鄭博天

摘? 要：文章首先對全輪獨立電驅(qū)動車輛雙重轉(zhuǎn)向控制的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)進行了闡述;其后，基于卡爾曼濾波算法，對全輪獨立電驅(qū)動車輛雙重轉(zhuǎn)向控制的車輛狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計進行了分析;最后，圍繞車輛操縱穩(wěn)定性、車輛直線驅(qū)動以及轉(zhuǎn)向性能三個方面，研究了全輪獨立電驅(qū)動車輛雙重轉(zhuǎn)向控制的車輛運動控制系統(tǒng)設(shè)計策略。

關(guān)鍵詞：雙重轉(zhuǎn)向;車輛運動控制系統(tǒng);路面附著系數(shù)

中圖分類號：U469.72 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2020）05-0143-02

Abstract： In this paper， firstly， the structural basis of dual steering control of all-wheel independent electric drive vehicle is described， and then， based on Kalman filter algorithm， the design of vehicle condition monitoring system for dual steering control of all-wheel independent electric drive vehicle is analyzed. Finally， the vehicle motion control system design strategy of dual steering control of all-wheel independent electric drive vehicle is studied from three aspects： vehicle handling and stability， vehicle linear drive and steering performance.

Keywords： double steering; vehicle motion control system; road adhesion coefficient

隨著現(xiàn)代社會的快速發(fā)展，不可再生資源的枯竭問題日益嚴峻。在此背景下，汽車行業(yè)作為石油資源消耗的重要行業(yè)，正面臨著新的發(fā)展要求與創(chuàng)新挑戰(zhàn)。近年來，為了應(yīng)對能源危機，電動汽車行業(yè)嶄露頭角，并受到了社會各界的廣泛關(guān)注，我國政府更是發(fā)布了《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012-2020）》等政策文件，將推動電動汽車行業(yè)發(fā)展定為能源安全建設(shè)的重要目標。

1 全輪獨立電驅(qū)動車輛雙重轉(zhuǎn)向控制的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)

在傳統(tǒng)的車輛控制系統(tǒng)設(shè)計中，車輛的方向轉(zhuǎn)變是由車輪角度的變化實現(xiàn)的，這種轉(zhuǎn)向控制方式雖然能適應(yīng)常規(guī)性的城市路面，但在冰面、沙面、雪面等低附著路面上則會表現(xiàn)出明顯的“力不從心”，出現(xiàn)過度滑轉(zhuǎn)、難以控制等負面情況，不僅會降低車輛的高速穩(wěn)定性，還可能對車輛的行駛安全性造成威脅。相比之下，雙重轉(zhuǎn)向控制方式在傳統(tǒng)控制方式的基礎(chǔ)上，融入了拖滑轉(zhuǎn)向的設(shè)計概念，在降低車輪轉(zhuǎn)彎半徑、提高車輛制動效能的同時，也有效規(guī)避了單純拖滑轉(zhuǎn)向的輪胎磨損問題[1]。

在全輪獨立電驅(qū)動車輛雙重轉(zhuǎn)向控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)當(dāng)中，可先假設(shè)車輛保有平移、橫擺、側(cè)傾三個方面的自由度，并據(jù)此制定車輛轉(zhuǎn)向的控制策略。當(dāng)駕駛者通過方向盤發(fā)出轉(zhuǎn)向指令時，雙重轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)首先會對基于指令進行轉(zhuǎn)角模擬，繼而在平移、橫擺、側(cè)傾三個方面自由度的參考背景下，運算預(yù)測出駕駛者行為預(yù)期的轉(zhuǎn)向程度與轉(zhuǎn)角速度。其后，再通過PID控制器對穩(wěn)態(tài)誤差的響應(yīng)處理，對轉(zhuǎn)矩分配系統(tǒng)發(fā)出合理化的驅(qū)動信號，從而完成四個車輪電機驅(qū)動力的重新分配。同時，在這一過程當(dāng)中，雙重轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)還會對車輛所處的縱向車速、當(dāng)前驅(qū)動等狀態(tài)信息進行同步觀測，以確保轉(zhuǎn)向控制結(jié)果的動態(tài)性與準確性。

2 全輪獨立電驅(qū)動車輛雙重轉(zhuǎn)向控制的車輛狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

在全輪獨立電驅(qū)動車輛雙重轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)當(dāng)中，以卡爾曼濾波方法為基礎(chǔ)，進行車輛狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)這一子系統(tǒng)的設(shè)計。

在車輛狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計中，首先需要圍繞輪胎力這一車輛運行的重要參數(shù)建立自適應(yīng)模型，以便直觀化、真實化地對車輛輪胎運行中的垂直荷載、摩擦系數(shù)等數(shù)值進行分析。在模型分析中，可應(yīng)用公式Fy=（C+？駐C）？茁0進行車輛輪胎側(cè)向力的運算。其中，C表示輪胎側(cè)向偏轉(zhuǎn)的初始剛度值，△C表示輪胎側(cè)向偏轉(zhuǎn)的校準參量，β0表示輪胎側(cè)向偏轉(zhuǎn)的具體角度?；诖?，通過Carsim仿真軟件的數(shù)據(jù)算法，可推導(dǎo)出輪胎側(cè)偏初始剛度值的運算公式為C=f（FS，？滋）。在車輛狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計當(dāng)中，由于車輛的轉(zhuǎn)向角度具有一定隨機性，因此可將△C這一校準參量視為0，繼而結(jié)合車輛動力模型與卡爾曼濾波算法，得出車輛參數(shù)離散系統(tǒng)的方程為

據(jù)此，結(jié)合Carsim仿真軟件與MATLAB數(shù)學(xué)軟件構(gòu)建出車輛運行狀態(tài)的仿真平臺，將時速100km的車輛參數(shù)代入到MATLAB軟件算法模型當(dāng)中，并基于輪胎側(cè)偏初始剛度值公式、車輛參數(shù)離散系統(tǒng)方程在Carsim軟件中設(shè)置出車輛絕對速度、車輛縱向加速度、車輛側(cè)向加速度、車輪橫擺角速度等輸出變量，對車輛行駛中的整體狀態(tài)進行仿真觀測。在仿真觀測中發(fā)現(xiàn)，車輛的運行狀態(tài)可實現(xiàn)較準確的線性辨識，并將各常規(guī)情況下車輛參數(shù)的最大誤差值控制在3%以內(nèi)，將低附著路面下車輛參數(shù)的最大誤差值控制在4.9%以內(nèi)。同時，仿真實驗表明，算法系統(tǒng)對于輪胎力即輪胎測量偏轉(zhuǎn)剛度值這一重要狀態(tài)數(shù)據(jù)具備迅速、準確的響應(yīng)效果，可實現(xiàn)良好的自適應(yīng)能力[2]。

3 全輪獨立電驅(qū)動車輛雙重轉(zhuǎn)向控制的車輛運動控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 車輛操縱穩(wěn)定性的控制

在車輛運動控制系統(tǒng)的設(shè)計中，首先要考慮到全輪獨立電驅(qū)動車輛雙重轉(zhuǎn)向控制下車輛操縱的穩(wěn)定性問題。所謂“車輛操縱穩(wěn)定性”，就是在駕駛者駕駛技術(shù)良好、身體狀態(tài)健康的前提下，車輛對駕駛者操控意圖（如車速調(diào)整、轉(zhuǎn)向需求等）的響應(yīng)與保持能力。開展這一性能的系統(tǒng)設(shè)計時，要明確“操縱性”與“穩(wěn)定性”之間的耦合關(guān)系。通常情況下，若車輛的操縱性與穩(wěn)定性均處在較低水平，當(dāng)駕駛者實施轉(zhuǎn)向操作時，輪胎就很容易發(fā)生側(cè)滑現(xiàn)象，進而導(dǎo)致車輛出現(xiàn)轉(zhuǎn)向不足或轉(zhuǎn)向過足，對車輛標準的運行狀態(tài)與動線預(yù)期產(chǎn)生影響。針對這一情況，可從車輛質(zhì)心側(cè)偏角與車輛橫擺角速度兩個角度入手，進行車輛運動控制系統(tǒng)的操縱穩(wěn)定性設(shè)計。其中，車輛質(zhì)心側(cè)偏角的運算公式為？茁=arctan，車輛轉(zhuǎn)向過程中車輛輪胎側(cè)偏角的關(guān)系為結(jié)合兩個公式可得，車輛橫擺角速度與正常狀態(tài)下車輛轉(zhuǎn)向的關(guān)系為其中l(wèi)為車輛轉(zhuǎn)向的軸距。由此可見，當(dāng)車輛速度較慢時，質(zhì)心側(cè)偏角β的數(shù)值也較低，使得車輛處于良好的轉(zhuǎn)向狀態(tài)當(dāng)中，即表明車輛可充分響應(yīng)駕駛者的操縱需求;當(dāng)車輛速度過快時，質(zhì)心側(cè)偏角β的數(shù)值會隨之增大，進而造成車輛操縱穩(wěn)定性的下降，出現(xiàn)側(cè)滑問題。因此，在進行全輪獨立電驅(qū)動車輛雙重轉(zhuǎn)向控制的車輛運動控制系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)著重進行車輛橫擺力矩的調(diào)整，以此提高車輛轉(zhuǎn)向運行的安全性和穩(wěn)定性。

3.2 車輛直線驅(qū)動的控制

提高車輛在低附著路面上的準確轉(zhuǎn)向，是全輪獨立電驅(qū)動車輛雙重轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的主要設(shè)計與應(yīng)用目標。這一目標的實現(xiàn)，在很大程度上取決于車輪驅(qū)動力的控制水平。同時需要注意的是，車輪的驅(qū)動力與其驅(qū)動力矩并非完全成正比，而是與車輪與路面之間的附著系數(shù)有關(guān)。一般情況下，車輪的路面附著系數(shù)越大，車輪的驅(qū)動力也就越強，車輛在運行和轉(zhuǎn)向中的穩(wěn)定性也就越高?；诖?，可將最優(yōu)滑移率這一概念融入到車輛運動控制系統(tǒng)的設(shè)計當(dāng)中，以此實現(xiàn)路面附著系數(shù)的高效利用，最終提高車輛整體的動能質(zhì)量。

若將路面附著系數(shù)與車輪滑移率代入到坐標系當(dāng)中，可發(fā)現(xiàn)二者的關(guān)系曲線并非持續(xù)上升的，而是存在具體的峰值，這一峰值便是最優(yōu)滑移率。當(dāng)車輛處在這一峰值區(qū)間時，車輪與路面間的附著系數(shù)最大，即代表車輛的驅(qū)動力達到最高水平?；诖耍囕v控制系統(tǒng)中直線驅(qū)動控制部分的設(shè)計目標，就是推動車輪的滑移率無限接近最優(yōu)滑移率，從而達成最佳的雙重轉(zhuǎn)向控制效果。路面附著系數(shù)的運算公式為？漬=，其中F？漬為車輪對地面的最大附著力，F(xiàn)damx為車輪可發(fā)出的最大驅(qū)動力，F(xiàn)S為車輪的垂直荷載力，滑移率的運算公式為？姿=。結(jié)合這兩個運算公式，可求出車輪路面附著系數(shù)與滑移率的關(guān)系為當(dāng)?shù)扔?時，即為最優(yōu)滑移率。在得出這一算法結(jié)論后，便可將其代入到控制系統(tǒng)當(dāng)中，設(shè)置出“輸入T、？棕、ut、Fs、t→代入公式運算→≤0→是，輸出？姿/否，重新輸入”的程序流程，以此根據(jù)滑移率輸出值對車輛各車輪驅(qū)動力進行有效分配。通過這樣的系統(tǒng)控制方式，可顯著提高車輛在運行和轉(zhuǎn)向過程中對地面的附著能力，從而避免因車輪打滑而發(fā)生的轉(zhuǎn)向過足、轉(zhuǎn)向不足問題，充分提高車輛行駛的安全性與穩(wěn)定性。

3.3 車輛轉(zhuǎn)向性能的控制

上文提到，在車輛操縱穩(wěn)定性的優(yōu)劣與否，主要取決于質(zhì)心側(cè)偏角、橫擺角速度等重要參數(shù)。當(dāng)質(zhì)心側(cè)偏角的數(shù)值較低時，車輛的實際轉(zhuǎn)向方向與駕駛者的操縱意愿基本一致，即車輛處在最佳的控制狀態(tài)當(dāng)中。橫擺角速度則能反映出車輛具體的轉(zhuǎn)向能力，當(dāng)橫擺角速度提升時，車輛的轉(zhuǎn)向速度也會隨之加快，進而形成較小的轉(zhuǎn)向半徑，使車輛穩(wěn)定在良好水平。而質(zhì)心側(cè)偏角與橫擺角速度又與橫擺力矩密切相關(guān)，所以在進行全輪獨立電驅(qū)動車輛雙重轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的設(shè)計時，可基于橫擺力矩進行車輛轉(zhuǎn)向性能的控制處理[3]。

結(jié)合分層化的設(shè)計原則，可將車輛轉(zhuǎn)向性能的控制分成目標設(shè)計、運動控制、運動分配三個層級。其中，目標設(shè)計層主要根據(jù)車輛當(dāng)前狀態(tài)和駕駛者發(fā)出的方向盤操縱指令，模擬預(yù)測出車輛的轉(zhuǎn)向控制目標。其后，運動控制層根據(jù)已生成的目標參數(shù)，計算出目標所需的驅(qū)動力及橫擺力矩。最后，運動控制層將運算結(jié)果傳遞到運動分配層，繼而根據(jù)車輛的運動學(xué)原理，對各車輪的電機進行動能分配，進而使各車輪產(chǎn)生科學(xué)合理的驅(qū)動力，以此實現(xiàn)車輛運動系統(tǒng)的理想化穩(wěn)定控制。

總而言之，與傳統(tǒng)汽車相比，雙重轉(zhuǎn)向下的全輪獨立電驅(qū)動車輛具有能源清潔、動能優(yōu)質(zhì)、分配靈活等諸多優(yōu)勢，具有良好的應(yīng)用價值與推廣前景。在設(shè)計與應(yīng)用實踐當(dāng)中，為了提升全輪獨立電驅(qū)動車輛行駛的安全性與穩(wěn)定性，應(yīng)做好監(jiān)測、控制等系統(tǒng)的科學(xué)設(shè)計，通過調(diào)整橫擺力矩、提高路面附著系數(shù)等手段，實現(xiàn)轉(zhuǎn)向過程中各車輪驅(qū)動力的最優(yōu)分配，達成最佳的操縱控制效果。

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