趙獻臣

（中國礦業(yè)大學（北京）機電與信息工程學院，北京 100083）

無軌膠輪車主動轉向控制策略仿真研究

趙獻臣

（中國礦業(yè)大學（北京）機電與信息工程學院，北京 100083）

為解決無軌膠輪車轉向系統(tǒng)轉向沉重、穩(wěn)定性差、能耗高等問題，引入線控主動轉向系統(tǒng)。通過CarSim建立線控轉向整車動力學模型，采用橫擺角速度反饋控制策略，在Simulink中搭建控制框圖。最后通過對開路面實驗和雙移線實驗仿真，并與傳統(tǒng)轉向系統(tǒng)進行對比分析，結果表明，線控主動轉向系統(tǒng)可顯著改善無軌膠輪車的轉向特性。

無軌膠輪車；線控轉向；主動轉向；CarSim仿真

0 引言

井下無軌膠輪車作為煤礦輔助運輸?shù)闹匾M成部分，具有使用范圍廣、機動靈活、適應性強、安全可靠以及可完成直達運輸?shù)葍?yōu)點，極大的提高了煤礦生產(chǎn)運輸?shù)男?，是未來井下運輸?shù)陌l(fā)展趨勢之一［1］。

傳統(tǒng)無軌膠輪車的轉向機構根據(jù)轉向方式不同分為兩類：偏轉車輪轉向和鉸接式轉向。這兩種轉向機構在怠速時，傳統(tǒng)轉向機構轉向沉重，操作不靈活，而高速時，又缺乏穩(wěn)定性，且隨著負載的增加消耗功率的比重越來越高，通常占到全車功耗的7%～14%。

線控轉向系統(tǒng)（Steer-By-Wire）是一種新型轉向系統(tǒng)，最近幾年在車輛行業(yè)得到重視。它通過微電子技術連接并控制轉向元件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機械或液壓連接，此系統(tǒng)大大提高了車輛操縱系統(tǒng)的穩(wěn)定性和靈活性，并比傳統(tǒng)轉向系統(tǒng)節(jié)能5%左右，可有效解決傳統(tǒng)無軌膠輪車轉向系統(tǒng)現(xiàn)存問題［2］。

本文以某廠WXD-45JGJ2型礦用防爆蓄電池無軌膠輪車為例，在CarSim中建立整車動力學模型；以橫擺角速度為反饋控制目標，實現(xiàn)車輛的穩(wěn)定性控制，在Si mulink中搭建線控轉向系統(tǒng)；通過S函數(shù)接口進行聯(lián)合仿真并與傳統(tǒng)轉向系統(tǒng)進行對比分析，結果顯示采用線控系統(tǒng)主動轉向控制方案的無軌膠輪車性能更加優(yōu)越。

1 線控轉向動力學模型

線控轉向系統(tǒng)由方向盤總成、轉向執(zhí)行機構總成和主控制器三個主要部分以及自動防故障系統(tǒng)、電源等輔助系統(tǒng)組成。根據(jù)線控系統(tǒng)基本組成，對WXD-45JGJ2型無軌膠輪車原有機械轉向系統(tǒng)進行改造，增加轉向器驅動電機和方向盤路感電機以及主控制器等硬件設備。分別對整車動力學、方向盤總成、轉向執(zhí)行機構總成三大部分進行建模。

1.1CarSim整車動力學模型

CarSim是一款研究車輛動力學問題的仿真軟件，其內置模型在計算機上運行速度比實時速度快3～6倍，可以仿真車輛對駕駛員、路況及空氣動力學輸入的響應，主要用來預測和仿真汽車整車的操縱穩(wěn)定性、動力性、平順性、制動性和經(jīng)濟性，同時被廣泛地應用于現(xiàn)代汽車控制系統(tǒng)的開發(fā)［3］。

根據(jù)WXD-45JGJ2型無軌膠輪車車型特點，在Car-Sim中選用D-Class型車輛為參考進行建模。建模過程中，車輛空氣動力學參數(shù)采用默認設置，驅動系采用四輪驅動，制動系采用ABS制動，輪胎模型采用CarSim內置輪胎模型，型號為255/65R16。車輛的主要參數(shù)，如表1所示。

表1　整車模型主要參數(shù)Tab.1 The main parameters of the entire vehicle model

1.2方向盤系統(tǒng)總成動力學模型

方向盤系統(tǒng)總成主要包括方向盤、轉向柱、路感電機、減速器轉角傳感器和轉矩傳感器。根據(jù)其結構特點建立簡單動力學模型［4］。方向盤總成的運動方程如下所示。

方向盤力矩為：

電機力矩為：

式中：J1—方向盤等效轉動慣量；C1—方向盤阻尼系數(shù)；K—轉向柱剛度系數(shù)；Tf—干摩擦系數(shù)；J2—路感電機等效轉動慣量；Kf—路感電機的電磁轉矩系數(shù)；C2—路感電機阻尼系數(shù)；γ—減速器傳動比；i—電機電流。

1.3轉向執(zhí)行總成動力學模型

轉向執(zhí)行機構系統(tǒng)總成包括執(zhí)行電機，減速器，轉向器以及移傳感器。根據(jù)其結構特點建立簡單動力學模型。轉向執(zhí)行系統(tǒng)運動方程如下所示。

轉向器組件為：

轉向主銷為：

Tl=Fl/Nl，Tr=Fr/Nr

電機力矩為：

電機電學平衡為：

式中：Tl，Tr—左右輪回正力矩；Fl，F(xiàn)r—轉向器齒條受力；Nl，Nr—左右輪與齒條傳動比；γ1—減速器傳動比；r—轉向器齒輪半徑；xr—齒條的位移；Mr—齒條等效質量；Cr—轉向器等效阻尼；Kr—齒輪剛度；Kt—電機轉矩系數(shù)；R—電機電阻；L—電機電感；i—電機電流；Kl—電機反電動勢系數(shù)。

2 線控系統(tǒng)主動控制方案

將線控系統(tǒng)主動轉向控制應用于井下無軌膠輪車最主要的目的是增加車輛在井下惡劣工況下自身的穩(wěn)定性，同時實現(xiàn)可變傳動比轉向增強車輛的操縱性。

2.1橫擺角速度反饋控制方案

目前工業(yè)領域應用最為廣泛的PID控制器即可實現(xiàn)上述要求，車輛的橫擺角速度為控制目標，首先將駕駛員輸入方向盤轉角及車速帶入車輛線性二自由度參考模型中得到期望橫擺角速度，此期望橫擺角速度受地面附著系數(shù)μ以及車速V限制，其最大值為：；隨后主控制器通過橫擺角速度傳感器得到車輛實際的橫擺角速度值，對期望和實際的橫擺角速度差值進行PID控制，降低實際橫擺角速度在轉向過程中的波動，使其盡快趨于期望值；最后得到所需的附加轉向角并通過執(zhí)行電機進行輸出［5］。

2.2利用Simulink搭建控制方案

根據(jù)圖3可知在橫擺角速度反饋控制方案中實際車輛的的輸入端為方向盤轉角，這個轉角是駕駛員轉向角與經(jīng)過PID控制器調整之后的補償角之間的疊加值，輸出端為車速和橫擺角速度，現(xiàn)利用Simulink搭建控制方案。

首先，建立理想橫擺角速度參考模型，根據(jù)理想橫擺角速度公式：

式中：ωr—理想橫擺角速度；δ—方向盤轉角；V—車速；K—穩(wěn)定因子（））。以及在路面附著系數(shù)一定時，車輛所能達到的最大橫擺角速度，可知在車速和方向盤轉角已知的情況下能夠推得理想橫擺角速度，在Simulink中搭建參考模型，然后，將此參考模型進行封裝，根據(jù)圖3方案，在Simulink中搭建完成線控系統(tǒng)主動轉向控制方案，如圖1所示。

圖1　Simulink中主動轉向系統(tǒng)結構框圖Fig.1ThestructurediagramoftheactivesteeringsysteminSimulink

3 仿真分析

為驗證上述算法的可行性，結合煤礦井下矸石較多，巷道狹小轉向頻繁等工況，進行對開路面和雙移線實驗，與傳統(tǒng)機械轉向機構進行對比分析。

3.1對開路面仿真實驗

設定仿真環(huán)境：設車速為80km/h，道路為平坦直線公路，右側路面附著系數(shù)為正常值0.5，左側模仿井下矸石路面附著系數(shù)為0.2，駕駛員在進入對開路面后2s中緊急剎車，剎車時間1s，駕駛員輸入方向盤轉角為0，仿真結果如圖2～3所示。

圖2　橫擺角速度Fig.2 The yaw rate

圖3　質心側偏角Fig.3 The centroid slip angle

從圖2和圖3可看出，在駕駛員緊急制動后，膠輪車橫擺角速度出現(xiàn)波動，控制器迅速做出反應，通過轉向執(zhí)行電機控制輸出前輪轉角，及時矯正失穩(wěn)車輛，使其繼續(xù)平穩(wěn)行駛。而從圖2和圖3的對比中可看出，沒有線控主動轉向控制器的車輛橫擺角速度和質心側偏角已遠超正常值，車輛嚴重失穩(wěn)，有側翻風險。事實證明此工況下，線控主動控制器可有效提高車輛穩(wěn)定性。

3.2雙移線仿真實驗

設定仿真環(huán)境：設車速為50km/h，路面附著系數(shù)為0.85，此工況是為了檢驗膠輪車在井下緊急避障的能力，設定路徑，可得仿真結果如圖4～5所示。

圖5　方向盤轉角

從圖4中可以看出線控轉向系統(tǒng)和與傳統(tǒng)機械轉向車輛都完成了雙移線試驗，但是線控轉向膠輪車軌跡偏差較小，更加穩(wěn)定。從圖5中可看出，在達到同樣轉向特性的前提下，線控主動轉向膠輪車的方向盤輸入轉角較小，很大程度上降低了駕駛員負擔。圖6可以看出線控轉向膠輪車橫擺角速度變化幅度較小，顯著提高了車輛操縱穩(wěn)定性。

圖6　橫擺角速度Fig.6 The yaw rate

通過上述仿真分析證明，采用線控轉向系統(tǒng)的無軌膠輪車，在危險工況下能夠獨立于駕駛員的轉向干預來穩(wěn)定車輛，通過控制器輸出疊加前輪轉角不斷改變車輛響應與理想狀態(tài)盡可能保持一致。

4 結束語

目前國內外4t以下輕型無軌膠輪車轉向系統(tǒng)多為液壓助力或電動液壓助力，而線控主動轉向系統(tǒng)在無軌膠輪車上的應用尚屬空白。通過本文的仿真分析可知，線控主動轉向系統(tǒng)顯著增強了無軌膠輪車的穩(wěn)定性、安全性、靈活性，同時降低整車能耗，具有較強的市場前景，是為了無軌膠輪車轉向系統(tǒng)發(fā)展趨勢之一。

［1］陳賢忠.我國無軌膠輪車輔助運輸?shù)幕仡櫯c展望［J］.煤礦機械，2011，3.

［2］余志生.汽車理論［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2009.

［3］肖闖，黃江，易高.基于CARSIM的車輛穩(wěn)定性控制仿真［J］.專用汽車，2007，6.

［4］于蕾艷，林逸，施國標.線控轉向系統(tǒng)動力學模型的研究［J］.計算機仿真，2008，6.

［5］Michael Holle.Lenkstrategien Fuer Active Vorderachslenksystem.9. Aachener Kolloquim 2000.

Simulation Study on Control Strategy of Trackless Rubber Tire Vehicle Based on Active Steering

ZHAO Xian-Chen
（School of Mechanical Electronic and Information Engineering，China University of Mining and Technology，Beijing 100083，China）

To solve the problem of trackless rubber tire vehicle's steering system，such as steering heavy，poor stability，high energy consumption and so on，the system of active steering by wire was applied.Through the CarSim，the vehicle dynamics model of steering system was set up，applying the feedback control strategy of yaw angle rate，building control block diagram in the Simulink.Finally，through the simulation experiment of splitter road and double line，and comparing with the traditional steering system，the consequence shows that the active steering by wire system can improve trackless rubber tire vehicle's steering system significantly.

trackless rubber tire vehicle；steering by wire；active steering；CarSim

TH-39

A

10.3969/j.issn.1002-6673.2015.02.022

1002-6673（2015）02-057-03

2014-12-25

趙獻臣，男，河南平頂山人，碩士，就讀于中國礦業(yè)大學（北京）機電與信息工程學院。從事礦山機械方面研究。