胡紀(jì)濱， 付苗苗， 李雪原， 倪俊

(北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081)

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多軸機(jī)電復(fù)合分布式驅(qū)動(dòng)車輛轉(zhuǎn)向半徑模式控制策略

胡紀(jì)濱， 付苗苗， 李雪原， 倪俊

(北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081)

基于對(duì)多軸輪式車輛的最小轉(zhuǎn)向半徑戰(zhàn)技指標(biāo)的要求，提出了一種適用于多軸機(jī)電復(fù)合分布式驅(qū)動(dòng)車輛的最小轉(zhuǎn)向半徑控制系統(tǒng)，并詳細(xì)介紹了該模式下的整車控制策略，當(dāng)車輛以大前輪轉(zhuǎn)角低速轉(zhuǎn)向時(shí)，后兩橋驅(qū)動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生“外正內(nèi)負(fù)”的力矩輔助車輛轉(zhuǎn)向從而減小最小轉(zhuǎn)向半徑. 為驗(yàn)證系統(tǒng)性能，文中建立了包含車體縱向速度、側(cè)向速度、橫擺角速度及8個(gè)車輪旋轉(zhuǎn)的11自由度整車動(dòng)力學(xué)模型，并采用Gim輪胎模型表達(dá)了輪胎的非線性力學(xué)特性. 虛擬樣機(jī)仿真的結(jié)果表明，在該控制策略下，車輛的最小轉(zhuǎn)向半徑可減小10.31%，轉(zhuǎn)向機(jī)動(dòng)性能得到大幅度提高.

多軸機(jī)電復(fù)合分布式驅(qū)動(dòng)；最小轉(zhuǎn)向半徑；整車控制策略；車輛動(dòng)力學(xué)

輪式軍用車輛的最小轉(zhuǎn)向半徑是重要戰(zhàn)技指標(biāo)，是軍車戰(zhàn)術(shù)機(jī)動(dòng)性的表征之一，它反應(yīng)了車輛在戰(zhàn)場(chǎng)上靈活運(yùn)動(dòng)和克服障礙的能力. 近些年來，隨著戰(zhàn)場(chǎng)機(jī)動(dòng)性要求的不斷提高，許多學(xué)者提出了不同的減小輪式軍用車輛最小轉(zhuǎn)向半徑的方式，例如速差轉(zhuǎn)向方案或多軸轉(zhuǎn)向方案[1-3]. 速差轉(zhuǎn)向輪式車輛雖可實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向，但其存在輪胎磨損劇烈、車輛操縱性能難以習(xí)慣等突出問題[4-5]. 多軸轉(zhuǎn)向輪式車輛同樣可大幅度降低車輛最小轉(zhuǎn)向半徑，但其存在著控制系統(tǒng)復(fù)雜、高速操縱穩(wěn)定性難以控制等突出問題.

文中基于機(jī)電復(fù)合分布式驅(qū)動(dòng)8×8輪式車輛，針對(duì)轉(zhuǎn)向半徑問題，提出一種最小轉(zhuǎn)向半徑控制策略. 當(dāng)車輛以小前輪轉(zhuǎn)角高速轉(zhuǎn)向時(shí)，不進(jìn)行控制調(diào)整；當(dāng)以大前輪轉(zhuǎn)角低速轉(zhuǎn)向時(shí)，車輛進(jìn)入最小轉(zhuǎn)向半徑模式. 該模式下，后兩橋的外側(cè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩值增加ΔT，同時(shí)內(nèi)側(cè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩值減小ΔT，從而輔助車輛轉(zhuǎn)向，達(dá)到減小轉(zhuǎn)向半徑的目的. 輔助轉(zhuǎn)矩ΔT與前輪轉(zhuǎn)角和其閾值的差值為正比關(guān)系.

同時(shí)，為驗(yàn)證所提出的最小轉(zhuǎn)向半徑控制策略，文中基于某8×8輪式車輛建立了整車非線性動(dòng)力學(xué)模型，并進(jìn)行了性能仿真預(yù)測(cè).

1 最小轉(zhuǎn)向半徑控制系統(tǒng)

1.1 車輛基本結(jié)構(gòu)

圖1為采用機(jī)電復(fù)合分布式驅(qū)動(dòng)方案的8×8車輛[3].

車輛前兩橋?yàn)闄C(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，后兩橋?yàn)榇?lián)式混合動(dòng)力結(jié)構(gòu). 發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出至分動(dòng)箱，并由前傳動(dòng)分為兩路，一路傳到變速箱，經(jīng)由差速器驅(qū)動(dòng)前兩橋車輪；另一路帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，再帶動(dòng)4個(gè)永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)輪邊減速器來驅(qū)動(dòng)車輛前進(jìn). 同時(shí)，電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中連接了蓄電池，可進(jìn)行能量平衡. 車體內(nèi)裝有電機(jī)控制器、整車控制器及多種傳感器等部件.

該車采用的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)方案結(jié)合了機(jī)械傳動(dòng)和混合動(dòng)力的優(yōu)點(diǎn). 車輛行駛時(shí)，前、后橋可同時(shí)或分別單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，則車輛可在以下工作模式中進(jìn)行切換：全橋機(jī)電復(fù)合驅(qū)動(dòng)、前兩橋機(jī)械驅(qū)動(dòng)、后兩橋混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)、后兩橋純電靜音行駛，以滿足不同工況的行駛要求，其加速能力、爬坡度、最高車速、越障性能等均有所提高. 且其分布式驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)為整車牽引力控制和橫擺力矩控制等提供了很好的條件.

1.2 控制系統(tǒng)策略

該車最小轉(zhuǎn)向半徑控制系統(tǒng)運(yùn)行策略如圖2所示.

為防止誤操作使車輛進(jìn)入最小轉(zhuǎn)向半徑模式，該模式的開啟需基于車速及前輪轉(zhuǎn)角兩個(gè)參數(shù)的同時(shí)判斷. 傳感器將車速和前輪轉(zhuǎn)角信號(hào)傳輸至閾值觸發(fā)模塊，該模塊中有預(yù)先設(shè)定的二者閾值. 當(dāng)車速信號(hào)小于其閾值且轉(zhuǎn)角信號(hào)大于其閾值時(shí)，車輛進(jìn)入最小轉(zhuǎn)向半徑模式. 此時(shí)，輔助力矩計(jì)算模塊計(jì)算得到后兩橋驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輔助轉(zhuǎn)向力矩，該值被傳輸至電機(jī)控制器，以控制電機(jī)提供“外正內(nèi)負(fù)”的力矩，從而輔助車輛轉(zhuǎn)向[6]. 此工作模式下，后兩橋提供車輛轉(zhuǎn)向的輔助力矩，前兩橋提供車輛行駛所需動(dòng)力. 因發(fā)動(dòng)機(jī)全程調(diào)速，可通過加速踏板和制動(dòng)踏板實(shí)現(xiàn)對(duì)車速的控制.

輔助力矩計(jì)算方法為

(1)

式中：δ為測(cè)量所得前輪轉(zhuǎn)角值；δ0為前輪轉(zhuǎn)角閾值；v為測(cè)量所得車速值；v0為車速閾值；k為輔助力矩增益值.δ0、v0、k由控制系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定，當(dāng)且僅當(dāng)δ>δ0，且v

2 動(dòng)力學(xué)模型建立

為對(duì)上文所介紹的車輛模型及最小轉(zhuǎn)向半徑控制策略做進(jìn)一步分析，對(duì)其動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行搭建.

2.1 整車動(dòng)力學(xué)模型

針對(duì)所研究的目標(biāo)車型建立了圖3所示的11自由度非線性動(dòng)力學(xué)模型[7]，包括車身縱向運(yùn)動(dòng)、側(cè)向運(yùn)動(dòng)、橫擺運(yùn)動(dòng)和8個(gè)車輪的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并有如下假設(shè)：忽略車體的垂直運(yùn)動(dòng)、側(cè)傾運(yùn)動(dòng)和俯仰運(yùn)動(dòng)；固結(jié)于車體上的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系原點(diǎn)與車輛質(zhì)心重合；各個(gè)輪胎機(jī)械特性相同；空氣阻力為0；各軸輪胎的輪距相同；左右側(cè)車輪轉(zhuǎn)角相同，且根據(jù)阿克曼定理認(rèn)為第二軸轉(zhuǎn)向角與第一軸轉(zhuǎn)向角成比例關(guān)系.

采用牛頓力學(xué)體系定理建立車輛縱向運(yùn)動(dòng)、側(cè)向運(yùn)動(dòng)、橫擺運(yùn)動(dòng)及各車輪旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)等各個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)方程為

(2)

(3)

(4)

Je(wij)=Ti-Fxijr-FzijfR.

(5)

式中：m為整車質(zhì)量；Iz為懸掛質(zhì)量繞z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ω為車輛橫擺角速度；Fyij、Fxij分別為車輪側(cè)向力和縱向力；Li為各軸到質(zhì)心的距離，δi為前兩軸車輪轉(zhuǎn)角；B為車身寬度；Je為車輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；wij為車輪旋轉(zhuǎn)角速度；Ti為車輪驅(qū)動(dòng)力矩(制動(dòng)時(shí)為負(fù)值)；Fz為地面法向反作用力；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；R為車輪半徑；i=1，2，3，4代表軸數(shù)；j=1，2代表兩側(cè)，j=1時(shí)為內(nèi)側(cè)，j=2時(shí)為外側(cè). 在文中的控制策略下，車輪驅(qū)動(dòng)力矩Ti即為輔助力矩ΔT，其計(jì)算方法如式(1)所示[7].

車輪輪心處縱向速度為

(6)

各車輪側(cè)偏角為

(7)

式中：p，q分別取1、2和3、4，為軸數(shù)；j=1時(shí)，k=-1,j=2時(shí)，k=1.

2.2 輪胎模型

針對(duì)多軸分布式機(jī)電復(fù)合驅(qū)動(dòng)車輛的小半徑轉(zhuǎn)向工況，各輪胎在作用驅(qū)動(dòng)力的同時(shí)，同樣有較大側(cè)向力的作用，必須采用可以表達(dá)輪胎附著橢圓特性的聯(lián)合工況非線性輪胎模型.

基于上述原因，文中采用Gim理論輪胎模型，此模型計(jì)算速度快，精度高，尤其在車輪大側(cè)偏角運(yùn)動(dòng)時(shí)優(yōu)點(diǎn)更為凸顯[8]. 其基于一維接地印跡假設(shè)，以量綱一的滑移率及側(cè)偏角表征運(yùn)動(dòng)參數(shù)，公式中各參數(shù)均能用詳細(xì)的物理量進(jìn)行表達(dá)，便于針對(duì)輪胎特性進(jìn)行理論研究. 輪胎與地面間的縱向與側(cè)向作用力方程為[2]

(8)

式中：Cs、Ca分別為輪胎縱向和側(cè)偏剛度；ss、sa分別為輪胎縱向和側(cè)向滑移率；ln為輪胎接地線長(zhǎng)度的量綱一的值；μx、μy分別為輪胎與地面的縱向和側(cè)向附著系數(shù).

3 仿真驗(yàn)證

3.1 仿真模型搭建

為證明最小轉(zhuǎn)向半徑控制方案的可用性，需對(duì)該方案進(jìn)行仿真驗(yàn)證. 基于以上動(dòng)力學(xué)分析，利用Matlab/Simulink搭建虛擬樣機(jī)仿真平臺(tái)[9]. 仿真所用車型的基本參數(shù)如表1所示.

表1 車輛基本參數(shù)表

3.2 仿真驗(yàn)證及結(jié)果分析

該車在轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角最大時(shí)，前輪轉(zhuǎn)角δ0≈0.6 rad，選取轉(zhuǎn)角閾值為最大值的2/3，則δ0=0.4 rad. 對(duì)車速為5～10 km/h范圍內(nèi)最小轉(zhuǎn)向半徑策略的有效性進(jìn)行仿真驗(yàn)證.

為保證每個(gè)仿真工況下的車速為定值，利用PID駕駛員模型對(duì)車速進(jìn)行控制. 模型根據(jù)車速信號(hào)與目標(biāo)車速的差值，對(duì)油門信號(hào)和制動(dòng)信號(hào)進(jìn)行調(diào)整，使前兩橋獲得跟蹤車速所需轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)車輛以目標(biāo)車速行駛. 仿真時(shí)，取前輪轉(zhuǎn)角步長(zhǎng)為0.05 rad，車速步長(zhǎng)為2.5 km/h，對(duì)每個(gè)車速，不同前輪轉(zhuǎn)角時(shí)，采用控制策略和不采用控制策略的轉(zhuǎn)向半徑進(jìn)行仿真運(yùn)算，將運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行擬合分析，得到結(jié)果如圖4所示.

圖中，x軸為前輪轉(zhuǎn)角，y軸為車速，z軸為轉(zhuǎn)向半徑. 上方曲面為不施加控制策略時(shí)車輛的轉(zhuǎn)向半徑，下方曲面為施加控制策略時(shí)車輛的轉(zhuǎn)向半徑. 明顯看出，施加控制策略時(shí)車輛的轉(zhuǎn)向半徑有所減小，且前輪轉(zhuǎn)角值越大，轉(zhuǎn)向半徑的減小幅度越明顯. 當(dāng)車速為10 km/h，前輪轉(zhuǎn)角為0.6 rad時(shí)，該控制策略可將轉(zhuǎn)向半徑減小10.31%，控制效果良好.

為對(duì)該控制策略下車輛動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行分析，對(duì)車速8 km/h，前輪轉(zhuǎn)角為0.55 rad的工況進(jìn)行仿真，得到仿真結(jié)果如圖5所示.

圖5中，橫軸為仿真時(shí)間，縱軸為仿真車速. 全程利用PID駕駛員模型跟蹤車速，第1.5 s達(dá)到8 km/h，并基本保持不變. 第2 s時(shí)施加前輪轉(zhuǎn)角. 圖6中，橫軸為仿真時(shí)間，縱軸為后兩橋車輪轉(zhuǎn)矩值. 前2 s的車輪轉(zhuǎn)矩主要用來使車輛加速；在第2～3 s內(nèi)，車速達(dá)到8 km/h，車輪轉(zhuǎn)矩為0；第3 s進(jìn)入最小轉(zhuǎn)向半徑模式，兩側(cè)車輪產(chǎn)生“外正內(nèi)負(fù)”的輔助力矩，以輔助車輛轉(zhuǎn)向. 但在4.5 s左右，由于輪胎側(cè)偏角陡增，但輪胎已無法提供更大的側(cè)向力，需要縱向力進(jìn)行平衡，造成內(nèi)側(cè)車輪轉(zhuǎn)矩突變[4].

圖7中，外側(cè)曲線為未施加控制策略時(shí)車輛的軌跡曲線，內(nèi)側(cè)曲線為施加控制策略時(shí)車輛的軌跡曲線. 前2 s為直駛追蹤車速階段，2 s時(shí)施加前輪轉(zhuǎn)角. 控制策略有效減小了轉(zhuǎn)向半徑.

圖8中，上方4條曲線為前兩橋車輪的側(cè)偏角，下方4條曲線為后兩橋車輪的側(cè)偏角. 前2 s車輛直駛，仿真模型理論計(jì)算側(cè)偏角為0；第2～3 s，施加轉(zhuǎn)角，但未進(jìn)入最小轉(zhuǎn)向半徑模式，側(cè)偏角較??；第3 s，車輛進(jìn)入最小轉(zhuǎn)向半徑模式，側(cè)偏角明顯變大，加劇輪胎磨損，且易發(fā)生車輛側(cè)滑失穩(wěn)[4]. 分析可得，此控制策略會(huì)使車輪的側(cè)滑現(xiàn)象有所加劇.

4 結(jié)束語

文中針對(duì)一輛機(jī)電復(fù)合分布式驅(qū)動(dòng)8×8車輛的最小轉(zhuǎn)向半徑問題，提出了一種控制策略. 當(dāng)車輛以大轉(zhuǎn)角低速轉(zhuǎn)向時(shí)，后兩橋驅(qū)動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生“外正內(nèi)負(fù)”的輔助力矩，以減小轉(zhuǎn)向半徑. 為驗(yàn)證該策略的有效性，建立了整車的Matlab/Simulink動(dòng)力學(xué)模型，仿真結(jié)果表明，該控制策略可將轉(zhuǎn)向半徑減小10.31%.

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(責(zé)任編輯：孫竹鳳)

Control Strategy of the Multi-Axle Distributed Mechanic and Electric Drive Vehicle’s Turning Radius

HU Ji-bin， FU Miao-miao， LI Xue-yuan， NI Jun

(School of Mechanic Engineering， Beijing Institute of Technology， Beijing 100081， China)

With the increasing requirements from modern battlefield environment, the demands of multi-axle wheeled vehicles’ minimum turning radial tactical and technical index are getting higher. A control system of minimum turning radius was presented which was fit for the multi-axle distributed mechanic and electric drive vehicle, and the vehicle control strategy under this mode was introduced detailed. When the vehicle turned with a big steering angle at a low speed, the last two axles produced torque, which could be described as “the outer one is plus and the inner one is minus”, to assist the vehicle to turn, and then decrease the minimum turning radius. At last, in order to validate the performance of system, a vehicle dynamic model with 11 degrees was built, which included the longitudinal speed, the lateral speed, the yaw rate and the rotation of eight wheels. The Gim tire mode was used to describe the tires’ nonlinear mechanics features. The simulation result shows that the vehicle’s minimum turning radius can be decreased 10.31% under the strategy, increasing its motility greatly.

multi-axle distributed mechanic and electric drive vehicle; the minimum turning radius; vehicle control strategy; vehicle dynamic

2015-07-05

北京理工大學(xué)?；A(chǔ)研究項(xiàng)目(20130342023)

胡紀(jì)濱(1970—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail:hujibin@bit.edu.cn.

付苗苗(1990—)，女，碩士生，E-mail:fummiao@126.com.

U 461.1

A

1001-0645(2016)11-1131-05

10.15918/j.tbit1001-0645.2016.11.007