來 鑫， 姜 淳， 金昌勇， 秦 超

(上海理工大學 機械工程學院，上海 200093)

0 引 言

分布式驅動電動車輛的主要特征是將驅動電動機分散布置在驅動輪內或附近，具有傳動鏈短、傳動效率高、結構緊湊等優(yōu)點[1]，通過冗余可控自由度的協(xié)調控制來分配與優(yōu)化驅動力與制動力，能極大地提高車輛能耗、主動安全性等性能，成為未來電動車輛重要的發(fā)展方向，受到國內外高度重視與關注[2-3]。四輪獨立驅動 (Four Wheel Independent Drive，4WID)電動車輛是典型的分布式驅動電動車輛，在4WID車輛上進一步引入四輪獨立轉向技術及線控轉向技術，形成了線控四輪獨立轉向-獨立驅動 (4WIS-4WID)車輛這一新型車輛架構，該車輛除了繼承分布式驅動電動車輛的優(yōu)點外，可控自由度冗余度更大，車輛的機動性及可操縱性更高，可實現(xiàn)前輪轉向、后輪轉向、四輪轉向、任意點轉向、原地轉向、直行、斜行、蟹行等多種轉向模式，廣泛應用于工業(yè)、農業(yè)、軍事、宇宙探索等多個領域，具有廣闊的應用前景，成為車輛領域的研究熱點[4-17]。

4WIS-4WID車輛作為一種新型電動汽車結構，很多功能的實現(xiàn)都是由電子控制系統(tǒng)實現(xiàn)，涉及了機械工程、電工電子技術、嵌入式系統(tǒng)、控制理論及工程、車輛工程等多個學科的知識，是一個典型的多學科交叉系統(tǒng)。因此，開發(fā)一種具有線控轉向功能的4WIS-4WID電動車實驗平臺對研究4WIS-4WID車輛的控制策略與算法十分重要。同時該平臺對于車輛工程及機械電子工程本科生來說，是一個非常好的教學實驗平臺。利用該平臺可以開設多個實驗，讓學生了解前沿的電動汽車及先進的控制系統(tǒng)開發(fā)方法。本文從科研及教學兩方面的需求出發(fā)，設計一種線控4WIS-4WID車輛綜合教學實驗平臺。該平臺的控制系統(tǒng)設計采用了目前流行的基于模型設計的方法，非常方便科研及教學方案的實施。

1 4WIS-4WID車輛總體結構

本文所設計的4WIS-4WID電動實驗車輛的獨立轉向及獨立驅動的基本原理如圖1所示，其中四輪獨立轉向是通過安裝在每個車輪內的輪轂電動機實現(xiàn)，四輪獨立轉向實驗車采用柱式懸架線控四輪獨立轉向系統(tǒng)。電動機及電動機減速器固定在車身上，轉向動力傳遞鏈為：電機→減速器→主銷套筒→上起落架→下起落架→主銷活塞，實現(xiàn)轉向。車輪動載荷傳遞鏈為：車輪→主銷活塞→彈簧阻尼→主銷套筒→電機及電機減速器→車架。該方案其實是一種新式燭式懸架，利用起落架傳遞轉向扭矩，彈簧阻尼傳遞動載荷。與傳統(tǒng)燭式懸架相比，能夠有效地緩解主銷磨損。通過主銷上角度傳感器可以實時地采集車輪的當前轉向角度，并通過對電機的控制使車輪的轉向實時跟隨，使車輪轉向角達到理想狀態(tài)。

設計的4WIS-4WID車輛的控制系統(tǒng)結構及信號流如圖2所示。可以看出,該控制系統(tǒng)的核心為對8個電動機(4個轉向電動機及4個驅動電動機)進行協(xié)調控制。該控制系統(tǒng)由中央控制系統(tǒng)、驅動控制系統(tǒng)、轉向控制系統(tǒng)、駕駛員意圖判斷系統(tǒng)構成：轉向控制系統(tǒng)控制4個轉向電動機實現(xiàn)獨立轉向；駕駛員意圖判斷系統(tǒng)通過采集油門踏板開度、方向盤角度輸入、觸控屏信號輸入以及轉向模式輸入等信息，判斷駕駛員的意圖;驅動控制系統(tǒng)通過獨立控制4個輪轂電動機完成4個車輪的獨立驅動功能；中央控制器采用MotoHawk 控制器，該控制器具有豐富的接口與軟件資源，并與Matlab/Simulink實現(xiàn)無縫集成，自動實現(xiàn)仿真程序的編譯及代碼的自動生成，是目前一種主流的控制系統(tǒng)程序快速開發(fā)方法;駕駛員意圖判斷系統(tǒng)中的方向盤與轉向系統(tǒng)之間沒有機械連接，是一種線控轉向結構。四輪獨立轉向控制過程如下：中央控制器實時采集安裝在方向盤轉向軸的角位移傳感器信號與控制面板上的轉向模式的選擇信號，通過一定的控制策略算出4個獨立車輪的目標轉向角，進而實時控制4個車輪的轉向角，完成轉向進程。四輪獨立驅動控制的基本原理是控制器根據傳感器信號判定車輛的行駛狀態(tài)，同時考慮地面附著條件和驅動電動機的約束條件并計算出車輛所需總驅動力矩，然后優(yōu)化分配各驅動輪上的驅動力矩。

1-輪胎,2-輪轂電動機,3-制動盤,4-柱式懸架支撐平臺,5-蝸輪蝸桿減速機,6-車輪轉角傳感器,7-轉向電動機,8-上滑柱,9-起落架上擺臂,10-減震器,11-彈簧,12-起落架下擺臂,13-制動鉗,14-下滑柱,15-副車架,16-副車架連接桿,17-車架,18-懸架支撐平臺加強筋

圖1 4WIS-4WID車輛的基本結構

圖2 4WIS-4WID車輛的控制系統(tǒng)結構及信號流

2 4WIS-4WID車輛的測控方案

設計的4WIS-4WID車輛實驗平臺的測控方案如圖3所示。中央控制器(MotoHawk)與觸控屏、輪轂電動機驅動器、數(shù)據采集系統(tǒng)(利用LabVIEW軟件編寫)、MotoTune模塊之間均采用 CAN 通信傳遞信號，可擴展性及穩(wěn)定性好。MotoTune為MotoHawk的程序下載、數(shù)據在線監(jiān)控及標定模塊。中央控制器通過I/O端口輸出8路脈沖信號，分別控制4個轉向電動機(采用的是伺服電動機)的轉向角及方向。4個車輪的轉向角通過4個轉角傳感器進行測量，中央控制器通過AD采樣端口采集轉角傳感器、電子油門踏板、控制面板的開關信號、方向盤角位移信號等。

圖3 4WIS-4WID實驗車輛的測控方案示意圖

3 基于模型設計的控制系統(tǒng)開發(fā)

基于模型設計(Model-based Design,MBD)方法是一種能實現(xiàn)Matlab/Simulink算法模型到嵌入式C代碼的一鍵自動生成的先進方法。該方法在整個開發(fā)過程中從仿真程序直接到應用程序，不需手寫代碼，不會出現(xiàn)程序語法錯誤，同時硬件驅動直接自動集成到模型中，只需設置少量參數(shù)便可完成寄存器配置等底層工作,極大提高了軟件的開發(fā)速度，降低軟件開發(fā)的難度，節(jié)省了開發(fā)費用。MBD方法在國外得到廣泛應用與認可，成為了汽車電子及控制系統(tǒng)開發(fā)的主流方法，目前在國內該方法主要在企業(yè)中得到了應用，高校(特別是對于本科生)很少涉及這種高效而先進方法的介紹。因此，把MBD方法引入到大學生的學習與研究體系之中是十分必要的。

本文采用的MBD方法是建立在Moto Hawk平臺上的。Moto Hawk是在Matlab/Simulink環(huán)境下安裝的一個功能模塊庫插件，該插件與Matlab無縫集成。Moto Hawk庫中包含了例如 Analog I/O Blocks(模擬信號輸入輸出)模塊、Build(編譯器)模塊、CAN Blocks(CAN 總線)模塊、Calibration & Probing Blocks(標定、顯示)模塊等模型。軟件開發(fā)采用Matlab/Simulink/Stateflow編寫具體的控制算法，然后進行仿真分析，確保算法的有效性，Moto Hawk編寫或配置與控制器硬件相關的功能(包括底層模塊以及相應的接口設置)，之后即可生成將仿真程序直接編譯成硬件平臺可識別與使用的應用程序，過程如圖4所示。Moto Tune是硬件平臺提供的一種用于程序下載控制、參數(shù)標定、數(shù)據顯示的軟件，可以在該軟件中進行參數(shù)的實時調試工作。控制器采用ECM-0565-128，該控制器具有2路高速CAN總線，1路CAN總線通過Kvaser CAN與Moto Tune相連，用于程序下載與數(shù)據監(jiān)控，另外1路CAN總線通過CAN轉USB接口與上位PC機上相連，進行數(shù)據的顯示與記錄。

圖4 基于模型設計開發(fā)流程

4 數(shù)據采集系統(tǒng)設計

為了實時顯示及記錄實驗數(shù)據及其動態(tài)過程，需要設計數(shù)據采集與記錄系統(tǒng)。本實驗平臺采用LabVIEW編寫上位PC機界面，通過 USB-CAN數(shù)據卡實現(xiàn)PC機與CAN總線的連接，直接從CAN總線上讀取感興趣的數(shù)據。由于LabVIEW 軟件不支持此類USB-CAN數(shù)據卡設備，因此本文采用LabVIEW調用動態(tài)連接庫(DLL)的方式實現(xiàn)上下位機之間的數(shù)據交換。CAN/USB接口卡一般都提供了DLL庫文件，通過LabVIEW直接調用庫文件中的庫函數(shù)，在界面上實現(xiàn)CAN設備的打開、初始化(包括波特率、CAN通道、ID號的設置) 、數(shù)據標定、數(shù)據讀寫、設備關閉等操作，完成CAN總線上數(shù)據的讀寫。

所設計的數(shù)據采集及記錄系統(tǒng)如圖5所示。采用LabVIEW編寫的線控4WIS試驗樣車整車數(shù)據采集及顯示系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)整車數(shù)據的實時顯示以及存儲功能。左面4個示波器分別顯示整車中央控制器發(fā)送的4個轉向輪目標轉角以及轉角傳感器檢測到實時轉角波形曲線，它們的實時值會在右邊顯示。同時本系統(tǒng)可以采集方向盤轉角、轉向模式、車速、標志位等信息并顯示。該系統(tǒng)另外一個重要的功能是將采集的試驗數(shù)據存儲到自定義文件名的Excel表格中，方便實驗后實驗數(shù)據的處理與分析。

圖5 4WIS-4WID實驗車輛數(shù)據采集系統(tǒng)

5 實驗研究

開發(fā)的實驗車輛如圖6所示。利用該實驗平臺即可對該車輛的動力學與運動學控制、運動軌跡規(guī)劃等方面的科學研究與教學實踐。該平臺具有4WIS-4WID車輛高智能、高機動性等方面的優(yōu)點?？刂葡到y(tǒng)的實現(xiàn)通過基于模型設計的方法，不必把大量時間花在繁瑣的代碼設計與調試上，而可以把主要精力放在控制程序的設計及仿真方面，大大提高了控制系統(tǒng)開發(fā)的效率。

圖6 4WIS-4WID實驗車輛

利用該實驗平臺可以開展多個實驗項目。圖7為測試所提出的某協(xié)調控制策略有效性的實驗數(shù)據，該實驗數(shù)據是通過數(shù)據采集系統(tǒng)得到。圖7(a)為前車輪轉向模型下各車輪轉向角的測量結果，程序設計時在1.3 s某個車輪轉向角突然變化某個角度(模擬外界干擾)。從4個車輪的響應曲線來看，當某個車輪受到外界干擾轉向角發(fā)生改變時，4個車輪的轉向角都會發(fā)生改變，證明了所提出的協(xié)調控制策略的有效性。圖7(b)為車輛平移狀態(tài)時的實驗曲線。以上實驗充分說明了所設計的4WIS-4WID實驗車輛的有效性及控制系統(tǒng)設計的便利性。

6 結 語

本文設計了一種4WIS-4WID電動車實驗平臺，介紹了該實驗平臺的結構原理、測控方案、控制系統(tǒng)及收據采集系統(tǒng)的設計，并通過實驗驗證了該實驗平臺的有效性。為了控制系統(tǒng)開發(fā)的便利性，該實驗平臺采取目前先進的基于模型設計的方法，大大提高程序開發(fā)的效率與便利性。本文所設計的實驗平臺為4WIS-4WID車輛的研究與多個實驗項目的教學與實踐提供了平臺，也為基于模型設計的控制系統(tǒng)開發(fā)方法在高校中的教學提供了實踐條件。

(a) 前輪轉向

(b) 平移狀態(tài)

圖7 4WIS-4WID車輛實驗結果

參考文獻(References)：

[1] 余卓平，馮 源，熊 璐. 分布式驅動電動汽車動力學控制發(fā)展現(xiàn)狀綜述 [J]. 機械工程學報，2013，49(8)：105-115.

[2] 陳國迎.四輪獨立線控電動汽車實驗平臺搭建與集成控制研究策略 [D].長春：吉林大學，2012.

[3] 馬 雷，貢士嬌，李 斌，等.四輪獨立轉向電動車轉向控制方法 [J].汽車工程，2015，37(9)：1029-1034.

[4] Yin G D，Chen N, Wang J X. A Study on μ-synthesis control for four-wheel steering system to enhance vehicle lateral stability [J]. Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, 2011, 133(1): 1-6.

[5] Tu X Y. Robust navigation control and headland turning optimization of agricultural vehicles[D]. Iowa State：Iowa State University, 2013.

[6] Hori Y. Future vehicle driven by electricity and Control-research on four-wheel-motored "UOT electric march II"[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2004, 51(5):954-962.

[7] 來 鑫，陳辛波，武曉俊，等. 四輪獨立驅動與轉向電動車輛運動控制系統(tǒng)及控制策略研究[J].汽車工程學報，2015，5(5)：334-340.

[8] Wang J，Wang Q, Jin L,etal. Independent wheel torque control of 4WD electric vehicle for differential drive assisted steering[J]. Mechatronics, 2011, 21(1): 63-76.

[9] Christensen T B. Modularised eco-innovation in the auto industry [J]. Journal of Cleaner Production, 2011, 49(2): 212-220.

[10] Lam T L，Qian H H，Xu Y S. Omnidirectional steering interface and control for a four-wheel independent steering vehicle [J]. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics，2010, 15(3):329-339.

[11] 楊福廣，阮久宏，李貽斌，等. 基于T-S模型的4WS汽車轉向角協(xié)調控制研究[J]. 系統(tǒng)仿真學報，2009，21(11)：3356-3361.

[12] 楊福廣，阮久宏，李貽斌，等. 4WID-4WIS車輛橫擺運動AFS+ARS+DYC模糊控制 [J]. 農業(yè)機械學報，2011，42(10)：6-13.

[13] Fu Y L，He X，Ma Y L. A Navigation robot with reconfigurable chassis and bionic wheel [C]//Proceedings of the 2004 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics.[s.n.],2004:485-489.

[14] 卓桂榮, 陳辛波, 余卓平, 等. 全方位線控四輪轉向電動汽車設計 [J]. 機械設計，2005， 22(2)：29-33.

[15] 宗長富，陳國迎，梁赫奇，等. 基于模型預測控制的汽車底盤協(xié)調控制策略 [J]. 農業(yè)機械學報，2011，42(2)：1-7.

[16] 王 博，羅禹貢，范晶晶，等. 基于控制分配的四輪獨立電驅動車輛驅動力分配算法 [J]. 汽車工程，2010，32(2)：128-133.

[17] 鄧海濤. 四輪轉向汽車控制方法研究 [D]. 重慶：重慶大學，2008.