多軸機電復合分布式驅動車輛轉向半徑模式控制策略

胡紀濱， 付苗苗， 李雪原， 倪俊

(北京理工大學 機械與車輛學院，北京 100081)

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多軸機電復合分布式驅動車輛轉向半徑模式控制策略

胡紀濱， 付苗苗， 李雪原， 倪俊

(北京理工大學 機械與車輛學院，北京 100081)

基于對多軸輪式車輛的最小轉向半徑戰技指標的要求，提出了一種適用于多軸機電復合分布式驅動車輛的最小轉向半徑控制系統，并詳細介紹了該模式下的整車控制策略，當車輛以大前輪轉角低速轉向時，后兩橋驅動電機產生“外正內負”的力矩輔助車輛轉向從而減小最小轉向半徑. 為驗證系統性能，文中建立了包含車體縱向速度、側向速度、橫擺角速度及8個車輪旋轉的11自由度整車動力學模型，并采用Gim輪胎模型表達了輪胎的非線性力學特性. 虛擬樣機仿真的結果表明，在該控制策略下，車輛的最小轉向半徑可減小10.31%，轉向機動性能得到大幅度提高.

多軸機電復合分布式驅動；最小轉向半徑；整車控制策略；車輛動力學

輪式軍用車輛的最小轉向半徑是重要戰技指標，是軍車戰術機動性的表征之一，它反應了車輛在戰場上靈活運動和克服障礙的能力. 近些年來，隨著戰場機動性要求的不斷提高，許多學者提出了不同的減小輪式軍用車輛最小轉向半徑的方式，例如速差轉向方案或多軸轉向方案[1-3]. 速差轉向輪式車輛雖可實現原地轉向，但其存在輪胎磨損劇烈、車輛操縱性能難以習慣等突出問題[4-5]. 多軸轉向輪式車輛同樣可大幅度降低車輛最小轉向半徑，但其存在著控制系統復雜、高速操縱穩定性難以控制等突出問題.

文中基于機電復合分布式驅動8×8輪式車輛，針對轉向半徑問題，提出一種最小轉向半徑控制策略. 當車輛以小前輪轉角高速轉向時，不進行控制調整；當以大前輪轉角低速轉向時，車輛進入最小轉向半徑模式. 該模式下，后兩橋的外側驅動電機轉矩值增加ΔT，同時內側驅動電機轉矩值減小ΔT，從而輔助車輛轉向，達到減小轉向半徑的目的. 輔助轉矩ΔT與前輪轉角和其閾值的差值為正比關系.

同時，為驗證所提出的最小轉向半徑控制策略，文中基于某8×8輪式車輛建立了整車非線性動力學模型，并進行了性能仿真預測.

1 最小轉向半徑控制系統

1.1 車輛基本結構

圖1為采用機電復合分布式驅動方案的8×8車輛[3].

車輛前兩橋為機械傳動結構，后兩橋為串聯式混合動力結構. 發動機動力輸出至分動箱，并由前傳動分為兩路，一路傳到變速箱，經由差速器驅動前兩橋車輪；另一路帶動發電機發電，再帶動4個永磁同步電機轉動，經輪邊減速器來驅動車輛前進. 同時，電網絡系統中連接了蓄電池，可進行能量平衡. 車體內裝有電機控制器、整車控制器及多種傳感器等部件.

該車采用的動力傳動系統方案結合了機械傳動和混合動力的優點. 車輛行駛時，前、后橋可同時或分別單獨驅動，則車輛可在以下工作模式中進行切換：全橋機電復合驅動、前兩橋機械驅動、后兩橋混合動力驅動、后兩橋純電靜音行駛，以滿足不同工況的行駛要求，其加速能力、爬坡度、最高車速、越障性能等均有所提高. 且其分布式驅動的結構為整車牽引力控制和橫擺力矩控制等提供了很好的條件.

1.2 控制系統策略

該車最小轉向半徑控制系統運行策略如圖2所示.

為防止誤操作使車輛進入最小轉向半徑模式，該模式的開啟需基于車速及前輪轉角兩個參數的同時判斷. 傳感器將車速和前輪轉角信號傳輸至閾值觸發模塊，該模塊中有預先設定的二者閾值. 當車速信號小于其閾值且轉角信號大于其閾值時，車輛進入最小轉向半徑模式. 此時，輔助力矩計算模塊計算得到后兩橋驅動電機的輔助轉向力矩，該值被傳輸至電機控制器，以控制電機提供“外正內負”的力矩，從而輔助車輛轉向[6]. 此工作模式下，后兩橋提供車輛轉向的輔助力矩，前兩橋提供車輛行駛所需動力. 因發動機全程調速，可通過加速踏板和制動踏板實現對車速的控制.

輔助力矩計算方法為

(1)

式中：δ為測量所得前輪轉角值；δ0為前輪轉角閾值；v為測量所得車速值；v0為車速閾值；k為輔助力矩增益值.δ0、v0、k由控制系統預先設定，當且僅當δ>δ0，且v

2 動力學模型建立

為對上文所介紹的車輛模型及最小轉向半徑控制策略做進一步分析，對其動力學模型進行搭建.

2.1 整車動力學模型

針對所研究的目標車型建立了圖3所示的11自由度非線性動力學模型[7]，包括車身縱向運動、側向運動、橫擺運動和8個車輪的回轉運動，并有如下假設：忽略車體的垂直運動、側傾運動和俯仰運動；固結于車體上的運動坐標系原點與車輛質心重合；各個輪胎機械特性相同；空氣阻力為0；各軸輪胎的輪距相同；左右側車輪轉角相同，且根據阿克曼定理認為第二軸轉向角與第一軸轉向角成比例關系.

采用牛頓力學體系定理建立車輛縱向運動、側向運動、橫擺運動及各車輪旋轉運動等各個方向的運動方程為

(2)

(3)

(4)

Je(wij)=Ti-Fxijr-FzijfR.

(5)

式中：m為整車質量；Iz為懸掛質量繞z軸的轉動慣量；ω為車輛橫擺角速度；Fyij、Fxij分別為車輪側向力和縱向力；Li為各軸到質心的距離，δi為前兩軸車輪轉角；B為車身寬度；Je為車輪轉動慣量；wij為車輪旋轉角速度；Ti為車輪驅動力矩(制動時為負值)；Fz為地面法向反作用力；f為滾動阻力系數；R為車輪半徑；i=1，2，3，4代表軸數；j=1，2代表兩側，j=1時為內側，j=2時為外側. 在文中的控制策略下，車輪驅動力矩Ti即為輔助力矩ΔT，其計算方法如式(1)所示[7].

車輪輪心處縱向速度為

(6)

各車輪側偏角為

(7)

式中：p，q分別取1、2和3、4，為軸數；j=1時，k=-1,j=2時，k=1.

2.2 輪胎模型

針對多軸分布式機電復合驅動車輛的小半徑轉向工況，各輪胎在作用驅動力的同時，同樣有較大側向力的作用，必須采用可以表達輪胎附著橢圓特性的聯合工況非線性輪胎模型.

基于上述原因，文中采用Gim理論輪胎模型，此模型計算速度快，精度高，尤其在車輪大側偏角運動時優點更為凸顯[8]. 其基于一維接地印跡假設，以量綱一的滑移率及側偏角表征運動參數，公式中各參數均能用詳細的物理量進行表達，便于針對輪胎特性進行理論研究. 輪胎與地面間的縱向與側向作用力方程為[2]

(8)

式中：Cs、Ca分別為輪胎縱向和側偏剛度；ss、sa分別為輪胎縱向和側向滑移率；ln為輪胎接地線長度的量綱一的值；μx、μy分別為輪胎與地面的縱向和側向附著系數.

3 仿真驗證

3.1 仿真模型搭建

為證明最小轉向半徑控制方案的可用性，需對該方案進行仿真驗證. 基于以上動力學分析，利用Matlab/Simulink搭建虛擬樣機仿真平臺[9]. 仿真所用車型的基本參數如表1所示.

表1 車輛基本參數表

3.2 仿真驗證及結果分析

該車在轉向盤轉角最大時，前輪轉角δ0≈0.6 rad，選取轉角閾值為最大值的2/3，則δ0=0.4 rad. 對車速為5～10 km/h范圍內最小轉向半徑策略的有效性進行仿真驗證.

為保證每個仿真工況下的車速為定值，利用PID駕駛員模型對車速進行控制. 模型根據車速信號與目標車速的差值，對油門信號和制動信號進行調整，使前兩橋獲得跟蹤車速所需轉矩，驅動車輛以目標車速行駛. 仿真時，取前輪轉角步長為0.05 rad，車速步長為2.5 km/h，對每個車速，不同前輪轉角時，采用控制策略和不采用控制策略的轉向半徑進行仿真運算，將運算結果進行擬合分析，得到結果如圖4所示.

圖中，x軸為前輪轉角，y軸為車速，z軸為轉向半徑. 上方曲面為不施加控制策略時車輛的轉向半徑，下方曲面為施加控制策略時車輛的轉向半徑. 明顯看出，施加控制策略時車輛的轉向半徑有所減小，且前輪轉角值越大，轉向半徑的減小幅度越明顯. 當車速為10 km/h，前輪轉角為0.6 rad時，該控制策略可將轉向半徑減小10.31%，控制效果良好.

為對該控制策略下車輛動力學性能進行分析，對車速8 km/h，前輪轉角為0.55 rad的工況進行仿真，得到仿真結果如圖5所示.

圖5中，橫軸為仿真時間，縱軸為仿真車速. 全程利用PID駕駛員模型跟蹤車速，第1.5 s達到8 km/h，并基本保持不變. 第2 s時施加前輪轉角. 圖6中，橫軸為仿真時間，縱軸為后兩橋車輪轉矩值. 前2 s的車輪轉矩主要用來使車輛加速；在第2～3 s內，車速達到8 km/h，車輪轉矩為0；第3 s進入最小轉向半徑模式，兩側車輪產生“外正內負”的輔助力矩，以輔助車輛轉向. 但在4.5 s左右，由于輪胎側偏角陡增，但輪胎已無法提供更大的側向力，需要縱向力進行平衡，造成內側車輪轉矩突變[4].

圖7中，外側曲線為未施加控制策略時車輛的軌跡曲線，內側曲線為施加控制策略時車輛的軌跡曲線. 前2 s為直駛追蹤車速階段，2 s時施加前輪轉角. 控制策略有效減小了轉向半徑.

圖8中，上方4條曲線為前兩橋車輪的側偏角，下方4條曲線為后兩橋車輪的側偏角. 前2 s車輛直駛，仿真模型理論計算側偏角為0；第2～3 s，施加轉角，但未進入最小轉向半徑模式，側偏角較??；第3 s，車輛進入最小轉向半徑模式，側偏角明顯變大，加劇輪胎磨損，且易發生車輛側滑失穩[4]. 分析可得，此控制策略會使車輪的側滑現象有所加劇.

4 結束語

文中針對一輛機電復合分布式驅動8×8車輛的最小轉向半徑問題，提出了一種控制策略. 當車輛以大轉角低速轉向時，后兩橋驅動電機產生“外正內負”的輔助力矩，以減小轉向半徑. 為驗證該策略的有效性，建立了整車的Matlab/Simulink動力學模型，仿真結果表明，該控制策略可將轉向半徑減小10.31%.

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(責任編輯：孫竹鳳)

Control Strategy of the Multi-Axle Distributed Mechanic and Electric Drive Vehicle’s Turning Radius

HU Ji-bin， FU Miao-miao， LI Xue-yuan， NI Jun

(School of Mechanic Engineering， Beijing Institute of Technology， Beijing 100081， China)

With the increasing requirements from modern battlefield environment, the demands of multi-axle wheeled vehicles’ minimum turning radial tactical and technical index are getting higher. A control system of minimum turning radius was presented which was fit for the multi-axle distributed mechanic and electric drive vehicle, and the vehicle control strategy under this mode was introduced detailed. When the vehicle turned with a big steering angle at a low speed, the last two axles produced torque, which could be described as “the outer one is plus and the inner one is minus”, to assist the vehicle to turn, and then decrease the minimum turning radius. At last, in order to validate the performance of system, a vehicle dynamic model with 11 degrees was built, which included the longitudinal speed, the lateral speed, the yaw rate and the rotation of eight wheels. The Gim tire mode was used to describe the tires’ nonlinear mechanics features. The simulation result shows that the vehicle’s minimum turning radius can be decreased 10.31% under the strategy, increasing its motility greatly.

multi-axle distributed mechanic and electric drive vehicle; the minimum turning radius; vehicle control strategy; vehicle dynamic

2015-07-05

北京理工大學?；A研究項目(20130342023)

胡紀濱(1970—)，男，教授，博士生導師，E-mail:hujibin@bit.edu.cn.

付苗苗(1990—)，女，碩士生，E-mail:fummiao@126.com.

U 461.1

A

1001-0645(2016)11-1131-05

10.15918/j.tbit1001-0645.2016.11.007