申棋仁 代凱 蒲永鋒 馬芳武

（吉林大學(xué) 汽車仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130022）

主題詞：四輪驅(qū)動(dòng) 差速轉(zhuǎn)向 四輪轉(zhuǎn)向 輪轂電機(jī)

縮略語(yǔ)

4WD Four Wheel Drive（四輪驅(qū)動(dòng)）

4WS Four-Wheel Steering（四輪轉(zhuǎn)向）

DYCDirect Yaw moment Control（直接橫擺力矩控制）

ESP Electronic Stability Program(電子穩(wěn)定性系統(tǒng))

MPC Model Predictive Control(模型預(yù)測(cè)控制)

ARS Active Rear Steering（主動(dòng)后輪轉(zhuǎn)向技術(shù)）

TCS Traction Control System（牽引力控制系統(tǒng)）

PHEV Plug in Hybrid Electric Vehicle（插電式混合動(dòng)力汽車）

DOF Degree Of Freedom（自由度）

PSO Particle Swarm Optimization（粒子群算法）

LQR Linear Quadratic Regulator（線性二次型最優(yōu)控制）

AFS Active Front Steering（主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向）

TCS Traction Control System（驅(qū)動(dòng)力控制系統(tǒng)）

PID Proportion-Integral-Differential

（利用比例、積分、微分）

GVC G-Vectoring Control（加速度矢量控制）

BLDCM Brushless Direct Current Motor（直流無(wú)刷電機(jī)）

SRM Switched Reluctance Motor（開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)）

TSMCTerminal Sliding-Mode Control（終端滑?？刂疲?/p>

NEDC New European Driving Cycle(新歐洲駕駛循環(huán))

SOC State of Charge(電池狀態(tài))

1 引言

四輪驅(qū)動(dòng)技術(shù)（4WD），是指汽車所輸出的扭矩傳遞到所有4個(gè)車輪上的設(shè)計(jì)。近年來(lái)，結(jié)合MPC、模糊控制[1]和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[2]等控制設(shè)計(jì)方法，進(jìn)一步地提高了4WD車輛的驅(qū)動(dòng)與轉(zhuǎn)向性能[3]。

四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)（4WS），是指4個(gè)輪都具備轉(zhuǎn)向能力的設(shè)計(jì)。因?yàn)槠淇梢栽诘退贂r(shí)通過(guò)反向轉(zhuǎn)向減小轉(zhuǎn)向半徑，提高靈活性，在高速時(shí)通過(guò)同向轉(zhuǎn)向，增加不足轉(zhuǎn)向趨勢(shì)提高操縱穩(wěn)定性，應(yīng)用的范圍也不斷擴(kuò)大[4]。近年來(lái)，結(jié)合軸間預(yù)瞄[5]、模糊控制、滑?？刂?、卡爾曼濾波[6]等控制設(shè)計(jì)方法，進(jìn)一步地提高了四輪轉(zhuǎn)向車輛的轉(zhuǎn)向性能[7]。

隨著汽車電子技術(shù)和控制算法的發(fā)展，四輪驅(qū)動(dòng)-四輪轉(zhuǎn)向融合控制技術(shù)的發(fā)展也十分迅猛。結(jié)合了電子穩(wěn)定性系統(tǒng)（ESP）、主動(dòng)后輪轉(zhuǎn)向技術(shù)（ARS）、直接橫擺力矩控制（DYC）等控制手段的車輛不斷地投入生產(chǎn)，對(duì)四輪驅(qū)動(dòng)-四輪轉(zhuǎn)向耦合技術(shù)的發(fā)展要求也進(jìn)一步增加。結(jié)合了各種控制手段和控制算法的四輪驅(qū)動(dòng)-四輪轉(zhuǎn)向車輛，相比單獨(dú)四輪驅(qū)動(dòng)或是四輪轉(zhuǎn)向的車輛，可以實(shí)現(xiàn)更好的車輛穩(wěn)定性和軌跡跟蹤性能[8]。

本文主要包括3部分內(nèi)容，第2部分對(duì)四輪驅(qū)動(dòng)車輛驅(qū)動(dòng)力分配策略進(jìn)行討論，第3部分介紹四輪驅(qū)動(dòng)-四輪轉(zhuǎn)向融合技術(shù)的發(fā)展，第4部分對(duì)搭載輪轂電機(jī)的車輛控制策略進(jìn)行介紹，最后對(duì)四輪驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展前景提出展望。

2 四輪驅(qū)動(dòng)車輛驅(qū)動(dòng)力分配策略

對(duì)于四輪驅(qū)動(dòng)車輛來(lái)說(shuō)，和傳統(tǒng)車輛相比，顯著的特征就是可以更好地利用路面附著，更容易實(shí)現(xiàn)車輛的穩(wěn)定性控制?？刂频幕A(chǔ)來(lái)自對(duì)于車輛各輪縱向力的獨(dú)立分配，針對(duì)車輛的直線行駛工況，通常采用的是兩側(cè)車輪均分動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)策略。驅(qū)動(dòng)力的最大值依賴于地面和輪胎之間的最大附著力，因此限制驅(qū)動(dòng)力控制的直接因素有：輪胎與路面之間的附著系數(shù)、對(duì)應(yīng)車輪的垂向載荷。后來(lái)隨著汽車試驗(yàn)學(xué)的發(fā)展以及各種輪胎模型的提出，發(fā)現(xiàn)間接影響最大附著力的因素還包括車輪的滑轉(zhuǎn)率/滑移率[9]。以上3個(gè)因素均是從非車輛動(dòng)力控制角度出發(fā)的，對(duì)于四輪驅(qū)動(dòng)車輛的驅(qū)動(dòng)力分配策略一般分為：軸間分配策略、輪間分配策略和其余分配策略[10]。

2.1 軸間分配策略

2.1.1 固定比值分配

吉林大學(xué)的劉禮用，設(shè)計(jì)了一種針對(duì)適時(shí)四驅(qū)車輛的軸間離合器及其控制方法[11]。驅(qū)動(dòng)力的分配基于路面附著條件的限制，對(duì)軸間離合器的滑轉(zhuǎn)與鎖止邏輯進(jìn)行研究與設(shè)計(jì)。當(dāng)前后輪輪速相同且附著條件相同時(shí)，驅(qū)動(dòng)力分配比例為前后軸荷比值；當(dāng)有車輪發(fā)生滑轉(zhuǎn)時(shí)，通過(guò)牽引力控制系統(tǒng)（TCS）與軸間離合器來(lái)減少對(duì)應(yīng)車軸的動(dòng)力分配。和前輪驅(qū)動(dòng)車輛對(duì)比，在高低附著路面及對(duì)開(kāi)路面上均能體現(xiàn)更好的動(dòng)力性，轉(zhuǎn)向時(shí)也擁有更好的操縱穩(wěn)定性。

吉林大學(xué)的李洋等人，從制動(dòng)力理想分配曲線（I曲線）出發(fā)，以電動(dòng)汽車為平臺(tái)，拓展建立了驅(qū)動(dòng)力理想分配曲線[12]。拓展I曲線的設(shè)計(jì)目標(biāo)兼顧了車輛的動(dòng)力性和操縱穩(wěn)定性，和其他傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式對(duì)比驗(yàn)證，可以在保證縱向加速度的情況下盡可能地提高車輛側(cè)向穩(wěn)定裕度，同時(shí)降低轉(zhuǎn)向半徑對(duì)縱向加速度的敏感性。和現(xiàn)有的軸間驅(qū)動(dòng)力分配控制器相比，拓展I曲線可以在依賴信息較少的條件下，通過(guò)簡(jiǎn)單易行的查表法在電動(dòng)汽車上得以實(shí)現(xiàn)。

2.1.2 動(dòng)態(tài)分配

北京理工大學(xué)的辛慧斌，對(duì)插電混動(dòng)（PHEV）的四輪驅(qū)動(dòng)車輛軸間驅(qū)動(dòng)力分配策略和不同動(dòng)力源的協(xié)調(diào)方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)[13]。軸間驅(qū)動(dòng)力基于軸間載荷分配，以最小化整車等效油耗為設(shè)計(jì)目標(biāo)，軸間驅(qū)動(dòng)力分配根據(jù)工況計(jì)算得到。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，和傳統(tǒng)的插電混動(dòng)四輪驅(qū)動(dòng)車輛相比，采用新的換擋策略和驅(qū)動(dòng)力分配策略可以有效提高車輛的經(jīng)濟(jì)性。

北京理工大學(xué)的張星爍，針對(duì)城市SUV車輛使用模糊控制理論設(shè)計(jì)了軸間驅(qū)動(dòng)力分配控制器[14]?？刂破鞯目刂乒r涉及直線起步、直線行駛和轉(zhuǎn)向行駛?cè)齻€(gè)工況，設(shè)計(jì)目標(biāo)包括提高車輛動(dòng)力性、操縱穩(wěn)定性、零件壽命和減少動(dòng)力學(xué)干涉。涉及的軸間驅(qū)動(dòng)力分配控制器針對(duì)不同工況有著不同的模糊邏輯，與前輪驅(qū)動(dòng)車輛對(duì)比，車輛在設(shè)計(jì)工況下都有著更好的表現(xiàn)。

2.2 輪間分配策略

2.2.1 傳統(tǒng)差速器分配

四輪驅(qū)動(dòng)車輛的輪間的驅(qū)動(dòng)力分配策略，常與差速轉(zhuǎn)向技術(shù)（Differential Steering）、直接橫擺力矩控制技術(shù)（DYC）和車輛電子穩(wěn)定系統(tǒng)（ESP）結(jié)合使用，這些融合控制技術(shù)的應(yīng)用可以提高車輛在高速行駛和轉(zhuǎn)向工況下的操縱穩(wěn)定性。

中國(guó)重汽集團(tuán)的王夕玉等人，以JN5560型10×10越野汽車為例，對(duì)重型車輛的輪間驅(qū)動(dòng)力分配從差速器、傳動(dòng)系、輪胎和載荷等角度入手，討論了不同因素的影響作用[15]。

西南大學(xué)的冀杰，通過(guò)建立基于運(yùn)動(dòng)學(xué)的預(yù)測(cè)模型，設(shè)計(jì)了一種用于四輪驅(qū)動(dòng)-前輪轉(zhuǎn)向車輛的主動(dòng)差速器[16]?；诶塾?jì)軌跡跟蹤誤差和兩側(cè)車輪的控制力矩設(shè)計(jì)瞬時(shí)的操縱目標(biāo)函數(shù)，用以評(píng)價(jià)瞬時(shí)的操縱穩(wěn)定性，并同時(shí)將預(yù)測(cè)模型求解轉(zhuǎn)換為二次規(guī)劃問(wèn)題，并通過(guò)仿真證明相對(duì)于傳統(tǒng)差速器，主動(dòng)差速器可以提供額外的橫擺力矩，在損失少量動(dòng)力性的前提下增強(qiáng)車輛的操縱穩(wěn)定性和高速過(guò)彎能力。

2.2.2 電子差速器分配

傳統(tǒng)機(jī)械式差速器因?yàn)楣ぷ髟淼南拗疲荒軐?shí)現(xiàn)兩側(cè)車輪轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的獨(dú)立分配。隨著線控技術(shù)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的推廣應(yīng)用，電子差速器因?yàn)榭梢詫?shí)現(xiàn)兩側(cè)車輪轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩獨(dú)立分配，更方便實(shí)現(xiàn)各種控制算法，逐漸成為軸間驅(qū)動(dòng)力分配的研究主流[17]。

江蘇大學(xué)的張厚忠等人，基于阿克曼轉(zhuǎn)向規(guī)律，設(shè)計(jì)了一種適用于前輪轉(zhuǎn)向車輛電子差速器[18]。該差速器的設(shè)計(jì)目標(biāo)是在轉(zhuǎn)向工況下實(shí)現(xiàn)差速轉(zhuǎn)向，并且基于阿克曼轉(zhuǎn)向模型減少轉(zhuǎn)向過(guò)程中的內(nèi)循環(huán)功。實(shí)車驗(yàn)證電子差速器的可行性，并且可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)，方便開(kāi)發(fā)更優(yōu)的驅(qū)動(dòng)力控制算法。

首爾大學(xué)的S.Yun等人，開(kāi)發(fā)了一種適用于六輪驅(qū)動(dòng)的電子差速器[19]。該差速器的開(kāi)發(fā)平臺(tái)為輪轂電機(jī)六輪驅(qū)動(dòng)車輛，提出了一種以電機(jī)轉(zhuǎn)矩衡量電機(jī)驅(qū)動(dòng)效率的方法。設(shè)計(jì)目標(biāo)為提高電機(jī)驅(qū)動(dòng)效率，通過(guò)實(shí)車驗(yàn)證，這種轉(zhuǎn)矩分配策略可以提高整車經(jīng)濟(jì)性，并且有利于制動(dòng)能量回收。

Latif，R.等人對(duì)車輛轉(zhuǎn)向的不穩(wěn)定工況進(jìn)行分析，基于中性轉(zhuǎn)向的車輛模型設(shè)計(jì)了一種主動(dòng)差速器[20]。差速器控制策略的觀測(cè)量為車輛橫擺角速度和側(cè)向加速度，控制量為車輛的轉(zhuǎn)向特性。值得一提的是，設(shè)計(jì)過(guò)程中將考慮輪胎和懸架的車輛模型簡(jiǎn)化為一個(gè)10自由度模型（10 DOF），并且與CarSim提供的模型對(duì)比，可以較好地跟蹤車輛的側(cè)向加速度和橫擺角速度。

此外，F(xiàn).Hoogterp等人將差動(dòng)轉(zhuǎn)向應(yīng)用在四輪驅(qū)動(dòng)的輪式戰(zhàn)車上[21]。與傳統(tǒng)的履帶式戰(zhàn)車和非差動(dòng)轉(zhuǎn)向的四輪驅(qū)動(dòng)戰(zhàn)車相比，擁有更好的軌跡跟蹤性能，并且可以提高高速時(shí)操縱穩(wěn)定性。

2.3 其余分配策略

吉林大學(xué)的Z.Hou等人，對(duì)四輪驅(qū)動(dòng)的混動(dòng)車輛模型提出了改進(jìn)[22]。并根據(jù)改進(jìn)后的模型，采用基于粒子群算法（PSO）的隨機(jī)森林（Random Forest）學(xué)習(xí)方法，開(kāi)發(fā)了對(duì)應(yīng)的虛擬控制器。與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、普通隨機(jī)森林等學(xué)習(xí)方法相比，可以更準(zhǔn)確地跟隨實(shí)際車輛中的參數(shù)，為下一步低成本地開(kāi)發(fā)驅(qū)動(dòng)力控制策略提供了基礎(chǔ)。

I.Karogal等人對(duì)搭載了四輪輪轂電機(jī)的車輛應(yīng)用不同的驅(qū)動(dòng)力分配控制，以尋求最優(yōu)的控制[23]?？刂频姆椒ㄊ欠謩e以橫擺角速度、側(cè)向加速度以及兩者結(jié)合作為反饋輸入量，對(duì)橫擺力矩進(jìn)行計(jì)算，提出了4種不同的橫擺力矩分配方案。通過(guò)仿真對(duì)比，證明將一側(cè)車輪減少的轉(zhuǎn)矩施加到另一側(cè)車輪上的策略，更能夠使車輛保持良好的動(dòng)態(tài)跟隨性能和操縱穩(wěn)定性。

A.Pennycott等人，對(duì)四輪驅(qū)動(dòng)-前輪轉(zhuǎn)向的電動(dòng)車輛進(jìn)行了轉(zhuǎn)矩優(yōu)化分配，優(yōu)化目標(biāo)是降低整車電機(jī)驅(qū)動(dòng)損失[24]。設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)矩分配控制器包含在線計(jì)算和離線計(jì)算兩個(gè)部分，轉(zhuǎn)向輪間的轉(zhuǎn)矩分配在線計(jì)算，前后軸間的轉(zhuǎn)矩分配則離線計(jì)算。對(duì)于整車的驅(qū)動(dòng)損失計(jì)算，則是根據(jù)電機(jī)提供商提供的電機(jī)效率Map圖來(lái)在線計(jì)算的。仿真驗(yàn)證該轉(zhuǎn)矩分配控制器可以使車輛較好地跟隨駕駛意圖，同時(shí)提高整車經(jīng)濟(jì)性。

B.Li等人對(duì)四輪驅(qū)動(dòng)-前輪轉(zhuǎn)向、輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)的車輛轉(zhuǎn)矩分配控制器設(shè)計(jì)，詳細(xì)地給出了設(shè)計(jì)的方法與步驟[25]。并且提出了一種考慮各輪胎對(duì)路面附著條件利用率的線性二次型最優(yōu)控制（LQR）的目標(biāo)函數(shù)。目標(biāo)函數(shù)涉及3個(gè)子目標(biāo)，提出了一種動(dòng)態(tài)調(diào)整各子目標(biāo)在目標(biāo)函數(shù)中的權(quán)重的方法。最后證明與原有的目標(biāo)函數(shù)和固定權(quán)重的目標(biāo)函數(shù)相比，車輛對(duì)變化的路況有更強(qiáng)的適應(yīng)性、操縱穩(wěn)定性和軌跡跟蹤性。

清華大學(xué)的Y.Luo等人，將四輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車的轉(zhuǎn)矩分配和主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向（AFS）結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種融合控制系統(tǒng)[26]。設(shè)計(jì)使用了一種15自由度（15-DOF）車輛模型，設(shè)計(jì)目標(biāo)為最小化輪胎負(fù)荷以及最大化車輛的穩(wěn)定性。通過(guò)仿真和實(shí)車驗(yàn)證，該融合控制系統(tǒng)可以提高車輛的最高安全行駛速度，尤其可以在高附著路面上進(jìn)行實(shí)車的試驗(yàn)。

在農(nóng)用車輛和農(nóng)用機(jī)械中，轉(zhuǎn)向并不是主要的設(shè)計(jì)因素，為了提高其操縱靈活性，搭載輪轂電機(jī)的農(nóng)用車輛采用差速轉(zhuǎn)向就變得很有必要了。江蘇大學(xué)的F.Hussain等人，對(duì)農(nóng)用車輛的各輪轉(zhuǎn)矩分配采用了模型預(yù)測(cè)控制（MPC），并最終結(jié)合四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，設(shè)計(jì)出了自適應(yīng)轉(zhuǎn)向的農(nóng)用車輛[27]。

因?yàn)樵诘透街访嫔向?qū)動(dòng)輪容易出現(xiàn)胎面波動(dòng)而引起整車的舒適性下降，清華大學(xué)的L.Li等人，對(duì)電動(dòng)車輛的驅(qū)動(dòng)力控制系統(tǒng)（TCS）在低附著路面上的控制策略進(jìn)行了改進(jìn)[28]。改進(jìn)的方法包括提出一種考慮時(shí)延的驅(qū)動(dòng)力限制策略、基于PID控制方法的主動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)和非常規(guī)的模糊控制律，最終證明可以有效抑制驅(qū)動(dòng)輪的胎面波動(dòng)。

此外，基于人群搜索算法[29]、偽逆法[30]的四輪驅(qū)動(dòng)車輛轉(zhuǎn)矩分配策略也均有相關(guān)研究進(jìn)行。

在本部分的最后，對(duì)各種研究中主要關(guān)注的車輛性能優(yōu)化目標(biāo)及其感興趣的性能參數(shù)進(jìn)行總結(jié)，見(jiàn)表1[31-32]。

表1 車輛性能優(yōu)化目標(biāo)以及關(guān)注參數(shù)總結(jié)[31-32]

3 四輪驅(qū)動(dòng)與四輪轉(zhuǎn)向融合控制技術(shù)

3.1 四輪轉(zhuǎn)向控制策略

四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)的應(yīng)用可以有效減小轉(zhuǎn)向半徑[33]，提高車輛在高速過(guò)彎時(shí)的穩(wěn)定性，增強(qiáng)車輛的軌跡跟蹤性能。隨著技術(shù)的逐漸成熟，搭載四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)的車輛也越來(lái)越多地走進(jìn)人們的視線。

和傳統(tǒng)的前輪轉(zhuǎn)向車輛相比，四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)的不同之處在于使車輛的后輪也具有轉(zhuǎn)向能力。因此后輪轉(zhuǎn)角的控制策略就顯得十分重要，從研究的內(nèi)容來(lái)看，大體上分為3種：

（1）后輪轉(zhuǎn)角由駕駛員意圖和離線查表來(lái)確定的經(jīng)典控制

（2）根據(jù)前輪轉(zhuǎn)角作為輸入的前饋控制[34]

（3）以前輪轉(zhuǎn)角作為前饋輸入、車輛動(dòng)力學(xué)參數(shù)作為反饋輸入的前饋-反饋控制。

3.1.1 經(jīng)典控制與前饋控制

H.Liikane等人對(duì)裝備有四輪驅(qū)動(dòng)-四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的重型車輛進(jìn)行了基于軌跡跟蹤性能的控制研究[35]。分析發(fā)現(xiàn)耦合系統(tǒng)在受力時(shí)表現(xiàn)出了非線性的特征，基于縱向、側(cè)向位移和航向角作為輸入，目標(biāo)車速和橫擺角速度作為輸出，提出了三種不同的轉(zhuǎn)角控制策略。采用PI控制器對(duì)各輪的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)角進(jìn)行閉環(huán)反饋控制，最終證明和根據(jù)轉(zhuǎn)向曲率、動(dòng)力學(xué)誤差反饋計(jì)算各輪轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩相比，控制各輪轉(zhuǎn)速的誤差反饋控制能夠?qū)崿F(xiàn)更好的軌跡跟蹤性能。

遼寧工業(yè)大學(xué)的李剛等人，對(duì)四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)-獨(dú)立轉(zhuǎn)向的車輛進(jìn)行了橫擺力矩集成控制研究[36]。前輪轉(zhuǎn)角的確定來(lái)自于對(duì)駕駛員意圖的響應(yīng)，后輪轉(zhuǎn)角則采用一種與前輪轉(zhuǎn)角成比例的前饋控制，比例系數(shù)隨著車速等因素變化。這種集成了前饋控制和DYC的控制器，以車輛實(shí)際的質(zhì)心側(cè)偏角和橫擺角速度作為集成控制器的反饋輸入，與不采用集成控制的車輛相比，在緊急避障雙移線測(cè)試中表現(xiàn)出更好的操縱穩(wěn)定性。

3.1.2 前饋-反饋控制

李偉等人分析了四輪轉(zhuǎn)向中反向與同向轉(zhuǎn)向帶來(lái)的影響后，對(duì)不易觀測(cè)的車輛質(zhì)心側(cè)偏角設(shè)計(jì)了觀測(cè)器，并使用線性二次型最優(yōu)控制（LQR）設(shè)計(jì)了一種主動(dòng)后輪轉(zhuǎn)向（ARS）控制器[37]。該控制器可以在不顯著降低路感的同時(shí)，提升了車輛的軌跡跟蹤性能。

斯坦福大學(xué)的N.R.Kapania等人，基于Audi TTS測(cè)試車，以車輛軌跡跟蹤性能和在操縱極限下的穩(wěn)定性作為設(shè)計(jì)目標(biāo)，設(shè)計(jì)了一種前饋-反饋轉(zhuǎn)向控制器，控制器的邏輯結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1[38]。同時(shí)，針對(duì)四輪轉(zhuǎn)向車輛高速行駛下不足轉(zhuǎn)向過(guò)多的現(xiàn)象進(jìn)行分析，對(duì)軌跡跟蹤過(guò)程中降低誤差的方法進(jìn)行了說(shuō)明。前饋-反饋控制器的前饋輸入包括軌跡曲率和縱向車速，反饋輸入包括路徑跟蹤誤差和航向角誤差。試驗(yàn)證明結(jié)合反饋控制后，軌跡跟蹤誤差顯著降低，可以實(shí)現(xiàn)更好的軌跡跟蹤性能，并且在操縱極限下也可以維持車輛的穩(wěn)定性，同時(shí)也指出反饋控制對(duì)車輛模型的精確程度要求很高。該研究的平臺(tái)雖然是前輪驅(qū)動(dòng)的車輛，但是為ARS控制提供了反饋控制的思路。

吉林大學(xué)的李犇，使用前饋和反饋控制后輪轉(zhuǎn)角，將ARS，DYC和加速度矢量控制（GVC）3種控制手段進(jìn)行融合，控制器結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2[39]。在融合控制算法中的ARS部分，后輪轉(zhuǎn)角的前饋輸入量為前輪轉(zhuǎn)角，反饋輸入量為質(zhì)心側(cè)偏角誤差值。通過(guò)硬件在環(huán)仿真證明：采用前饋-反饋控制的ARS-DYC-GVC控制算法比傳統(tǒng)的ARS-DYC在車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)擁有更小的質(zhì)心側(cè)偏角，反映了車輛擁有更好的操縱穩(wěn)定性。該研究對(duì)前饋-反饋控制下的ARS-DYC設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)探討和試驗(yàn)，力求提高車輛的操縱穩(wěn)定性。但是此項(xiàng)研究也存在一定的問(wèn)題，DYC控制中沒(méi)有考慮路面附著條件而對(duì)附加橫擺力矩和驅(qū)動(dòng)力大小加以限制，針對(duì)驅(qū)動(dòng)打滑的工況不能有效地保證車輛的穩(wěn)定性。

圖1 前饋-反饋轉(zhuǎn)角控制器邏輯結(jié)構(gòu)[38]

圖2 前饋-反饋的AFS控制器結(jié)構(gòu)[39]

山東理工大學(xué)的張磊，在前饋-反饋控制后輪轉(zhuǎn)角的控制器中還融合了模糊控制理論[40]。在考慮車身側(cè)傾的3自由度操縱模型（3-DOF）下確定后輪轉(zhuǎn)角控制器的輸入，輸入包括：橫擺角、橫擺角速度、質(zhì)心側(cè)偏角、側(cè)傾角、車身側(cè)傾加速度和車身速度。研究了2種不同的后輪轉(zhuǎn)角控制策略，分別是基于模糊控制的前饋-反饋控制和使用PSO優(yōu)化PID參數(shù)后的融合控制，仿真試驗(yàn)證明2種方法相比前輪轉(zhuǎn)向都可以較好地實(shí)現(xiàn)低速轉(zhuǎn)向的靈活性和中高速的操縱穩(wěn)定性。其中，使用PSO優(yōu)化后的融合算法擁有更好的操縱穩(wěn)定性。

3.2 四輪驅(qū)動(dòng)-四輪轉(zhuǎn)向車輛驅(qū)動(dòng)力分配策略

四輪驅(qū)動(dòng)-四輪轉(zhuǎn)向車輛的驅(qū)動(dòng)力分配，集中體現(xiàn)在轉(zhuǎn)向工況，尤其以DYC和其他控制手段結(jié)合為主。在傳統(tǒng)車輛上實(shí)現(xiàn)這樣的控制需要由機(jī)械式差速器介入，機(jī)械式差速器往往實(shí)現(xiàn)的是差速不差扭，或者是通過(guò)兩側(cè)轉(zhuǎn)矩互相增減來(lái)實(shí)現(xiàn)橫擺力矩控制。那么在四輪驅(qū)動(dòng)-四輪轉(zhuǎn)向車輛上，隨著電子差速器的開(kāi)發(fā)，到底什么樣的驅(qū)動(dòng)力分配策略是更為有效的呢？

關(guān)于兩側(cè)轉(zhuǎn)矩互相增減實(shí)現(xiàn)差速轉(zhuǎn)向，江蘇大學(xué)的T.Chen等人，對(duì)四輪驅(qū)動(dòng)-四輪轉(zhuǎn)向車輛在摩擦極限內(nèi)的操縱性和軌跡跟蹤性能進(jìn)行了基于DYC的融合控制器設(shè)計(jì)[41]?；诰€性2自由度操縱模型（2-DOF）和軌跡跟蹤誤差模型設(shè)計(jì)了分層控制器，上端決策層根據(jù)反饋和駕駛員意圖確定DYC的橫擺力矩，下層決策層分配各輪轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)角，執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用PID控制。通過(guò)仿真試驗(yàn)證明：融合控制器和設(shè)計(jì)模型相符，可以很好地跟蹤模型參數(shù)，并且對(duì)于摩擦極限內(nèi)的操縱穩(wěn)定性和軌跡跟蹤性能都有提升。

前面提到Clemson大學(xué)的I.Karogal等人，設(shè)計(jì)了4種差速轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)矩分配方法，證明了兩側(cè)車輪的轉(zhuǎn)矩互相增減是比僅在單側(cè)增加額外驅(qū)動(dòng)力是更有效的手段，可是如果考慮類似ESP系統(tǒng)一樣的內(nèi)側(cè)車輪制動(dòng)又會(huì)是怎么樣呢？

針對(duì)這種分配策略，同濟(jì)大學(xué)的Y.Wang等人，設(shè)計(jì)了低速（15 km/h）下四輪驅(qū)動(dòng)-四輪轉(zhuǎn)向車輛的對(duì)比試驗(yàn)，對(duì)比了無(wú)DYC控制時(shí)4WS和2WS車輛的車輛側(cè)偏角，以及4WS車輛在4種不同的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩分配下的轉(zhuǎn)向半徑[42]。試驗(yàn)結(jié)果表明，在方向盤(pán)極限轉(zhuǎn)角的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向試驗(yàn)中，外側(cè)兩車輪分配驅(qū)動(dòng)力矩、內(nèi)側(cè)前輪制動(dòng)轉(zhuǎn)矩、內(nèi)側(cè)后輪不分配轉(zhuǎn)矩的分配模式結(jié)合4WS可以獲得最小的轉(zhuǎn)向半徑，以及最好的駕駛穩(wěn)定性。雖然這項(xiàng)對(duì)比試驗(yàn)的結(jié)果僅在低速下成立，并且要求方向盤(pán)轉(zhuǎn)角在極限位置，但是對(duì)于類似的對(duì)比試驗(yàn)提出了驅(qū)動(dòng)力分配策略對(duì)比試驗(yàn)的設(shè)計(jì)思路。

在本部分的最后，對(duì)不同車輛轉(zhuǎn)向技術(shù)的特點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)與比較，見(jiàn)表2[43]。

4 輪轂電機(jī)推動(dòng)四輪驅(qū)動(dòng)技術(shù)發(fā)展

4.1 輪轂電機(jī)介紹

輪轂電機(jī)（In-Wheel Motor）是包括直流無(wú)刷電機(jī)（BLDCM）、同步電機(jī)、異步電機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)（SRM）等一系列，可以安裝在汽車輪轂上提供動(dòng)力的電機(jī)的總稱，其中直流無(wú)刷電機(jī)和開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)逐漸成為研究主流，圖3是開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖[44]。輪轂電機(jī)省去了機(jī)械式的傳動(dòng)系，在減少機(jī)械損失的同時(shí)更方便電子差速器的設(shè)計(jì)。因此可以滿足更多自由度控制策略的要求，逐漸成為了四輪驅(qū)動(dòng)甚至自動(dòng)駕駛車輛驅(qū)動(dòng)方式的新寵。傳統(tǒng)的控制算法融合電機(jī)控制技術(shù)[45]、LQR最優(yōu)設(shè)計(jì)[46]、滑?？刂?、模糊控制等手段，可以提高電機(jī)的響應(yīng)速度、驅(qū)動(dòng)效率和整車的控制效果[47-48]。

表2 車輛轉(zhuǎn)向技術(shù)總結(jié)與對(duì)比[43]

圖3 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)[44]

4.2 輪轂電機(jī)的控制方法

作為經(jīng)典的電機(jī)控制理論，PID控制因?yàn)槠浞€(wěn)定的控制效果以及融合其他控制理論的空間，經(jīng)久不衰[49]。

從控制理論來(lái)說(shuō)，PI控制器變可以滿足對(duì)BLD?CM的控制需求，羅小麗等人對(duì)BLDCM的PI模糊控制進(jìn)行了研究，控制的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4[50]。對(duì)比試驗(yàn)表明，與傳統(tǒng)的閉環(huán)PI控制器相比，轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)的模糊PID控制器響應(yīng)快速、平穩(wěn)，可以靈活地實(shí)現(xiàn)各種控制策略。

東北電力大學(xué)的趙天宇等人，對(duì)傳統(tǒng)PID控制算法進(jìn)行了變論域模糊控制的融合，并且和傳統(tǒng)PID以及模糊PID算法進(jìn)行了對(duì)比[51]。仿真結(jié)果表明，相比而言，變論域的模糊PID在抗擾動(dòng)、控制響應(yīng)等方面均有著更好的表現(xiàn)。此外，變論域模糊PID控制器實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，計(jì)算量少，適應(yīng)性好，可以作用在高動(dòng)靜態(tài)性能及高控制精度的調(diào)速及數(shù)字伺服控制系統(tǒng)。

圖4 模糊PI控制器結(jié)構(gòu)圖[50]

以上2種均為經(jīng)典的電機(jī)控制手段，除此還有BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)-PID[52]，優(yōu)化的向量控制，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識(shí)別的電機(jī)控制等控制手段也均有研究。對(duì)于車載的輪轂電機(jī)而言，可以從電機(jī)的響應(yīng)速度、驅(qū)動(dòng)效率等角度入手，改善整車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性[53-54]。

4.3 輪轂電機(jī)與四輪驅(qū)動(dòng)車輛的融合

4.3.1 線控技術(shù)

線控技術(shù)是一種車輛電子化的技術(shù)，以數(shù)據(jù)總線控制各執(zhí)行機(jī)構(gòu)，省去了機(jī)械式的連接。為了保證車輛在車內(nèi)電子通信失效時(shí)仍然可控，現(xiàn)有的線控技術(shù)都會(huì)配置電子或機(jī)械式的冗余設(shè)計(jì)。目前已有搭載線控制動(dòng)或線控轉(zhuǎn)向的量產(chǎn)車輛，比如擎度科技的無(wú)人運(yùn)輸車，英菲尼迪的Q50等，但是完全線控的車輛仍在研發(fā)中。

吉林大學(xué)的P.Song等人，基于四輪驅(qū)動(dòng)-四輪轉(zhuǎn)向車輛，設(shè)計(jì)了一種新型的整車線控控制器[55]。設(shè)計(jì)目標(biāo)為降低輪胎負(fù)荷，同時(shí)提升車輛的操縱穩(wěn)定性。值得一提的是，設(shè)計(jì)的對(duì)比試驗(yàn)中，將各種不同控制算法下的輪胎最大可用合力進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，以此來(lái)表明各種策略對(duì)路面附著的利用程度和附著裕度。試驗(yàn)表明終端滑?？刂疲═SMC）和設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)力分配約束融合控制可以給車輛提供更加優(yōu)秀的性能表現(xiàn)。

因?yàn)榫€控系統(tǒng)存在時(shí)延，在響應(yīng)駕駛員操作時(shí)存在滯后，執(zhí)行的滯后會(huì)影響整車的運(yùn)動(dòng)，這種影響在轉(zhuǎn)向工況下更為重要。清華大學(xué)的Z.Shuai等人，對(duì)車輛線控系統(tǒng)存在的時(shí)延特性進(jìn)行考慮，設(shè)計(jì)了一種DYC控制器，控制器的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5[56]。將AFS-DYC融合技術(shù)在線控系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，就要考慮CAN總線時(shí)延帶來(lái)的影響，該控制器在設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)車輛總線系統(tǒng)進(jìn)行了仿真與建模，降低時(shí)延帶來(lái)的影響。通過(guò)與未考慮時(shí)延的AFS-DYC控制器進(jìn)行對(duì)比，考慮時(shí)延的控制器可以更好地保證車輛在轉(zhuǎn)向工況下的操縱穩(wěn)定性。

圖5 考慮CAN總線時(shí)延的AFS-DYC控制器結(jié)構(gòu)[56]

圖6 是日本神奈川工學(xué)院Y.Suzuki等人設(shè)計(jì)的完全線控的電動(dòng)汽車，該車被用來(lái)試驗(yàn)不同的驅(qū)動(dòng)力控制策略[57]。

圖6 神奈川工業(yè)大學(xué)的線控電動(dòng)車[57]

4.3.2 驅(qū)動(dòng)力分配策略

三星電子的K.Nam等人，對(duì)搭載輪轂電機(jī)的車輛進(jìn)行了基于滑?？刂评碚摵虳YC的轉(zhuǎn)矩分配控制器設(shè)計(jì)[58]?？刂破髦谢Ｃ娴脑O(shè)定目標(biāo)是可以快速且穩(wěn)定地響應(yīng)橫擺力矩的需求，整體控制器的設(shè)計(jì)目標(biāo)是提升車輛的側(cè)向穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)車輛狀態(tài)的估計(jì)也提出了新的觀測(cè)器方案，和實(shí)際傳感器測(cè)量到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，證明觀測(cè)器的設(shè)計(jì)是可以準(zhǔn)確估計(jì)當(dāng)前車輛狀態(tài)的，為低成本的電動(dòng)車輛開(kāi)發(fā)提供了方法。

H.Zhang等人將AFS-DYC技術(shù)和魯棒性整定技術(shù)進(jìn)行了融合，設(shè)計(jì)目標(biāo)為變化的縱向車速下維持更好的操縱穩(wěn)定性[59]。該融合技術(shù)并不新穎，但是其開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程中的變參數(shù)思想值得在其它控制策略的開(kāi)發(fā)過(guò)程中得到應(yīng)用[60]。

4.3.3 其余研究

遼寧工業(yè)大學(xué)的Z.Yang等人，針對(duì)搭載了四輪轂電機(jī)的四輪驅(qū)動(dòng)-四輪轉(zhuǎn)向車輛，因?yàn)闊o(wú)法準(zhǔn)確提供像傳統(tǒng)車輛一樣的路感，提出了一種路感模擬器[61]。方向盤(pán)的反饋轉(zhuǎn)矩和車速、方向盤(pán)轉(zhuǎn)角有關(guān)，試驗(yàn)也驗(yàn)證了提供合適的路感可以減輕駕駛員的駕駛負(fù)擔(dān)，此種方法也適用于搭載線控技術(shù)的車輛。

對(duì)于電驅(qū)動(dòng)的4WD車輛來(lái)說(shuō)，以經(jīng)濟(jì)性作為轉(zhuǎn)矩分配目標(biāo)的優(yōu)化策略，經(jīng)常采用查閱電機(jī)效率Map圖，輸出對(duì)應(yīng)的經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速或者轉(zhuǎn)矩。通常四輪電機(jī)都是相同的電機(jī)，直線時(shí)兩側(cè)動(dòng)力均分，查閱效率Map圖的方法可以獲得最大的傳動(dòng)效率，但是當(dāng)兩側(cè)電機(jī)不同時(shí)，能否獲得更好的傳動(dòng)系效率呢？X.Yuan等人在NEDC循環(huán)工況下從傳動(dòng)系效率入手，考慮電機(jī)的磁通損失，建立了車輛傳動(dòng)系損失模型，對(duì)高轉(zhuǎn)速和低轉(zhuǎn)矩兩種工作區(qū)域進(jìn)行了效率優(yōu)化，同時(shí)也對(duì)不同電機(jī)的搭配使用從提高效率的角度給出了建議[62]。直線行駛時(shí)，新的轉(zhuǎn)矩分配策略和兩側(cè)等轉(zhuǎn)矩分配相比，永磁電機(jī)的損失減少了27%，能源利用效率提高了4%。

對(duì)于輪轂電機(jī)這種方便控制的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模式識(shí)別功能，進(jìn)行車輛工況識(shí)別，調(diào)整車輛的參數(shù)來(lái)獲得更好的車輛駕駛性能，正在成為一種研究趨勢(shì)。目前，這種方法正成為混合動(dòng)力車輛的動(dòng)力源協(xié)調(diào)的新思路，相信不久也會(huì)在電動(dòng)車輛控制上展現(xiàn)出應(yīng)有的優(yōu)勢(shì)。

在本部分的最后，對(duì)各種可作為車輛輪轂電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)，見(jiàn)表3[63]。

表3 各輪轂電機(jī)優(yōu)缺點(diǎn)[63]

5 結(jié)束語(yǔ)

縱覽四輪驅(qū)動(dòng)車輛控制策略近20年的研究發(fā)展，不難發(fā)現(xiàn)，對(duì)車輛控制的策略和控制的輸出經(jīng)歷了從低維度到多維度的變化，控制手段和目標(biāo)從單一到復(fù)雜的發(fā)展。從動(dòng)力源來(lái)看，經(jīng)歷了從傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)到混合動(dòng)力，再到純電動(dòng)的變化；從車輛的驅(qū)動(dòng)形式來(lái)看，經(jīng)歷了從前驅(qū)、后驅(qū)、傳統(tǒng)四輪驅(qū)動(dòng)到四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的發(fā)展；從控制目標(biāo)來(lái)看，經(jīng)歷了從追求性能到節(jié)能減排再到兩者兼顧的變化；從控制方法來(lái)看，從傳統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型出發(fā)，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了多種成熟的控制算法，未來(lái)將會(huì)走向人工智能的控制領(lǐng)域。

當(dāng)前，研究還存在著模型不夠精確、數(shù)據(jù)難以獲取[64]、算法不夠智能等問(wèn)題。未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)，對(duì)新的車輛仿真模型的開(kāi)發(fā)[65]，新的測(cè)量方法[66]、估計(jì)方法的提出與檢驗(yàn)，線控技術(shù)的發(fā)展，智能算法在實(shí)車上的落地，都仍然會(huì)是推動(dòng)車輛智能化、高效化的有力研究。