CN109204599A - 基于同轴式轮腿结构的主动姿态与全轮转向协同控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明基于同轴式轮腿结构全地形搭载平台的主动姿态控制方法，涉及车辆的自动控制领域。当车辆进入弯道时，陀螺仪采集车辆当前的运动状态并将参数传送到控制单元；其中侧向加速度大于门限值时，车辆主动姿态与全轮转向协同系统开始作用，利用车辆质心转移，减小轮胎侧向附着力；当控制单元判断需要主动姿态调节介入时，将调用最优质心位置控制器计算得到此刻质心最佳位置，控制大臂举升电机调节质心位置，而后经由车辆动力学模型得出相应的转向角控制车轮转向；在新一时刻，陀螺仪再次回传车辆状态至控制单元，车辆侧向加速度判断门限值，如此往复，直至车辆平稳驶出弯道。本发明使用主动姿态调节质心位置，对车辆有更好的操控。

Description

基于同轴式轮腿结构的主动姿态与全轮转向协同控制方法

技术领域

本发明涉及自动控制领域，具体为一种基于同轴式轮腿结构全地形搭载平台的主动姿态控制方法。

背景技术

随着我国工业水平、科技水平和人民生活水平的不断提高，多功能智能移动平台，尤其是全地形移动搭载平台，逐渐应用于众多行业之中。为了适应野外复杂非铺装路面(戈壁、山地、干涸河床等)、复杂地质环境(冰面、雪地、泥地、沼泽、湿地、草原和沙漠等)，全地形搭载平台应具备上述多种复杂地形与复杂地质环境行驶、恶劣气候工作以及低环境足迹等能力，来弥补现有设备搭载平台的技术缺陷。采用先进的技术手段提高搭载平台相关性能至关重要。

在转弯机动时，车辆的横向稳定性和安全性是一组重要的性能指标。一些在ABS刹车系统基础上研发的基于车身转矩控制的主动控制系统已被广泛地应用于现在汽车领域来提高车辆在转弯时的横向稳定性。然而制动力必然导致车辆速度的损失。这直接影响了车辆的操纵感受，并且增加了燃油的消耗。前轮线控转向系统可以通过干预前轮的转向角度来保持车辆在弯道的稳定,运用一种直接横摆转矩最优化控制方法，在车辆转向时保持一定的不足转向特性，同时减小了车辆的侧偏角。最新研究表明包含主动后轮转向的全轮转向控制系统对车辆横向稳定性、横向灵敏度与横向安全性有显著的提高。本项目负责人的博士论文中提到在相同假设条件下，主动前轮转向与全轮转向的灵敏度、稳定性与安全性上的差异。

随着无人驾驶技术的兴起，路径跟踪控制逐渐被研究人员重视。由于全轮主动转向在操纵灵敏度与稳定性上的优势，全轮主动转向技术被更多的应用于无人驾驶汽车与智能机器人路径跟踪方面的研究中。在国内多轮转向系统多用于月球车等特种车辆与机器人的研究中。以月球车为基础，研究了探测车在松软的月球表面土壤上的转向动力学问题,给出了六轮月球探测车的四轮转向运动学计算公式，推导了探测车在松软土壤上的四轮转向动力学模型,并提出了合理的简化方法。

综上所述，现有研究不足之处体现为：对于现有转向系统研究，多集中于转向控制本身。在转向过程中，忽略了车辆轮胎抓地力、车身质心偏移与横向负载转移变化对整车转向性能的影响。对复杂地形条件，包括大滑移率与摩擦力分布不均匀的情况对轮胎模型相关参数的估计方法研究不深入。

发明内容

针对上述缺陷，本发明克服了现有技术存在的转向控制没有考虑车辆轮胎抓地力、车身质心偏移与横向负载转移变化对整车转向性能的影响，提供了一种姿态与全轮转向协同控制方法。

本发明采用的技术方案是：

基于同轴式轮腿结构的主动姿态与全轮转向协同控制方法，包括：同轴式轮腿结构分别设置有四个大臂举升电机、四个小臂转向电机、四个轮毂电机、四个轮毂电机编码器，车身设置有测量车状态参数的陀螺仪和控制单元；

当车辆进入弯道时，陀螺仪采集车辆当前的运动状态并将参数传送到控制单元，判断车辆侧向加速度；

其中侧向加速度a1有门限值a，当a1<a时，可无需主动姿态调节即可保证车辆的稳定性；

当a1>a时，车辆主动姿态与全轮转向协同系统开始作用，利用车辆质心转移，减小轮胎侧向附着力,保证高速过弯的稳定性；

当控制单元判断需要主动姿态调节介入时，将调用最优质心位置控制器计算得到此刻质心最佳位置，而后输出控制信号分别控制四个大臂举升电机调节质心位置，而后经由车辆动力学模型得出相应的四个车轮转向角控制车轮转向；

在新一时刻，陀螺仪再次回传车辆状态至控制单元，车辆侧向加速度判断门限值，如此往复，直至车辆平稳驶出弯道。

所述的车辆质心转移是利用重力的分力mgsinα平衡离心力mω2r，从而减小轮胎侧向附着力F1，F2，计算式如下：

mgsinα+F1+F2＝mω2r，

mgcosα＝Fn，

F1＝k1*β1，k1为前轮轮胎侧偏刚度，β1为前轮轮胎侧偏角；F2＝k2*β2，k2为后轮轮胎侧偏刚度，β2为后轮轮胎侧偏角；

所述的质心最佳位置应用矩阵形式计算表示，公式如下：

y＝CX+D₁U+D₂F

其中

X＝[x₁,x₂,x₃,x₄]^T

U＝[u₁,u₂]^T

F＝[f₁(x₁,x₃),f₂(x₂,x₄)]^T

y＝[y₁,y₂,y₃,y₄]^T

式中m1为前轴质量，m2为后轴质量，k为弹簧刚度，c1为系统阻尼，t为时间。

X是系统的输入，x1为左前车轮输入，x2为右前车轮输入，x3为左后车轮输入，x4为右后车轮输入，y为系统输出，y1为左前车轮输出，y2为右前车轮输出，y3为左后车轮输出y4为右后车轮输出；

U为系统干扰量，u1为道路干扰，u2为侧风干扰；

A为系统矩阵，B1B2为输入矩阵，C为输出矩阵,D1D2为直接传递矩阵，F是与不同车轮输入x1，x2，x3，x4相关的干扰矩阵。它们是由系统的结构和参数所定出的矩阵。

最优质心位置控制器输出电机工作电压U，分别控制四个大臂举升电机调节质心位置，而后经由车辆动力学模型得出相应的四个车轮转向角控制车轮转向，计算式如下：

其中，U是驱动电压，I是转子电流，R是转子回路电阻，φ是磁通量，k是感应电动势常数，N为电机转速，L为线圈电感量，i为电流，di/dt是电流的变化率。

通过调整电机控制量U可以调整电机转速，从而调节转动量。

所述的由车辆动力学模型得出相应的四个车轮转向角δ1，δ2，δ3，δ4，以控制车轮转向，计算式如下：

式中为车身横摆加速度；I_Z为绕Z轴的转动惯量；L_F、L_R分别为前轴轴距与后轴轴距，用于确定质心位置；F_F、F_R分别为前轮侧向力与后轮侧向力；δ_F、δ_R分别为前轮转向角与后轮转向角；为车身横摆角速度；β为车辆侧偏角；α为当前坡度；m为汽车质量，v为汽车后轮速度，v2为汽车质心的速度。

由于采用上述的技术方案，与现有技术相比，本发明的有益效果是：

该控制方法积极使用主动姿态调节质心位置，质心位置的变化能够抵消弯中部分离心力，使驾驶员在不感到过度疲劳的情况下，对车辆有更好的操控。

提出最佳质心位置，在满足附着条件的情况下，最大限度减小驾驶员的紧张感，能越过大于轮胎直径的障碍物，并能完成特定动作，如爬楼梯。

附图说明

图1是本发明的基于同轴式轮腿结构的姿态与全轮转向协同控制方法的流程图。

图2是全地形车斜面受力图。

图3是地面切向反作用力对侧偏特性的影响图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

下面结合附图对本发明作详细的描述：

对于转向问题，主要研究运用车身姿态与全轮转向智能协同控制来保证全地形搭载平台轨迹跟踪精度，同时提高车辆横向稳定性、灵敏度及安全性。主动姿态控制利用车身主动质心偏移，更积极的利用各轮间平衡的重力分配与车身侧偏角与横摆角间的耦合，提高转向灵敏度及横向安全性。主动全轮转向通过调整后轮转向角度对横向稳定性和安全性的进一步优化。智能协同控制方法综合两种控制方法的优势，将在保证轨迹跟踪精度的前提下，全面提升平台横向稳定性、操纵灵敏度与横向安全性，并能在安全范围内提高平台行驶速度。然而由于腿部关节运动带来的车辆一系列参数变化，主动转向系统需对此加以考虑，否则将导致转向不足、转向过度以及轨迹跟踪误差过大等状况发生。由于主动姿态的控制，腿部关节旋转导致车身两侧的前后轮距发生了变化。腿部关节旋转角作为一种由姿态变化产生的已知量来参与协同调节和主动转向角度控制。通过腿部关节旋转角度与腿部机构的长度计算可得到车轮质心到车身质心的相对距离。

考虑到车辆在越野环境受大滑移影响的轨迹跟踪性能，首先侧偏刚度不再是常数，以便于解释摩擦系数变化、轮胎的非线性与参数的摄动。运用基于灵敏度的斜率搜索自适应算法对侧偏刚度进行估计。再对难以测量的轮胎侧偏角建立包含已知量(横向距离、横摆角、侧倾角与横摆角速度)的状态观测器进行状态估计。然后前轮转向与后轮转向分别起到不同的控制作用，前轮转向控制负责减小与理想轨迹的横向距离误差。对运动学方程进行链式变换使系统线性化，并考虑已知未来轨迹，运用启发式预测方法得到理想的前轮转向控制角度。后轮转向控制负责减小与理想轨迹的角度误差，并保持转向稳定与安全性。动力学模型包括横向速度、横摆角速度以及与理想轨迹角度误差，并考虑了车身侧倾角以及不同的轮距对横摆角和横向速度的影响。由于理想轨迹的曲度不同(分为直线跟踪与曲线跟踪)，需依据曲率变化对不同模式下的后轮控制量的权重加以调节，最终得到全轮转向对理想轨迹的距离与横摆角度误差控制量。

参见图1，图示了本发明的基于同轴式轮腿结构的主动姿态与全轮转向协同控制方法，包括：同轴式轮腿结构分别设置有四个大臂举升电机、四个小臂转向电机、四个轮毂电机、四个轮毂电机编码器，车身设置有测量车状态参数的陀螺仪和控制单元；

当车辆进入弯道时，陀螺仪采集车辆当前的运动状态并将参数传送到控制单元，判断车辆侧向加速度；

其中侧向加速度a1有门限值a，当a1<a时，可无需主动姿态调节即可保证车辆的稳定性；

当a1>a时，车辆主动姿态与全轮转向协同系统开始作用，利用车辆质心转移，减小轮胎侧向附着力,保证高速过弯的稳定性；

参见图3，侧向附着力的减小会增大纵向附着力极限值，可以保证高速过弯的稳定性。图3中的制动力与驱动力是汽车纵向受力。

当控制单元判断需要主动姿态调节介入时，将调用最优质心位置控制器计算得到此刻质心最佳位置，而后输出控制信号分别控制四个大臂举升电机调节质心位置，而后经由车辆动力学模型得出相应的四个车轮转向角控制车轮转向；

在新一时刻，陀螺仪再次回传车辆状态至控制单元，车辆侧向加速度判断门限值，如此往复，直至车辆平稳驶出弯道。

参见图2，所述的车辆质心转移是利用重力的分力mgsinα平衡离心力mω2r，从而减小轮胎侧向附着力F1，F2，计算式如下：

mgsinα+F1+F2＝mω2r，

mgcosα＝Fn，

F1＝k1*β1，k1为前轮轮胎侧偏刚度，β1为前轮轮胎侧偏角；F2＝k2*β2，k2为后轮轮胎侧偏刚度，β2为后轮轮胎侧偏角；

所述的质心最佳位置应用矩阵形式计算表示，公式如下：

y＝CX+D₁U+D₂F

其中

X＝[x₁,x₂,x₃,x₄]^T

U＝[u₁,u₂]^T

F＝[f₁(x₁,x₃),f₂(x₂,x₄)]^T

y＝[y₁,y₂,y₃,y₄]^T

式中m1为前轴质量，m2为后轴质量，k为弹簧刚度，c1为系统阻尼，t为时间。

X是系统的输入，x1为左前车轮输入，x2为右前车轮输入，x3为左后车轮输入，x4为右后车轮输入，y为系统输出，y1为左前车轮输出，y2为右前车轮输出，y3为左后车轮输出y4为右后车轮输出；

U为系统干扰量，u1为道路干扰，u2为侧风干扰；

A为系统矩阵，B1B2为输入矩阵，C为输出矩阵,D1D2为直接传递矩阵，F是与不同车轮输入x1，x2，x3，x4相关的干扰矩阵。它们是由系统的结构和参数所定出的矩阵。

参数上方的上标T表示转置。转置是一个数学名词，直观来看，将A的所有元素绕着一条从第1行第1列元素出发的右下方45度的射线作镜面反转，即得到A的转置。

最优质心位置控制器输出电机工作电压U，分别控制四个大臂举升电机调节质心位置，而后经由车辆动力学模型得出相应的四个车轮转向角控制车轮转向，计算式如下：

其中，U是驱动电压，I是转子电流，R是转子回路电阻，φ是磁通量，k是感应电动势常数，N为电机转速，L为线圈电感量，i为电流，di/dt是电流的变化率。

由公式可知，调整电机控制量U可以调整电机转速，从而调节转动量。

所述的由车辆动力学模型得出相应的四个车轮转向角δ1，δ2，δ3，δ4，以控制车轮转向，计算式如下：

式中为车身横摆加速度；I_Z为绕Z轴的转动惯量；L_F、L_R分别为前轴轴距与后轴轴距，用于确定质心位置；F_F、F_R分别为前轮侧向力与后轮侧向力；δ_F、δ_R分别为前轮转向角与后轮转向角；为车身横摆角速度；β为车辆侧偏角；α为当前坡度；m为汽车质量，v为汽车后轮速度，v2为汽车质心的速度。

参见图2，当车辆行驶于复杂地形时，为了保持平台平衡，通过腿部关节与被动悬挂共同运动来达到车身的水平。当车辆转向时，通过控制腿部机构调整车身角度，使其向内侧倾斜一定角度，用车身质心偏移通过车身水平的分力抵消一部分离心力在车身平面的分力来减小额外加速度影响，并且通过有利的横向负载转移来平衡两侧轮胎的动载荷以提高抓地力及减小倾覆的可能。当车辆行驶于斜面时，为了保持全地形平台的平衡，根据斜坡坡度的大小对腿部动作做出调整，使车身保持平行于水平面。这时如果伴随着转向的情况发生，平台将根据离心力的变化调整车身的绝对姿态角，减小侧向力对平台稳定性的干扰。

以上述的姿态角度为理想控制量，平台可以抵消外力对车辆行驶与弯道性能的不利影响，根据所得理想角度关系设计控制器，首先满足操纵性、安全性和舒适性上的要求，并同时控制腿部关节转矩使车身始终跟随理想姿态。控制系统通过对路面干扰、外力的探测、评估与预测以及对位移、角度及速度传感器信息的分析，把适当的控制量传递给执行机构，完成整个控制过程。

Claims (5)

1.一种基于同轴式轮腿结构的主动姿态与全轮转向协同控制方法，其特征在于，包括：

同轴式轮腿结构分别设置有四个大臂举升电机、四个小臂转向电机、四个轮毂电机、四个轮毂电机编码器，车身设置有测量车状态参数的陀螺仪和控制单元；

当车辆进入弯道时，陀螺仪采集车辆当前的运动状态并将参数传送到控制单元，判断车辆侧向加速度；

其中侧向加速度a1有门限值a，当a1<a时，可无需主动姿态调节即可保证车辆的稳定性；

当a1>a时，车辆主动姿态与全轮转向协同系统开始作用，利用车辆质心转移，减小轮胎侧向附着力，保证高速过弯的稳定性；

当控制单元判断需要主动姿态调节介入时，将调用最优质心位置控制器计算得到此刻质心最佳位置，而后输出控制信号分别控制四个大臂举升电机调节质心位置，而后经由车辆动力学模型得出相应的四个车轮转向角控制车轮转向；

在新一时刻，陀螺仪再次回传车辆状态至控制单元，车辆侧向加速度判断门限值，如此往复，直至车辆平稳驶出弯道。

2.根据权利要求1所述的基于同轴式轮腿结构的主动姿态与全轮转向协同控制方法，其特征在于，所述的车辆质心转移是利用重力的分力mgsinα平衡离心力mω2r，从而减小轮胎侧向附着力F1，F2，计算式如下：

mgsinα+F1+F2＝mω2r，

mgcosα＝Fn，

F1＝k1*β1，k1为前轮轮胎侧偏刚度，β1为前轮轮胎侧偏角；F2＝k2*β2，k2为后轮轮胎侧偏刚度，β2为后轮轮胎侧偏角。

3.根据权利要求2所述的基于同轴式轮腿结构的主动姿态与全轮转向协同控制方法，其特征在于，所述的质心最佳位置应用矩阵形式计算表示，公式如下：

y＝CX+D₁U+D₂F

其中

X＝[x₁,x₂,x₃,x₄]^T

U＝[u₁,u₂]^T

F＝[f₁(x₁,x₃),f₂(x₂,x₄)]^T

y＝[y₁,y₂,y₃,y₄]^T

式中m1为前轴质量，m2为后轴质量，k为弹簧刚度，c1为系统阻尼，t为时间。

X是系统的输入，x1为左前车轮输入，x2为右前车轮输入，x3为左后车轮输入，x4为右后车轮输入，y为系统输出，y1为左前车轮输出，y2为右前车轮输出，y3为左后车轮输出y4为右后车轮输出；

U为系统干扰量，u1为道路干扰，u2为侧风干扰；

A为系统矩阵，B1B2为输入矩阵，C为输出矩阵,D1D2为直接传递矩阵，F是与不同车轮输入x1，x2，x3，x4相关的干扰矩阵；它们是由系统的结构和参数所定出的矩阵。

4.根据权利要求3所述的基于同轴式轮腿结构的主动姿态与全轮转向协同控制方法，其特征在于，最优质心位置控制器输出电机工作电压U，分别控制四个大臂举升电机调节质心位置，而后经由车辆动力学模型得出相应的四个车轮转向角控制车轮转向，计算式如下：

其中，U是驱动电压，I是转子电流，R是转子回路电阻，φ是磁通量，k是感应电动势常数，N为电机转速，L为线圈电感量，i为电流，di/dt是电流的变化率；

通过调整电机控制量U可以调整电机转速，从而调节转动量。

5.根据权利要求4所述的基于同轴式轮腿结构的主动姿态与全轮转向协同控制方法，其特征在于，所述的由车辆动力学模型得出相应的四个车轮转向角δ1，δ2，δ3，δ4，以控制车轮转向，计算式如下：

式中为车身横摆加速度；I_Z为绕Z轴的转动惯量；L_F、L_R分别为前轴轴距与后轴轴距，用于确定质心位置；F_F、F_R分别为前轮侧向力与后轮侧向力；δ_F、δ_R分别为前轮转向角与后轮转向角；为车身横摆角速度；β为车辆侧偏角；α为当前坡度；m为汽车质量，v为汽车后轮速度，v2为汽车质心的速度。