三个轴的完整制动系统硬件、制动踏板与转向盘硬件系统。制动系统气路参考实车布置,具有三个桥控阀、两个ABS阀,6个商用车盘式制动器。经调试,该硬件在环试验台能够实现对每一个轮的单独控制,具备对本文所提出的集成控制算法验证的条件。在此基础上,本文将基于简化分配方法(SD)的稳定性集成控制算法在试验台上进行了验证。结果表明基于SD的稳定性集成控制算法具有良好的实时性与稳定性控制效果(单一工况初始最大安全车速提升47.3%),能够对车辆的轨迹偏移进行抑制(偏移量减少11.7%)。本文取得的创新性成果如下:1、针对多轴车辆车轮垂向载荷分配复杂,难以计算的问题。本文提出了一种多轴车辆垂向载荷的建模思路,通过这一思路建立垂向载荷模型,对车轮所受垂向力进行描述。此建模思路将车辆分成若干部分,能够有效削弱多轴结构过约束的影响。同时由于车辆被分割成若干部分,各部分的质量被分开单独计算,因此该建模方式还适用于对货物非均匀放置的车辆进行建模。在以该思路指导下建立的四轴车辆垂向载荷模型基础上,本文建立了四轴车辆整车模型。2、为了在稳定性控制算法中获得更为精准的各轮垂向载荷、车辆状态和参数数据,本文在传统扩展卡尔滤波(EKF,Extended Kalman Filter)的基础上提出了一种全新的自适应扩展卡尔曼滤波算法,并以此为基础提出了三轨自适应扩展卡尔曼滤波(ATEKF,Adaptive Treble Extended Kalman Filter)估计算法。经过验证,该估计算法能够使用常用的传感器准确估计多轴车辆的垂向载荷。所提出的自适应扩展卡尔曼滤波估计算法性能优于传统扩展卡尔曼滤波算法。3、目前研究中没有差动制动与主动转向的对比方法,这极其不利于对两种控制方式的集成应用。因此本文分析了差动制动与主动转向对车辆的控制效果,总结分析了两者所能形成的最大横摆力矩计算方法。并提出了一种差动制动与主动转向实时能力大小的对比方法——极限横摆力矩对比法,该方法通过对当前车辆状态下两种稳定性控制方式所能形成的极限横摆力矩进行对比来判断两者的能力大小。由于这一对比方法计算速度快,因此对比方法能够实时应用到集成控制算法当中,极具指导意义与应用价值。4、本文针对四轴商用车提出了一种稳定性集成控制算法,该算法采用全新的分配与协调策略将差动制动与主动转向进行集成,具有控制侧翻与横摆稳定性、抑制轨迹偏移三种功能。此种协调策略简单灵活,仅通过增加侧偏抑制因子就能够实现对控制中产生轨迹偏移的抑制,通过改变系数就能够实现稳定性集成控制算法转变为单一控制算法。针对控制算法计算速度慢等缺点,本文结合前文分析提出了一种简化的车轮目标制动力与主动转向目标角度的计算方法,经联合仿真与硬件在环试验验证,该计算方法实时性强,性能优异。