CN109911010A - 一种兼具铰接转向和转向梯形转向的全轮独立驱动铰接车辆差动协同转向系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种兼具铰接转向和转向梯形转向的全轮独立驱动铰接车辆差动协同转向系统，包括：通过连接轴铰接连接的前车体和后车体，液压转向系统，其设置在所述前车体和后车体之间；信号采集模块，其设置在驱动轮处，用于检测驱动轮转向信息；差动协同转向系统控制器，其与信号采集模块连接，用于接收所述信号采集模块的检测数据，并作出控制决策；多个驱动轮电机，其分别与所述驱动轮连接，用于驱动所述驱动轮独立转动；驱动轮电机控制器，其与所述差动协同转向系统控制器和驱动轮电机连接，用于控制所述驱动轮独立驱动。本发明还提供一种兼具铰接转向和转向梯形转向的全轮独立驱动铰接车辆差动协同转向系统的控制方法。

Description

一种兼具铰接转向和转向梯形转向的全轮独立驱动铰接车辆 差动协同转向系统及其控制方法

技术领域

本发明属于全轮独立驱动铰接转向车辆转向技术领域，特别涉及一种兼具铰接转向和转向梯形转向的全轮独立驱动铰接车辆差动协同转向系统及其控制方法。

背景技术

近些年来，随着环境问题日益严重以及传统能源短缺的问题加剧，汽车逐步朝着采用清洁能源的方向发展，其中电动汽车得到了很大程度的发展，随着电驱动技术的逐步成熟，以及电池技术的发展和完善，工程车辆也开始采用以轮毂电机或轮毂液压马达为动力的全轮独立驱动技术。全轮独立驱动方式相比传统集中式机械全轮驱动方式，可以充分利用各轮转矩独立可控的特点非常方便的改变车辆的动力学特性，使整车底盘动力学控制的自由度大大增加。而且通过优化分配各轮驱动转矩，还可以利用产生的动力学规律降低汽车驱动系统和转向系统的能耗，提高整车行驶经济性。此外对于电动或增程式电动工程车辆，可以采用轮毂电机为核心的电动轮独立驱动系统作为驱动部件，相比较传统内燃机动力全轮驱动汽车，具有明显的高经济性和零排放优势。同时轮毂电机响应快，保证了工程车辆具有较高的响应速度。

由于工程车辆在工作时转向频繁，且要求有较小的转弯半径，为满足上述要求以及保证工程车辆的机动性，工程车辆通常采用铰接转向的转向方式，并且工程车辆的铰接转向通常以液压驱动，通过控制前后车体铰接点两侧液压缸伸缩完成转向。铰接转向保证了工程车辆在工作时有更小的转弯半径，机动性良好，同时有利于工程车辆大直径、宽胎面的低压胎布置。但是，液压驱动铰接转向由于液压系统的特点，其响应速度慢，转向迟滞较明显，同时铰接转向工作能耗大，而工程车辆转向频繁，导致其转向能耗是传统车辆的3～4倍。

对于长轴距独立驱动的铰接工程车辆，仅通过采用液压驱动铰接转向有时无法满足复杂工况需求，因此，部分长轴距铰接转向工程车辆在采用铰接转向的同时，还引入传统的转向梯形转向，如“三一”集团的PY190型平地机，转向液压缸的两端分别与前轴左右驱动轮和车架相连，通过两侧液压缸的伸缩控制两侧驱动轮的偏转角，其两侧最大偏转角为45度。引入转向梯形的多轴独立驱动铰接转向工程车辆，在工作时可以具有更小的转弯半径，从而保证了工程车辆在复杂工况工作的可靠性。但是由于液压系统的响应较慢，降低了工程车辆的机动性，而且引入液压驱动转向梯形后进一步提高了用于转向系统的能耗，整套液压动力转向系统能耗占到整车能耗的10％～15％。

发明内容

本发明的一个目的是设计开发了一种兼具铰接转向和转向梯形转向的全轮独立驱动铰接车辆差动协同转向系统，使得差动转向系统与液压转向系统协同工作，改善液压转向系统的响应特性，减少转向反应时间，提高转向机动灵活性。

本发明的另一个目的是设计开发了一种兼具铰接转向和转向梯形转向的全轮独立驱动铰接车辆差动协同转向系统的控制方法，使得差动转向系统与液压转向系统协同工作，在不增加整车驱动能耗的同时降低液压转向系统的转向功耗。

本发明提供的技术方案为：

一种兼具铰接转向和转向梯形转向的全轮独立驱动铰接车辆差动协同转向系统，包括：

通过连接轴铰接连接的前车体和后车体，在所述前车体上设置有前驱动轮，在所述后车体上设置有中驱动轮和后驱动轮；

液压转向系统，其设置在所述前车体和后车体之间，用于驱动转向；

信号采集模块，其设置在驱动轮处，用于检测驱动轮转向信息；

差动协同转向系统控制器，其与信号采集模块连接，用于接收所述信号采集模块的检测数据，并作出控制决策；

多个驱动轮电机，其分别与所述驱动轮连接，用于驱动所述驱动轮独立转动；

驱动轮电机控制器，其与所述差动协同转向系统控制器和驱动轮电机连接，用于接收所述差动协同转向系统控制器的控制决策，并控制所述驱动轮独立驱动。

一种兼具铰接转向和转向梯形转向的全轮独立驱动铰接车辆差动协同转向系统的控制方法，包括如下步骤：

步骤1：按照采样周期采集车速V、转向梯形液压缸的活塞杆的位移X_f、铰接转向液压缸的活塞杆的位移X、方向盘转角Φ_ω和方向盘转动角速度Φ_ω，确定差动协同转向系统的工作状态；

步骤2：当差动协同转向系统不工作时，车辆按照原行驶工况行驶；

当差动转向系统工作时，采集方向盘转角信号和铰接转向操纵杆位移信号，确定液压转向系统的转向工况；

步骤3：当液压转向系统处于转向梯形转向工况时：

根据踏板信号获得总驱动转矩T_t，并分配到前轴得到前轴转矩

根据车速V、方向盘转角Φ_ω确定差动转向工作权重系数初始值k_c，并对差动转向工作权重系数k进行在线寻优，所述在线寻优的目标函数为：

式中，P为在线寻优的瞬时功率，λ为驱动轮电机的工作效率，n₁为左前驱动轮电机的输出转速，n₂为右前驱动轮电机的输出转速，k为前驱动轮轮轴的差动转向工作权重系数，A_fpi为第i个转向梯形液压缸的活塞面积；x_fpi为第i个转向梯形液压缸的活塞杆位移；C_ftpi为第i个转向梯形液压缸的总泄漏系数，且C_ftpi＝C_fipi+C_fepi，C_fipi为第i个转向梯形液压缸的内部泄漏系数，C_fepi为第i个转向梯形液压缸的外部泄漏系数；P_fLi为第i个转向梯形液压缸的负载压力，且P_fLi＝P_fii+P_foi，P_fii为第i个转向梯形液压缸的进油腔压力，P_foi为第i个转向梯形液压缸的回油腔压力，η_fi为第i个转向梯形液压缸的工作效率，c₁， c₂为优化边界系数；

根据在线寻优得到的差动转向工作权重系数k输出左前驱动轮和右前驱动轮的驱动转矩T₁,T₂：

当液压转向系统处于铰接转向工况时：

根据踏板信号获得总驱动转矩T_t；

根据车速V、铰接转向操纵杆的位移信号X_c确定差动转向工作权重系数初始值k_c，并对差动转向工作权重系数k₁,k₂,k₃进行在线寻优，所述在线寻优的目标函数为：

c₁k_c≤k₁≤c₂k_c，c₁k_c≤k₂≤c₂k_c，c₁k_c≤k₃≤c₂k_c；

式中，P为在线寻优的瞬时功率，λ为驱动轮电机的工作效率，n₁为左前驱动轮电机的输出转速，n₂为右前驱动轮电机的输出转速，n₃为左中驱动轮电机的输出转速，n₄为右中驱动轮电机的输出转速，n₅为左后驱动轮电机的输出转速，n₆为右后驱动轮电机的输出转速，k₁,k₂,k₃分别为前驱动轮轮轴、中驱动轮轮轴、后驱动轮轮轴的差动转向工作权重系数，A_pi为第i个铰接转向液压缸的活塞面积；x_pi为第i个铰接转向液压缸的活塞杆位移；C_tpi为第i个铰接转向液压缸的总泄漏系数，且C_tpi＝C_ipi+C_epi，C_ipi为第i个铰接转向液压缸的内部泄漏系数，C_epi为第i个铰接转向液压缸的外部泄漏系数；P_Li为第i个铰接转向液压缸的负载压力，且P_Li＝P_ii+P_oi，P_ii为第i个铰接转向液压缸的进油腔压力，P_oi为第i个铰接转向液压缸的回油腔压力，η_i为第i个铰接转向液压缸的工作效率，c₁，c₂为优化边界系数；

根据在线寻优得到的差动转向工作权重系数k₁,k₂,k₃输出左前驱动轮、右前驱动轮、左中驱动轮、右中驱动轮、左后驱动轮和右后驱动轮的驱动转矩 T₁,T₂,T₃,T₄,T₅,T₆：

优选的是，在所述步骤3中，当液压转向系统处于转向梯形转向工况时，根据前驱动轮的滑转率对前驱动轮转矩进行修正，包括PID控制器：

采集左前驱动轮和右前驱动轮的转速，计算前驱动轮、中驱动轮和后驱动轮的滑转率s以及最佳滑转率s_p，当驱动轮的滑转率超过最佳滑转率时，确定前驱动轮的修正转矩：

式中，T_xi为第i个前驱动轮的修正转矩，e(t)为前驱动轮的滑转率和最佳滑转率的差值，e(t)＝s-s_p，K_P,K_I,K_D分别为PID控制器的比例系数、积分系数和微分系数；

输出左前驱动轮和右前驱动轮修正后的驱动转矩：

T_si＝T_i-T_xi；

式中，T_si为第i个前驱动轮修正后的驱动转矩，T_i为步骤3中第i个前驱动轮修正前的输出驱动转矩。

优选的是，在所述步骤3中，当液压转向系统处于铰接转向工况时，根据驱动轮的滑转率对驱动轮转矩进行修正，包括PID控制器：

采集左前驱动轮、右前驱动轮、左中驱动轮、右中驱动轮、左后驱动轮、右后驱动轮的转速，计算前驱动轮、中驱动轮和后驱动轮的滑转率s以及最佳滑转率s_p，当驱动轮的滑转率超过最佳滑转率时，确定驱动轮的修正转矩：

式中，T_xi为第i个驱动轮的修正转矩，e(t)为驱动轮的滑转率和最佳滑转率的差值，e(t)＝s-s_p，K_P,K_I,K_D分别为PID控制器的比例系数、积分系数和微分系数；

输出驱动轮修正后的驱动转矩：

T_si＝T_i-T_xi；

式中，T_si为第i个驱动轮修正后的驱动转矩，T_i为第i个驱动轮修正前的输出驱动转矩。

本发明所述的有益效果：

1.本发明所述的兼具转向梯形转向和铰接转向的全轮独立驱动车辆差动协同转向系统能够改善液压转向系统的响应特性，减少转向反应时间，提高转向机动灵活性。

2.本发明所述的兼具转向梯形转向和铰接转向的全轮独立驱动车辆差动协同转向系统工作时并不改变整车驱动功率需求，故能够保证在不增加整车驱动能耗的同时降低车辆转向系统的能耗，实现整车真正节能。

3.本发明所述的兼具转向梯形转向和铰接转向的全轮独立驱动车辆差动协同转向系统对于由轮毂液压马达独立驱动的铰接转向车辆同样适用，是共性技术，具有很好的通用性。

4、本发明设计开发的兼具铰接转向和转向梯形转向的全轮独立驱动铰接车辆差动协同转向系统的控制方法，使得差动转向系统与液压转向系统协同工作，在不增加整车驱动能耗的同时降低液压转向系统的转向功耗。本发明不同于现有技术，主要工作在工程车辆频繁工作的工况，即原地或低速满载频繁转向工况。需要说明的是本发明同样可以应用于空载高速行驶的稳定性控制上。

附图说明

图1为本发明所述的兼具转向梯形转向和铰接转向的全轮独立驱动车辆差动协同转向系统的结构示意图。

图2为本发明所述的兼具转向梯形转向和铰接转向的全轮独立驱动车辆差动协同转向系统的液压转向系统示意图。

图3为本发明所述的兼具转向梯形转向和铰接转向的全轮独立驱动车辆差动协同转向系统的结构框图。

图4为本发明所述的兼具转向梯形转向和铰接转向的全轮独立驱动车辆差动协同转向系统的控制方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”、以及“包括”术语并不排除一个或多个其他元件或其组合的存在或添加。

本发明是用于兼具转向梯形转向和铰接转向的全轮独立驱动车辆的差动协同转向系统及其控制方法，优选的是车辆采用轮毂液压马达驱动或者电动轮驱动。因此，将本系统应用于其他能够实现全轮独立驱动的铰接转向车辆上并不视为对本发明的创新。本系统及其控制方法利用差动驱动系统与工程车辆原有的转向梯形转向液压系统和铰接转向液压系统的配合，能有效提高铰接转向车辆的转向灵活性，降低原液压转向系统转向能耗。

如图1-3所示，以6个轮毂电机为整车驱动部件的实施例为例，本发明所述的兼具转向梯形转向和铰接转向的全轮独立驱动车辆差动协同转向控制系统由信号采集器件、差动协同转向系统控制器(ECU)、各驱动轮电机控制器三部分组成。其各部分组成和电气连接关系如下：

通过连接轴铰接连接的前车体111和后车体117，在所述前车体上设置有前驱动轮(左前驱动轮122和右前驱动轮112)，在所述后车体上设置有中驱动轮(左中驱动轮119和右中驱动轮115)和后驱动轮(左后驱动轮118和右后驱动轮116)；传统的液压转向系统(包括液压铰接转向和液压转向梯形转向)，其设置在前车体111和后车体117之间，用于驱动液压转向；信号采集模块，其设置在驱动轮处，用于检测驱动轮转向信息；差动协同转向系统控制器(ECU)，其与信号采集模块连接，用于接收信号采集模块的检测数据，并作出控制决策；多个驱动轮电机，其分别与驱动轮连接，用于驱动该驱动轮独立转动；驱动轮电机控制器，其与差动协同转向系统控制器和驱动轮电机连接，用于接收差动协同转向系统控制器的控制决策，并控制所述驱动轮独立驱动。

所述液压转向系统包括：两个转向梯形液压缸121、113，其对称设置在靠近前驱动轮的连接轴两侧，且两端分别与前驱动轮和连接轴铰接；两个铰接转向液压缸120、114，其对称设置在靠近中驱动轮的连接轴两侧，且两端分别与连接轴和后车体铰接。具体的液压转向控制系统如图2所示，包括：测压接头131，连接前轴转向液压缸，用于检测前轴转向液压缸的压力；冲击阀132，连接前轴转向液压回路，防止瞬时油压过大引起液压系统内部冲击，影响液压系统使用寿命；吸油阀133，连接在前轴左右转向液压缸和供油回路中，转向油缸由于外部冲击可能产生瞬时负压，吸油阀立即补油防止油缸气蚀；转向器134，连接转向液压油缸回路，转向器由转阀式方向阀和摆线式计量马达两部分组成，方向阀使压力油按方向盘转动方向经计量马达流入转向油缸，计量马达使流入转向油缸的油液量与方向盘转角成正比，当油泵因故不能供油或者供油量太小时，计量马达自动转入泵工况，在方向盘带动下，将液压油泵入油缸。安全阀135，位于转向液压系统回路中，防止液压系统压力过大导致损坏；止回阀136，位于液压系统前端，连接整个液压动作系统，用于保压，在液压缸完成指定转向指令后维持液压系统压力，在低转速下防止由于外载的冲击造成方向盘抖动；散热器137，位于油箱前端，散发系统回油热量，降低油箱油液温度；滤油器138，位于散热器和油箱之间，过滤液压油，防止液压油中的杂质导致液压系统堵塞；泵139，位于发动机取力口上，为液压油加压，提供液压系统所需的压力。

信号采集模块包括六个结构相同的转速传感器，包括：右前驱动轮转速传感器211、右中驱动轮转速传感器214、右后驱动轮转速传感器215、左后驱动轮转速传感器216、左中驱动轮转速传感器217、左前驱动轮转速传感器 220；四个结构相同的位移传感器，包括：转向梯形右侧液压缸位移传感器212、转向梯形左侧液压缸位移传感器219、铰接转向右侧液压缸位移传感器 213和铰接转向左侧液压缸位移传感器218；方向盘转角传感器；铰接转向操纵杆位移传感器。所述的各传感器的信号输出端分别与差动协同转向控制器 (ECU)的输入端相连，同时整车驱动控制器通过CAN总线与差动协同转向控制器相连。所述的各信号通过模数转换后输送给ECU的单片机中，差动协同转向控制器(ECU)根据事先存储在其内部存储器的“兼具转向梯形转向和铰接转向的全轮独立驱动车辆差动协同转向系统控制方法”控制程序完成执行机构的控制指令，之后再通过CAN总线将所述指令输出给各个驱动轮电机中完成对各个驱动轮转矩的控制。

本发明所述的兼具转向梯形转向和铰接转向的全轮独立驱动车辆差动协同转向系统能够改善液压转向系统的响应特性，减少转向反应时间，提高转向机动灵活性。该系统工作时并不改变整车驱动功率需求，故能够保证在不增加整车驱动能耗的同时降低车辆转向系统的能耗，实现整车真正节能。对于由轮毂液压马达独立驱动的铰接转向车辆同样适用，是共性技术，具有很好的通用性。

本发明还提供一种兼具铰接转向和转向梯形转向的全轮独立驱动铰接车辆差动协同转向系统的控制方法，包括如下步骤：

步骤1：上电后，差动协同转向控制器初始化，完成自检过程，读取转向控制参数。主要包括：车速阈值V₀(km/h)；铰接转向左、右液压缸位移阈值 X_l0,X_r0(mm)；转向梯形左、右液压缸位移阈值X_fl0,X_fr0(mm)；转向盘转角门限值Φ_w0(°)；转向盘角速度门限值ω₀(°/s)。

步骤2：差动协同转向控制器读取各传感器信号，包括：驱动轮转速信号n_i(r/min)(i＝1,2,3,4,5,6)；铰接转向左、右侧液压缸位移信号X_l,X_r(mm)；转向梯形左、右侧液压缸位移信号X_fl,X_fr(mm)；转向盘转角信号Φ_ω(°)；ECU 通过驾驶员踏板信号计算总驱动转矩T_t(N)；优选的是，车速的计算可以通过各个车轮(驱动轮)转速信号n_i计算得到汽车车速V(km/h)。需要说明的是，采用其他方法获取车速信号并不视为对本发明的创新。

步骤3：对传感器测得的信号(铰接转向左、右侧液压缸位移信号X_l,X_r；转向梯形左、右侧液压缸位移信号X_fl,X_fr；转向盘转角信号Φ_ω进行滤波处理，并对转向盘转角信号Φ_ω进行求导求得转向盘转角速度优选的是采用卡尔曼滤波方法，需要说明的是，采用其他滤波方法并不视为有别于本发明的创新。

步骤4：根据差动协同转向系统控制器读取的传感器信号判断在当前行驶工况下，是否满足启动差动协同转向系统的要求。判断条件包括：

1)V≥V₀，当前车速V是否超过车速阈值V₀。对于铰接转向车辆，当车速过高时，直线行驶会出现如“蛇形”等不稳定行驶现象。此时若再施加用于降低液压转向系统功率的差动转矩会形成一个横摆转矩更容易使车辆失稳，发生侧翻。故超过该速度门限时，为保证车辆行驶稳定性，本发明所述差动协同转向系统不起作用。

2)|Φ_ω|≤Φ_ω0，转向盘转角是否低于门限值Φ_ω0。门限值是为了避免由车辆振动以及机械配合间隙引起的转向盘振荡造成对本发明所述差动协同转向系统频繁启停的影响。

3)转向盘角速度是否低于门限值ω₀。如低于门限值表明驾驶员基本不转动转向盘，此时车辆近似处于稳态。此时若再施加差动转矩，反而会影响驾驶员操作并可能导致原有液压转向系统自锁时的机构损坏。

4)|X_l|≥X_l0,|X_r|≥X_r0,|X_fl|≥X_fl0,|X_fr|≥X_fr0，铰接转向液压缸位移|X_l|(或|X_r|) 是否超过液压缸位移阈值X_l0(或X_r0)；转向梯形液压缸位移|X_fl|(或|X_fr|) 是否超过液压缸位移阈值X_fl0(或X_fro)。当液压缸位移达到阈值时，意味着 液压缸即将达到最大伸长量。此时若继续施加差动转矩可能会对车辆的机械 部件及液压系统造成损坏。

若当前行驶工况满足上述判断条件中任意一项，则不启动差动协同转向系统，程序直接结束；若当前行驶工况下，上述判断条件均不满足，则进行步骤5。

步骤5：根据转向盘转角传感器和铰接转向操纵杆位移传感器检测到的信号判断车辆当前处于的转向工况。如果获得转向盘转角信号，表明车辆为转向梯形转向工况，则进行步骤6；如果获得铰接转向操纵杆位移信号，表明车辆为铰接转向工况，则进行步骤7。

步骤6：对于转向梯形转向工况，此时以转向系统能耗最小为优化目标按下述步骤确定各驱动轮驱动转矩，从而实施差动协同转向。具体步骤如下：

1、读取车速V；转向盘转角Φ_ω以及由上层整车驱动控制器决策的总驱动需求转矩T_t，并计算分配到前轴的驱动转矩T_tf：

2、根据转向盘转角Φ_ω、车速V实时查表得到差动转向工作权重系数值k 的初始值k_c。

k_c由全局离线仿真优化得到，即用Simulink及Carsim等仿真软件仿真车辆分别行驶在特定车速、转向盘从初始位置转动到各确定位置的行驶过程，对差动转向工作权重系数k_c进行全局离线寻优得到。寻优目标函数如下：

其中，T_i为第i个前驱动轮的输出驱动转矩，n_i为第i个前驱动轮电机的输出转速，即T₁为左前轮电机的输出转矩；n₁为左前轮电机的输出转速；λ为轮毂电机工作效率；T₂为右前轮电机的输出转矩；n₂为右前轮电机的输出转速； k_c为前轴驱动电机的离线优化权重系数；t_f为离线优化仿真时长；A_fpi为第i个转向梯形液压缸的活塞面积；x_fpi为第i个转向梯形液压缸的活塞杆位移；C_ftpi为第i个转向梯形液压缸的总泄漏系数，且C_ftpi＝C_fipi+C_fepi，C_fipi为第i个转向梯形液压缸的内部泄漏系数，C_fepi为第i个转向梯形液压缸的外部泄漏系数；P_fLi为第i个转向梯形液压缸的负载压力，且P_fLi＝P_fii+P_foi，P_fii为第i个转向梯形液压缸的进油腔压力，P_foi为第i个转向梯形液压缸的回油腔压力，η_fi为第i 个转向梯形液压缸的工作效率，即A_fp1、A_fp2分别为左前轮和右前轮转向梯形液压缸活塞面积；x_fp1、x_fp2分别为左前轮和右前轮转向梯形液压缸活塞杆位移；C_ftp＝C_fip+C_fep，其中C_fip为转向梯形液压缸内部泄漏系数，C_fep为转向梯形液压缸外部泄漏系数；C_ftp1、C_ftp2分别为左右转向梯形液压缸总泄露系数； P_fL＝P_fi-P_fo，其中P_fi、P_fo分别为转向梯形液压缸的进、回油腔压力；P_fL1、P_fL2分别为左右转向梯形液压缸负载压力；η_f1、η_f2分别为左、右转向梯形液压缸工作效率。

目标函数值J越小，则说明节能效果越好。离线优化得到的初始值目的是为给下一步的在线寻优提供寻优初始值，这样能显著提高在线寻优的速度，具有显著的工程实际应用价值。将各个车速及定转向盘转角工况的离线优化的差动转向工作权重系数k_c制成数据表，存储在ECU中，使用时直接调用即可。如表1所示为根据某车型参数通过上述离线优化方法计算得到的差动转向工作权重系数k_c表的一个实施例。当实际转向盘转角与车速具体值不在表格中，采用插值的方法取值，具体选用的插值方法并不能视为有别于本发明的创新。

表1

3、对基于查表得到的差动转向工作权重系数k的初始值k_c进行在线寻优。k_c为寻优起始点，实时在线寻优得到差动协同转向系统的工作权重系数。

在线寻优的目的是通过寻优算法在线计算出当前时刻的使转向系统功率最小时的差动转向工作权重系数值。将上一步得到的差动转向工作权重系数值k_c作为优化算法寻优的起点，可大大提高在线寻优的速度，满足实时性的要求。

在线优化函数的目标函数如下：

其中，T_tf为车速控制器决策出的前轴驱动转矩；k为在线优化权重系数。目标函数值越小，说明效果越佳。其中k的约束边界为：

c₁k_c≤k≤c₂k_c(i＝1,2)

式中，c₁和c₂分别为优化边界系数，优化边界系数的具体取值需根据前轮的轮毂或轮边电机的功率和转矩特性决定，需进行实车实验进行具体标定。一般取值为：c₁为0.8，c₂为1.2。优选的是，选用加权最小二乘法作为在线优化问题的求解算法。

4、根据在线寻优得到的差动转向的工作权重系数k和车速控制器决策出的前轴驱动转矩T_tf即可确定和输出左、右前轮的驱动转矩。驱动转矩分配如下：

其中，T₁、T₂分别为左前轮和右前轮输出转矩。

5、根据车辆的滑转率曲线可知，当车辆的滑转率超过阈值时，车辆将出现原地打滑的现象，此时，车辆的附着条件急剧恶化，有失稳危险，同时使得整车能耗迅速升高。因此，通过优化控制方法重新分配的两个前轮驱动转矩，以及上层整车驱动控制器分配给其余车轮的驱动转矩，都需要进行滑转率控制。另外，车辆在最佳滑转率附近工作时，可以有较好的路面附着效果，其侧向稳定裕度增加，同时保持纵向良好的驱动性能。因此，当启动滑转率控制模块后，以最佳滑转率为目标，进行PID优化控制，得到优化控制转矩。将前轴车轮修正过后的车轮需求转矩T_si(i＝1,2)控制指令发送至前轴车轮轮毂电机的控制器。

具体修正方法如下：通过轮速传感器实时获取前轴左、右驱动轮的转速信号，由ECU读取车速信号，实时计算前轴每个车轮的滑转率s，同时实时估算每个时刻下的该车轮的最佳滑转率s_p。当实时滑转率超过最佳滑转率时，启动滑转率控制模块。滑转率控制模块采用PID控制策略，控制器模型如下：

其中，T_xi为第i个前驱动轮的修正转矩，e(t)为前驱动轮的滑转率和最佳滑转率的差值，e(t)＝s-s_p，K_P,K_I,K_D分别为PID控制器的比例系数、积分系数和微分系数。

将e(t)输入PID控制器，PID控制器输出滑转率控制修正转矩T_xi，修正转矩直接与初始车轮需求转矩T_i相叠加，即修正过后的车轮需求转矩T_si计算公式如下：

T_si＝T_i-T_xi，i＝1,2

值得说明的是，本发明所述的滑转率控制方法选择的最佳滑转率控制，但本发明所述的协调控制方法不仅限于应用此类滑转率控制方法和控制器，也可按需选择其他的滑转率控制方法和控制器，此项不构成对本发明所述权利要求保护范围的限制。

步骤7：对于铰接转向工况，此时以转向系统能耗最小为优化目标按下述步骤确定各驱动轮驱动转矩，从而实施差动协同转向。具体步骤如下：

1、读取车速V；操纵杆位移信号X_c以及上层整车驱动控制器决策的总驱动需求转矩T_t。

2、根据操纵杆位移信号X_c、车速V实时查表得到差动转向工作权重系数值k的初始值k_c。

k_c由离线仿真优化得到，即使用Simulink及Carsim等仿真软件进行联合仿真，仿真车辆分别行驶在特定车速、铰接转向操纵杆从初始位置移动到各确定位置的过程，对差动转向工作权重系数k_c进行全局寻优得到。寻优目标函数如下：

其中，T_i为第i个驱动轮(包括前驱动轮、中驱动轮和后驱动轮)的电机输出转矩；n_i为第i个驱动轮的电机输出转速，即n₁为左前驱动轮电机的输出转速，n₂为右前驱动轮电机的输出转速，n₃为左中驱动轮电机的输出转速，n₄为右中驱动轮电机的输出转速，n₅为左后驱动轮电机的输出转速，n₆为右后驱动轮电机的输出转速；k_c驱动电机的离线优化权重系数；λ电机工作效率； t_f为离线优化仿真时长；A_pi为第i个铰接转向液压缸的活塞面积；x_pi为第i个铰接转向液压缸的活塞杆位移；C_tpi为第i个铰接转向液压缸的总泄漏系数，且C_tpi＝C_ipi+C_epi，C_ipi为第i个铰接转向液压缸的内部泄漏系数，C_epi为第i个铰接转向液压缸的外部泄漏系数；P_Li为第i个铰接转向液压缸的负载压力，且 P_Li＝P_ii+P_oi，P_ii为第i个铰接转向液压缸的进油腔压力，P_oi为第i个铰接转向液压缸的回油腔压力，η_i为第i个铰接转向液压缸的工作效率，即A_p1、A_p2分别为左侧和右侧铰接转向液压缸活塞面积；x_p1、x_p2分别为左侧和右侧铰接转向液压缸活塞杆位移；C_tp＝C_ip+C_ep，其中C_ip为铰接转向液压缸内部泄漏系数， C_ep为铰接转向液压缸外部泄漏系数；C_tp1、C_tp2分别为左右铰接转向液压油缸总泄露系数；P_L＝P_i-P_o，其中P_i、P_o分别为铰接转向液压缸的进、回油腔压力； P_L1、P_L2分别为左右铰接转向油缸的负载压力；η₁、η₂分别为左右铰接转向液压缸工作效率。

目标函数值J越小，则说明节能效果越好。离线优化得到的初始值目的是为给下一步的在线寻优提供寻优初始值，这样能显著提高在线寻优的速度，具有显著的工程意义。将各个车速及定铰接转向操纵杆位移工况的离线优化的差动转向工作权重系数k_c制成数据表，存储在ECU中，使用时直接调用即可，如表2所示，当实际铰接转向操纵杆位移信号与车速具体值不在表格中，采用插值的方法取值。

表2

3、基于查表得到的差动协同转向系统的工作权重系数值k的初始值k_c，进行在线寻优，k_c为寻优起始点，实时在线寻优得到差动协同转向系统的工作权重系数。在线寻优的目的是通过寻优算法在线计算出当前时刻的使转向系统功率最小时的差动转向工作权重系数值，将上一步得到的差动转向工作权重系数值作为优化算法寻优的起点，可大大提高寻优的速度，满足实时性的要求。

优化函数的目标函数如下：

其中，T_t为车速控制器决策出的总驱动转矩；k_i(i＝1,2,3)分别为前轴、中轴和后轴的优化权重系数。目标函数值越小，说明效果越佳。

k_i的约束边界为：

c₁k_c≤k_i≤c₂k_c

其中，c₁和c₂分别为优化边界系数，优化边界系数的具体取值需根据各驱动轮的轮毂或轮边电机的功率和转矩特性决定，需进行实车实验进行具体标定。一般取值为c₁为0.8，c₂为1.2。

优选的是，选用加权最小二乘法作为在线优化的优化算法。

4、根据在线寻优得到的差动转向的工作权重系数k_i和车速控制器决策出的总驱动转矩T_t即可确定和输出各驱动轮的驱动转矩。

具体控制方法如下：本发明所述为全轮独立驱动工程车辆。为维持车辆的正常运行工况，当采用铰接转向时，车辆总驱动转矩在各个驱动轮上的分配与采用转向梯形时存在明显不同。当工程车辆向左侧(或右侧)进行铰接转向操作时，为使车辆完成转向动作，此时左侧(或右侧)铰接转向液压缸收缩，右侧(或左侧)铰接转向液压缸伸长，从而使前车身相对后车身产生一个向左(或向右)的铰接角，从而使车辆完成转向，本发明引入差动协同转向系统控制器后，与液压铰接转向系统协同工作，此时，通过改变各个驱动轮的驱动转矩，即使前车身的外侧(或内侧)驱动轮驱动转矩大于内侧(或外侧)驱动轮的驱动转矩，后车身的内侧(或外侧)驱动轮驱动转矩大于外侧(或内侧)驱动轮驱动转矩，从而形成一个有助于使车辆形成向左(或向右)的铰接角完成转向动作，各个驱动轮的具体转矩分配如下：

其中，T_i(i＝1,2,3,4,5,6)分别为左前驱动轮输出转矩，右前驱动轮输出转矩，左中驱动轮输出转矩，右中驱动轮输出转矩，左后驱动轮输出转矩，右后驱动轮输出转矩。

5、根据车辆的滑转率曲线可知，当车辆的滑转率超过阈值时，车辆将出现原地打滑的现象，此时，车辆的附着条件急剧恶化，有失稳危险，同时使得整车能耗迅速升高。因此，通过优化控制方法重新分配的各驱动轮驱动转矩，需要进行滑转率控制。另外，车辆在最佳滑转率附近工作时，可以有较好的路面附着效果，其侧向稳定裕度增加，同时保持纵向良好的驱动性能。因此，当车辆的实时滑转率超过最佳滑转率时，启动滑转率控制模块，以最佳滑转率为目标，进行PID优化控制，得到优化控制转矩。将各个车轮修正过后的车轮需求转矩T_si(i＝1～6)控制指令发送至各个车轮内的轮毂电机的控制器。

具体修正方法如下：通过轮速传感器实时获取各个驱动轮的转速信号，由ECU读取车速信号，实时计算每个车轮的滑转率s，同时实时估算每个时刻下的该车轮的最佳滑转率s_p。当实时滑转率超过最佳滑转率时，启动滑转率控制模块。滑转率控制模块采用PID控制策略，控制器模型如下：

其中，T_xi为第i个驱动轮的修正转矩，e(t)为驱动轮的滑转率和最佳滑转率的差值，e(t)＝s-s_p，K_P,K_I,K_D分别为PID控制器的比例系数、积分系数和微分系数。

将e(t)输入PID控制器，PID控制器输出滑转率控制修正转矩T_xi(i＝1～6)，修正转矩直接与初始车轮需求转矩相叠加，即修正过后的车轮需求转矩 T_si(i＝1～6)计算公式如下：

T_si＝T_i-T_xi(i＝1～6)。

图4所示，本发明所述的兼具转向梯形转向和铰接转向的全轮独立驱动车辆差动协同转向控制系统的工作原理为：

差动协同转向控制器通过各传感器检测到的车速信号、转向盘转角信号、铰接转向操纵杆位移信号、液压缸位移信号等判断驾驶员意图以及当前行驶工况。当检测到转向盘转角信号时，根据转向梯形液压缸位移传感器检测到的位移信号判断两侧液压缸位移是否超过阈值，当液压缸位移没有超过阈值时，将差动转矩施加到前轴左右两侧驱动轮上，使一侧驱动轮转矩增加的同时另一侧驱动轮转矩减小，从而形成一个横摆转矩，与液压转向系统协同工作实现车辆转向。当检测到铰接转向操纵杆位移信号时，根据铰接转向液压缸位移传感器检测到的位移信号判断两侧液压缸位移是否超过阈值，当液压缸位移没有超过阈值时，将差动转矩施加到前后车体的驱动轮上，使得前车体外侧驱动轮和后车体内侧驱动轮驱动转矩增加，前车体内侧驱动轮和后车体外侧驱动轮驱动转矩减小，从而使前后车体形成一个折弯转矩，从而产生铰接角，完成转向动作。通过差动协同工作，达到提高转向响应速度，降低转向系统能耗的目的。施加差动转矩时，需保证两侧驱动轮的总驱动转矩不变，即两侧驱动轮的总功率维持不变，只进行重新分配。故可认为，施加差动转矩前后，驱动轮几乎没有额外能耗损失。

本发明设计开发的兼具铰接转向和转向梯形转向的全轮独立驱动铰接车辆差动协同转向系统的控制方法，使得差动转向系统与液压转向系统协同工作，在不增加整车驱动能耗的同时降低液压转向系统的转向功耗。本发明不同于现有技术，主要工作在工程车辆频繁工作的工况，即原地或低速满载频繁转向工况。需要说明的是本发明同样可以应用于空载高速行驶的稳定性控制上。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种兼具铰接转向和转向梯形转向的全轮独立驱动铰接车辆差动协同转向系统，其特征在于，包括：

通过连接轴铰接连接的前车体和后车体，在所述前车体上设置有前驱动轮，在所述后车体上设置有中驱动轮和后驱动轮；

液压转向系统，其设置在所述前车体和后车体之间，用于驱动转向；

信号采集模块，其设置在驱动轮处，用于检测驱动轮转向信息；

差动协同转向系统控制器，其与信号采集模块连接，用于接收所述信号采集模块的检测数据，并作出控制决策；

多个驱动轮电机，其分别与所述驱动轮连接，用于驱动所述驱动轮独立转动；

驱动轮电机控制器，其与所述差动协同转向系统控制器和驱动轮电机连接，用于接收所述差动协同转向系统控制器的控制决策，并控制所述驱动轮独立驱动。

2.如权利要求1所述的兼具铰接转向和转向梯形转向的全轮独立驱动铰接车辆差动协同转向系统，其特征在于，所述液压转向系统包括：

两个转向梯形液压缸，其对称设置在靠近所述前驱动轮的连接轴两侧，且两端分别与前驱动轮和连接轴铰接；

两个铰接转向液压缸，其对称设置在靠近所述中驱动轮的连接轴两侧，且两端分别与连接轴和后车体铰接。

3.如权利要求2所述的兼具铰接转向和转向梯形转向的全轮独立驱动铰接车辆差动协同转向系统，其特征在于，所述信号采集模块包括：

多个转速传感器，其分别设置在所述驱动轮处，用于检测驱动轮转速；

两个转向梯形液压缸位移传感器，其设置在所述转向梯形液压缸的活塞杆上，用于检测所述转向梯形液压缸的活塞杆的位移；

两个铰接转向液压缸位移传感器，其设置在所述铰接转向液压缸的活塞杆上，用于检测所述铰接转向液压缸的活塞杆的位移；

方向盘转角传感器，其设置在转向柱上，用于检测所述方向盘的转角；

铰接转向操纵杆位移传感器，其设置在铰接转向操纵杆上，用于检测所述铰接转向操纵杆的位移。

4.一种兼具铰接转向和转向梯形转向的全轮独立驱动铰接车辆差动协同转向系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：按照采样周期采集车速V、转向梯形液压缸的活塞杆的位移X_f、铰接转向液压缸的活塞杆的位移X、方向盘转角Φ_ω和方向盘转动角速度确定差动协同转向系统的工作状态；

步骤2：当差动协同转向系统不工作时，车辆按照原行驶工况行驶；

当差动转向系统工作时，采集方向盘转角信号和铰接转向操纵杆位移信号，确定液压转向系统的转向工况；

步骤3：当液压转向系统处于转向梯形转向工况时：

根据踏板信号获得总驱动转矩T_t，并分配到前轴得到前轴转矩

根据车速V、方向盘转角Φ_ω确定差动转向工作权重系数初始值k_c，并对差动转向工作权重系数k进行在线寻优，所述在线寻优的目标函数为：

式中，P为在线寻优的瞬时功率，λ为驱动轮电机的工作效率，n₁为左前驱动轮电机的输出转速，n₂为右前驱动轮电机的输出转速，k为前驱动轮轮轴的差动转向工作权重系数，A_fpi为第i个转向梯形液压缸的活塞面积；x_fpi为第i个转向梯形液压缸的活塞杆位移；C_ftpi为第i个转向梯形液压缸的总泄漏系数，且C_ftpi＝C_fipi+C_fepi，C_fipi为第i个转向梯形液压缸的内部泄漏系数，C_fepi为第i个转向梯形液压缸的外部泄漏系数；P_fLi为第i个转向梯形液压缸的负载压力，且P_fLi＝P_fii+P_foi，P_fii为第i个转向梯形液压缸的进油腔压力，P_foi为第i个转向梯形液压缸的回油腔压力，η_fi为第i个转向梯形液压缸的工作效率，c₁，c₂为优化边界系数；

根据在线寻优得到的差动转向工作权重系数k输出左前驱动轮和右前驱动轮的驱动转矩T₁,T₂：

当液压转向系统处于铰接转向工况时：

根据踏板信号获得总驱动转矩T_t；

根据车速V、铰接转向操纵杆的位移信号X_c确定差动转向工作权重系数初始值k_c，并对差动转向工作权重系数k₁,k₂,k₃进行在线寻优，所述在线寻优的目标函数为：

c₁k_c≤k₁≤c₂k_c，c₁k_c≤k₂≤c₂k_c，c₁k_c≤k₃≤c₂k_c；

式中，P为在线寻优的瞬时功率，λ为驱动轮电机的工作效率，n₁为左前驱动轮电机的输出转速，n₂为右前驱动轮电机的输出转速，n₃为左中驱动轮电机的输出转速，n₄为右中驱动轮电机的输出转速，n₅为左后驱动轮电机的输出转速，n₆为右后驱动轮电机的输出转速，k₁,k₂,k₃分别为前驱动轮轮轴、中驱动轮轮轴、后驱动轮轮轴的差动转向工作权重系数，A_pi为第i个铰接转向液压缸的活塞面积；x_pi为第i个铰接转向液压缸的活塞杆位移；C_tpi为第i个铰接转向液压缸的总泄漏系数，且C_tpi＝C_ipi+C_epi，C_ipi为第i个铰接转向液压缸的内部泄漏系数，C_epi为第i个铰接转向液压缸的外部泄漏系数；P_Li为第i个铰接转向液压缸的负载压力，且P_Li＝P_ii+P_oi，P_ii为第i个铰接转向液压缸的进油腔压力，P_oi为第i个铰接转向液压缸的回油腔压力，η_i为第i个铰接转向液压缸的工作效率，c₁，c₂为优化边界系数；

根据在线寻优得到的差动转向工作权重系数k₁,k₂,k₃输出左前驱动轮、右前驱动轮、左中驱动轮、右中驱动轮、左后驱动轮和右后驱动轮的驱动转矩T₁,T₂,T₃,T₄,T₅,T₆：

5.如权利要求4所述的兼具铰接转向和转向梯形转向的全轮独立驱动铰接车辆差动协同转向系统的控制方法，其特征在于，在所述步骤3中，当液压转向系统处于转向梯形转向工况时，根据前驱动轮的滑转率对前驱动轮转矩进行修正，包括PID控制器：

采集左前驱动轮和右前驱动轮的转速，计算前驱动轮、中驱动轮和后驱动轮的滑转率s以及最佳滑转率s_p，当驱动轮的滑转率超过最佳滑转率时，确定前驱动轮的修正转矩：

式中，T_xi为第i个前驱动轮的修正转矩，e(t)为前驱动轮的滑转率和最佳滑转率的差值，e(t)＝s-s_p，K_P,K_I,K_D分别为PID控制器的比例系数、积分系数和微分系数；

输出左前驱动轮和右前驱动轮修正后的驱动转矩：

T_si＝T_i-T_xi；

式中，T_si为第i个前驱动轮修正后的驱动转矩，T_i为步骤3中第i个前驱动轮修正前的输出驱动转矩。

6.如权利要求4所述的兼具铰接转向和转向梯形转向的全轮独立驱动铰接车辆差动协同转向系统的控制方法，其特征在于，在所述步骤3中，当液压转向系统处于铰接转向工况时，根据驱动轮的滑转率对驱动轮转矩进行修正，包括PID控制器：

采集左前驱动轮、右前驱动轮、左中驱动轮、右中驱动轮、左后驱动轮、右后驱动轮的转速，计算前驱动轮、中驱动轮和后驱动轮的滑转率s以及最佳滑转率s_p，当驱动轮的滑转率超过最佳滑转率时，确定驱动轮的修正转矩：

式中，T_xi为第i个驱动轮的修正转矩，e(t)为驱动轮的滑转率和最佳滑转率的差值，e(t)＝s-s_p，K_P,K_I,K_D分别为PID控制器的比例系数、积分系数和微分系数；

输出驱动轮修正后的驱动转矩：

T_si＝T_i-T_xi；

式中，T_si为第i个驱动轮修正后的驱动转矩，T_i为第i个驱动轮修正前的输出驱动转矩。

7.如权利要求5所述的兼具铰接转向和转向梯形转向的全轮独立驱动铰接车辆差动协同转向系统的控制方法，其特征在于，在所述步骤3中，当液压转向系统处于转向梯形转向工况时，所述差动转向工作权重系数初始值k_c通过全局离线寻优得到，所述离线寻优函数为：

式中，J为全局离线寻优的目标函数值，n_i为第i个前驱动轮电机的输出转速，t_f为离线优化仿真时长。

8.如权利要求6所述的兼具铰接转向和转向梯形转向的全轮独立驱动铰接车辆差动协同转向系统的控制方法，其特征在于，在所述步骤3中，当液压转向系统处于铰接转向工况时，所述差动转向工作权重系数初始值k_c通过全局离线寻优得到，所述离线寻优函数为：

式中，J为全局离线寻优的目标函数值，n_i为第i个驱动轮电机的输出转速，t_f为离线优化仿真时长。

9.如权利要求7或8所述的兼具铰接转向和转向梯形转向的全轮独立驱动铰接车辆差动协同转向系统的控制方法，其特征在于，在所述步骤3中，c₁＝0.8,c₂＝1.2。

10.如权利要求9所述的兼具铰接转向和转向梯形转向的全轮独立驱动铰接车辆差动协同转向系统的控制方法，其特征在于，在所述步骤1中，当车速超过车速阈值，转向梯形液压缸的活塞杆的位移超过位移阈值，铰接转向液压缸的活塞杆的位移超过位移阈值，方向盘转角低于转角门限值，方向盘转动角速度低于角速度门限值中各项均不满足时，差动协同转向系统工作，任意一项满足时，差动协同转向系统不工作；在所述步骤2中，当采集到方向盘转角信号时，液压转向系统处于转向梯形转向工况，当采集到铰接转向操纵杆位移信号时，液压转向系统处于铰接转向工况。