四輪獨立驅(qū)動與轉(zhuǎn)向電動車輛運動控制系統(tǒng)及控制策略研究

來鑫++陳辛波++武曉俊++梁棟

摘 要：介紹了一種四輪獨立驅(qū)動與轉(zhuǎn)向（four-wheel independent driving and steering，4WIS-4WID）電動車輛的結(jié)構和原理，對其電子操縱系統(tǒng)進行了設計，在此基礎上構建了一種基于CAN總線的車輛運動網(wǎng)絡控制系統(tǒng)。該電動車輛具有全輪轉(zhuǎn)向、前（后）輪轉(zhuǎn)向、平行移動、原地轉(zhuǎn)向等多種轉(zhuǎn)向模式，分別對這些運動轉(zhuǎn)向模式進行運動學建模。在控制策略上提出了一種分布式“位置—速度”雙環(huán)反饋控制策略，各車輪轉(zhuǎn)向角同時調(diào)節(jié)，車輪運動動態(tài)跟蹤性能良好，車輛滿足實時運動學要求。最后通過實車試驗驗證了網(wǎng)絡控制系統(tǒng)結(jié)構和控制策略的有效性。

關鍵詞：電動車輛；四輪獨立驅(qū)動與轉(zhuǎn)向；運動學建模；控制策略

中圖分類號：TH-39文獻標文獻標識碼：A文獻標DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2015.05.04

與傳統(tǒng)車輛相比，四輪獨立轉(zhuǎn)向（Four-Wheel Independent Steering，4WIS）車輛有如下優(yōu)點[1-2]：具有更多自由度，車輛的機動性及循跡能力更高；轉(zhuǎn)向操作的響應速度及準確性更高；具有更小的轉(zhuǎn)彎半徑，操縱穩(wěn)定性與靈便性強。4WIS能較好地滿足現(xiàn)代車輛對舒適性、安全性、機動性、操縱穩(wěn)定性的要求，成為了國內(nèi)外研究的熱點。近年來隨著電池技術及電機技術的發(fā)展，以輪轂電機為動力直接驅(qū)動的四輪獨立驅(qū)動（Four-Wheel Independent Driving，4WID）車輛得到了很好的發(fā)展，它具有結(jié)構簡單、驅(qū)動力分布靈活可控、通過性能好、爬坡能力及起步加速性能出色等優(yōu)點[3]。四輪獨立驅(qū)動與轉(zhuǎn)向車輛結(jié)合4WID與4WIS技術，具有直行、蟹行、前輪轉(zhuǎn)向、后輪轉(zhuǎn)向、繞任意點轉(zhuǎn)向、零半徑轉(zhuǎn)向等多種運動模式[4]，在車間物流車、科考車輛、農(nóng)業(yè)特種車等方面得到了廣泛應用[5-7]。

傳統(tǒng)車輛的車輪通過機械機構連接在一起，各車輪之間運動關系是明確的，而對于具有高機動性的4WIS-4WID車輛，各車輪的運動是獨立控制的，各車輪的運動狀態(tài)都會影響車輛的運行狀態(tài)，因此構建適宜的車輛運動控制系統(tǒng)及控制策略是至關重要的。

本文首先對一種四輪獨立驅(qū)動和轉(zhuǎn)向電動車輛的結(jié)構與原理進行了分析，并對其電子操控系統(tǒng)進行設計，在此基礎上提出一種基于CAN（Controller Area Network）總線的車輛運動控制系統(tǒng)。對車輛幾種典型運動模式進行動力學與運動學建模，并對控制策略進行研究，最后通過試驗驗證控制系統(tǒng)結(jié)構及算法的有效性。本文的研究結(jié)論為相關4WIS-4WID車輛的運動控制提供參考。

1 4WIS-4WID電動車輛基本結(jié)構

所設計的4WIS-4WID電動車輛結(jié)構示意圖如圖1（a）所示。該電動車的驅(qū)動力由四個獨立的輪轂電機提供，四個車輪之間沒有任何機械動力傳動裝置。通過輪轂電機控制器可以自由分配各個驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)矩，使車輛具有較好的防滑能力、加速性能及駕駛穩(wěn)定性。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構如圖1（b）所示，電機及電機減速器固定在車身上，轉(zhuǎn)向動力傳遞路徑為：電機→減速器→主銷套筒→上轉(zhuǎn)向臂→下轉(zhuǎn)向臂→主銷活塞，實現(xiàn)轉(zhuǎn)向，四個車輪均可單獨在[-π/2，π/2]內(nèi)轉(zhuǎn)動。該結(jié)構利用上下轉(zhuǎn)向臂傳遞轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)矩，彈簧阻尼傳遞動載荷，具有結(jié)構緊湊、定位參數(shù)易確定等優(yōu)點。各車輪的轉(zhuǎn)角由一定的控制策略與算法獨立控制。

4WIS-4WID車輛具有多種運動模式，為了方便操控車輛的運動，設計了如圖2所示的電子操控系統(tǒng)，車輛操控信號采集及處理控制器（ECU1）實時采集方向盤轉(zhuǎn)角、油門踏板開合角及運動模式選擇按鈕信號。測量方向盤轉(zhuǎn)角的轉(zhuǎn)角傳感器采用絕對式編碼器進行測量，ECU1對正交脈沖信號進行高速捕獲，并從中提取出轉(zhuǎn)角信號及方向信息。電子油門踏板的信號為模擬量，ECU1通過AD采樣將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。運動模式通過控制器ECU1采集開關信號實現(xiàn)，根據(jù)需求共設置了七個選擇開關，分別對應全輪轉(zhuǎn)向模式、普通轉(zhuǎn)向模式（包括前輪轉(zhuǎn)向模式、后輪轉(zhuǎn)向模式）、平行移動模式（包括直走、橫走、斜走）、原地轉(zhuǎn)向模型。

ECU1將這些反映駕駛員駕駛意圖的信號通過CAN總線發(fā)送給主控制器ECU0，ECU0根據(jù)一定的控制策略與算法實時計算出各車輪的目標轉(zhuǎn)角值，并通過CAN總線將其分別發(fā)送給相應的轉(zhuǎn)向電機控制器ECU2-ECU5，對四個轉(zhuǎn)向電機進行閉環(huán)控制。同理控制器ECU0通過CAN總線控制四個輪轂電機的驅(qū)動力矩。實現(xiàn)車輛復雜的運動軌跡，提高車輛的機動性與穩(wěn)定性。

2 控制系統(tǒng)結(jié)構

從4WIS-4WID車輛的結(jié)構可知，車輛操控的控制對象為四個轉(zhuǎn)向電機與四個輪轂電機?？刂葡到y(tǒng)對車輛行駛安全性及操縱靈敏性至關重要，要求其具有較高的可靠性、實時性和較強的抗干擾能力。CAN總線具有可靠性高、實時性強等優(yōu)點而得到廣泛應用[8]，因此本文設計了一種基于CAN總線的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)，其結(jié)構簡圖如圖3所示。方向盤及油門踏板信號采集及處理控制器的作用是采集方向盤的轉(zhuǎn)角信號、油門踏板夾角、轉(zhuǎn)向模式開關選擇信號，并將這些信號通過CAN總線發(fā)送給主控制器。主控制器為整個系統(tǒng)的決策層，它的主要功能是通過CAN總線接收相關傳感信息，根據(jù)一定的控制策略與算法實時計算出四個轉(zhuǎn)向電機的目標轉(zhuǎn)角（、、、）和四個驅(qū)動輪轂電機的目標轉(zhuǎn)矩（T1、T2、T3、T4），并通過CAN總線實時地將控制量發(fā)送給相應的轉(zhuǎn)向及驅(qū)動控制器。上位PC機通過CAN轉(zhuǎn)USB接口實現(xiàn)操控界面與主控制器之間的數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)關鍵數(shù)據(jù)的顯示及記錄，并通過界面自由操控車輛的動作。四個轉(zhuǎn)向電機控制器的功能是接收來自主控制器的目標轉(zhuǎn)角信號，并測量轉(zhuǎn)向電機的旋轉(zhuǎn)角度，進行閉環(huán)控制。同理四個輪轂電機控制器實現(xiàn)四個輪轂電機的閉環(huán)控制。各個控制器之間通過CAN總線進行連接，并自由擴展儀表顯示模塊、電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS）模塊等。整個網(wǎng)絡控制系統(tǒng)基于CAN總線構架，可靠性及實時性較高，擴展性及抗干擾能力強。

5 試驗研究

為了驗證所提出的控制策略的有效性，在所設計開發(fā)的4WIS-4WID試驗電動車輛上進行了試驗。利用如圖7所示的試驗車輛分別對上述幾種典型模式進行了試驗并記錄下數(shù)據(jù)，位置控制及速度控制均采用傳統(tǒng)的PID控制。圖8為試驗數(shù)據(jù)，圖中、、、分別為前左輪、前右輪、后左輪、后右輪轉(zhuǎn)向角的實測值，為控制系統(tǒng)輸入信號，由式（12）得出。

圖8（a）為在停車情況下車輛直走與橫走相互切換時（即或）各車輪轉(zhuǎn)向角的測量值，可以看出四個車輪的轉(zhuǎn)向角基本相等，具有較好的動態(tài)跟蹤特性。圖8（b）為平移模式下隨機轉(zhuǎn)動方向盤（值隨機變化）時車輪運動情況，可以看出四個車輪較好地跟蹤目標轉(zhuǎn)角。圖8（c）為平移模式下前兩輪轉(zhuǎn)角之差ef，可知兩輪轉(zhuǎn)角差在 ±4°以內(nèi)，說明了平移模式下控制方法的有效性。圖8（d）為前輪轉(zhuǎn)向模式下的試驗數(shù)據(jù)，表明了前輪參考轉(zhuǎn)向角較好地跟蹤了，兩前輪轉(zhuǎn)向角1、2在轉(zhuǎn)向時不完全相等，與式（5）的計算結(jié)果基本吻合。圖8（e）為全輪轉(zhuǎn)向模式下各輪轉(zhuǎn)向角數(shù)據(jù)（車速設置為 20 km/h），實測各車輪轉(zhuǎn)向角與車速、轉(zhuǎn)彎半徑、參考轉(zhuǎn)向角等密切相關，與式（1）的計算結(jié)果相符，車輛較平穩(wěn)地完成了四輪轉(zhuǎn)向運動。通過試驗驗證了所提出的控制策略與控制算法的有效性。

6 結(jié)論

（1）對所設計開發(fā)的4WIS-4WID電動車輛的結(jié)構和原理進行了介紹，該車輛運動靈活，具有前輪轉(zhuǎn)向、后輪轉(zhuǎn)向、四輪轉(zhuǎn)向、平移、原地轉(zhuǎn)向等多種運動模式。為了操控方便，對車倆電子操縱系統(tǒng)進行了設計，提出了一種基于CAN總線的車輛運動網(wǎng)絡控制系統(tǒng)結(jié)構。

（2）對4WIS-4WID車輛在不同運動模式下各車輪的轉(zhuǎn)向角及輪心線速度進行了運動學數(shù)學建模，為制定車輛運動控制策略提供了基礎。

（3）提出了分布式“位置—速度”雙環(huán)反饋控制策略，各車輪能同時對轉(zhuǎn)角進行單獨調(diào)節(jié)，在車輛的運動滿足運動學要求的基礎上具有較好的動態(tài)跟蹤性能。最后通過實車試驗驗證了控制系統(tǒng)及控制策略的有效性。

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