CN110641458A - 一种多轴分布式电驱动车辆参考转角控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多轴分布式电驱动车辆参考转角控制方法，首先根据驾驶员输入转角δ₁₁、参考质心侧偏角β_ref和实际质心侧偏角β_act，通过一个模糊控制器计算得到当前状态下机械‑差动转向桥的纵向参考间距D’，然后根据车辆转向桥几何关系由纵向参考间距D’和驾驶员输入转角δ₁₁解析得到差动转向桥的参考转角δ_ijref，本发明充分利用使用转向梯形机构的多轴转向车辆自身特点，引入D’的优点是：当前后桥参考转角差较大时，D’仅在[0,|Ls8|)范围内即可映射得到D的绝对值在[0,+∞)的变化，便于表示和处理。确定了更为合理的后桥差动转向转角关系，实现了多轴分布式车辆前桥机械与后桥差动联合转向的操纵稳定性。

Description

一种多轴分布式电驱动车辆参考转角控制方法

技术领域

本发明涉及转向系统技术领域，尤其涉及一种多轴分布式电驱动车辆参考转角控制方法。

技术背景

由于轮毂电机分布式驱动形式能够在不增加转向助力装置的前提下利用梯形结构实现差动转向功能，明显提高大型多轴车辆的机动性，它在多轴大型物资运输轮式装甲车上也有广泛的应用前景。

此外由仿真研究可知采用理想阿克曼转向角关系的后桥差动转向系统在低速时能使车辆保持操纵稳定性，其横摆角速度和质心侧偏角均能迅速稳定于稳态值，侧向加速度也在合理范围内；但是在车速较高时，所设定工况条件下车辆质心侧偏角和侧向加速度均超出合理范围，横摆角速度不能迅速稳定于稳态值，车辆不能保持良好的操纵稳定性。

而为充分利用分布式驱动的优势，提高多轴车辆的转向性能，并减轻非转向桥的轮胎磨损，可以通过转向梯形结构结合两侧电动轮驱动转矩控制将原来的非转向桥变成差动转向桥，

针对上述问题，本发明重新设计计算参考转角，提出了一种基于调整各个转向桥P_i点相对位置的后差动转向桥参考转角计算方法，其中P_i点是第i轴转向桥的左右车轮轴线交点。

一般情况下，为保证转向系统的可靠性，需要保留一套传统的机械转向系统；因此，多轴分布式电驱动车辆前桥机械与后桥差动转向联合控制问题成为一个技术难点。

尤其地，本发明针对前桥机械与后桥差动转向联合控制的参考转角计算方法做出了详细的具体实施说明。

发明内容

为达到上述目的，本发明采用一种多轴分布式电驱动车辆参考转角控制方法方案如下：

所述车辆具有多轴，包括至少一个位于第一区域的第i轴转向桥、至少一个位于第二区域的第i轴转向桥以及至少一个非转向桥；所述一、二区域的第i轴转向桥采用梯形机构，所述梯形机构相互独立；

所述第i轴转向桥为位于第i轴且是转向桥的车桥，所述i＝[1,N]；

以驾驶员输入转角δ₁₁、质心侧偏角偏差值e_β、质心侧偏角偏差值变化率e_cβ作为模糊控制器的输入变量，通过模糊算法输出变量纵向参考距离值D’；

κ线为非转向桥的平均横向中心线；

位于第一区域的一个或多个第i轴转向桥的左右车轮轴线交点重合于一点，记为第一区域转向交点P_m,位于第二区域的一个或多个第i轴转向桥的左右轮轴线交点重合于一点，记为第二区域转向交点P_d，第一区域转向交点P_m和第二区域转向交点P_d位于直线κ上；

纵向参考距离D’为：第N轴转向桥的左转向轮轴线与P_m点所在的纵向线的交点距离直线κ的距离值；

根据转向桥的几何关系，利用所述纵向参考距离D’，计算第i轴转向桥的左右轮参考转角δ_ijref。

优选地，第一区域的第i轴转向桥是机械转向，所述第二区域的第i轴转向桥是差动转向，所述3)中计算的是第二区域的第i轴转向桥左右轮参考转角δ_ijref。

优选地，所述第一区域的第i轴转向桥包括第1轴转向桥和第2轴转向桥，所述第1轴转向桥和第2轴转向桥的转向桥梯形机构互相联结；所述第二区域的第i 轴转向桥包括第7轴转向桥和第8轴转向桥，所述第7轴转向桥和第8轴转向桥的转向桥梯形机构相互独立，所述3)中计算的是第7轴转向桥和第8轴转向桥的左右轮参考转角δ_ijref。

优选地，

式中，j＝1代表第i轴转向桥左轮，j＝2代表第i轴转向桥右轮，L_t为轮距；

L_si为第i轴转向桥轴线距κ线的距离；

车辆坐标系x轴为车轮直线行驶的时候的纵向中心线位置；

L_pd为第二区域转向交点P_d距离车辆坐标系x轴的距离；

优选地，

其中L_pm为所述第一区域转向交点P_m距离车辆坐标系x轴的距离，其值可由已知驾驶员输入转角δ₁₁根据下式求得：

优选地，所述模糊控制器输入变量质心侧偏角偏差值e_β、质心侧偏角偏差值变化率ec_β的论域均为[-7,7]，输入变量驾驶员输入转角δ₁₁的绝对值和模糊系统输出的所述纵向参考距离D’的论域均为[0,7]；质心侧偏角偏差值e_β和质心侧偏角偏差变化率ec_β的语言值集合均为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，表示自然语言中的{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}，驾驶员输入转角δ₁₁和纵向参考距离D’的语言值集合都为{ZO,PS,PM,PB}，表示自然语言中的{零，正小，正中，正大}；

优选地，所述模糊控制器中的所述输入变量和所述输出变量隶属度函数主要采用三角形隶属度函数和梯形隶属度函数相结合的形式，并采用重心法进行解模糊化运算。

优选地，所述车轮转角传感器安装在第1轴转向桥的左轮或右轮，用于测量当前驾驶员输入转角δ₁₁。

本发明还包括一种车辆，其特征在于：使用如前所述的多轴分布式车辆参考转角计算方法。

优选地，多个所述第i轴转向桥的梯形机构全部相互独立，或者多个所述第i 轴转向桥的梯形机构部分互相联结，部分相互独立。

由以上技术方案可知，本发明的技术方案获得了如下有益效果：

1.本发明基于调整各个转向桥的P_i点的相对位置，利用模糊控制设计后桥差动转向桥的参考转角，充分利用使用了转向梯形机构的多轴转向车辆自身特点，能够通过调整纵向参考距离D’值来调整前驱转向桥和后驱转向桥的转角关系。

2.引入D’而不直接使用D作为控制变量的优点是：当前后桥参考转角差较大时，D值的绝对值变化范围为[0,+∞)，而D’仅在[0,|Ls8|)范围内即可映射得到D的绝对值在[0,+∞)的变化，便于表示和处理。

3.在车辆转向过程中，跟踪本发明设计的参考转角可以在低速转向工况改善多轴车辆的机动性，在高速转向工况保证车辆的操纵稳定性。

附图说明

图1为本发明多轴分布式驱动车辆前桥机械与后桥差动的联合转向系统

图2为本发明转向控制方法流程图；

图3为本发明前桥机械与后桥差动联合转向P_m、P_d相对位置关系示意图；

图4为本发明适用的其他转向构型；

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本领域中分布式车辆意味着各个车轮轮毂电机驱动。

图1所示为本发明第1实施例适用的一种车辆转向系统一种多轴分布式驱动车辆前桥机械与后桥差动的联合转向系统，其中转向系统包括传统机械液压助力转向系统，差动转向系统、车轮转角传感器、车身质心侧偏角传感器。

第1、2轴转向桥是机械转向桥，且两者转向梯形机构是联动的，根据驾驶员经转向盘输入的转矩和转角信息，由转向油泵驱动液压转向助力系统完成转向；

紧邻车尾的第N轴转向桥和第N-1轴转向桥是差动转向桥，优选地N＝8,所述差动转向系统应用在第7、8轴转向桥，所述第N轴转向桥和第N-1轴转向桥由轮毂电机实现差动转向，且所述差动转向采用转向梯形机构；所述第N轴转向桥和第N-1轴转向桥相互独立，且与转向盘、前两桥转向机构也没有直接机械联系；

所述车轮转角传感器安装在所述第1轴转向桥的左或右车轮，用于测量当前驾驶员输入角δ₁₁；优选地，安装在所述第1轴转向桥的左车轮。

所述车身质心侧偏角传感器用于测量当前车身质心侧偏角；

图2示出本发明转向控制方法流程图，基于上述多轴分布式驱动车辆前桥机械与后桥差动的联合转向系统，使用本发明计算参考转角的具体实施步骤如下：

上层控制的步骤1)-3),具体如下：

步骤1)，通过传感器获取驾驶员输入转角δ₁₁、实际质心侧偏角β_act，并计算质心侧偏角偏差值e_β及质心侧偏角偏差值变化率e_cβ；

进一步的，所述步骤1)中，质心侧偏角偏差值e_β及其质心侧偏角偏差值变化率e_cβ的计算过程如下；

e_β＝β_act-β_ref

e_cβ＝d_eβ/dt

式中，β_ref为参考质心侧偏角。

步骤2)，以驾驶员输入转角δ₁₁、质心侧偏角偏差值e_β、质心侧偏角偏差值变化率e_cβ作为模糊控制器的输入变量，通过模糊算法输出变量纵向参考距离值D’；

进一步的，所述步骤2)中，参考图3说明纵向参考距离值D’的定义，具体如下：

记第i轴转向桥的左右车轮轴线交点为P_i；

κ线为非转向桥的平均横向中心线；

本发明的第1轴转向桥的点P₁和第2轴转向桥的点P₂重合于一点，记为机械转向交点P_m,且该点在直线κ上，其绝对位置由驾驶员给定的输入转角决定。

为了尽量降低轮胎磨损的不均衡程度，故假设第N-1轴转向桥的P_N-1、第N 轴转向桥的P_N点也重合于一点,记为差动转向交点P_d，当N＝8时，第7轴转向桥的 P₇、第8轴转向桥的P₈点重合于P_d点，如图3所示，差动转向桥与机械转向桥之间的转角关系可以由P_d、P_m两点的相对位置确定且P_d、P_m两点均落在直线κ上，定义机械转向交点P_d和差动转向交点P_m两点距离为D：

D＝L_Pd-L_Pm

车辆坐标系x轴为坐标系原点与车辆质心重合，车辆在水平路面上处于静止状态时，平行于地面指向车辆前方的坐标轴；也可以理解为车轮直线行驶的时候的纵向中心线位置。式中L_pm为所述机械转向交点P_m距离车辆坐标系x轴的距离，L_pd为差动转向交点P_d距离车辆坐标系x轴的距离。

则纵向参考距离D’定义为：第N桥，优选是第8桥，左转向轮轴线与P_m点所在的纵向线的交点距离直线κ的距离值；

引入D’而不直接使用D作为控制变量的优点是：当前后桥参考转角差较大时，D值的绝对值变化范围为[0,+∞)，而D’仅在[0,|Ls8|)范围内即可映射得到D的绝对值在[0,+∞)的变化，便于表示和处理。

进一步的，所述步骤2)中，模糊控制器中输入变量质心侧偏角偏差值e_β、质心侧偏角偏差值变化率ec_β的论域均为[-7,7]，输入变量驾驶员输入转角δ₁₁的绝对值和模糊系统输出的所述纵向参考距离D’的论域均为[0,7]；质心侧偏角偏差值e_β和质心侧偏角偏差变化率ec_β的语言值集合均为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，表示自然语言中的{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}，驾驶员输入转角δ₁₁和纵向参考距离D’的语言值集合都为{ZO,PS,PM,PB}，表示自然语言中的{零，正小，正中，正大}；模糊控制器中的所述输入变量和所述输出变量隶属度函数主要采用三角形隶属度函数和梯形隶属度函数相结合的形式，并采用重心法进行解模糊化运算。

步骤3)，根据转向桥的几何关系，计算得到第N转向桥和第N-1转向桥的左右轮参考转角δ_ijref；

进一步的，所述步骤3)中，第i轴转向桥左轮或右轮参考转角δ_ijref计算过程如下：

式中，j＝1代表第i轴转向桥左轮，j＝2代表第i轴转向桥右轮，

L_t为轮距；

L_si为第i轴转向桥轴线距κ线的距离；

L_pd为差动转向交点P_d距离车辆坐标系x轴的距离；

其计算过程如下：

其中L_pm为所述机械转向交点P_m距离车辆坐标系x轴的距离。其值可由前述驾驶员输入转角δ₁₁根据下式求得：

本发明还可以设置下层控制器跟踪该参考转角完成前桥机械与后桥差动的联合转向控制。

图4为本发明适用的其他转向构型实施例，图4中并未穷举，概括来说本发明适用于具有如下结构的车辆进行转角控制：

车辆具有多轴，包括至少两个转向桥，所述转向桥采用梯形机构，所述梯形机构相互独立。所述梯形机构相互独立就是两个车轴之间的转向运动不相互干涉。各桥完成转向过程所用的助力方式不限，可采用如液压助力，电控助力，差动助力等实现转向。

它适用于转向桥梯形机构全部相互独立的车轮，如图4(a)-(d)，也适用于所述部分转向桥梯形机构互相联结的结构，如图1(a)，另一部分转向桥梯形机构相互独立的结构，如图1(b)。

本发明所述的多轴分布式车辆参考转角计算方法，能够充分利用使用转向梯形机构的多轴转向车辆自身特点计算出理想的参考转角，与跟踪理想的阿克曼转角相比，本发明提出的方法可以实现在低速转向时改善多轴车辆的机动性，在中高速转向时保证车辆的操纵稳定性的有益效果。

Claims (10)

1.一种多轴分布式电驱动车辆参考转角控制方法，其特征在于：

所述车辆具有多轴，包括至少一个位于第一区域的第i轴转向桥、至少一个位于第二区域的第i轴转向桥以及至少一个非转向桥；所述一、二区域的第i轴转向桥采用梯形机构，所述梯形机构相互独立；

所述第i轴转向桥为位于第i轴且是转向桥的车桥，所述i＝[1，N]；

以驾驶员输入转角δ₁₁质心侧偏角偏差值e_β、质心侧偏角偏差值变化率e_cβ作为模糊控制器的输入变量，通过模糊算法输出变量纵向参考距离值D’；

κ线为非转向桥的平均横向中心线；

位于第一区域的一个或多个第i轴转向桥的左右车轮轴线交点重合于一点，记为第一区域转向交点P_m，位于第二区域的一个或多个第i轴转向桥的左右轮轴线交点重合于一点，记为第二区域转向交点P_d，第一区域转向交点P_m和第二区域转向交点P_d位于直线κ上；

纵向参考距离D’为：第N轴转向桥的左转向轮轴线与P_m点所在的纵向线的交点距离直线κ的距离值；

根据转向桥的几何关系，利用所述纵向参考距离D’，计算第i轴转向桥的左右轮参考转角δ_ijref。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

第一区域的第i轴转向桥是机械转向，所述第二区域的第i轴转向桥是差动转向，所述3)中计算的是第二区域的第i轴转向桥左右轮参考转角δ_ijref。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述第一区域的第i轴转向桥包括第1轴转向桥和第2轴转向桥，所述第1轴转向桥和第2轴转向桥的转向桥梯形机构互相联结；所述第二区域的第i轴转向桥包括第7轴转向桥和第8轴转向桥，所述第7轴转向桥和第8轴转向桥的转向桥梯形机构相互独立，所述3)中计算的是第7轴转向桥和第8轴转向桥的左右轮参考转角δ_ijref。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

式中，j＝1代表第i轴转向桥左轮，j＝2代表第i轴转向桥右轮，L_t为轮距；

L_si为第i轴转向桥轴线距κ线的距离；

车辆坐标系x轴为车轮直线行驶的时候的纵向中心线位置；

L_pd为第二区域转向交点P_d距离车辆坐标系x轴的距离。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于：

其中L_pm为所述第一区域转向交点P_m距离车辆坐标系x轴的距离，其值可由已知驾驶员输入转角δ₁₁根据下式求得：

6.如权利要求1至5任一项所述的方法，其特征在于：

所述模糊控制器输入变量质心侧偏角偏差值e_β、质心侧偏角偏差值变化率ec_β的论域均为[-7,7]，输入变量驾驶员输入转角δ₁₁的绝对值和模糊系统输出的所述纵向参考距离D’的论域均为[0,7]；质心侧偏角偏差值e_β和质心侧偏角偏差变化率ec_β的语言值集合均为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，表示自然语言中的{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}，驾驶员输入转角δ₁₁和纵向参考距离D’的语言值集合都为{ZO,PS,PM,PB}，表示自然语言中的{零，正小，正中，正大}。

7.如权利要求1至5任一项所述的方法，其特征在于：

所述模糊控制器中的所述输入变量和所述输出变量隶属度函数主要采用三角形隶属度函数和梯形隶属度函数相结合的形式，并采用重心法进行解模糊化运算。

8.如权利要求1至5任一项所述的方法，其特征在于：

所述车轮转角传感器安装在第1轴转向桥的左轮或右轮，用于测量当前驾驶员输入转角δ₁₁。

9.一种车辆，其特征在于：使用如权利要求1至8任一项所述的多轴分布式车辆参考转角计算方法。

10.如权利要求9所述的车辆，其特征在于：多个所述第i轴转向桥的梯形机构全部相互独立，或者多个所述第i轴转向桥的梯形机构部分互相联结，部分相互独立。

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