四輪獨立驅動與轉向電動車輛運動控制系統及控制策略研究

來鑫++陳辛波++武曉俊++梁棟

摘 要：介紹了一種四輪獨立驅動與轉向（four-wheel independent driving and steering，4WIS-4WID）電動車輛的結構和原理，對其電子操縱系統進行了設計，在此基礎上構建了一種基于CAN總線的車輛運動網絡控制系統。該電動車輛具有全輪轉向、前（后）輪轉向、平行移動、原地轉向等多種轉向模式，分別對這些運動轉向模式進行運動學建模。在控制策略上提出了一種分布式“位置—速度”雙環反饋控制策略，各車輪轉向角同時調節，車輪運動動態跟蹤性能良好，車輛滿足實時運動學要求。最后通過實車試驗驗證了網絡控制系統結構和控制策略的有效性。

關鍵詞：電動車輛；四輪獨立驅動與轉向；運動學建模；控制策略

中圖分類號：TH-39文獻標文獻標識碼：A文獻標DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2015.05.04

與傳統車輛相比，四輪獨立轉向（Four-Wheel Independent Steering，4WIS）車輛有如下優點[1-2]：具有更多自由度，車輛的機動性及循跡能力更高；轉向操作的響應速度及準確性更高；具有更小的轉彎半徑，操縱穩定性與靈便性強。4WIS能較好地滿足現代車輛對舒適性、安全性、機動性、操縱穩定性的要求，成為了國內外研究的熱點。近年來隨著電池技術及電機技術的發展，以輪轂電機為動力直接驅動的四輪獨立驅動（Four-Wheel Independent Driving，4WID）車輛得到了很好的發展，它具有結構簡單、驅動力分布靈活可控、通過性能好、爬坡能力及起步加速性能出色等優點[3]。四輪獨立驅動與轉向車輛結合4WID與4WIS技術，具有直行、蟹行、前輪轉向、后輪轉向、繞任意點轉向、零半徑轉向等多種運動模式[4]，在車間物流車、科考車輛、農業特種車等方面得到了廣泛應用[5-7]。

傳統車輛的車輪通過機械機構連接在一起，各車輪之間運動關系是明確的，而對于具有高機動性的4WIS-4WID車輛，各車輪的運動是獨立控制的，各車輪的運動狀態都會影響車輛的運行狀態，因此構建適宜的車輛運動控制系統及控制策略是至關重要的。

本文首先對一種四輪獨立驅動和轉向電動車輛的結構與原理進行了分析，并對其電子操控系統進行設計，在此基礎上提出一種基于CAN（Controller Area Network）總線的車輛運動控制系統。對車輛幾種典型運動模式進行動力學與運動學建模，并對控制策略進行研究，最后通過試驗驗證控制系統結構及算法的有效性。本文的研究結論為相關4WIS-4WID車輛的運動控制提供參考。

1 4WIS-4WID電動車輛基本結構

所設計的4WIS-4WID電動車輛結構示意圖如圖1（a）所示。該電動車的驅動力由四個獨立的輪轂電機提供，四個車輪之間沒有任何機械動力傳動裝置。通過輪轂電機控制器可以自由分配各個驅動電機的轉矩，使車輛具有較好的防滑能力、加速性能及駕駛穩定性。轉向系統結構如圖1（b）所示，電機及電機減速器固定在車身上，轉向動力傳遞路徑為：電機→減速器→主銷套筒→上轉向臂→下轉向臂→主銷活塞，實現轉向，四個車輪均可單獨在[-π/2，π/2]內轉動。該結構利用上下轉向臂傳遞轉向轉矩，彈簧阻尼傳遞動載荷，具有結構緊湊、定位參數易確定等優點。各車輪的轉角由一定的控制策略與算法獨立控制。

4WIS-4WID車輛具有多種運動模式，為了方便操控車輛的運動，設計了如圖2所示的電子操控系統，車輛操控信號采集及處理控制器（ECU1）實時采集方向盤轉角、油門踏板開合角及運動模式選擇按鈕信號。測量方向盤轉角的轉角傳感器采用絕對式編碼器進行測量，ECU1對正交脈沖信號進行高速捕獲，并從中提取出轉角信號及方向信息。電子油門踏板的信號為模擬量，ECU1通過AD采樣將其轉換為數字量。運動模式通過控制器ECU1采集開關信號實現，根據需求共設置了七個選擇開關，分別對應全輪轉向模式、普通轉向模式（包括前輪轉向模式、后輪轉向模式）、平行移動模式（包括直走、橫走、斜走）、原地轉向模型。

ECU1將這些反映駕駛員駕駛意圖的信號通過CAN總線發送給主控制器ECU0，ECU0根據一定的控制策略與算法實時計算出各車輪的目標轉角值，并通過CAN總線將其分別發送給相應的轉向電機控制器ECU2-ECU5，對四個轉向電機進行閉環控制。同理控制器ECU0通過CAN總線控制四個輪轂電機的驅動力矩。實現車輛復雜的運動軌跡，提高車輛的機動性與穩定性。

2 控制系統結構

從4WIS-4WID車輛的結構可知，車輛操控的控制對象為四個轉向電機與四個輪轂電機?？刂葡到y對車輛行駛安全性及操縱靈敏性至關重要，要求其具有較高的可靠性、實時性和較強的抗干擾能力。CAN總線具有可靠性高、實時性強等優點而得到廣泛應用[8]，因此本文設計了一種基于CAN總線的網絡控制系統，其結構簡圖如圖3所示。方向盤及油門踏板信號采集及處理控制器的作用是采集方向盤的轉角信號、油門踏板夾角、轉向模式開關選擇信號，并將這些信號通過CAN總線發送給主控制器。主控制器為整個系統的決策層，它的主要功能是通過CAN總線接收相關傳感信息，根據一定的控制策略與算法實時計算出四個轉向電機的目標轉角（、、、）和四個驅動輪轂電機的目標轉矩（T1、T2、T3、T4），并通過CAN總線實時地將控制量發送給相應的轉向及驅動控制器。上位PC機通過CAN轉USB接口實現操控界面與主控制器之間的數據交換，實現關鍵數據的顯示及記錄，并通過界面自由操控車輛的動作。四個轉向電機控制器的功能是接收來自主控制器的目標轉角信號，并測量轉向電機的旋轉角度，進行閉環控制。同理四個輪轂電機控制器實現四個輪轂電機的閉環控制。各個控制器之間通過CAN總線進行連接，并自由擴展儀表顯示模塊、電池管理系統（Battery Management System，BMS）模塊等。整個網絡控制系統基于CAN總線構架，可靠性及實時性較高，擴展性及抗干擾能力強。

5 試驗研究

為了驗證所提出的控制策略的有效性，在所設計開發的4WIS-4WID試驗電動車輛上進行了試驗。利用如圖7所示的試驗車輛分別對上述幾種典型模式進行了試驗并記錄下數據，位置控制及速度控制均采用傳統的PID控制。圖8為試驗數據，圖中、、、分別為前左輪、前右輪、后左輪、后右輪轉向角的實測值，為控制系統輸入信號，由式（12）得出。

圖8（a）為在停車情況下車輛直走與橫走相互切換時（即或）各車輪轉向角的測量值，可以看出四個車輪的轉向角基本相等，具有較好的動態跟蹤特性。圖8（b）為平移模式下隨機轉動方向盤（值隨機變化）時車輪運動情況，可以看出四個車輪較好地跟蹤目標轉角。圖8（c）為平移模式下前兩輪轉角之差ef，可知兩輪轉角差在 ±4°以內，說明了平移模式下控制方法的有效性。圖8（d）為前輪轉向模式下的試驗數據，表明了前輪參考轉向角較好地跟蹤了，兩前輪轉向角1、2在轉向時不完全相等，與式（5）的計算結果基本吻合。圖8（e）為全輪轉向模式下各輪轉向角數據（車速設置為 20 km/h），實測各車輪轉向角與車速、轉彎半徑、參考轉向角等密切相關，與式（1）的計算結果相符，車輛較平穩地完成了四輪轉向運動。通過試驗驗證了所提出的控制策略與控制算法的有效性。

6 結論

（1）對所設計開發的4WIS-4WID電動車輛的結構和原理進行了介紹，該車輛運動靈活，具有前輪轉向、后輪轉向、四輪轉向、平移、原地轉向等多種運動模式。為了操控方便，對車倆電子操縱系統進行了設計，提出了一種基于CAN總線的車輛運動網絡控制系統結構。

（2）對4WIS-4WID車輛在不同運動模式下各車輪的轉向角及輪心線速度進行了運動學數學建模，為制定車輛運動控制策略提供了基礎。

（3）提出了分布式“位置—速度”雙環反饋控制策略，各車輪能同時對轉角進行單獨調節，在車輛的運動滿足運動學要求的基礎上具有較好的動態跟蹤性能。最后通過實車試驗驗證了控制系統及控制策略的有效性。

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