鐘敬武，陽貴兵，廖自力，劉春光

(1.解放軍76327部隊,廣東 廣州 423026；2.裝甲兵工程學(xué)院 控制工程系，北京 100072)

基于模糊控制技術(shù)的全輪獨立驅(qū)動車輛防滑控制研究

鐘敬武1，陽貴兵2，廖自力2，劉春光2

(1.解放軍76327部隊,廣東 廣州 423026；2.裝甲兵工程學(xué)院 控制工程系，北京 100072)

針對多輪獨立驅(qū)動車輛車輪容易出現(xiàn)打滑的問題，提出了一種基于模糊控制技術(shù)的驅(qū)動防滑控制方法。以某型8輪獨立驅(qū)動車輛為研究對象，設(shè)計了驅(qū)動防滑模糊控制器，對8個驅(qū)動電機進行獨立控制，通過試驗獲取三種典型路面的最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率值，采用模糊估計法，對當(dāng)前路面的最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率值進行估計，電機輸出轉(zhuǎn)矩采用進行基于滑轉(zhuǎn)率差值及其變化率的模糊調(diào)節(jié)。利用ADAMS所建立的車輛動力學(xué)模型與MATLAB中的控制模型進行聯(lián)合仿真試驗，對本文所提出的控制方法的可行性和有效性進行分析驗證。

全獨立驅(qū)動；驅(qū)動防滑；模糊控制；聯(lián)合仿真

全輪獨立驅(qū)動車輛在行駛過程中，受路面條件的影響，驅(qū)動輪容易出現(xiàn)打滑的情況，從而影響車輛的通過性，嚴重時甚至影響車輛的行駛安全性[1-2]。

路面最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率估計的精度，直接影響到驅(qū)動防滑控制的效果。一種普遍的方法是利用車輪滑轉(zhuǎn)率-路面附著系數(shù)曲線，結(jié)合Pacejka[3]和Burckhardt[4]函數(shù)，對當(dāng)前路面的最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率進行估計[5]。但是這種方法需要的參數(shù)較多，且較難獲取，實際運用上受到一定限制。鑒于此，筆者采用

模糊控制算法，通過試驗獲得三種典型路面下的最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率值，利用與典型路面的相似度，獲得其他路面的最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率值。最后，基于此最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率值對電機輸出轉(zhuǎn)矩進行模糊調(diào)節(jié)，從而達到驅(qū)動防滑控制的效果。

1 驅(qū)動防滑模糊控制整車結(jié)構(gòu)

全輪獨立驅(qū)動車輛驅(qū)動防滑控制，歸根結(jié)底是電機的轉(zhuǎn)矩控制，由于研究對象所采用的車輛為8輪獨立驅(qū)動，因此，對每個車輪都必須施加防滑控制。整車防滑控制結(jié)構(gòu)如圖1所示。

輸入端為駕駛員給定的轉(zhuǎn)矩信號，采用0～1的擬合值；預(yù)分配模塊對駕駛員給定值進行預(yù)分配(選擇平均分配)；驅(qū)動防滑模糊控制器根據(jù)當(dāng)前路面附著系數(shù)μ，以及車輛反饋的車速v以及各個驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速wi等信息，通過一定的模糊規(guī)則和算法，輸出電機轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)信號，對預(yù)分配的各電機轉(zhuǎn)矩信號進行調(diào)節(jié)，最后作用于驅(qū)動電機，其控制模塊中主要包含最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率模糊估計和電機轉(zhuǎn)矩模糊調(diào)節(jié)兩部分。

2 驅(qū)動防滑模糊控制器的設(shè)計

2.1 驅(qū)動防滑模糊控制原理

驅(qū)動防滑模糊控制原理如圖2所示。

其中，μ為當(dāng)前路面附著系數(shù)；λd為模糊控制器輸出的當(dāng)前路面對應(yīng)的最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率值；λ為車輪實際滑轉(zhuǎn)率；Δλ為滑轉(zhuǎn)率差值；ΔT為模糊控制器輸出的轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)量。

其中，路面附著系數(shù)為

μ=Fx/Fz

(1)

式中:Fx為驅(qū)動軸縱向驅(qū)動力;Fz為軸向載荷。

車輪滑轉(zhuǎn)率為

(2)

式中:v和ωi分別為車輛的縱向速度和第i個驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)速;r為輪胎半徑。

2.2 最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率模糊估計

驅(qū)動防滑控制的有效性及控制精度，很大程度上決定于當(dāng)前路面最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率的估計準確度。不同行駛路面對應(yīng)不同的最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率值，圖3給出了3種路面下的滑轉(zhuǎn)率-路面附著系數(shù)的關(guān)系曲線，其中，對應(yīng)路面附著系數(shù)最大處的滑轉(zhuǎn)率為此路面下的最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率，在最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率之后，路面附著系數(shù)隨著滑轉(zhuǎn)率的增加而下降。車輛的最大牽引力決定于路面的最大附著力，而路面最大附著力與路面附著系數(shù)成正比，因此，為了提高車輛的動力性能，增大整車牽引力，當(dāng)車輪滑轉(zhuǎn)率超過最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率時，必須減小電機的轉(zhuǎn)矩輸出，使車輪滑轉(zhuǎn)率保持在最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率附近[6]。

實際行車路面復(fù)雜多變，假如對每一種路面都通過試驗來測得其對應(yīng)的最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率，則工作量非常大，而且也不現(xiàn)實，因此，可以通過試驗先測得幾種典型路面的最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率，再采用模糊的方法，其他路面根據(jù)與這幾種典型路面的相似度情況，計算出其對應(yīng)的最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率值。通過試驗獲得3種典型路面(干水泥路面、濕瀝青路面、冰雪路面)的最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率，分別作為高、中、低附著路面所對應(yīng)的最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率，其值分別為0.2、0.15和0.08。

采用模糊控制器方法實現(xiàn)最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率的估計，輸入為當(dāng)前路面附著系數(shù)，輸出為最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率值，為單輸入-單輸出控制器。以上3種路面的隸屬度函數(shù)如圖4所示。

用路面附著系數(shù)的模糊子集來表述所有路面情況，比如附著系數(shù)是0.6的路面，此路面屬于高附著路面有30%，屬于中附著路面有70%。模糊控制器的輸出為當(dāng)前路面的最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率值，采用加權(quán)平均法，其值為

(3)

式中：λd為當(dāng)前路面最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率值；αi為第i種路面的隸屬度；λi為第i種路面對應(yīng)的最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率值。

2.3 電機轉(zhuǎn)矩輸出模糊控制

驅(qū)動防滑模糊控制的核心工作是對電機轉(zhuǎn)矩輸出的控制，模糊調(diào)節(jié)量是否適中，直接決定了防滑控制器的控制精度。控制器依據(jù)當(dāng)前路面最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率與車輪實際滑轉(zhuǎn)率的差值及其變化率，根據(jù)一定的模糊規(guī)則，輸出轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)量的大小。相比于傳統(tǒng)的PI調(diào)節(jié)法，模糊控制法的輸出更加靈活，對路面參數(shù)變化具有更好的魯棒性，并且，它能實現(xiàn)諸如“如果差值較小且變化率較小，則輸出調(diào)節(jié)量小”這樣無法用精確參數(shù)表達的控制規(guī)則。采用雙輸入-單輸出的T-S型模糊控制器[7]，差值E及其變化率EC都采用低、中、高三個語言變量，其隸屬度函數(shù)分別如圖5和圖6所示。圖7為轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)量和輸入量的關(guān)系曲面圖。

3 聯(lián)合仿真模型的搭建

傳統(tǒng)的電傳動車輛的驅(qū)動防滑控制，其車輛模型往往采用純數(shù)學(xué)建模的方法，或者電機的負載采用恒定的值，此方法帶來的不足是仿真太過理想化，忽略了車輛運行時各種隨機因素對控制器的影響。而采用聯(lián)合仿真模型的方法則兼顧了模型的機電特性，解決傳統(tǒng)單一軟件建模所帶來的不足。車輛聯(lián)合仿真模型包括驅(qū)動電機模型、車輛動力學(xué)模型以及控制系統(tǒng)模型。

3.1 驅(qū)動電機模型

研究對象采用8個永磁同步電機，電機模型采用電機的外轉(zhuǎn)矩特性模型，即基速以下采用恒轉(zhuǎn)矩，基速以上采用恒功率[8]。電機外轉(zhuǎn)矩特性曲線如圖8所示。

其中，電機額定功率為90 kW；最大轉(zhuǎn)矩為1 100 N·m；電機額定轉(zhuǎn)矩為356.26 N·m；額定轉(zhuǎn)速為2 400 r/min；電機最大轉(zhuǎn)速為6 000 r/min。

3.2 車輛動力學(xué)模型

研究對象為8輪獨立驅(qū)動輪式車輛，采用機械建模軟件ADAMS車輛動力學(xué)模型。整車模型包括懸架、雙橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、輪胎以及車身模塊等部分，如圖9所示。

3.3 整車驅(qū)動防滑控制聯(lián)合仿真模型

整車驅(qū)動防滑控制聯(lián)合仿真模型是將8個驅(qū)動防滑模糊控制模型、驅(qū)動電機模型、駕駛員輸入以及車輛動力學(xué)模型進行聯(lián)合建模。駕駛員輸入模型、防滑控制模型以及驅(qū)動電機模型在MATLAB中搭建，車輛動力學(xué)模型通過ADAMS與MATLAB的接口技術(shù)導(dǎo)入到MATLAB/Simulink中[9]，定義其相應(yīng)的輸入輸出變量，將車輪轉(zhuǎn)矩定義為輸入變量(從MATLAB中輸入轉(zhuǎn)矩值)，將車速v以及8個車輪的轉(zhuǎn)速ωi定義為輸出變量(傳遞給防滑控制模塊)。聯(lián)合仿真模型如圖10所示。

駕駛員給定用擬合的σ∈[0,1]表示油門開度，對應(yīng)驅(qū)動電機轉(zhuǎn)矩的初始給定值T=σ×Tmax，其中，Tmax不是固定的值，而是當(dāng)前轉(zhuǎn)速下電機的最大扭矩。

4 聯(lián)合仿真試驗

在ADAMS軟件中建立隨機低附著路面模型，駕駛員給定設(shè)為0.8，仿真過程中取車輛左側(cè)4個車輪作為觀察對象，即ω1、ω3、ω5和ω7。仿真時，以未加防滑控制和施加防滑控制的模型進行對比。由圖11(a)和圖11(b)對比可知，采用基于模糊算法的防滑控制之后，車輪轉(zhuǎn)速很好的跟蹤車速，車輛防滑效果明顯；圖12(a)與圖12(b)對比可知，模糊控制器對電機轉(zhuǎn)矩輸出有明顯的調(diào)節(jié)作用。

5 結(jié)束語

針對全輪獨立驅(qū)動車輛驅(qū)動防滑問題，設(shè)計了驅(qū)動防滑模糊控制器，對路面最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率和電機輸出轉(zhuǎn)矩分別進行模糊估計和調(diào)節(jié)，通過聯(lián)合仿真試驗對防滑控制器的有效性進行了驗證，從而為全輪獨立驅(qū)動車輛驅(qū)動防滑控制提供了一個較為可行的方法。

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AntiskidControlResearchofAll-wheelIndependentDriveVehiclesBasedonFuzzyControlTechnology

ZHONG Jingwu1, YANG Guibing2, LIAO Zili2, LIU Chunguang2

(1.76327 Troops of PLA, Guangzhou 423026, Guangdong, China;2.Department of Control Engineering, Armored Force Engineering Academy, Beijing 100072,China )

Aimed at the problem of the easily appearing slipped wheel in all-wheel independent drive vehicles, a kind of the driving antiskid control method was established based on the fuzzy control technology. Taking 8-wheel independent driven vehicle as the study target, the driving antiskid fuzzy controller was designed to independently control the 8 driving motors, the optimal slip ratio about 3 kinds of typical roads were obtained by means of experiments, and the road optimal slip ratio were estimated by use of fuzzy estimation method, and the fuzzy control and adjustment of the motor output torque based on slip ratio difference and changing rate were performed. At last, by use of the joint simulation experiments based on the vehicle dynamics model set by ADAMS and the control model in MATLAB, the control method was analyzed and proved to be a feasible and effective method.

all-wheel independent drive; driving antiskid; fuzzy control; co-simulation

2014-05-05；

2014-06-20

鐘敬武(1974-),男，碩士，工程師，主要從事車輛電傳動技術(shù)研究。E-mail：609794121@qq.com

TJ81

A

1673-6524(2014)03-0036-05