多輪獨立驅動裝甲車輛穩(wěn)定性控制

張運銀， 馬曉軍， 劉春光， 廖自力， 張同振

(1. 裝甲兵工程學院控制工程系， 北京100072; 2. 石家莊機械化步兵學院訓練部， 河北 石家莊 050083)

多輪獨立驅動裝甲車輛穩(wěn)定性控制

張運銀1， 馬曉軍1， 劉春光1， 廖自力1， 張同振2

(1. 裝甲兵工程學院控制工程系， 北京100072; 2. 石家莊機械化步兵學院訓練部， 河北 石家莊 050083)

為實現(xiàn)多輪獨立驅動裝甲車輛行駛穩(wěn)定性控制，提出了1種基于G向量控制的驅動力控制方法，利用車輛的橫向加速度信息對車輛的總驅動力矩進行了修正?；?自由度車輛模型，從負載轉移和縱向驅動力影響的角度分析了該穩(wěn)定性控制方法的理論依據(jù)?；谌嗽诃h(huán)實時仿真系統(tǒng)進行了8×8輪轂電機驅動裝甲車輛實時仿真實驗，對該穩(wěn)定性控制算法進行了驗證，仿真結果表明：該控制方法能夠有效增強對車輛橫向運動的控制能力，提高車輛行駛穩(wěn)定性。

電傳動； 多輪獨立驅動； G向量控制；實時仿真

與傳統(tǒng)機械傳動車輛集中式驅動相比，基于輪轂電機驅動的多輪獨立驅動具有獨特優(yōu)勢，各驅動電機的扭矩可以獨立、精確地控制，為整車穩(wěn)定性控制帶來更多自由度。目前，對多輪獨立驅動控制的研究主要集中在4輪獨立驅動車輛，一般以橫擺轉矩控制為基礎，根據(jù)各驅動輪狀態(tài)[1-4]或車輛狀態(tài)[5]，控制各驅動電機的輸出，進而實現(xiàn)對整車穩(wěn)定性控制。其控制特點是強調對單個驅動輪縱向驅動力的優(yōu)化控制，缺乏對總體驅動能力的調節(jié)。文獻[6-7]作者則忽略單個驅動輪控制的影響，基于雙側縱向驅動力控制的思想，提出了一種雙重轉向的控制策略，即在理論計算的橫擺轉矩需求基礎上再增加適量橫擺轉矩，用于轉向的轉矩輸出,仿真結果表明：雙重轉向控制減小了車輛在中、低速轉向時的轉向半徑，能夠提高車輛的轉向性能。但此方法僅限于轉向控制過程，并且過大的轉向扭矩負載易使車輛底盤發(fā)生機械故障。國內關于8輪獨立驅動控制車輛的研究極少，只有部分類似方案的簡單動力學仿真[8]。

筆者以8×8輪轂電機驅動裝甲車輛為研究對象，提出了一種基于G向量控制的頂層驅動力控制方法，利用車輛的橫向加速度信息對車輛的總驅動力矩進行修正，進而實現(xiàn)對整車的穩(wěn)定性控制，并基于人在環(huán)實時仿真系統(tǒng)進行實時仿真試驗，對該穩(wěn)定性控制算法進行驗證。

1 G向量控制

G向量控制基本規(guī)則可以表示為[9-11]

(1)

G向量控制規(guī)則可由圖1形象表示:當車輛開始轉向時，車輛整體縱向速度減小，驅動性能適當降低；當達到穩(wěn)定轉向時，橫向加加速度為0，車輛速度趨于恒定；當車輛轉向輪回正時，車輛開始加速，車輛縱向加速性能恢復；當車輛轉向輪完全回正時，橫向加加速度為0，車輛速度恢復到轉向前的狀態(tài)。

圖1 G向量控制規(guī)則

根據(jù)車輛油門踏板信號解算出基本的總需求驅動力矩Tref為[12]

(2)

式中：κ為油門開度，κ∈[0,1]；ni為電機i(i=1,2,…,8)的當前轉速；Tmax(ni)為電機i在當前轉速下的最大輸出轉矩。

采用PI控制器計算車輛總需求驅動力矩修正量ΔT為

(3)

式中：Gx為縱向加速度；kp1和ki1分別為比例與積分系數(shù)。則最終車輛總需求驅動力矩T為

T=Tref+ΔT。

(4)

2 G向量控制可行性分析

忽略車輛的側傾運動和俯仰運動，則車輛的運動可看作是剛體作平面運動。車輛平面運動方程可表示為[13-14]

(5)

式中：m為車輛質量；γ為橫擺角速度；Iz為繞車輛垂向的轉動慣量；Xf、Xr分別為前、后輪縱向牽引力；Yf、Yr分別為前、后輪橫向力；lf、lr分別為車輛前、后軸到質心的距離。

2.1 負載相關性分析

輪胎側偏剛度Kq與垂直載荷Wq關系可近似表示為

Kq=CWq,

(6)

式中：C為系數(shù)；q分別代表前(f)、后(r)輪。

考慮加速度影響下的載荷轉移，前、后輪載荷Wf和Wr分別為

(7)

式中：g為重力加速度；l為前后軸距離；h為質心高度。

因此，前、后輪側偏剛度Kf和Kr分別為

(8)

式中：Kf0、Kr0分別為前、后輪穩(wěn)態(tài)側偏剛度。

則前、后車輪的橫向力Yf和Yr分別為

(9)

式中：Yf0、Yr0分別為前、后輪穩(wěn)態(tài)橫向力；αf、αr分別為前、后輪側偏角。

從2個角度對式(9)進行分析：1)Yf和Yr恒定時，根據(jù)Gx來控制αf和αr，其與主動4輪轉向的工作原理相類似，即欲增大Gx，需增大αf且減小αr；2)當αf和αr一定時，Yf和Yr直接受Gx控制。

將式(9)代入式(5)中進一步整理可得

(10)

(11)

式中：Gy0、M0分別為穩(wěn)態(tài)時的橫向力和橫擺轉矩。

采用G向量控制，轉向時，車輛減速，Gx<0；當轉向穩(wěn)定時，Gx=0；轉向回正時，車輛加速，Gx>0。因此，在車輛減速過程中，車輛的橫向運動和橫擺運動被加強，操控性能得以提高；當轉向達到穩(wěn)定時，轉向操控性能回歸正常水平；在轉向輪完全回正、車輛直線行駛時，橫向力和橫擺運動減弱，車輛保持直線運動方向的能力增強。

2.2 縱向牽引力相關性分析

總的縱向牽引力X可近似表示為

X=mGx，

(12)

前、后輪縱向牽引力Xf、Xr分別為

(13)

式中：η為比例系數(shù)，且η∈[0,1]。

假定輪胎與地面之間的摩擦因數(shù)為μ，則輪胎與地面的摩擦力Fj為

Fj=μWj。

(14)

由摩擦圓理論[15-16]可知：輪胎縱向力Xj與橫向力Yj的關系為

(15)

因此，可以通過Xj來修正式(9)計算所得的Yj(在2.1節(jié)中，沒有考慮縱向牽引力的上限問題)。修正值Yj-X可表示為

(16)

對式(16)中的平方根取適當?shù)墓乐担瑒t式(9)可進一步表示為

(17)

實際上，按照一般的車輛參數(shù)進行計算，式(17)的方括號部分將一直為正且小于1，無論Gx取何值(Gx≠0)，與式(9)相比，Yf和Yr都處于減小趨勢。因此，Xf和Xr變化會導致Yf和Yr減小，具體表現(xiàn)為:因Xf和Xr增大或減小而使Gx為正或負時，Yf和Yr都會減小;減少量直接受Gx變化量控制,特別是μ較小時，Yf和Yr的變化幅度將明顯增大。

由上述分析可知，由Gx變化引起的Yj的改變表現(xiàn)在2個方面：1)垂向負載轉移引起的橫向力增強；2)縱向牽引力的存在導致橫向力作用減弱。例如：即使η=1(縱向牽引力全部分配到前輪)，此時只有Yf才有減弱的趨勢；當因Xf變化導致Wf減小時，Yf急劇減小，同時Wr增加，Yr得到加強。在此過程中，Yj的具體變化量可以通過改變Xj來調節(jié)，因此G向量控制能夠提高車輛的穩(wěn)定性。

3 人在環(huán)實時仿真平臺

人在環(huán)實時仿真系統(tǒng)的總體結構如圖2所示。

圖2 人在環(huán)實時仿真平臺的總體結構

該系統(tǒng)主要包括4部分：1)駕駛員模擬操縱系統(tǒng)，主要用于采集駕駛員的加速、制動及轉向等操控信號；2)dSPACE仿真系統(tǒng)，主要用于車輛行駛控制策略的實時仿真；3)RT-Lab仿真系統(tǒng)，主要用于電機及其驅動控制系統(tǒng)實時仿真；4)Vortex仿真系統(tǒng)，主要用于車輛動力學實時仿真。

實時仿真平臺同時采用CAN總線和FlexRay總線，以滿足不同控制對象的通訊實時性要求。其中：在駕駛員模擬操控系統(tǒng)、Vortex仿真系統(tǒng)及dSPACE仿真系統(tǒng)間采用CAN總線連接；dSPACE仿真系統(tǒng)與RT-LAB仿真系統(tǒng)間采用FlexRay總線連接。

實時仿真平臺具體工作原理為：dSPACE仿真系統(tǒng)根據(jù)駕駛員控制指令及車輛狀態(tài)反饋信息，進行既定車輛行駛控制策略的解算，得到驅動電機給定轉矩；RT-LAB仿真系統(tǒng)在接收到轉矩給定指令后，結合當前轉速信息，經(jīng)過解算后給出電機實際轉矩輸出；各驅動電機實際轉矩輸出值經(jīng)過折算后作為車輪驅動力矩，在Vortex仿真系統(tǒng)中，直接加載到車輛模型的驅動輪，經(jīng)過動力學解算后，反饋車輛狀態(tài)信息；同時，構建仿真場景，實時顯示整車運動過程，并利用dSPACE圖形界面功能設計整個系統(tǒng)運行狀態(tài)參數(shù)顯示界面。

4 實時仿真試驗及分析

仿真試驗車輛為8×8輪轂電機驅動電傳動裝甲車輛，車輛及電機驅動系統(tǒng)部分參數(shù)如表1所示。

4.1 行駛控制過程分析

蛇行試驗是評價車輛穩(wěn)定性的重要試驗，可以考查車輛在接近側滑或側翻工況下的操縱性能，以及綜合評價車輛的行駛穩(wěn)定性。試驗時，油門踏板開度固定為70%，車輛由靜止直線加速至約50 km/h時，分別在無控制和G向量控制2種模式下進行，其方向盤行程變化曲線如圖3所示，可見2種控制模式下方向盤轉向信號基本一致：在10～15 s期間方向盤右轉向，15～20 s期間保持方向盤行程不變，20～25 s期間方向盤回轉;在30～35 s期間方向盤左轉向，35～40 s期間保持方向盤行程不變，40～45 s期間方向盤回轉。

表1 車輛及電機驅動系統(tǒng)部分參數(shù)

圖3 2種控制模式下方向盤轉向行程變化曲線

圖4 2種控制模式下總轉矩系數(shù)變化曲線

圖5、6分別為無控制、G向量控制時，各驅動電機給定轉矩隨時間的變化曲線，可知：1)無控制時，各驅動電機給定轉矩完全一致(曲線重合)，并且隨車速變化而變化；2)當采用G向量控制時，各驅動電機給定轉矩完全一致(曲線重合)，但在轉向時，其隨圖4中的總轉矩系數(shù)相應變化，符合該控制方法對轉矩的控制規(guī)律。

圖5 無控制時各驅動電機給定轉矩變化曲線

圖6 G向量控制時各驅動電機給定轉矩變化曲線

圖7、8分別為2種控制模式下車輛縱向加速度及車速變化曲線，可知：1)方向盤開始轉向時，車輛縱向加速度減小并變?yōu)樨撝?，車速也開始降低；2)轉向穩(wěn)定時，車輛縱向加速度恢復到0附近，車速變化緩慢；3)方向盤回轉時，車輛縱向加速度增大，車速也迅速增大；4)方向盤完全回正后，車輛縱向加速度減小，車速恢復到初始值(50 km/h)。轉向過程中，縱向加速度及車速變化趨勢符合圖1中G向量控制規(guī)則。此外，圖7中，雖然右轉向2種控制模式下的縱向加速度差別不大，但左轉向時的縱向加速度差距較大(最大差值為1 m/s2)，此時，圖8中車速差距明顯較大(36.5 s時最大為15 km/h)，降速幅度超過50%。

圖7 2種控制模式下車輛縱向加速度變化曲線

圖8 2種控制模式下車輛車速變化曲線

4.2 行駛控制穩(wěn)定性分析

車輛行駛控制穩(wěn)定性可用橫向加速度隨時間的變化規(guī)律表示，如圖9所示?？梢钥闯觯?)無控制時，車輛橫向加速度較大，最大值接近10 m/s2；2)當采用G向量控制時，車輛的橫向加速度減小，特別是在左轉向36.5 s左右時，橫向加速度由無控制時的5 m/s2減小到1.5 m/s2。圖10為車輛質心側偏角變化曲線，可知：當采用G向量控制時，車輛質心側偏角明顯減小，其峰值降低接近50%。圖11為橫擺角速度變化曲線，可知：1)無控制時，車輛橫擺角速度變化劇烈，與理論橫擺角速度差距較大，特別是當左轉向37 s時，超過理論值一倍；2)當采用G向量控制時，車輛橫擺角速度基本能夠穩(wěn)定跟隨理論參考值，誤差值相對較小?？傮w而言，G向量控制能夠提高車輛穩(wěn)定性。

圖9 橫向加速度變化曲線

圖10 質心側偏角變化曲線

圖11 橫擺角速度變化曲線

5 結論

本文針對8×8輪轂電機驅動裝甲車輛，提出了一種基于G向量控制的多輪獨立驅動車輛行駛穩(wěn)定性控制方法，利用車輛的橫向加速度信息調節(jié)總驅動力矩,并基于車輛2自由度模型分析了G向量控制的理論依據(jù)，通過人在環(huán)實時仿真系統(tǒng)進行了實時仿真試驗，仿真結果表明：G向量控制能夠有效控制車輛的橫向運動、抑制車輛的質心側偏角，從而提高車輛橫擺角速度跟隨能力和車輛行駛穩(wěn)定性。該控制方法為多輪獨立驅動車輛的行駛穩(wěn)定性控制提供了新的思路。后續(xù)將進一步研究對各獨立驅動電機進行轉向時的力矩控制，實現(xiàn)總驅動力矩優(yōu)化控制與單個驅動輪縱向力優(yōu)化控制相結合，進一步提高車輛的操縱穩(wěn)定性。

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(責任編輯:尚菲菲)

Stability Control of Armored Vehicles by Multi-wheel Independent Drive

ZHANG Yun-yin1, MA Xiao-jun1, LIU Chun-guang1, LIAO Zi-li1, ZHNAG Tong-zhen2

(1. Department of Control Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China; 2. Department of Training, Shijiazhuang Mechanical Infantry Academy, Shijiazhuang 050083, China)

For stability control of armored vehicles by multi-wheel independent drive, a new kind of drive torque control method based on G-vector is given. The total drive torque is optimized using the vehicle lateral acceleration information. The control feasibility is proved by analyzing the effect of load transmission and longitudinal drive torque based on two-degree-of-freedom vehicle model. This control method is validated based on the driver in-loop real-time simulation system of 8×8 in-wheel motor drive armored vehicle. The simulation results show that the ability to control the lateral motion of the vehicle is improved effectually and the driving stability is improved.

electric drive; multi-wheel independent drive; G-vector control; real-time simulation

1672-1497(2015)05-0026-06

2015-03-30

軍隊科研計劃項目

張運銀(1987-)，男，博士研究生。

TJ81+0.34; TP391.9

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2015.05.007