CN104527780B

CN104527780B - 一种四轮独立转向车辆的转向控制方法

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Publication number: CN104527780B
Application number: CN201410740487.7A
Authority: CN
Inventors: 来鑫
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2014-12-08
Filing date: 2014-12-08
Publication date: 2017-01-04
Anticipated expiration: 2034-12-08
Also published as: CN104527780A

Abstract

本发明提供了一种四轮独立转向车辆的转向控制方法，在车辆坐标系下通过车轮的位置和转向角信号实时求解车辆的瞬时转向中心，并依据瞬时转向中心得到车辆的运动学误差，然后结合车辆的动力学误差，对车轮的转向角进行控制，完成车辆的转向，由于本发明提供的四轮独立转向车辆的转向控制方法中，主控制器结合车辆的动力学误差以及运动学误差，对车轮转向角进行控制，进一步提高了车辆转向的精准度；同时，通过运动学误差，将在机械构造上相对独立运动的车轮进行了虚拟连接，在转向过程中，如果一个车轮受到外部干扰转向角发生突变时，其他车轮协同运动，保证车辆转向的平稳性，提高了系统的鲁棒性。

Description

一种四轮独立转向车辆的转向控制方法

技术领域

本发明属于车辆控制领域，具体涉及一种四轮独立转向车辆的转向控制方法。

背景技术

四轮独立转向(4WIS)车辆的每个车轮的转向都可以独立控制，所有车轮转向时可绕同一瞬时转向中心ICR(instantaneous center of rotation)转向，且能保证车辆稳态质心侧偏角保持为零，能够完成包括原地转向在内的多种运动模式。相比其它类型车辆，车辆的机动性、可操控性都得到了提高，在科考、救援、智能交通、多功能物流车、农业特种车辆等领域的应用越来越广泛。

现有技术中，通常从动力学角度对车辆的运动进行控制，通过动力学求解可得出能满足动力学约束的车轮运动轨迹，控制器通过车轮的动力学误差即目标转向角与实测转向角之差，来确保车轮转向角度的精确度。采用传统的车轮位置控制方法对四轮独立转向车辆的车轮的转向进行控制，可以保证各车轮能较好的跟踪各自的运动轨迹，但是车辆在转向过程中，一旦某个车轮由于外部干扰等因素不能实时跟踪其运动轨迹，车辆的动力学要求也就不能实时保证。

发明内容

本发明是为解决上述问题而进行的，利用车轮的位置和转向角，在车辆坐标系中通过对车辆转向瞬时中心的求解，得出各车轮的运动学误差，在车辆动力学控制的基础上，实现车辆转向的动力学—运动学复合控制。

本发明采用了如下技术方案：

本发明提供的四轮独立转向的转向控制方法，利用控制系统控制四个车轮的转向电机的旋转角度，具有这样的特征，包括以下步骤：

步骤一，控制系统对车辆的瞬时转向中心的坐标进行计算；

步骤二，控制系统基于步骤一中的瞬时转向中心坐标计算各个车轮的运动学误差以及动力学误差；

步骤三，控制系统将运动学误差以及动力学误差之和作为车轮的转向角误差，并依据转向角误差调节各个车轮的转向电机的转角，进而调节车轮的转向角，

其中，车轮的实时运动学误差e_i ^k的计算公式为：

e_{i}^{k} = δ_{i}^{k} - δ_{i}^{c}

式中，为当前第i个车轮转向角的瞬时值；δ_i ^k为第i个车轮的实时运动学转向约束角度，由下式计算得出：

\{\begin{matrix} δ_{i}^{k} = a \tan 2 (k_{k} (x_{i} - x_{ICR}^{c}), - k_{k} (y_{i} - y_{ICR}^{c})) \\ k_{k} = sign (δ_{i}^{c} - a \tan 2 (y_{i} - y_{ICR}^{c}, x_{i} - x_{ICR}^{c})) \end{matrix}

其中，x^c _ICR、y^c _ICR分别为车辆坐标系中车辆的瞬时转向中心坐标，x_i、y_i分别为车辆坐标系中第i个车轮的位置坐标。

本发明提供的四轮独立转向的转向控制方法，还可以具有这样的技术特征：车轮i的旋转轴为AX_i，当四个车轮的旋转轴AX_i相交一点时，交点坐标为车辆的瞬时转向中心的坐标。

本发明提供的四轮独立转向的转向控制方法，还可以具有这样的技术特征：当旋转轴AX_i不相交时，车辆的瞬时转向中心的坐标通过下式计算：

\{\begin{matrix} x_{ICR}^{c} = \frac{A_{2} A_{5} - A_{3} A_{4}}{A_{1} A_{4} - A_{2}^{2}} \\ y_{ICR}^{c} = \frac{A_{1} A_{5} - A_{3} A_{2}}{A_{1} A_{4} - A_{2}^{2}} \end{matrix}

其中

A_{1} = Σ_{i = 1}^{4} \frac{2 a_{i}^{2}}{a_{i}^{2} + 1}, A_{2} = Σ_{i = 1}^{4} \frac{{2 a}_{i}}{a_{i}^{2} + 1}, A_{3} = Σ_{i = 1}^{4} \frac{{2 a}_{i} b_{i}}{a_{i}^{2} + 1}, A_{4} = Σ_{i = 1}^{4} \frac{2}{a_{i}^{2} + 1}, A_{5} = Σ_{i = 1}^{4} \frac{{2 b}_{i}}{a_{i}^{2} + 1},

a_{i} = \tan (δ_{i}^{c} + π / 2),

b_i＝y_i-a_ix_i。

本发明提供的四轮独立转向的转向控制方法，还可以具有这样的技术特征：车轮的动力学误差的计算公式为：式中：为当前第i个车轮转向角的瞬时值；为动力学目标转角。

本发明提供的四轮独立转向的转向控制方法，还可以具有这样的技术特征：控制系统至少包括一个主控制器和四个分别控制四个车轮转向的运动控制器，主控制器用于计算车辆的瞬时转向中心以及车轮的实时运动学约束角度和动力学目标转角，并将这些信息通过CAN总线传递给运动控制器，运动控制器通过计算车轮的动力学误差以及运动学误差对各车轮的转向电机进行闭环控制，同时运动控制器通过CAN总线将各车轮的实际转角信息反馈给所述主控制器。

发明作用与效果

根据本发明提供的四轮独立转向车辆的转向控制方法，主控制器在车辆坐标系下通过车轮的位置和转向角信号实时求解车辆的瞬时转向中心，并依据瞬时转向中心得到车量运动学误差，而后结合车辆的动力学误差，对车轮的转向角进行控制，完成车辆的转向控制，由于本发明提供的四轮独立转向车辆的转向控制方法中，车辆的瞬时转向中心的求解是在车辆坐标系中完成的，不需要进行坐标变换，计算较简单；主控制器结合车辆的动力学误差以及运动学误差，对车轮转向角进行控制，进一步提高了车辆转向的精准度；同时，通过运动学误差，将在机械构造上独立运动的车轮进行了虚拟连接，在转向过程中，如果一个车轮受到外部干扰转向角发生突变时，其他车轮协同运动，保证车辆转向的平稳性，提高了系统的鲁棒性。

附图说明

图1是本发明的控制系统结构示意图；

图2是本发明的车辆转向的动力学-运动学复合控制结构示意图；

图3是本发明的车辆转向的动力学-运动学复合控制的流程图；

图4是本发明的瞬时转向中心求解示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行说明。

图1为本实施例中的控制系统的结构示意图。

如图1所示，控制系统100为控制系统框图，四个车轮的转向角信号采集以及转向运动控制分别由控制模块1-控制模块4独立控制，各控制器模块通过CAN总线20联系在一起，实现车轮转向运动协调控制以及信息共享。C₀为主控制器10，主要作用是对车辆的瞬时转向中心以及车轮的动力学目标转角和实时运动学约束角度进行计算，并将结果发送至控制模块1至控制模块4中的转向运动控制器中，各转向运动控制器对相应车轮的转向角进行闭环控制。

以控制模块1中的转向运动闭环控制为例，说明对车轮1转向控制的原理。控制模块1包括连接形成一个闭环的转向运动控制器C₁11、转向电机M₁12以及角度传感器S₁13，转向运动控制器11根据主控制器10传输的实时运动学约束角度、动力学目标转角与角度传感器13实测转向角，得出车轮的实时转向角误差，通过误差得出控制量，控制转向电机12转动，消除转向角误差，实现车轮1的转向，同时运动控制器11将实测车轮转向角数据通过CAN总线20传递给主控制器10，主控制器10再次计算瞬时转向中心、实时运动学约束角度、动力学目标转角，对车轮的转向再次进行调整。控制模块2至控制模块4对于其他三个车轮的运动闭环控制方式和控制模块1对第一个车轮的控制方式相同。

同时，本控制系统利用CAN总线较强的扩展性，将测试车辆其他性能及状态的传感器5、车辆操作界面6、PC接口7以及其他节点8也连接在CAN总线上，进行数据的共享与交换。

图2是本实施例中的车辆转向的动力学-运动学复合控制示意图。

图3是本实施例中的车辆转向的动力学-运动学复合控制流程图。

如图1至图3所示，采用PID控制器对车辆转向进行动力学-运动学复合控制，具体步骤如下：

步骤一，主控制器根据车辆的位置和转向角信息，在车辆坐标系中对车辆的瞬时转向中心的坐标(x^c _ICR，y^c _ICR)进行计算；

步骤二，主控制器依据车辆的瞬时转向中心的坐标(x^c _ICR，y^c _ICR)以及四个车轮的坐标计算各车轮的实时运动学约束角度δ_i ^k；

步骤三，主控制器依据动力学计算公式得出四个车轮的动力学目标转角

步骤四，主控制器将实时运动学约束角度δ_i ^k与动力学目标转角通过CAN总线分别发送给相应的转向运动控制器，第i(i＝1,2,3,4)个转向运动控制器将第i个车轮的实时运动学约束角度δ_i ^k与该车轮实测转向角瞬时值做差，得到第i个车轮的运动学误差e_i ^k，将第i个车轮的动力学目标转角与该车轮实测转向角瞬时值做差，得到第i个车轮的动力学误差

步骤五，第i(i＝1,2,3,4)个转向运动控制器将运动学误差e_i ^k与车轮的动力学误差之和作为车轮的第i个车轮的转向角误差，调整转向电机的转动，消除转向角误差。

本实施例中，PID控制器可控制四个车轮同时进行角度的调整。

以下具体说明车辆的瞬时转向中心、每个车轮的运动学误差e_i ^k以及每个车轮的动力学误差的算法。

1、车辆的瞬时转向中心的确定

图4为本实施例中的瞬时转向中心求解示意图。

如图4所示，当车辆的运动为转动时，车辆的瞬时转向中心的坐标为(x^c _ICR，y^c _ICR)，车轮i在车辆坐标系中的坐标为(x_i，y_i)，车轮i的旋转轴为AX_i。

当AX_i相交一点时，说明四个车轮满足运动学要求，交点坐标为车辆的瞬时转向中心的坐标。

当四个车轮的旋转轴AX_i不相交时，定义车辆的瞬时转向中心ICR点为到各车轮旋转轴AX_i的距离之和最小的点。设车辆的瞬时转向中心ICR到旋转轴AX_i的距离为d_i，求解车辆瞬时转向中心ICR实际为求解到各旋转轴距离之和最小的点，即求解：

\min Σ_{i = 1}^{4} d_{i}

由点到直线距离公式，d_i可以表示为：

d_{i}^{2} = {(y_{ICR}^{c} - a_{i} x_{ICR}^{c} - b_{i})}^{2} / (a_{i}^{2} + 1)

式中：

a_{i} = \tan (δ_{i}^{c} + π / 2);

b_i＝y_i-a_ix_i

由多元函数求取极值条件：

Σ_{i = 1}^{4} \frac{&PartialD; d_{i}^{2}}{&PartialD; x_{ICR}^{c}} = Σ_{i = 1}^{4} \frac{2 a_{i}^{2} x_{ICR}^{c} - 2 a_{i} y_{ICR}^{c} + 2 a_{i} b_{i}}{a_{i}^{2} + 1} = 0

以及

Σ_{i = 1}^{4} \frac{&PartialD; d_{i}^{2}}{&PartialD; y_{ICR}^{c}} = Σ_{i = 1}^{4} \frac{2 y_{ICR}^{c} - 2 a_{i} x_{ICR}^{c} - b_{i}}{a_{i}^{2} + 1} = 0

可得车辆瞬时转向中心ICR的坐标为：

\{\begin{matrix} x_{ICR}^{c} = \frac{A_{2} A_{5} - A_{3} A_{4}}{A_{1} A_{4} - A_{2}^{2}} \\ y_{ICR}^{c} = \frac{A_{1} A_{5} - A_{3} A_{2}}{A_{1} A_{4} - A_{2}^{2}} \end{matrix}

式中：

A_{1} = Σ_{i = 1}^{4} \frac{2 a_{i}^{2}}{a_{i}^{2} + 1}, A_{2} = Σ_{i = 1}^{4} \frac{{2 a}_{i}}{a_{i}^{2} + 1}, A_{3} = Σ_{i = 1}^{4} \frac{{2 a}_{i} b_{i}}{a_{i}^{2} + 1}, A_{4} = Σ_{i = 1}^{4} \frac{2}{a_{i}^{2} + 1}, A_{5} = Σ_{i = 1}^{4} \frac{{2 b}_{i}}{a_{i}^{2} + 1}

2、各个车轮运动学误差的计算

在瞬时转向中心参照下，可以求出各车轮实时运动学约束角度

\{\begin{matrix} δ_{i}^{k} = a \tan 2 (k_{k} (x_{i} - x_{ICR}^{c}), - k_{k} (y_{i} - y_{ICR}^{c})) \\ k_{k} = sign (δ_{i}^{c} - a \tan 2 (y_{i} - y_{ICR}^{c}, x_{i} - x_{ICR}^{c})) \end{matrix}

各车轮的运动学误差为：

e_{i}^{k} = δ_{i}^{k} - δ_{i}^{c}

其中，为当前车轮i的转向角的瞬时值。

3、各车轮的动力学误差的计算

各车轮动力学误差可表示为：

e_{i}^{d} = δ_{i}^{T} - δ_{i}^{c}

式中：为当前车轮i的转向角的瞬时值，可通过角度传感器实施测出；为动力学目标转角，由动力学公式计算得出。

本实施例中，给出了当车辆的运动为转动时，车轮的运动学误差的计算方法，本计算方法的思路也同样适用于当车辆的运动为平移时，车轮的运动学误差的计算。

当车辆的运动状态为平移状态时，AX_i相互平行，车辆瞬时中心ICR在无穷远处，定义车轮的运动学约束角度δ^k为：

δ^{k} = \frac{1}{4} Σ_{i = 1}^{4} δ_{i}^{c}

此时，实时运动学误差可表述为：

e_{i}^{k} = δ^{k} - δ_{i}^{c}

实施例作用与效果

根据本实施例提供的四轮独立转向车辆的转向控制方法，主控制器在车辆坐标系下通过车轮的位置和转向角信号实时求解车辆的瞬时转向中心，并依据瞬时转向中心得到车辆实时运动学约束角度，而后结合车辆的动力学误差，对车轮的转向角进行控制，完成车辆的转向，由于本实施例提供的四轮独立转向车辆的转向控制方法中，车辆的瞬时转向中心的求解是在车辆坐标系中完成的，不需要进行坐标变换，计算较简单；结合车辆的动力学误差以及运动学误差，对车轮转向角进行控制，进一步提高了车辆转向的精准度；同时，通过运动学误差，将在机械构造上互相独立运动的车轮进行了虚拟连接，在转向过程中，如果一个车轮受到外部干扰转向角发生突变时，其他车轮协同运动，保证车辆转向的平稳性，提高了系统的鲁棒性。

本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所述的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims

1.一种四轮独立转向车辆的转向控制方法，利用控制系统控制四个车轮的转向电机的旋转角度，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，所述控制系统对所述车辆的瞬时转向中心的坐标进行计算；

步骤二，所述控制系统基于步骤一中所述瞬时转向中心坐标计算各个车轮的运动学误差以及动力学误差；

步骤三，所述控制系统将所述运动学误差以及所述动力学误差之和作为车轮的转向角误差，并依据所述转向角误差调节各个车轮的转向电机的转角，进而调节所述车轮的转向角，

其中，所述车轮的运动学误差e_i ^k的计算公式为：

e_{i}^{k} = δ_{i}^{k} - δ_{i}^{c}

\{\begin{matrix} δ_{i}^{k} = a \tan 2 (k_{k} (x_{i} - x_{I C R}^{c}), - k_{k} (y_{i} - y_{I C R}^{c})) \\ k_{k} = s i g n (δ_{i}^{c} - a \tan 2 (y_{i} - y_{I C R}^{c}, x_{i} - x_{I C R}^{c})) \end{matrix}

其中，x^c _ICR、y^c _ICR分别为车辆坐标系中车辆的瞬时转向中心坐标，x_i、y_i分别为车辆坐标系中第i个车轮的位置坐标，k_k为符号变量。

2.根据权利要求1所述的四轮独立转向车辆的转向控制方法，其特征在于：

其中，所述车轮i的旋转轴为AX_i，当四个车轮的所述旋转轴AX_i相交一点时，交点坐标为所述车辆的瞬时转向中心的坐标。

3.根据权利要求1所述的四轮独立转向车辆的转向控制方法，其特征在于：

其中，当所述旋转轴AX_i不相交时，所述车辆的瞬时转向中心的坐标通过下式计算：

\{\begin{matrix} x_{I C R}^{c} = \frac{A_{2} A_{5} - A_{3} A_{4}}{A_{1} A_{4} - A_{2}^{2}} \\ y_{I C R}^{c} = \frac{A_{1} A_{5} - A_{3} A_{2}}{A_{1} A_{4} - A_{2}^{2}} \end{matrix}

其中

4.根据权利要求1所述的四轮独立转向车辆的转向控制方法，其特征在于：

其中，所述车轮的动力学误差的计算公式为：

e_{i}^{d} = δ_{i}^{T} - δ_{i}^{c}

式中：为当前第i个车轮转向角的瞬时值；为动力学目标转角。

5.根据权利要求1所述的四轮独立转向车辆的转向控制方法，其特征在于：

其中，所述控制系统至少包括一个主控制器和四个分别控制四个车轮转向的转向运动控制器，

所述主控制器用于计算车辆的瞬时转向中心以及车轮的实时运动学约束角度和动力学目标转角，并将这些信息通过CAN总线传递给所述转向运动控制器，

所述转向运动控制器通过计算车轮的所述动力学误差以及所述运动学误差对各车轮的转向电机进行闭环控制，同时所述转向运动控制器通过CAN总线将各车轮的实际转角信息反馈给所述主控制器。