重型半挂车对国民经济建设具有重要作用,发展潜力巨大,但其自身结构具有重心高、车身长、体积大、挂车载荷质量变化频繁等特点,以及牵引车与挂车在铰接点处具有相互耦合作用致使两刚体之间运动不协调,导致在行驶过程中极易发生摆振、折叠以及侧翻等危险事故。基于以上原因,重型半挂车行驶过程中的动力学稳定性问题已经成为制约汽车制造业和交通运输业发展的瓶颈。本文依托国家自然科学基金项目“基于模型预测的重型半挂车动力学稳定性多目标控制研究”(编号:51075176)和吉林省科技发展计划项目“重型车辆电控气压制动系统开发与匹配”(编号:20150204066GX),针对装载固体货物的重型半挂车产生的上述行驶安全性等问题进行了研究,在总结国内外商用半挂车研究成果的基础上,以提高重型半挂车主动安全性为目标,建立了准确的动力学简化模型并对其进行参数与状态估计;以牵引车和半挂车的侧倾稳定因子为动态预测侧翻指标构建侧翻预警算法;基于模型预测控制(MPC)理论设计重型半挂车动力学稳定性多目标控制策略,并应用商用车电控制动系统(EBS)硬件在环实验平台对基于MPC的控制策略进行了验证。本文主要进行了以下几个方面的研究:首先,根据重型半挂车侧翻预警及稳定性控制的要求,搭建了重型半挂车的三轴五自由度和三轴三自由度两个动力学简化参考模型,并且应用双模型和双无轨卡尔曼滤波(DUKF)技术相结合的方法,对两个模型的主要参数和状态进行估计:以真实车辆方向盘转角为输入、车速为输出,先估算出三轴三自由度参考模型中牵引车及半挂车各自的侧向加速度、横摆角速度以及三根轴的侧偏刚度,将这些估算数据同时输入到基于五自由度和三自由度简化模型的双无轨卡尔曼滤波估计算法中,由基于三自由度模型的无轨卡尔曼滤波估计算法估计出一套横摆角速度,质心侧偏角以及车辆三根轴的侧偏刚度;五自由度模型的无轨卡尔曼滤波算法则用来估计牵引车和半挂车各自的侧倾角速度、横摆角速度、侧倾角和悬架侧倾刚度,以及另一套质心侧偏角和横摆角速度,再将相同状态量输入整合系统,计算出质心侧偏角的加权平均值,输出后即作为估计系统输出。经过对输出结果进行仿真分析,说明建立的重型半挂车参考模型和参数、状态估计方法能满足侧翻预警及多目标稳定性控制的要求,保证了模型精度,为进一步开展车辆稳定性控制研究奠定了模型基础。其次,以重型半挂车5自由度参考模型为基础,依据横向载荷转移率定义分别推导出牵引车、半挂车的侧倾稳定因子R1和R2,以侧倾稳定因子为动态预测侧翻指标构建侧翻预警算法,应用DUKF估计得到的牵引车、半挂车的侧倾角等状态实时计算侧倾稳定因子,并依据牵引车和半挂车的侧倾刚度设定不同的侧翻阈值;应用T-S模糊神经网络对侧翻预警时间进行优化,以保证输出准确的预警时间来提醒驾驶员进行安全操作。经过双移线和鱼钩工况的仿真分析,验证了基于动态预测侧翻指标的重型半挂车侧翻预警算法能对未来时刻车辆状态做出准确预测,保证了侧翻预警算法的实时性。第三,侧翻预警系统没有起到作用导致车辆进入极限工况,就会引发车辆出现摆振、折叠及侧翻等危险,为了能够有效避免重型半挂车出现这些失稳现象,本文提出基于模型预测控制(MPC)的重型半挂车动力学稳定性多目标控制策略:以五自由度参考模型输出的质心侧偏角和横摆角速度为期望值,模型预测控制器则控制三自由度使其输出状态跟随五自由度,从而决策出牵引车和半挂车的横摆稳定控制力矩,制动力分配模块根据车辆的转向特性确定目标制动车轮及制动力矩,制动器逆模型将确定的车轮制动力矩转换为制动压力。经高、低附着路面下的双移线工况和鱼钩工况仿真表明:重型半挂车在无控制情况下会很快发生侧翻,而基于MPC的稳定性控制策略可以主动控制车辆的侧倾、横摆以及折叠,避免车辆发生危险事故。最后,基于上述研究路线,本文应用课题组搭建的硬件在环试验平台进行试验验证,试验台的软硬件系统两部分之间由硬件在环开发工具Lab VIEW进行连接,完成数据的转换和传输。试验中,针对基于MPC的多目标控制策略进行了从低附着到高附着路面条件下双移线工况的硬件在环试验,验证结果表明施加控制后重型半挂车的横摆稳定性、挂车的路径跟随能力和侧翻稳定性都有明显提高。综上,本文取得的创新性成果如下:(1)应用双无轨卡尔曼滤波方法对重型半挂车五自由度和三自由度双模型进行参数和状态估计,解决了五自由度模型因雅克比矩阵维度大而难以直接估计的问题,提高了单个系统估计的收敛速度。(2)分别以牵引车和半挂车的侧倾稳定因子为动态预测侧翻指标构建重型半挂车侧翻预警算法,由DUKF实时估计车辆参数和状态计算出准确的动态预测侧翻指标,并应用T-S模糊神经网络对侧翻预警时间进行优化以输出准确的预警时间,保证了侧翻预警算法的实时性。(3)针对重型半挂车易发生的摆振、折叠及侧翻危险状况,提出基于MPC的动力学稳定性多目标主动控制策略,该策略可以综合提高重型半挂车横摆、折叠以及侧倾稳定性,通过商用车电控制动系统试验平台进行试验表明其控制效果明显。