來鑫++陳辛波++武曉俊++梁棟

摘 要：介紹了一種四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)與轉(zhuǎn)向（four-wheel independent driving and steering，4WIS-4WID）電動(dòng)車輛的結(jié)構(gòu)和原理，對其電子操縱系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了一種基于CAN總線的車輛運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。該電動(dòng)車輛具有全輪轉(zhuǎn)向、前（后）輪轉(zhuǎn)向、平行移動(dòng)、原地轉(zhuǎn)向等多種轉(zhuǎn)向模式，分別對這些運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)向模式進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)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(shí)調(diào)節(jié)，車輪運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)跟蹤性能良好，車輛滿足實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)學(xué)要求。最后通過實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制策略的有效性。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)車輛；四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)與轉(zhuǎn)向；運(yùn)動(dòng)學(xué)建模；控制策略

中圖分類號(hào)：TH-39文獻(xiàn)標(biāo)文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文獻(xiàn)標(biāo)DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2015.05.04

與傳統(tǒng)車輛相比，四輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向（Four-Wheel Independent Steering，4WIS）車輛有如下優(yōu)點(diǎn)[1-2]：具有更多自由度，車輛的機(jī)動(dòng)性及循跡能力更高；轉(zhuǎn)向操作的響應(yīng)速度及準(zhǔn)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(qiáng)。4WIS能較好地滿足現(xiàn)代車輛對舒適性、安全性、機(jī)動(dòng)性、操縱穩(wěn)定性的要求，成為了國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。近年來隨著電池技術(shù)及電機(jī)技術(shù)的發(fā)展，以輪轂電機(jī)為動(dòng)力直接驅(qū)動(dòng)的四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)（Four-Wheel Independent Driving，4WID）車輛得到了很好的發(fā)展，它具有結(jié)構(gòu)簡單、驅(qū)動(dòng)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(diǎn)[3]。四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)與轉(zhuǎn)向車輛結(jié)合4WID與4WIS技術(shù)，具有直行、蟹行、前輪轉(zhuǎn)向、后輪轉(zhuǎn)向、繞任意點(diǎn)轉(zhuǎn)向、零半徑轉(zhuǎn)向等多種運(yùn)動(dòng)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(yīng)用[5-7]。

傳統(tǒng)車輛的車輪通過機(jī)械機(jī)構(gòu)連接在一起，各車輪之間運(yùn)動(dòng)關(guān)系是明確的，而對于具有高機(jī)動(dòng)性的4WIS-4WID車輛，各車輪的運(yùn)動(dòng)是獨(dú)立控制的，各車輪的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)都會(huì)影響車輛的運(yùn)行狀態(tài)，因此構(gòu)建適宜的車輛運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及控制策略是至關(guān)重要的。

本文首先對一種四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向電動(dòng)車輛的結(jié)構(gòu)與原理進(jìn)行了分析，并對其電子操控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上提出一種基于CAN（Controller Area Network）總線的車輛運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。對車輛幾種典型運(yùn)動(dòng)模式進(jìn)行動(dòng)力學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)建模，并對控制策略進(jìn)行研究，最后通過試驗(yàn)驗(yàn)證控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及算法的有效性。本文的研究結(jié)論為相關(guān)4WIS-4WID車輛的運(yùn)動(dòng)控制提供參考。

1 4WIS-4WID電動(dòng)車輛基本結(jié)構(gòu)

所設(shè)計(jì)的4WIS-4WID電動(dòng)車輛結(jié)構(gòu)示意圖如圖1（a）所示。該電動(dòng)車的驅(qū)動(dòng)力由四個(gè)獨(dú)立的輪轂電機(jī)提供，四個(gè)車輪之間沒有任何機(jī)械動(dòng)力傳動(dòng)裝置。通過輪轂電機(jī)控制器可以自由分配各個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(gòu)如圖1（b）所示，電機(jī)及電機(jī)減速器固定在車身上，轉(zhuǎn)向動(dòng)力傳遞路徑為：電機(jī)→減速器→主銷套筒→上轉(zhuǎn)向臂→下轉(zhuǎn)向臂→主銷活塞，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，四個(gè)車輪均可單獨(dú)在[-π/2，π/2]內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。該結(jié)構(gòu)利用上下轉(zhuǎn)向臂傳遞轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)矩，彈簧阻尼傳遞動(dòng)載荷，具有結(jié)構(gòu)緊湊、定位參數(shù)易確定等優(yōu)點(diǎn)。各車輪的轉(zhuǎn)角由一定的控制策略與算法獨(dú)立控制。

4WIS-4WID車輛具有多種運(yùn)動(dòng)模式，為了方便操控車輛的運(yùn)動(dòng)，設(shè)計(jì)了如圖2所示的電子操控系統(tǒng)，車輛操控信號(hào)采集及處理控制器（ECU1）實(shí)時(shí)采集方向盤轉(zhuǎn)角、油門踏板開合角及運(yùn)動(dòng)模式選擇按鈕信號(hào)。測量方向盤轉(zhuǎn)角的轉(zhuǎn)角傳感器采用絕對式編碼器進(jìn)行測量，ECU1對正交脈沖信號(hào)進(jìn)行高速捕獲，并從中提取出轉(zhuǎn)角信號(hào)及方向信息。電子油門踏板的信號(hào)為模擬量，ECU1通過AD采樣將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。運(yùn)動(dòng)模式通過控制器ECU1采集開關(guān)信號(hào)實(shí)現(xiàn)，根據(jù)需求共設(shè)置了七個(gè)選擇開關(guān)，分別對應(yīng)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(dòng)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(hào)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(shí)時(shí)計(jì)算出各車輪的目標(biāo)轉(zhuǎn)角值，并通過CAN總線將其分別發(fā)送給相應(yīng)的轉(zhuǎn)向電機(jī)控制器ECU2-ECU5，對四個(gè)轉(zhuǎn)向電機(jī)進(jìn)行閉環(huán)控制。同理控制器ECU0通過CAN總線控制四個(gè)輪轂電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩。實(shí)現(xiàn)車輛復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)軌跡，提高車輛的機(jī)動(dòng)性與穩(wěn)定性。

2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

從4WIS-4WID車輛的結(jié)構(gòu)可知，車輛操控的控制對象為四個(gè)轉(zhuǎn)向電機(jī)與四個(gè)輪轂電機(jī)。控制系統(tǒng)對車輛行駛安全性及操縱靈敏性至關(guān)重要，要求其具有較高的可靠性、實(shí)時(shí)性和較強(qiáng)的抗干擾能力。CAN總線具有可靠性高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用[8]，因此本文設(shè)計(jì)了一種基于CAN總線的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖3所示。方向盤及油門踏板信號(hào)采集及處理控制器的作用是采集方向盤的轉(zhuǎn)角信號(hào)、油門踏板夾角、轉(zhuǎn)向模式開關(guān)選擇信號(hào)，并將這些信號(hào)通過CAN總線發(fā)送給主控制器。主控制器為整個(gè)系統(tǒng)的決策層，它的主要功能是通過CAN總線接收相關(guān)傳感信息，根據(jù)一定的控制策略與算法實(shí)時(shí)計(jì)算出四個(gè)轉(zhuǎn)向電機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)角（、、、）和四個(gè)驅(qū)動(dòng)輪轂電機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩（T1、T2、T3、T4），并通過CAN總線實(shí)時(shí)地將控制量發(fā)送給相應(yīng)的轉(zhuǎn)向及驅(qū)動(dòng)控制器。上位PC機(jī)通過CAN轉(zhuǎn)USB接口實(shí)現(xiàn)操控界面與主控制器之間的數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵數(shù)據(jù)的顯示及記錄，并通過界面自由操控車輛的動(dòng)作。四個(gè)轉(zhuǎn)向電機(jī)控制器的功能是接收來自主控制器的目標(biāo)轉(zhuǎn)角信號(hào)，并測量轉(zhuǎn)向電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度，進(jìn)行閉環(huán)控制。同理四個(gè)輪轂電機(jī)控制器實(shí)現(xiàn)四個(gè)輪轂電機(jī)的閉環(huán)控制。各個(gè)控制器之間通過CAN總線進(jìn)行連接，并自由擴(kuò)展儀表顯示模塊、電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS）模塊等。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)基于CAN總線構(gòu)架，可靠性及實(shí)時(shí)性較高，擴(kuò)展性及抗干擾能力強(qiáng)。

5 試驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證所提出的控制策略的有效性，在所設(shè)計(jì)開發(fā)的4WIS-4WID試驗(yàn)電動(dòng)車輛上進(jìn)行了試驗(yàn)。利用如圖7所示的試驗(yàn)車輛分別對上述幾種典型模式進(jìn)行了試驗(yàn)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(yàn)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(shí)測值，為控制系統(tǒng)輸入信號(hào)，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(shí)（即或）各車輪轉(zhuǎn)向角的測量值，可以看出四個(gè)車輪的轉(zhuǎn)向角基本相等，具有較好的動(dòng)態(tài)跟蹤特性。圖8（b）為平移模式下隨機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤（值隨機(jī)變化）時(shí)車輪運(yùn)動(dòng)情況，可以看出四個(gè)車輪較好地跟蹤目標(biāo)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(yàn)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(shí)不完全相等，與式（5）的計(jì)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(shè)置為 20 km/h），實(shí)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(guān)，與式（1）的計(jì)算結(jié)果相符，車輛較平穩(wěn)地完成了四輪轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)。通過試驗(yàn)驗(yàn)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(shè)計(jì)開發(fā)的4WIS-4WID電動(dòng)車輛的結(jié)構(gòu)和原理進(jìn)行了介紹，該車輛運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)模式。為了操控方便，對車倆電子操縱系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，提出了一種基于CAN總線的車輛運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

（2）對4WIS-4WID車輛在不同運(yùn)動(dòng)模式下各車輪的轉(zhuǎn)向角及輪心線速度進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)學(xué)建模，為制定車輛運(yùn)動(dòng)控制策略提供了基礎(chǔ)。

（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(shí)對轉(zhuǎn)角進(jìn)行單獨(dú)調(diào)節(jié)，在車輛的運(yùn)動(dòng)滿足運(yùn)動(dòng)學(xué)要求的基礎(chǔ)上具有較好的動(dòng)態(tài)跟蹤性能。最后通過實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證了控制系統(tǒng)及控制策略的有效性。

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