獨(dú)立電驅(qū)動(dòng)車輛復(fù)合轉(zhuǎn)向技術(shù)研究

馮付勇， 王東亮， 趙艷輝(中國(guó)北方車輛研究所，北京 100072)

最小轉(zhuǎn)向半徑是表征車輛機(jī)動(dòng)性的重要指標(biāo)，它反應(yīng)了車輛靈活運(yùn)動(dòng)和克服障礙的能力[1].近年來(lái)，許多學(xué)者提出了不同的減小輪式車輛轉(zhuǎn)向半徑的方式，例如差速轉(zhuǎn)向方案或多軸轉(zhuǎn)向方案[2].差速轉(zhuǎn)向雖可實(shí)現(xiàn)小半徑轉(zhuǎn)向，甚至可實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向，但存在輪胎磨損嚴(yán)重，操縱穩(wěn)定性難以習(xí)慣等突出問(wèn)題[3].多軸轉(zhuǎn)向同樣可降低車輛最小轉(zhuǎn)向半徑，但需要增加轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，造成轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)復(fù)雜、高速操縱穩(wěn)定性難以控制等問(wèn)題.

文章針對(duì)輪式6×6輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)平臺(tái)，提出了一種復(fù)合轉(zhuǎn)向方案：低速時(shí)，以最小轉(zhuǎn)向半徑為目標(biāo)，采用復(fù)合轉(zhuǎn)向；高速時(shí)，以提升車輛操縱穩(wěn)定性為目標(biāo)，采用前橋幾何轉(zhuǎn)向.同時(shí)，針對(duì)復(fù)合轉(zhuǎn)向，提出了一種基于最小轉(zhuǎn)向半徑的差速匹配模型，并進(jìn)行了數(shù)值解析.

為驗(yàn)證方案的合理性，基于Adams軟件，建立了仿真模型，對(duì)復(fù)合轉(zhuǎn)向策略進(jìn)行了仿真驗(yàn)證.結(jié)果表明：復(fù)合轉(zhuǎn)向可有效減小車輛的轉(zhuǎn)向半徑，提升車輛的機(jī)動(dòng)性能.為復(fù)合轉(zhuǎn)向理論提供技術(shù)支撐.

1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)

1.1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

文中研究的平臺(tái)為6×6輪轂電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)平臺(tái)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用前橋電助力轉(zhuǎn)向，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括轉(zhuǎn)向節(jié)臂1、轉(zhuǎn)向副橫拉桿2、轉(zhuǎn)向搖臂3、轉(zhuǎn)向主橫拉桿4、電動(dòng)轉(zhuǎn)向器5、立軸6等組成.電動(dòng)轉(zhuǎn)向器主要包括轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)、減速機(jī)構(gòu)、角度傳感器等.轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作原理為：轉(zhuǎn)向控制器通過(guò)CAN總線接收上位機(jī)轉(zhuǎn)向指令，根據(jù)控制策略發(fā)出控制指令，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)工作，電動(dòng)轉(zhuǎn)向器驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向搖臂轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)向搖臂經(jīng)轉(zhuǎn)向拉桿、轉(zhuǎn)向節(jié)臂，最終推動(dòng)車輪，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向.角度傳感器采集當(dāng)前轉(zhuǎn)向角度信息并反饋給轉(zhuǎn)向控制器，形成閉環(huán)控制.

復(fù)合轉(zhuǎn)向是將傳統(tǒng)輪式車輛依靠轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)幾何轉(zhuǎn)向與履帶式車輛差速轉(zhuǎn)向(也稱滑移轉(zhuǎn)向)相結(jié)合的一種轉(zhuǎn)向方式，也有文獻(xiàn)稱為雙重轉(zhuǎn)向式[4-5].復(fù)合轉(zhuǎn)向模式下，轉(zhuǎn)向控制器讀取上位機(jī)轉(zhuǎn)角、車速等信號(hào)，在幾何轉(zhuǎn)向的同時(shí)，通過(guò)匹配輪轂電機(jī)速差，以獲得較小的轉(zhuǎn)向半徑.

圖1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)通過(guò)控制策略可實(shí)現(xiàn)助力轉(zhuǎn)向、復(fù)合轉(zhuǎn)向、原地轉(zhuǎn)向3種轉(zhuǎn)向模式.助力轉(zhuǎn)向模式即前橋幾何轉(zhuǎn)向，適用于車速較高情況；復(fù)合轉(zhuǎn)向模式，此時(shí)轉(zhuǎn)向半徑最小，轉(zhuǎn)向機(jī)動(dòng)性強(qiáng)；原地轉(zhuǎn)向即轉(zhuǎn)向半徑為零的轉(zhuǎn)向，此模式由電機(jī)差速實(shí)現(xiàn).3種模式的判斷依據(jù)為車速和轉(zhuǎn)角信號(hào)，其閾值可具體設(shè)定.

1.3 模型建立

目前，對(duì)輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛采用的差速控制多是基于阿克曼轉(zhuǎn)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(gè)假設(shè)條件：①車體為剛性；②車輪作純滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，即忽略滑轉(zhuǎn)、滑移等運(yùn)行狀態(tài)；③行駛過(guò)程中所有輪胎都未脫離地面；④不考慮輪胎材質(zhì)與結(jié)構(gòu)上的非線性和由于離心力使輪胎垂直載荷發(fā)生變化對(duì)輪胎產(chǎn)生的影響.雖然該模型存在較大的限制，但對(duì)于車輛低速轉(zhuǎn)向情況下有較好的參考價(jià)值[7].文中研究的平臺(tái)最大速度為60 km/h，因此，據(jù)此理論建立轉(zhuǎn)向差速模型，如圖2所示.圖中，B為兩側(cè)主銷軸線與地面相交點(diǎn)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(cè)車輪轉(zhuǎn)向半徑；R1out、R2out、R3out為各軸外側(cè)車輪轉(zhuǎn)向半徑；α為前橋外側(cè)車輪轉(zhuǎn)角；β為前橋內(nèi)側(cè)車輪轉(zhuǎn)角；x、y分別為瞬心到內(nèi)側(cè)車輪、質(zhì)心的距離.

圖2 差速匹配模型

由以上假設(shè)可知：

(1)

設(shè)m、n分別為前后軸軸距，令R1out=R,由幾何關(guān)系可得：

(2)

由式(1)、(2)可得：

(3)

由相似推導(dǎo)，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(zhuǎn)向半徑、轉(zhuǎn)角有確定的函數(shù)關(guān)系.輪距、軸距參數(shù)是整車參數(shù)，為常數(shù).轉(zhuǎn)向控制器接到的上位機(jī)指令一般為曲率或轉(zhuǎn)角，車速信號(hào)可由總線讀取.因此，利用阿克曼差速轉(zhuǎn)向模型，就可得到各輪間的差速匹配關(guān)系.

1.4 模型仿真

為驗(yàn)證以上理論，利用ADAMS平臺(tái)，建立了仿真模型，對(duì)復(fù)合轉(zhuǎn)向策略進(jìn)行了仿真驗(yàn)證.差速匹配關(guān)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(jié)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(zhuǎn)向模式轉(zhuǎn)向半徑對(duì)比

圖3為車輪最大轉(zhuǎn)角為30°時(shí)的轉(zhuǎn)向半徑對(duì)比曲線，可以看出：幾何轉(zhuǎn)向時(shí)轉(zhuǎn)向直徑為8.2 m，差速轉(zhuǎn)向時(shí)轉(zhuǎn)向直徑為7.4 m，復(fù)合轉(zhuǎn)向時(shí)轉(zhuǎn)向直徑為6.2 m；復(fù)合轉(zhuǎn)向相比于幾何轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向直徑減小24%，有效提升了轉(zhuǎn)向機(jī)動(dòng)性.

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

圖4 復(fù)合轉(zhuǎn)向時(shí)各輪速度

圖5 不同差速比轉(zhuǎn)向半徑

圖6 不同差速比車輛穩(wěn)定性

3 結(jié) 論

文章針對(duì)輪式6×6輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)平臺(tái)，提出了一種復(fù)合轉(zhuǎn)向方案,為驗(yàn)證方案的合理性，建立了Adams仿真模型，對(duì)復(fù)合轉(zhuǎn)向策略進(jìn)行了仿真驗(yàn)證.文章研究成果可為獨(dú)立電驅(qū)動(dòng)平臺(tái)的復(fù)合轉(zhuǎn)向技術(shù)提供理論支撐，為分布式電驅(qū)動(dòng)平臺(tái)控制提供參考及依據(jù).

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