随着国内外无人驾驶技术的发展以及人们对车辆主动安全性要求的提高,极限工况下车辆的非线性动力学与控制研究显得尤为重要。为了满足半/全无人驾驶车辆的安全性要求,极限工况下整车的控制已经成为最具挑战的领域。漂移是汽车在极限工况下一种特有的动力学现象,由于赛车运动中高速过弯的需求而产生。驾驶员有意使后轮或全部轮胎处于全滑状态,并精确控制油门与转向,使车辆实现快速稳态过弯。由于后轮胎饱和,漂移状态下的车辆是很不稳定的,需要有经验的专业驾驶员才能保持车辆不失控。这显然并不符合目前汽车安全系统的要求,但是对于漂移的研究有助于充分理解车辆在极限工况下的动力学机理与控制的可能性,从而提高无人驾驶车辆在极限工况下的可控性和紧急避险能力。漂移涉及复杂的非线性动力学与控制。在漂移过程中,车辆处在驱动、制动和转向的复合极限工况下,轮胎的侧向滑移率和纵向滑移率都很大,远远超出了轮胎力学特性的线性区,在该大滑移范围内,轮胎力与力矩均会受到动摩擦特性的影响。漂移的控制即为后轮胎饱和条件下整车稳态过弯的控制,由于漂移过程中后轮胎始终处于饱和状态,故车辆是极不稳定的,控制系统必须具备较强的鲁棒性。本文从非线性轮胎建模与整车建模、漂移动力学机理分析、漂移控制器设计与仿真三个方面展开研究,主要研究内容及结论如下:首先,考虑到模型的精确度与控制设计的实用性,建立了纯侧偏、侧偏纵滑复合工况下的轮胎模型以及二自由度、三自由度单轨整车模型。考虑到漂移极限工况下轮胎的强非线性与动摩擦特性,建立了考虑轮胎-路面动摩擦特性的纯侧偏工况UniTire模型,并结合试验数据对轮胎模型进行参数辨识;基于纯侧偏UniTire模型建立了侧偏、纵滑复合工况下的轮胎模型;基于CarSim中的D级SUV整车参数分别建立了二自由度、三自由度单轨整车模型。然后,对漂移动力学机理进行了分析,首先对二自由度整车模型的平衡态进行了分析,在此基础上对三自由度整车模型的平衡态进行了分析,平衡态的分析主要从三个方面进行:车速一定,前轮转角变化,系统平衡点的变化分析;前轮转角一定,车速变化,系统平衡点的变化分析;并结合相图对系统平衡点的性质以及平衡点附近系统的状态变化进行描述。分析结果表明:由于漂移通常伴随方向盘反打、大的质心侧偏角、明显的后轮打滑,故漂移对应的是车辆开环不稳定平衡点;轮胎模型中动摩擦系数的引入对于系统的漂移平衡态影响显著,漂移平衡点处前后轮胎侧向力以及横摆角速度随着摩擦系数的变化会相应增加或减少;在漂移平衡点附近质心侧偏角的变化具有非最小相位的特性且横摆角速度的变化对质心侧偏角影响显著;由于漂移平衡点处后轮胎始终处于饱和状态,轮胎的纵向力与侧向力相互耦合,故后轮驱动力可以对平衡点处的侧向动力学进行控制。最后,以滑模变结构控制原理为基础,结合漂移平衡态的变化机理对基于定圆轨迹跟踪的漂移控制器进行了设计与仿真分析。该控制器将路径的预瞄误差与质心侧偏角作为控制状态,采用一阶反馈控制对预瞄误差进行控制,采用滑模变结构控制方法对质心侧偏角进行控制。基于Simulink/CarSim平台进行整车仿真验证了该控制算法的有效性,仿真结果表明该控制算法在漂移的同时较为准确地实现了定圆轨迹跟踪。