非道路動力底盤線控四輪獨立轉向控制系統研究

趙建柱，陳宏偉，孫 佳，孫鳳濤，王德成

(中國農業大學 工學院，北京 100083)

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非道路動力底盤線控四輪獨立轉向控制系統研究

趙建柱，陳宏偉，孫 佳，孫鳳濤，王德成

(中國農業大學 工學院，北京 100083)

我國苜蓿主要生產區為甘肅、寧夏等路況復雜的山地丘陵地帶，用于苜蓿收獲的非道路動力底盤的行駛靈活性將直接影響其作業性能。為改善其低速工況下的行駛靈活性，基于車輛三自由度動力學模型提出了非道路動力底盤以跟隨已知路線前進為目標的多種工況下的分層控制策略，搭建了四輪轉向硬件在環實驗平臺，并進行了仿真實驗。實驗結果表明：動力底盤模型能夠實現軌跡跟隨、原地轉向及斜向行駛，質心位置最大偏差為0.641 8m，中心線方向最大偏差為3.309 6rad。開發的控制系統取得較好的半實物仿真效果，為改善非道路動力底盤低速情況下轉向靈活性提供了理論基礎。

非道路；四輪獨立轉向；控制策略；硬件在環

0 引言

隨著我國西部大開發政策的實施及農業產業結構的調整，西北部較為偏遠的山區牧草種植面積不斷擴大。由于可用作耕地的土地資源非常緊張，很大程度上苜蓿種植于道路狹窄的零散小地塊的丘陵和山地，苜蓿收獲機械的靈活性直接影響自身和其它作業工具的作業效率和安全，因此針對復雜工況下的轉向控制變得尤為重要。四輪轉向與傳統的前輪轉向相比，提高了車輛的靈活性與操縱穩定性[1-2]。

目前，國內外針對四輪轉向方面的控制目標可分為單目標和多目標兩種。單目標控制常見的被控量為質心側偏角或橫擺角速度等；多目標控制方法常見的被控量為橫擺角速度和側向速度、橫擺角速度和側向加速度、橫擺角速度和質心側偏角等，都是基于參考模型的控制[3-4]。與此同時，四輪獨立轉向實驗研究大部分停留在計算機仿真階段。實際情況下，車輛具體執行機構的特性和外界干擾等非線性因素往往會對實驗結果產生影響，但在計算機模擬仿真中沒有加入這些因素，得到的控制參數及仿真結果會有偏差，增大了仿真誤差。除此之外，童欽[5]等進行了實車實驗，實車路試又存在價格昂貴及控制器調試效率很低等問題。半實物仿真可以有效地折中解決上述問題，以實時處理器運行仿真模型來模擬受控對象的運行狀態，不忽略外界干擾因素的同時大幅降低了實驗成本。蔡英武[76]、陳南[7]、劉軍[8]、廖凌霄[9]等進行了硬件在環實驗，所搭建的半實物仿真平臺結構各異，且控制策略與實驗的評價指標也多針對于車輛高速下的操縱穩定性，而低速下的機動靈活性卻涉及不多。

本文基于Ackermann-Jeantand模型提出了包括軌跡跟隨、原地零半徑轉向、斜向行駛3種工況下的分層控制策略[10]，搭建了非道路動力底盤線控四輪獨立轉向硬件在環實驗平臺，對四輪獨立轉向控制系統進行測試。

1 數學模型

基于Ackermann-Jeantand轉向原理，建立三自由度非道路動力底盤的運動模型，如圖1所示。

圖1 三自由度車輛運動模型

根據圖1可得

式中 r—旋轉中心與前后軸中心連線的距離；

L1—前軸與旋轉中心的縱向距離；

L2—后軸與旋轉中心的縱向距離；

δf—前軸轉角；

δr—后軸轉角。

L=rtan|δf|+rtan|δr|

根據圖1所示的角度關系，可得[12]

其中，δa、δb、δc、δd(i=a,b,c,d)為角度計算中間量，分別用于記錄與車輪轉角相等的4個特定角度，不同工況下得到前后軸轉角即可實現模型的進一步求解。

2 分層控制策略

裝備四輪獨立轉向系統的底盤，每個車輪都可以單獨進行控制，按照各自特定的角度轉向而互不干涉。研究目標為控制具有線控四輪獨立轉向系統的非道路動力底盤沿著已知的路徑行駛，并使底盤同時具備四輪獨立轉向系統的其他功能。針對這些目標，所設計的控制系統框架如圖2所示。

圖2 四輪獨立轉向控制系統框架

四輪獨立轉向系統總共包括3層，分別為輸入層、控制層和執行層。其中，輸入層包括目標路徑輸入、底盤狀態輸入及駕駛員輸入。目標路徑為底盤需要沿著行駛的目標軌跡，由上層控制機構提供，控制中視為已知；傳感器可觀測底盤當前狀態，并將其輸入至控制層；駕駛員通過切換模式，用于實現控制層軌跡跟隨策略、原地轉向策略和斜向行駛策略的切換。控制層根據輸入的目標路徑和底盤狀態的反饋，通過四輪獨立轉向控制策略，求解4個車輪轉角，以保證底盤按照目標路徑行駛。執行層通過4個電機及其控制器實現控制層求得的4個車輪轉角，使得底盤按照預定目標轉向。

根據上文建立的分層控制策略，結合數學模型對不同工況下的四輪獨立轉向提出具體控制層策略，結構如圖3所示。

(a) 軌跡跟隨控制策略結構圖

(b) 斜向行駛控制策略結構

(c) 原地轉向控制策略結構圖

軌跡跟隨控制策略首先根據底盤當前行駛狀態反饋，通過底盤質心位置參數估計算法和底盤中心指向估計算法估算出車輛當前質心位置和當前中心線方向；然后根據目標軌跡點的坐標或曲線方程求得底盤目標質心位置和目標中心線指向，并將當前質心位置和當前中心線方向分別與目標質心位置和目標中心線方向對比，得到底盤位置偏差和方向偏差；最后利用PID控制算法分別求解出保證位置偏差和方向偏差均為零時的前后軸目標轉角，通過Ackermann-Jeantand定理計算得出每一車輪各自的需求轉角，對底盤的行駛軌跡進行修正。

在斜向行駛模式中，具體控制策略與軌跡跟隨大體相同，用PID控制算法分別求解出保證位置偏差和方向偏差均為零時的前后軸目標轉角，不同之處在于使4個車輪以相同需求轉角轉向，保證底盤沿著目標路徑斜向行駛。

原地轉向控制策略通過控制4個輪的轉角使之與車身尺寸等參數之間符合一定的關系，并施加適當的車輪轉矩，使底盤達到原地零半徑轉向目的。

3 硬件在環實驗

在四輪獨立轉向系統中，4個車輪在各自電機帶動下獨立旋轉，因此一個完整的實驗臺應有4個角度執行機構。為了提高效率、節約成本，搭建僅有單個轉角執行機構的硬件在環實驗臺，針對控制策略進行驗證。

3.1 實驗臺方案

線控四輪獨立轉向硬件在環仿真實驗平臺包括阻力部分、傳動部分、動力與測量部分、控制與檢測部分和基座及固定件部分，如圖4所示。

1.阻力部分 2.傳動部分 3.動力與測量部分 4.驅動器

計算機通過串口卡與電機驅動器進行數據交換，控制電機的轉動。車輪轉向驅動機構為直流電機，提供轉向過程中所需求的動力；電機不處于中間位置時產生的阻力矩用于模擬實際車輪轉動過程中所需要克服的阻力；在直流電機的驅動下，執行機構克服外部阻力轉動，從而模擬轉向過程中車輪的轉動。

硬件在環實驗過程中，控制器通過既定的控制策略，根據輸入的模式命令、行駛路徑信息及底盤狀態反饋計算出4個車輪的目標轉角，然后控制線控四輪獨立轉向實驗平臺上的直流電機和角度執行機構實現目標轉角。

3.2 硬件在環實驗結果分析

實際車輛中，4個車輪執行各自的轉角命令，實現車輛的轉向。實驗中受實驗臺執行器個數限制，軌跡跟隨模式下進行半車實驗，在原地轉向和斜向行駛模式下進行全車實驗。

為了測試控制器對于復雜無規則軌跡跟隨的可靠性，進行了連續復雜曲線的軌跡跟隨實驗，前軸結果如圖5所示。為了驗證車輪角度命令不斷變化對側向行駛控制策略的影響，進行了復雜曲線工況實驗，設其曲線函數為Y=-cosX+1，該工況下車輛以1m/s的速度勻速行駛，車輪轉角隨時間不斷變化，實驗結果如圖6所示。原地轉向實驗中，首先將4個車輪旋轉到指定角度并靜止2s，然后開始執行原地轉向，轉向過程中各車輪均加載50N·m轉矩，實驗結果如圖7所示。

(a) 車輛軌跡與目標軌跡對比結果

(b) 質心位置與目標軌跡位置偏差

(c) 車身方向與目標軌跡方向偏差

(a) 車輛實際軌跡與目標路徑對比結果

(b) 質心位置與目標路徑偏差

由圖5(a)可以看出：在連續復雜曲線工況下底盤實際行駛軌跡與目標軌跡重合度較高，表明底盤在低速狀況下基本能夠沿著目標軌跡前進；由圖5(b)可以看出：復雜曲線工況下，實際控制過程中的質心位置與目標質心位置最大偏差為0.450 8m，偏差始終較小；車身實際中心線方向與目標中心線方向最大偏差3.035 4rad，偏差始終較小。實驗結束階段方向偏差的波動是由于該階段轉向半徑小，車身要在較小范圍內轉過很大角度，導致方向偏差增大，控制器頻繁對方向偏差進行調整，使得方向偏差出現波動。

由圖6(a)可以看出：底盤的實際行駛軌跡與目標路徑幾乎重合，斜向行駛控制策略保證了底盤在較低速下以斜向的方式沿著目標路徑行駛。由圖6(b)可知：控制過程中的底盤實際質心位置與目標路徑的最大偏差為初始階段的0.429 5m，隨后偏差在波動中始終保持在此范圍內。

由圖7可以看出：前2s車輛處于靜止狀態，車身橫擺角速度保持為0，施加車輪轉矩后，車身均加速旋轉，底盤橫擺角速度近似直線；底盤始終保持穩定的狀態原地轉向，大大降低轉彎半徑，此工況凸顯其低速下的機動靈活性。

(a) 原地轉向過程

(b) 原地轉向橫擺角速度仿真結果

4 結論

1)提出的包括軌跡跟隨控制策略、原地轉向控制策略及斜向行駛控制策略的四輪獨立轉向控制策略控制效果良好，切實可行。

2)搭建的四輪獨立轉向硬件在環實驗臺折中解決了“計算機仿真過程中外界干擾因素考慮不足和實車路試成本高、控制器調試效率低”的矛盾，硬件在環實驗過程順利，且很好地驗證了提出的控制策略。

3)硬件在環實驗模擬行駛過程中質心位置最大偏差為0.641 8m，中心線方向最大偏差為3.309 6rad，偏差值控制在較小的范圍內。結果證明：提出的控制策略有效地改善了非道路動力底盤于復雜工況下低速狀態的機動靈活性，達到了預期目的。

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Off-road Power Chassis Control System Study Based on 4-wheel Independent Steering

Zhao Jianzhu,Chen Hongwei,Sun Jia,Sun Fengtao,Wang Decheng

(College of Engineering， China Agricultural University, Beijing 100083, China)

The main alfalfa production area in China is the hilly areas in Gansu and Ningxia provinces. The steering flexibility performance of the off-road power chassis will affect its comprehensive working performance directly. To improve its low-spreed steering flexibility performance, this paper proposes a kind of control strategy, which is applicable to a variety of working conditions, with following the known route based on three degrees of freedom dynamics model,establishes the hardware in the loop experiment platform, and the simulation test is also carried out.The test results show that the chassis simulation model could achieve trajectory following, in-situ steering and oblique driving, and the maximum deviation of centric position is 0.6418m, the maximum deviation of direction of center lines is 3.3096rad. The development of the control system achieves good effect, which provides a theoretical basis for improving steering flexibility of the off-road power chassis at low speed.

off-road； 4-wheel independent steering； control strategy； hardware-in-the-loop

2016-05-20

公益性行業(農業)科研專項(201203024)

趙建柱( 1963- )，男，山東青島人，副教授，碩士生導師，(E-mail)zhjzh@cau.edu.cn。

王德成(1965-)，男，吉林吉林人，教授，博士生導師，(E-mail)wdc@cau.edu.cn。

S219.032.3

A

1003-188X(2017)07-0158-06