馮付勇， 王東亮， 趙艷輝(中國北方車輛研究所，北京 100072)

最小轉向半徑是表征車輛機動性的重要指標，它反應了車輛靈活運動和克服障礙的能力[1].近年來，許多學者提出了不同的減小輪式車輛轉向半徑的方式，例如差速轉向方案或多軸轉向方案[2].差速轉向雖可實現(xiàn)小半徑轉向，甚至可實現(xiàn)原地轉向，但存在輪胎磨損嚴重，操縱穩(wěn)定性難以習慣等突出問題[3].多軸轉向同樣可降低車輛最小轉向半徑，但需要增加轉向機構，造成轉向機構復雜、高速操縱穩(wěn)定性難以控制等問題.

文章針對輪式6×6輪轂電機驅動平臺，提出了一種復合轉向方案：低速時，以最小轉向半徑為目標，采用復合轉向；高速時，以提升車輛操縱穩(wěn)定性為目標，采用前橋幾何轉向.同時，針對復合轉向，提出了一種基于最小轉向半徑的差速匹配模型，并進行了數(shù)值解析.

為驗證方案的合理性，基于Adams軟件，建立了仿真模型，對復合轉向策略進行了仿真驗證.結果表明：復合轉向可有效減小車輛的轉向半徑，提升車輛的機動性能.為復合轉向理論提供技術支撐.

1 轉向系統(tǒng)控制結構

1.1 轉向系統(tǒng)結構原理

文中研究的平臺為6×6輪轂電機獨立驅動平臺，轉向系統(tǒng)采用前橋電助力轉向，系統(tǒng)結構如圖1所示，主要包括轉向節(jié)臂1、轉向副橫拉桿2、轉向搖臂3、轉向主橫拉桿4、電動轉向器5、立軸6等組成.電動轉向器主要包括轉向伺服電機、減速機構、角度傳感器等.轉向系統(tǒng)工作原理為：轉向控制器通過CAN總線接收上位機轉向指令，根據(jù)控制策略發(fā)出控制指令，驅動轉向伺服電機工作，電動轉向器驅動轉向搖臂轉動，轉向搖臂經(jīng)轉向拉桿、轉向節(jié)臂，最終推動車輪，實現(xiàn)轉向.角度傳感器采集當前轉向角度信息并反饋給轉向控制器，形成閉環(huán)控制.

復合轉向是將傳統(tǒng)輪式車輛依靠轉向機構幾何轉向與履帶式車輛差速轉向(也稱滑移轉向)相結合的一種轉向方式，也有文獻稱為雙重轉向式[4-5].復合轉向模式下，轉向控制器讀取上位機轉角、車速等信號，在幾何轉向的同時，通過匹配輪轂電機速差，以獲得較小的轉向半徑.

圖1 轉向系統(tǒng)結構圖

1.2 系統(tǒng)控制結構

轉向系統(tǒng)通過控制策略可實現(xiàn)助力轉向、復合轉向、原地轉向3種轉向模式.助力轉向模式即前橋幾何轉向，適用于車速較高情況；復合轉向模式，此時轉向半徑最小，轉向機動性強；原地轉向即轉向半徑為零的轉向，此模式由電機差速實現(xiàn).3種模式的判斷依據(jù)為車速和轉角信號，其閾值可具體設定.

1.3 模型建立

目前，對輪轂電機驅動車輛采用的差速控制多是基于阿克曼轉向模型[6].該模型作為車輛一種理想的行駛狀態(tài)，基于幾個假設條件：①車體為剛性；②車輪作純滾動運動，即忽略滑轉、滑移等運行狀態(tài)；③行駛過程中所有輪胎都未脫離地面；④不考慮輪胎材質與結構上的非線性和由于離心力使輪胎垂直載荷發(fā)生變化對輪胎產(chǎn)生的影響.雖然該模型存在較大的限制，但對于車輛低速轉向情況下有較好的參考價值[7].文中研究的平臺最大速度為60 km/h，因此，據(jù)此理論建立轉向差速模型，如圖2所示.圖中，B為兩側主銷軸線與地面相交點之間的距離；L1、L2、L3為瞬心到各軸的垂向距離；R1in、R2in、R3in為各軸內(nèi)側車輪轉向半徑；R1out、R2out、R3out為各軸外側車輪轉向半徑；α為前橋外側車輪轉角；β為前橋內(nèi)側車輪轉角；x、y分別為瞬心到內(nèi)側車輪、質心的距離.

圖2 差速匹配模型

由以上假設可知：

(1)

設m、n分別為前后軸軸距，令R1out=R,由幾何關系可得：

(2)

由式(1)、(2)可得：

(3)

由相似推導，可得：

(4)

(5)

(6)

(7)

由以上公式可以看出，各輪的角速度與輪距、軸距、轉向半徑、轉角有確定的函數(shù)關系.輪距、軸距參數(shù)是整車參數(shù)，為常數(shù).轉向控制器接到的上位機指令一般為曲率或轉角，車速信號可由總線讀取.因此，利用阿克曼差速轉向模型，就可得到各輪間的差速匹配關系.

1.4 模型仿真

為驗證以上理論，利用ADAMS平臺，建立了仿真模型，對復合轉向策略進行了仿真驗證.差速匹配關系依據(jù)上節(jié)中的解析公式，仿真所用整車參數(shù)如表1所示，仿真結果如圖3～6所示.

表1 整車部分參數(shù)表

圖3 相同車速不同轉向模式轉向半徑對比

圖3為車輪最大轉角為30°時的轉向半徑對比曲線，可以看出：幾何轉向時轉向直徑為8.2 m，差速轉向時轉向直徑為7.4 m，復合轉向時轉向直徑為6.2 m；復合轉向相比于幾何轉向，轉向直徑減小24%，有效提升了轉向機動性.

由圖5、圖6、可以看出：增大外側車輪與內(nèi)側車輪速差可有效減小車輛的轉向半徑；但轉速相差過大會造成車輛側滑，故要選擇合適的轉速比范圍；外-內(nèi)側車輪轉速比在1.3～1.6時，既可使車輛轉向半徑較小，又能保證車輛的穩(wěn)定性.

圖4 復合轉向時各輪速度

圖5 不同差速比轉向半徑

圖6 不同差速比車輛穩(wěn)定性

3 結 論

文章針對輪式6×6輪轂電機驅動平臺，提出了一種復合轉向方案,為驗證方案的合理性，建立了Adams仿真模型，對復合轉向策略進行了仿真驗證.文章研究成果可為獨立電驅動平臺的復合轉向技術提供理論支撐，為分布式電驅動平臺控制提供參考及依據(jù).

參考文獻：

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[2] Fauroux J C，Vaslin P． Modeling, experimenting, and improving skid steering on a 66 All-Terrain mobile platform[J].Journal of Field Robotics,2010,27(2):107-126．

[3] 翟 麗，董守全，羅開宇.四輪轂電機獨立驅動車輛轉向電子差速控制[J].北京理工大學學報，2010, 30(8)：901-905.

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[5] 陽貴兵，馬曉軍，廖自力，等. 輪轂電機驅動車輛雙重轉向直接橫擺力矩控制[J]. 兵工學報，2016，37(2)：211-218.

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