CN114560011B - 提高重型多轴车辆车轮转向卡死时安全性的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种提高重型多轴车辆车轮转向卡死时安全性的系统及方法，该系统包括数据采集模块、理想模型计算模块、转向轮卡死判断模块和车辆运动控制模块，该方法通过数据采集模块采集整车参数，然后根据转向需求与整车参数，通过理想模型计算模块计算各车轮做纯滚动时的理想车轮转角、侧向力、纵向力及横摆力矩；再通过转向轮卡死判断模块检测车轮实际转角信号，并与理想转角对比，判定转向轮是否卡死；车辆运动控制模块在判定转向轮卡死时，通过控制轮胎力，控制整车转向所需的侧向力、纵向力与横摆力矩，提高整车路径跟踪能力，避免整车在转向时转向轴发生卡死时的失稳现象。该系统及方法有利于提高重型多轴车辆在车轮转向卡死时的行驶安全性。

Description

提高重型多轴车辆车轮转向卡死时安全性的系统及方法

技术领域

本发明属于多轴车辆控制技术领域，具体涉及一种提高重型多轴车辆车轮转向卡死时安全性的系统及方法。

背景技术

重型多轴车辆是我国国民经济建设与军事重工领域不可或缺的核心工程装备，广泛应用于大型桥梁施工、风电设备安装、导弹运输和作战越野等众多领域。为保证其越野灵活性，重型多轴车辆采用多轴转向技术，然而其行驶路况复杂多变，转向过程中容易发生车轮转向机构故障导致车轮转向卡死，导致车辆行驶轨迹发生偏移，甚至失稳引发严重安全问题。因此，需要对重型多轴车辆车轮转向卡死时进行控制，提高其行驶安全性。

车辆动力学控制系统是主要用于改善车辆的动力性、操纵稳定性和行驶安全性，广泛应用于车辆底盘控制中。现有的多轴车辆动力学控制系统，如参考专利201610006961.2所述的多轴分布式机电驱动车辆的动力学稳定性控制系统，通过车辆的横摆角速度与质心侧偏角判断车辆失稳，然后进行横摆力矩控制，帮助车辆回复稳定状态。如参考专利202110794466.3所述的一种多轮多轴独立驱动电动汽车多目标动力学控制方法，通过三层分层控制架构，在保证整车横摆力矩的前提下，以降低驱动系统能耗为目标进行车轮纵向力分配，并通过驱动轮滑动率跟踪控制实现车轮的多目标动力学控制，这些动力学控制方法有助于提高行驶稳定性以及降低多轴车辆的驱动能耗。但仍存在一些不足与局限性，主要表现为：

1、传统的多轴车辆动力学控制方法未考虑全轮转向车辆在转向过程中存在的车轮转向机构故障导致单侧车轮转向卡死的情况。因重型多轴车辆车身长、载荷大，为保证行驶机动灵活性，其转向系统多采用机械杆系和电控液压双转向系统，其行驶路况复杂多变，转向过程中会发生车轮转向机构故障，如转向杆系断裂等，导致车轮转向卡死，进而导致车辆失稳引发严重安全问题。传统的多轴车辆稳定性控制方法未考虑这些问题，导致控制方法的应用情况受限。

2、当发生转向轮卡死的故障情况，传统控制方法未考虑多轴车辆车轮转角误差导致的整车行驶轨迹偏差。多轴车辆实际行驶工况复杂多变，在发生车轮转向卡死时，驾驶员会选择手动调整转向轮至中位后继续行驶，而手动调整无法保证车轮准确处于中位，会存在一定的角度误差，导致车辆行驶轨迹发生偏移。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提高重型多轴车辆车轮转向卡死时安全性的系统及方法，该系统及方法有利于提高重型多轴车辆在车轮转向卡死时的行驶安全性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种提高重型多轴车辆车轮转向卡死时安全性的系统，包括：

数据采集模块，包括车轮转角传感器、车轮转速传感器、车速传感器和横摆角速度传感器；

理想模型计算模块，用于根据转向需求与数据采集模块采集到的整车参数，计算多轴车辆各车轮做纯滚动时的理想车轮转角、侧向力、纵向力及横摆力矩，并将转角信息发送给转向轮卡死判断模块；

转向轮卡死判断模块，通过车轮转角传感器检测车轮实际转角信号，并与计算得到的理想转角进行对比，判定转向轮是否卡死；

车辆运动控制模块，用于在转向轮卡死判断模块判定转向轮卡死时，通过控制轮胎力，进一步控制整车转向所需的侧向力、纵向力与横摆力矩，提高整车路径跟踪能力，避免整车在转向时转向轴发生卡死时的失稳现象。

本发明还提供了基于上述系统的提高重型多轴车辆车轮转向卡死时安全性的方法，包括以下步骤：

步骤S1：在理想模型计算模块中建立多轴转向车辆的整车数学模型和轮胎力数学模型，根据数据采集模块采集到的车轮转角、车轮转速、车速、横摆角速度信息，计算多轴车辆各车轮做纯滚动时的理想车轮转角、侧向力、纵向力及横摆力矩，并将理想转角信息与实际转角信息发送给转向轮卡死判断模块，将理想侧向力、纵向力及横摆力矩信息发送给车辆运动控制模块；

步骤S2：当转向轮卡死判断模块判定车轮卡死时，根据实际转角信息与理想转角信息计算得到当前的转向卡死工况信息，随后车辆运动控制模块将卡死的车轮抱死，等待进一步调整轮胎力；

步骤S3：车辆运动控制模块将理想模型计算模块中求得的理想侧向力、纵向力与横摆力矩作为目标侧向力、纵向力与横摆力矩，并根据卡死工况选择性能优化目标，通过二次规划优化分配各车轮轮胎力；

步骤S4：车辆运动控制模块根据步骤S3得到的优化分配后的各车轮轮胎力，通过建立轮胎力模型，计算求得各轮胎力所需的转向轮转角；

步骤S5：各转向车轮调整至步骤S4中所得到角度，改变车辆的运动状态。

进一步地，所述转向轮卡死判断模块中，若实际转角信号与理想转角反向，或同向且角度大于临界角度，则判定为转向卡死工况一；若实际转角信号与理想转角同向且角度小于临界角度，则判定为转向卡死工况二；所述临界角度由计算整车发生侧滑时的临界加速度得到。

进一步地，理想侧向力F_Y、纵向力F_X及横摆力矩M_Z的获取方法为：

F_yil＝C_yα_il

F_yir＝C_yα_ir

当多轴车辆处于高速转向模式下时，不参与转向的车轮转角值为零值；

式中，F_Y为车辆沿Y轴方向的合力，F_X为车辆沿X轴方向的合力，M_Z为车辆绕Z轴方向的横摆力矩，I_Z为车辆绕Z轴的转动惯量，w_r为整车横摆角速度，M为整车质量，F_yil为第i轴左轮的侧向力，F_yir为第i轴右轮的侧向力，F_xil为第i轴左轮的纵向力，F_xir为第i轴右轮的纵向力，α_il,α_ir分别为第i轴左、右轮侧偏角，C_y为轮胎侧偏刚度，V_Y为质心速度V在Y轴上的分量，V_X为质心速度V在X轴上的分量，δ_il、δ_ir分别为第i轴左、右轮转角，k为多轴车辆的轴数，L_i表示车辆质心到第i轴的距离，在质心之前为正，质心之后为负，B表示车轮的轮距。

进一步地，所需的性能优化目标根据转向轮卡死判断模块判断的结果进行选取，当判定为转向卡死工况一时，以轮胎负荷率最低为性能优化目标，当判定为转向卡死工况二时，以轮胎磨损能耗最低为性能优化目标；

轮胎负荷率J₁表示为：

轮胎磨损能耗J₂表示为：

式中，F_yil为第i轴左轮的侧向力，F_yir为第i轴右轮的侧向力，F_z为每个车轮的垂向力，V_syil为第i轴左轮的滑移速度，V_syir为第i轴右轮的滑移速度，k为多轴车辆的轴数。

进一步地，当车辆运动控制模块将转向卡死车轮抱死时，抱死状态下车轮轮胎力的计算方法为：

F_xil＝-μF_z cosα_il

F_xir＝-μF_z cosα_ir

F_yil＝μF_z sinα_il

F_yir＝μF_z sinα_ir

式中，F_yil为第i轴左轮的侧向力，F_yir为第i轴右轮的侧向力,F_xil为第i轴左轮的纵向力，F_xir为第i轴右轮的纵向力,F_z表示各车轮的垂直载荷，μ表示路面摩擦系数，α_il、α_ir分别为第i轴左右车轮侧偏角，M表示车辆总质量，k表示车辆轴数，g表示重力加速度。

进一步地，当多轴车辆车轮卡死时，临界角度由整车不发生侧滑的临界加速度计算得到，其获取方法为：

式中，δ_jmax表示用于判定转向卡死工况的临界角度，δ_i表示正常转向车轮转角，M为整车质量,g为重力加速度,K_j为转向卡死车轮的侧偏刚度，K_i为正常转向车轮的侧偏刚度，V_Y为质心速度V在Y轴上的分量，V_X为质心速度V在X轴上的分量，w_r为整车横摆角速度，L_i表示车辆质心到第i轴的距离，L_j表示车辆质心到卡死车轮所在轴的距离，在质心之前为正，在质心之后为负，k表示车辆轴数。

进一步地，当确定当前转向卡死工况下的性能优化目标后，通过二次规划优化分配各正常转向车轮轮胎力，轮胎力的获取方法为：

或J₂＝F_y4lV_sy4l+F_y4rV_sy4r+F_y5lV_sy5l+F_y5rV_sy5r+F_y7lV_sy7l+F_y7rV_sy7r

优化变量：x＝[F_y4l F_y4r F_y5l F_y5r F_y7l F_y7r]^T

约束条件：Ax＝b

a₁₁＝cosδ_4l,a₁₂＝cosδ_4r,a₁₃＝cosδ_5l,a₁₄＝cosδ_5r,a₁₅＝cosδ_7l,a₁₆＝cosδ_7r

a₂₁＝sinδ_4l,a₂₂＝sinδ_4r,a₂₃＝sinδ_5l,a₂₄＝sinδ_5r,a₂₅＝sinδ_7l,a₂₆＝sinδ_7r

式中，F_Y为车辆沿Y轴方向的合力，F_X为车辆沿X轴方向的合力，M_Z为车辆绕Z轴方向的横摆力矩，F_yil为第i轴左轮的侧向力，F_yir为第i轴右轮的侧向力，F_xil为第i轴左轮的纵向力，F_xir为第i轴右轮的纵向力，F_z为每个车轮的垂向力，V_syil为第i轴左轮的滑移速度，V_syir为第i轴右轮的滑移速度，δ_il、δ_ir分别为第i轴左、右轮转角，V_Y为质心速度V在Y轴上的分量，V_X为质心速度V在X轴上的分量，w_r为整车横摆角速度，L_i表示车辆质心到第i轴的距离，在质心之前为正，质心之后为负，R_il、R_ir分别为第i轴左右轮胎滚动半径，V为车辆速度，Ω_il、Ω_ir分别为第i轴左右车轮转速，α_il、α_ir分别为第i轴左右车轮侧偏角，k_il、k_ir分别为第i轴左右车轮滑移率，B表示车轮的轮距，J₁为轮胎负荷率，J₂为轮胎磨损能耗。

进一步地，当需要兼顾轮胎负荷率和轮胎磨损能耗时，性能优化目标的获取方法为：

J＝aJ₁+bJ₂

0≤a≤1

0≤b≤1

a+b＝1

式中，J为性能优化目标，J₁为轮胎负荷率，J₂为轮胎磨损能耗，a、b为权重系数，a值由驾驶员对车辆稳定性需求决定，B值由驾驶员对轮胎磨损需求决定。

进一步地，该方法应用于重型多轴车辆单轴转向卡死的场合；当转向车轮没有卡死时，如同一轴上的左、右车轮转角误差过大时，该方法依然能提高多轴车辆转向时的安全性。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1)本发明解决了重型全轮转向的多轴车辆在转向轮卡死时的车辆失稳问题。重型多轴车辆转向过程中会发生车轮转向机构故障导致车轮转向卡死，通过本发明提供的方法，保证即使转向轮发生卡死，重型多轴车辆依然能稳定运行，减小车辆发生失稳的可能性，提高了重型多轴转向车辆的行驶安全性。

2)本发明解决了重型全轮转向的多轴车辆在转向轮存在转角误差时，无法按照原有路线准确行驶的问题。当转向轮转向卡死时，驾驶员手动调整转向卡死的转向轮至中位后继续行驶，而手动调整保证车轮准确处于中位，会存在一定的角度误差，导致车辆行驶轨迹存在误差。通过本发明的方法可以减少车辆在发生转向轮卡死时的行驶轨迹误差，并能保证改善后的行驶轨迹仍尽可能与转向轮卡死前的行驶轨迹一致，进一步提高转向轮卡死故障条件下车辆的轨迹跟踪能力。

附图说明

图1是本发明实施例的系统组成原理框图。

图2是本发明实施例中重型多轴车辆在未发生转向轮卡死时的工作示意图。

图3是本发明实施例中重型多轴车辆在发生转向轮卡死时的工作示意图。

图4是本发明实施例中重型多轴车辆转向轮发生卡死时的控制流程示意图。

图5是本发明实施例的方法在转向轮卡死过程中的控制效果图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如图1所述，本实施例提供了一种提高重型多轴车辆车轮转向卡死时安全性的系统，包括数据采集模块、理想模型计算模块、转向轮卡死判断模块和车辆运动控制模块。

所述数据采集模块包括车轮转角传感器、车轮转速传感器、车速传感器和横摆角速度传感器。

所述理想模型计算模块用于根据转向需求与数据采集模块采集到的整车参数，计算多轴车辆各车轮做纯滚动时的理想车轮转角、侧向力、纵向力及横摆力矩，并将转角信息发送给转向轮卡死判断模块。

所述转向轮卡死判断模块通过车轮转角传感器检测车轮实际转角信号，并与计算得到的理想转角进行对比，判定转向轮是否卡死。

所述车辆运动控制模块用于在转向轮卡死判断模块判定转向轮卡死时，通过控制轮胎力，进一步控制整车转向所需的侧向力、纵向力与横摆力矩，提高整车路径跟踪能力，避免整车在转向时转向轴发生卡死时的失稳现象。

图2为本实施例中重型多轴车辆在未发生转向轮卡死时的工作示意图。

以某七轴全路面起重机为例，该七轴全路面起重机的前三轴采用机械杆系转向系统，后四轴采用电液转向系统，公路转向模式下，后四轴不参与转向，使用前三轴进行转向。

此时，前三轴机械转向系统正常转向，后四轴电液转向系统将车轮转向锁死，保证其车轮转角为0°，此时车辆能够进行正常转向，路径如图5(a)所示。

图3为本实施例中重型多轴车辆在发生转向轮卡死时的工作示意图。此时，前三轴机械转向系统正常转向，第四、五、七轴电液转向系统将车轮转向锁死，保证其车轮转角为0°，第六轴由于电液转向机构故障导致转向卡死，其卡死的固定转角为10°，此时车辆转向路径发生偏移，路径如图5(a)所示。

图4为本实施例中重型多轴车辆转向轮发生卡死时的控制流程示意图。

在本实施例中，以某七轴全路面起重机为例，其整车参数如下：

优选地，设置该七轴全路面起重机在公路转向模式下，第六轴由于电液转向机构故障导致转向卡死，其卡死的固定转角为10°。

本实施例还提供了基于上述系统的提高重型多轴车辆车轮转向卡死时安全性的方法，包括以下步骤：

步骤S1：在理想模型计算模块中建立多轴转向车辆的整车数学模型和轮胎力数学模型，根据数据采集模块采集到的车轮转角、车轮转速、车速、横摆角速度信息，计算多轴车辆各车轮做纯滚动时的理想车轮转角、侧向力、纵向力及横摆力矩，并将理想转角信息与实际转角信息发送给转向轮卡死判断模块，将理想侧向力、纵向力及横摆力矩信息发送给车辆运动控制模块。

步骤S2：当转向轮卡死判断模块判定车轮卡死时，根据实际转角信息与理想转角信息计算得到当前的转向卡死工况信息，随后车辆运动控制模块将卡死的车轮抱死，等待进一步调整轮胎力。

步骤S3：车辆运动控制模块将理想模型计算模块中求得的理想侧向力、纵向力与横摆力矩作为目标侧向力、纵向力与横摆力矩，并根据卡死工况选择性能优化目标，通过二次规划优化分配各车轮轮胎力。

步骤S4：车辆运动控制模块根据步骤S3得到的优化分配后的各车轮轮胎力，通过建立轮胎力模型，计算求得各轮胎力所需的转向轮转角。

步骤S5：各转向车轮调整至步骤S4中所得到角度，改变车辆的运动状态。

在步骤S1中，理想模型计算模块按照公路转向模式计算的理想转角为：

在已知第一轴左侧车轮输入转角为δ_1l时，其他理想转角计算方法如下：

δ_4l＝δ_5l＝δ_6l＝δ_7l＝0

δ_4r＝δ_5r＝δ_6r＝δ_7r＝0

式中，δ_il表示第i轴左侧车轮转角，δ_ir表示第i轴右侧车轮转角，L_i表示车辆质心到第i轴的距离，在质心之前为正，质心之后为负，B表示第i轴左右车轮的轮距，D为质心到车辆瞬时转动中心连线在车长方向的投影距离，SR为车辆转动半径，取SR＝50，D＝20。

理想侧向力F_Y、纵向力F_X及横摆力矩M_Z为：

F_yil＝C_yα_il

F_yir＝C_yα_ir

当多轴车辆处于高速转向模式下时，不参与转向的车轮转角值为零值。

式中，F_Y为车辆沿Y轴方向的合力，F_X为车辆沿X轴方向的合力，M_Z为车辆绕Z轴方向的横摆力矩，I_Z为车辆绕Z轴的转动惯量，w_r为整车横摆角速度，M为整车质量，F_yil为第i轴左轮的侧向力，F_yir为第i轴右轮的侧向力，F_xil为第i轴左轮的纵向力，F_xir为第i轴右轮的纵向力，α_il,α_ir分别为第i轴左、右轮侧偏角，C_y为轮胎侧偏刚度，V_Y为质心速度V在Y轴上的分量，V_X为质心速度V在X轴上的分量，δ_il、δ_ir分别为第i轴左、右轮转角，k为多轴车辆的轴数，L_i表示车辆质心到第i轴的距离，在质心之前为正，质心之后为负，B表示车轮的轮距。

在步骤S2中，当实际转角信号与理想转角反向、或同向且角度大于临界角度(即δ_j＞δ_jmax或sgn(δ_j)＝-sgn(δ_ideal))时，判定为转向卡死工况一；当实际转角信号与理想转角同向且角度小于临界角度(即δ_j＜δ_jmax且sgn(δ_j)＝sgn(δ_ideal))时，判定为转向卡死工况二，所述临界角度由计算整车发生侧滑时的临界加速度得到，其中，sgn()表示转角的方向。

计算的临界角度为：

式中，δ_6max表示用于判定转向卡死工况的临界角度，δ_i表示正常转向车轮转角，M为整车质量，g为重力加速度,K₆为转向卡死车轮的侧偏刚度，K_i为正常转向车轮的侧偏刚度，V_Y为质心速度V在Y轴上的分量，V_X为质心速度V在X轴上的分量，w_r为整车横摆角速度，L_i表示车辆质心到第i轴的距离，L₆表示车辆质心到第六轴的距离，在质心之前为正，在质心之后为负。

当车辆运动控制模块将转向卡死的车轮抱死时，抱死状态下车轮轮胎力计算方法为：

F_x6l＝-μF_z cosα_6l

F_x6r＝-μF_z cosα_6r

F_y6l＝μF_z sinα_6l

F_y6r＝μF_z sinα_6r

式中，F_y6l为第6轴左轮的侧向力，F_y6r为第6轴右轮的侧向力,F_x6l为第6轴左轮的纵向力，F_x6r为第6轴右轮的纵向力，F_z表示各车轮的垂直载荷，μ表示路面摩擦系数，α_6l、α_6r分别为第6轴左右车轮侧偏角，M表示车辆总质量，g表示重力加速度。

在步骤S3中，当确定当前转向卡死工况下的性能优化目标后，通过二次规划优化分配第四、五、七轴转向车轮轮胎力，轮胎力的获取方法为：

或J₂＝F_y4lV_sy4l+F_y4rV_sy4r+F_y5lV_sy5l+F_y5rV_sy5r+F_y7lV_sy7l+F_y7rV_sy7r

优化变量：x＝[F_y4l F_y4r F_y5l F_y5r F_y7l F_y7r]^T

约束条件：Ax＝b

a₁₁＝cosδ_4l,a₁₂＝cosδ_4r,a₁₃＝cosδ_5l,a₁₄＝cosδ_5r,a₁₅＝cosδ_7l,a₁₆＝cosδ_7r

a₂₁＝sinδ_4l,a₂₂＝sinδ_4r,a₂₃＝sinδ_5l,a₂₄＝sinδ_5r,a₂₅＝sinδ_7l,a₂₆＝sinδ_7r

式中，F_Y为车辆沿Y轴方向的合力，F_X为车辆沿X轴方向的合力，M_Z为车辆绕Z轴方向的横摆力矩，F_yil为第i轴左轮的侧向力，F_yir为第i轴右轮的侧向力，F_xil为第i轴左轮的纵向力，F_xir为第i轴右轮的纵向力，F_z为每个车轮的垂向力，V_syil为第i轴左轮的滑移速度，V_syir为第i轴右轮的滑移速度，δ_il、δ_ir分别为第i轴左、右轮转角，V_Y为质心速度V在Y轴上的分量，V_X为质心速度V在X轴上的分量，w_r为整车横摆角速度，L_i表示车辆质心到第i轴的距离，在质心之前为正，质心之后为负，R_il、R_ir分别为第i轴左右轮胎滚动半径，V为车辆速度，Ω_il、Ω_ir分别为第i轴左右车轮转速，α_il、α_ir分别为第i轴左右车轮侧偏角，k_il、k_ir分别为第i轴左右车轮滑移率，B表示车轮的轮距，J₁为轮胎负荷率，J₂为轮胎磨损能耗。

当需要兼顾轮胎负荷率和轮胎磨损能耗时，性能优化目标的获取方法为：

J＝aJ₁+bJ₂

0≤a≤1

0≤b≤1

a+b＝1

式中，J为性能优化目标，J₁为轮胎负荷率，J₂为轮胎磨损能耗，a、b为权重系数，a值由驾驶员对车辆稳定性需求决定，b值由驾驶员对轮胎磨损需求决定。

在步骤S4中，各轮胎力所需的转向轮转角的计算公式：

式中，V_sx为车轮的纵向滑移速度，V_sy为车轮的横向滑移速度，R为轮胎滚动半径，V为车辆速度，Ω为车轮转速，k分别为实际车轮滑移率，S_x为纵向滑移率、S_y为侧向滑移率，α为车轮侧偏角，F_x为轮胎纵向力，F_y为轮胎侧向力，F_z为轮胎垂向力，C_x为轮胎纵滑刚度，C_y为轮胎侧偏刚度，A_s为摩擦衰减系数，μ₀为轮胎与地面摩擦系数，μ为轮胎与地面动摩擦系数，δ_il、δ_ir分别为第i轴左、右轮转角，α_il、α_ir分别为第i轴左右车轮侧偏角，L_i表示车辆质心到第i轴的距离，在质心之前为正，质心之后为负，B表示车轮的轮距，w_r为整车横摆角速度，V_Y为质心速度V在Y轴上的分量，V_X为质心速度V在X轴上的分量。

本发明提供的提高重型多轴车辆车轮转向卡死时安全性的方法，可应用于重型多轴车辆单轴转向卡死的场合，当转向车轮没有卡死时，如同一轴上的左右车轮转角误差过大时，该运动控制方法依然能提高多轴车辆转向时的安全性。

图5为本实施例中该方法在转向轮卡死过程中的控制效果图。按照本方法，在转向轮卡死之后，车辆相比于未控制时行驶轨迹误差减小，能够较好地跟踪上理想轨迹，如图5(a)所示。并且，车辆的质心侧偏角减小，车辆的稳定性和安全性得到改善，如图5(b)所示。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种提高重型多轴车辆车轮转向卡死时安全性的系统，其特征在于，包括：

数据采集模块，包括车轮转角传感器、车轮转速传感器、车速传感器和横摆角速度传感器；

理想模型计算模块，用于根据转向需求与数据采集模块采集到的整车参数，计算多轴车辆各车轮做纯滚动时的理想车轮转角、侧向力、纵向力及横摆力矩，并将转角信息发送给转向轮卡死判断模块；

转向轮卡死判断模块，通过车轮转角传感器检测车轮实际转角信号，并与计算得到的理想转角进行对比，判定转向轮是否卡死；

车辆运动控制模块，用于在转向轮卡死判断模块判定转向轮卡死时，通过控制轮胎力，进一步控制整车转向所需的侧向力、纵向力与横摆力矩，提高整车路径跟踪能力，避免整车在转向时转向轴发生卡死时的失稳现象。

2.一种基于权利要求1所述系统的提高重型多轴车辆车轮转向卡死时安全性的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：在理想模型计算模块中建立多轴转向车辆的整车数学模型和轮胎力数学模型，根据数据采集模块采集到的车轮转角、车轮转速、车速、横摆角速度信息，计算多轴车辆各车轮做纯滚动时的理想车轮转角、侧向力、纵向力及横摆力矩，并将理想转角信息与实际转角信息发送给转向轮卡死判断模块，将理想侧向力、纵向力及横摆力矩信息发送给车辆运动控制模块；

步骤S2：当转向轮卡死判断模块判定车轮卡死时，根据实际转角信息与理想转角信息计算得到当前的转向卡死工况信息，随后车辆运动控制模块将卡死的车轮抱死，等待进一步调整轮胎力；

步骤S3：车辆运动控制模块将理想模型计算模块中求得的理想侧向力、纵向力与横摆力矩作为目标侧向力、纵向力与横摆力矩，并根据卡死工况选择性能优化目标，通过二次规划优化分配各车轮轮胎力；

步骤S4：车辆运动控制模块根据步骤S3得到的优化分配后的各车轮轮胎力，通过建立轮胎力模型，计算求得各轮胎力所需的转向轮转角；

步骤S5：各转向车轮调整至步骤S4中所得到角度，改变车辆的运动状态。

3.根据权利要求2所述的提高重型多轴车辆车轮转向卡死时安全性的方法，其特征在于，所述转向轮卡死判断模块中，若实际转角信号与理想转角反向，或同向且角度大于临界角度，则判定为转向卡死工况一；若实际转角信号与理想转角同向且角度小于临界角度，则判定为转向卡死工况二；所述临界角度由计算整车发生侧滑时的临界加速度得到。

4.根据权利要求2所述的提高重型多轴车辆车轮转向卡死时安全性的方法，其特征在于，理想侧向力F_Y、纵向力F_X及横摆力矩M_Z的获取方法为：

F_yil＝C_yα_il

F_yir＝C_yα_ir

当多轴车辆处于高速转向模式下时，不参与转向的车轮转角值为零值；

式中，F_Y为车辆沿Y轴方向的合力，F_X为车辆沿X轴方向的合力，M_Z为车辆绕Z轴方向的横摆力矩，I_Z为车辆绕Z轴的转动惯量，w_r为整车横摆角速度，M为整车质量，F_yil为第i轴左轮的侧向力，F_yir为第i轴右轮的侧向力，F_xil为第i轴左轮的纵向力，F_xir为第i轴右轮的纵向力，α_il,α_ir分别为第i轴左、右轮侧偏角，C_y为轮胎侧偏刚度，V_Y为质心速度V在Y轴上的分量，V_X为质心速度V在X轴上的分量，δ_il、δ_ir分别为第i轴左、右轮转角，k为多轴车辆的轴数，L_i表示车辆质心到第i轴的距离，在质心之前为正，质心之后为负，B表示车轮的轮距。

5.根据权利要求2所述的提高重型多轴车辆车轮转向卡死时安全性的方法，其特征在于，所需的性能优化目标根据转向轮卡死判断模块判断的结果进行选取，当判定为转向卡死工况一时，以轮胎负荷率最低为性能优化目标，当判定为转向卡死工况二时，以轮胎磨损能耗最低为性能优化目标；

轮胎负荷率J₁表示为：

轮胎磨损能耗J₂表示为：

式中，F_yil为第i轴左轮的侧向力，F_yir为第i轴右轮的侧向力，F_z为每个车轮的垂向力，V_syil为第i轴左轮的滑移速度，V_syir为第i轴右轮的滑移速度，k为多轴车辆的轴数。

6.根据权利要求2所述的提高重型多轴车辆车轮转向卡死时安全性的方法，其特征在于，当车辆运动控制模块将转向卡死车轮抱死时，抱死状态下车轮轮胎力的计算方法为：

F_xil＝-μF_zcosα_il

F_xir＝-μF_zcosα_ir

F_yil＝μF_zsinα_il

F_yir＝μF_zsinα_ir

式中，F_yil为第i轴左轮的侧向力，F_yir为第i轴右轮的侧向力,F_xil为第i轴左轮的纵向力，F_xir为第i轴右轮的纵向力,F_z表示各车轮的垂直载荷，μ表示路面摩擦系数，α_il、α_ir分别为第i轴左右车轮侧偏角，M表示车辆总质量，k表示车辆轴数，g表示重力加速度。

7.根据权利要求3所述的提高重型多轴车辆车轮转向卡死时安全性的方法，其特征在于，当多轴车辆车轮卡死时，临界角度由整车不发生侧滑的临界加速度计算得到，其获取方法为：

式中，δ_jmax表示用于判定转向卡死工况的临界角度，δ_i表示正常转向车轮转角，M为整车质量,g为重力加速度,K_j为转向卡死车轮的侧偏刚度，K_i为正常转向车轮的侧偏刚度，V_Y为质心速度V在Y轴上的分量，V_X为质心速度V在X轴上的分量，w_r为整车横摆角速度，L_i表示车辆质心到第i轴的距离，L_j表示车辆质心到卡死车轮所在轴的距离，在质心之前为正，在质心之后为负，k表示车辆轴数。

8.根据权利要求5所述的提高重型多轴车辆车轮转向卡死时安全性的方法，其特征在于，当确定当前转向卡死工况下的性能优化目标后，通过二次规划优化分配各正常转向车轮轮胎力，轮胎力的获取方法为：

或J₂＝F_y4lV_sy4l+F_y4rV_sy4r+F_y5lV_sy5l+F_y5rV_sy5r+F_y7lV_sy7l+F_y7rV_sy7r

优化变量：x＝[F_y4l F_y4r F_y5l F_y5r F_y7l F_y7r]^T

约束条件：Ax＝b

a₁₁＝cosδ_4l,a₁₂＝cosδ_4r,a₁₃＝cosδ_5l,a₁₄＝cosδ_5r,a₁₅＝cosδ_7l,a₁₆＝cosδ_7r

a₂₁＝sinδ_4l,a₂₂＝sinδ_4r,a₂₃＝sinδ_5l,a₂₄＝sinδ_5r,a₂₅＝sinδ_7l,a₂₆＝sinδ_7r

式中，F_Y为车辆沿Y轴方向的合力，F_X为车辆沿X轴方向的合力，M_Z为车辆绕Z轴方向的横摆力矩，F_yil为第i轴左轮的侧向力，F_yir为第i轴右轮的侧向力，F_xil为第i轴左轮的纵向力，F_xir为第i轴右轮的纵向力，F_z为每个车轮的垂向力，V_syil为第i轴左轮的滑移速度，V_syir为第i轴右轮的滑移速度，δ_il、δ_ir分别为第i轴左、右轮转角，V_Y为质心速度V在Y轴上的分量，V_X为质心速度V在X轴上的分量，w_r为整车横摆角速度，L_i表示车辆质心到第i轴的距离，在质心之前为正，质心之后为负，R_il、R_ir分别为第i轴左右轮胎滚动半径，V为车辆速度，Ω_il、Ω_ir分别为第i轴左右车轮转速，α_il、α_ir分别为第i轴左右车轮侧偏角，k_il、k_ir分别为第i轴左右车轮滑移率，B表示车轮的轮距，J₁为轮胎负荷率，J₂为轮胎磨损能耗。

9.根据权利要求5所述的提高重型多轴车辆车轮转向卡死时安全性的方法，其特征在于，当需要兼顾轮胎负荷率和轮胎磨损能耗时，性能优化目标的获取方法为：

J＝aJ₁+bJ₂

0≤a≤1

0≤b≤1

a+b＝1

式中，J为性能优化目标，J₁为轮胎负荷率，J₂为轮胎磨损能耗，a、b为权重系数，a值由驾驶员对车辆稳定性需求决定，B值由驾驶员对轮胎磨损需求决定。

10.根据权利要求2-9任一项所述的提高重型多轴车辆车轮转向卡死时安全性的方法，其特征在于，该方法应用于重型多轴车辆单轴转向卡死的场合；当转向车轮没有卡死时，如同一轴上的左、右车轮转角误差过大时，该方法依然能提高多轴车辆转向时的安全性。

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