随着线控技术日趋成熟,采用分布式四轮独立转向/驱动/制动系统的全线控电动汽车将会是未来汽车工业发展的重要方向,而凸显的交通安全问题也促使了汽车主动安全技术需求的激增。全线控电动汽车凭借其独特的底盘结构非常适合作为主动安全系统的对标车辆,因此非常有必要针对这种新型结构形式的电动汽车开发其底盘控制系统,以实现最优的车辆动力学响应。本文结合吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室开放基金国际合作重点项目“基于驾驶员意图辨识的全线控电动汽车集成控制方法研究”(编号：20120111)、国家高技术研究发展计划(863计划)项目“电动汽车底盘动力学控制系统开发”(编号：2012AA110904)、吉林大学研究生创新研究计划项目“全线控电动汽车状态估算及路面识别研究”(编号：20121088),从车辆动力学原理出发,对分布式转向/驱动/制动系统进行自上而下的分层式集成控制研究,以使整车在操纵性、稳定性和路径跟踪能力方面实现全局最优的动力学响应,同时基于快速原型技术搭建全线控电动汽车UFEV测试与控制平台,对所提出的观测器与控制器进行低速实车试验和模型在环验证。具体的研究工作可总结为如下几个部分：1)针对分布式转向/驱动/制动系统独特的底盘结构,采用快速控制原型技术搭建了全线控电动汽车UFEV的中央控制器,设置六个并行执行的定时循环对车载传感器和执行器统一进行监测、控制、协调和记录,从而为后文动力学观测算法与集成控制算法提供硬件载体；同时根据运动学原理确定中低速下的基本驾驶模式(前轮转向、四轮异向转向、楔形转向、原地转向),并使用有限状态机设计模式间的切换逻辑；实车试验的结果表明所搭建的中央控制器原型满足实时测试与控制平台的开发需求,并且实现整车在低速下全方位移动的功能。2)基于双无轨卡尔曼滤波理论搭建了全线控电动汽车的动力学观测器,用以在线获知车辆的平面运动状态,以被底盘集成控制器所使用,同时准确辨识出左右侧车轮总的电机力矩值,并通过驱动电流控制信号计算出两侧轮毂电机的等效力矩系数,从而提高观测和控制精度；对所提出的观测器分别进行离线仿真和实车验证,结果表明状态估算模块在前轮转向和四轮转向模式下很好地实现对全线控电动汽车纵向速度和侧向速度的估计,并且可以一定程度上过滤掉陀螺仪的信号噪声,而参数识别模块对电机驱动力矩的观测也达到了非常高的准确度。3)全线控电动汽车凭借其灵活的底盘布置和极高的可控自由度,是进行动力学集成控制的理想平台。提出了一种基于模型的5层式底盘集成控制方法用以协调分布式转向／驱动／制动系统,最终达到“稳定性为主、操纵性为辅”的设计目标：驾驶员控制层利用线性二自由度参考模型和最优预瞄侧向加速度模型以体现驾驶员对汽车操纵响应的预期；车体运动控制层中引入多输入多输出的非线性滑模控制器来计算跟踪驾驶员操纵指令所需的车体运动控制总力／总力矩,其中采用非奇异的终端滑模控制方法对横摆运动的控制率进行设计；在轮胎力分配层中使用八边形约束对摩擦圆进行线性逼近,并在分配过程中考虑轴荷转移的影响,将最优分配过程分解为不多于3个包含线性等式与不等式约束的二次规划问题,并设计合适的目标函数,使轮胎的稳定裕度在普通工况下达到最大,而在极限工况下尽量提高汽车的操纵稳定性；执行器执行层通过控制轮毂电机的驱动/制动力矩以及转向电机的转角来最终实现轮胎力分配层输出的目标轮胎力。基于CarSim与MATLAB/Simulink联合仿真以及UFEV实车场地试验的方式,验证了动力学集成控制算法通过协调驱动及转向系统,使汽车能够较好地跟踪目标车速和理想横摆角速度,符合设计要求。4)为了让全线控电动汽车获得最优的跟踪性能,使汽车以变化的行驶速度通过一条已知的道路轨迹,采用非线性模型预测控制算法重新设计了驾驶员控制层与车体运动控制层,并基于空间变换原理将时域预测模型转变为相对目标轨迹位置变化的空间动力学模型,从而准确获得预测域内的目标参考轨迹；同时提出一种分层式结构方案来改善空间模型预测控制的实时性能,利用终端滑模控制方法分别实现非线性系统运动误差和位置误差在有限时间内的精确收敛；通过搭建驾驶模拟器对分层式路径跟踪控制算法进行模型在环验证,结果表明该算法可以实现全线控电动汽车对目标轨迹的最优跟踪,并证明了极限工况下变车速控制的意义。本文创新点主要体现在以下几个方面：1)针对传统汽车电子控制单元仅可以实现某一特定的功能,根据全线控电动汽车独特的底盘结构,开发其中央控制器用以协调分布式转向、驱动、制动系统,并为动力学观测与控制算法提供硬件载体,同时基于运动学原理设计简单驾驶模式,从而实现整车低速下全方位移动的功能。2)针对底盘电控系统需要准确获知车辆的运动状态,基于双无轨卡尔曼滤波理论搭建了动力学观测器,用来过滤传感器噪声并准确估计出全线控电动汽车的纵向与侧向速度,以被动力学集成控制器所使用,同时在线辨识两侧轮毂电机的当量力矩系数,从而确保集成控制器的最优控制效果。3)针对全线控电动汽车分布式转向/驱动/制动的底盘系统,基于非线性滑模控制方法与最优分配理论,提出了一套完整的动力学集成控制体系,采用带有不等式约束的线性二次规划算法在轮胎附着极限内充分发掘车辆的稳定性能,设计合适的车轮转角与力矩计算模块以最终保证车辆稳定性系统的控制精度和效果,并通过终端滑模控制方法进一步提升车辆横摆运动的响应。4)针对全线控电动汽车的路径跟踪问题,基于空间变换方法和非线性模型预测控制理论,提出了一种车体纵向与侧向运动的联合最优控制算法,通过采用分层式控制结构方案并重新引入运动控制层,算法的实时性能得到了极大的改善,并且基于终端滑模控制方法实现了非线性系统运动误差和位置误差在有限时间内收敛的效果,最终使车身的运动控制也达到最优。