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摘要：文章首先對(duì)全輪獨(dú)立電驅(qū)動(dòng)車輛雙重轉(zhuǎn)向控制的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)進(jìn)行了闡述；其后，基于卡爾曼濾波算法，對(duì)全輪獨(dú)立電驅(qū)動(dòng)車輛雙重轉(zhuǎn)向控制的車輛狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析；最后，圍繞車輛操縱穩(wěn)定性、車輛直線驅(qū)動(dòng)以及轉(zhuǎn)向性能三個(gè)方面，研究了全輪獨(dú)立電驅(qū)動(dòng)車輛雙重轉(zhuǎn)向控制的車輛運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)策略。

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

隨著現(xiàn)代社會(huì)的快速發(fā)展，不可再生資源的枯竭問(wèn)題日益嚴(yán)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(lái)，為了應(yīng)對(duì)能源危機(jī)，電動(dòng)汽車行業(yè)嶄露頭角，并受到了社會(huì)各界的廣泛關(guān)注，我國(guó)政府更是了《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(dòng)電動(dòng)汽車行業(yè)發(fā)展定為能源安全建設(shè)的重要目標(biāo)。

1全輪獨(dú)立電驅(qū)動(dòng)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(jì)中，車輛的方向轉(zhuǎn)變是由車輪角度的變化實(shí)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(huì)表現(xiàn)出明顯的“力不從心”，出現(xiàn)過(guò)度滑轉(zhuǎn)、難以控制等負(fù)面情況，不僅會(huì)降低車輛的高速穩(wěn)定性，還可能對(duì)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(jì)概念，在降低車輪轉(zhuǎn)彎半徑、提高車輛制動(dòng)效能的同時(shí)，也有效規(guī)避了單純拖滑轉(zhuǎn)向的輪胎磨損問(wèn)題[1]。在全輪獨(dú)立電驅(qū)動(dòng)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(gè)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(guò)方向盤(pán)發(fā)出轉(zhuǎn)向指令時(shí)，雙重轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)首先會(huì)對(duì)基于指令進(jìn)行轉(zhuǎn)角模擬，繼而在平移、橫擺、側(cè)傾三個(gè)方面自由度的參考背景下，運(yùn)算預(yù)測(cè)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(guò)PID控制器對(duì)穩(wěn)態(tài)誤差的響應(yīng)處理，對(duì)轉(zhuǎn)矩分配系統(tǒng)發(fā)出合理化的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，從而完成四個(gè)車輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)力的重新分配。同時(shí)，在這一過(guò)程當(dāng)中，雙重轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)還會(huì)對(duì)車輛所處的縱向車速、當(dāng)前驅(qū)動(dòng)等狀態(tài)信息進(jìn)行同步觀測(cè)，以確保轉(zhuǎn)向控制結(jié)果的動(dòng)態(tài)性與準(zhǔn)確性。

2全輪獨(dú)立電驅(qū)動(dòng)車輛雙重轉(zhuǎn)向控制的車輛狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在全輪獨(dú)立電驅(qū)動(dòng)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(jìn)行車輛狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)這一子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在車輛狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，首先需要圍繞輪胎力這一車輛運(yùn)行的重要參數(shù)建立自適應(yīng)模型，以便直觀化、真實(shí)化地對(duì)車輛輪胎運(yùn)行中的垂直荷載、摩擦系數(shù)等數(shù)值進(jìn)行分析。在模型分析中，可應(yīng)用公式Fy=（C+△C）β0進(jìn)行車輛輪胎側(cè)向力的運(yùn)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(zhǔn)參量，β0表示輪胎側(cè)向偏轉(zhuǎn)的具體角度。基于此，通過(guò)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(yùn)算公式為C=f（FS，μ）。在車輛狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)當(dāng)中，由于車輛的轉(zhuǎn)向角度具有一定隨機(jī)性，因此可將△C這一校準(zhǔn)參量視為0，繼而結(jié)合車輛動(dòng)力模型與卡爾曼濾波算法。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(yùn)行狀態(tài)的仿真平臺(tái)，將時(shí)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(duì)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(duì)車輛行駛中的整體狀態(tài)進(jìn)行仿真觀測(cè)。在仿真觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)，車輛的運(yùn)行狀態(tài)可實(shí)現(xiàn)較準(zhǔn)確的線性辨識(shí)，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(shí)，仿真實(shí)驗(yàn)表明，算法系統(tǒng)對(duì)于輪胎力即輪胎測(cè)量偏轉(zhuǎn)剛度值這一重要狀態(tài)數(shù)據(jù)具備迅速、準(zhǔn)確的響應(yīng)效果，可實(shí)現(xiàn)良好的自適應(yīng)能力。

3全輪獨(dú)立電驅(qū)動(dòng)車輛雙重轉(zhuǎn)向控制的車輛運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1車輛操縱穩(wěn)定性的控制

在車輛運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，首先要考慮到全輪獨(dú)立電驅(qū)動(dòng)車輛雙重轉(zhuǎn)向控制下車輛操縱的穩(wěn)定性問(wèn)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(duì)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(kāi)展這一性能的系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，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(shí)施轉(zhuǎn)向操作時(shí)，輪胎就很容易發(fā)生側(cè)滑現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致車輛出現(xiàn)轉(zhuǎn)向不足或轉(zhuǎn)向過(guò)足，對(duì)車輛標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)行狀態(tài)與動(dòng)線預(yù)期產(chǎn)生影響。針對(duì)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(gè)角度入手，進(jìn)行車輛運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的操縱穩(wěn)定性設(shè)計(jì)。由此可見(jiàn)，當(dāng)車輛速度較慢時(shí)，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(guò)快時(shí)，質(zhì)心側(cè)偏角β的數(shù)值會(huì)隨之增大，進(jìn)而造成車輛操縱穩(wěn)定性的下降，出現(xiàn)側(cè)滑問(wèn)題。因此，在進(jìn)行全輪獨(dú)立電驅(qū)動(dòng)車輛雙重轉(zhuǎn)向控制的車輛運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)著重進(jìn)行車輛橫擺力矩的調(diào)整，以此提高車輛轉(zhuǎn)向運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。

3.2車輛直線驅(qū)動(dòng)的控制

提高車輛在低附著路面上的準(zhǔn)確轉(zhuǎn)向，是全輪獨(dú)立電驅(qū)動(dòng)車輛雙重轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)與應(yīng)用目標(biāo)。這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，在很大程度上取決于車輪驅(qū)動(dòng)力的控制水平。同時(shí)需要注意的是，車輪的驅(qū)動(dòng)力與其驅(qū)動(dòng)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(dòng)力也就越強(qiáng)，車輛在運(yùn)行和轉(zhuǎn)向中的穩(wěn)定性也就越高。基于此，可將最優(yōu)滑移率這一概念融入到車輛運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)當(dāng)中，以此實(shí)現(xiàn)路面附著系數(shù)的高效利用，最終提高車輛整體的動(dòng)能質(zhì)量。若將路面附著系數(shù)與車輪滑移率代入到坐標(biāo)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(shí)，車輪與路面間的附著系數(shù)最大，即代表車輛的驅(qū)動(dòng)力達(dá)到最高水平。基于此，車輛控制系統(tǒng)中直線驅(qū)動(dòng)控制部分的設(shè)計(jì)目標(biāo)，就是推動(dòng)車輪的滑移率無(wú)限接近最優(yōu)滑移率，從而達(dá)成最佳的雙重轉(zhuǎn)向控制效果。通過(guò)這樣的系統(tǒng)控制方式，可顯著提高車輛在運(yùn)行和轉(zhuǎn)向過(guò)程中對(duì)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(guò)足、轉(zhuǎn)向不足問(wèn)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(shí)，車輛的實(shí)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(shí)，車輛的轉(zhuǎn)向速度也會(huì)隨之加快，進(jìn)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(jìn)行全輪獨(dú)立電驅(qū)動(dòng)車輛雙重轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，可基于橫擺力矩進(jìn)行車輛轉(zhuǎn)向性能的控制處理[3]。結(jié)合分層化的設(shè)計(jì)原則，可將車輛轉(zhuǎn)向性能的控制分成目標(biāo)設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)控制、運(yùn)動(dòng)分配三個(gè)層級(jí)。其中，目標(biāo)設(shè)計(jì)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(pán)操縱指令，模擬預(yù)測(cè)出車輛的轉(zhuǎn)向控制目標(biāo)。其后，運(yùn)動(dòng)控制層根據(jù)已生成的目標(biāo)參數(shù)，計(jì)算出目標(biāo)所需的驅(qū)動(dòng)力及橫擺力矩。最后，運(yùn)動(dòng)控制層將運(yùn)算結(jié)果傳遞到運(yùn)動(dòng)分配層，繼而根據(jù)車輛的運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，對(duì)各車輪的電機(jī)進(jìn)行動(dòng)能分配，進(jìn)而使各車輪產(chǎn)生科學(xué)合理的驅(qū)動(dòng)力，以此實(shí)現(xiàn)車輛運(yùn)動(dòng)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(dú)立電驅(qū)動(dòng)車輛具有能源清潔、動(dòng)能優(yōu)質(zhì)、分配靈活等諸多優(yōu)勢(shì)，具有良好的應(yīng)用價(jià)值與推廣前景。在設(shè)計(jì)與應(yīng)用實(shí)踐當(dāng)中，為了提升全輪獨(dú)立電驅(qū)動(dòng)車輛行駛的安全性與穩(wěn)定性，應(yīng)做好監(jiān)測(cè)、控制等系統(tǒng)的科學(xué)設(shè)計(jì)，通過(guò)調(diào)整橫擺力矩、提高路面附著系數(shù)等手段，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向過(guò)程中各車輪驅(qū)動(dòng)力的最優(yōu)分配，達(dá)成最佳的操縱控制效果。

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作者:鄭博天 單位:中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一三研究所