基于模型設計的4WIS-4WID車輛教學實驗平臺

來 鑫， 姜 淳， 金昌勇， 秦 超

(上海理工大學 機械工程學院，上海 200093)

0 引 言

分布式驅動電動車輛的主要特征是將驅動電動機分散布置在驅動輪內或附近，具有傳動鏈短、傳動效率高、結構緊湊等優點[1]，通過冗余可控自由度的協調控制來分配與優化驅動力與制動力，能極大地提高車輛能耗、主動安全性等性能，成為未來電動車輛重要的發展方向，受到國內外高度重視與關注[2-3]。四輪獨立驅動 (Four Wheel Independent Drive，4WID)電動車輛是典型的分布式驅動電動車輛，在4WID車輛上進一步引入四輪獨立轉向技術及線控轉向技術，形成了線控四輪獨立轉向-獨立驅動 (4WIS-4WID)車輛這一新型車輛架構，該車輛除了繼承分布式驅動電動車輛的優點外，可控自由度冗余度更大，車輛的機動性及可操縱性更高，可實現前輪轉向、后輪轉向、四輪轉向、任意點轉向、原地轉向、直行、斜行、蟹行等多種轉向模式，廣泛應用于工業、農業、軍事、宇宙探索等多個領域，具有廣闊的應用前景，成為車輛領域的研究熱點[4-17]。

4WIS-4WID車輛作為一種新型電動汽車結構，很多功能的實現都是由電子控制系統實現，涉及了機械工程、電工電子技術、嵌入式系統、控制理論及工程、車輛工程等多個學科的知識，是一個典型的多學科交叉系統。因此，開發一種具有線控轉向功能的4WIS-4WID電動車實驗平臺對研究4WIS-4WID車輛的控制策略與算法十分重要。同時該平臺對于車輛工程及機械電子工程本科生來說，是一個非常好的教學實驗平臺。利用該平臺可以開設多個實驗，讓學生了解前沿的電動汽車及先進的控制系統開發方法。本文從科研及教學兩方面的需求出發，設計一種線控4WIS-4WID車輛綜合教學實驗平臺。該平臺的控制系統設計采用了目前流行的基于模型設計的方法，非常方便科研及教學方案的實施。

1 4WIS-4WID車輛總體結構

本文所設計的4WIS-4WID電動實驗車輛的獨立轉向及獨立驅動的基本原理如圖1所示，其中四輪獨立轉向是通過安裝在每個車輪內的輪轂電動機實現，四輪獨立轉向實驗車采用柱式懸架線控四輪獨立轉向系統。電動機及電動機減速器固定在車身上，轉向動力傳遞鏈為：電機→減速器→主銷套筒→上起落架→下起落架→主銷活塞，實現轉向。車輪動載荷傳遞鏈為：車輪→主銷活塞→彈簧阻尼→主銷套筒→電機及電機減速器→車架。該方案其實是一種新式燭式懸架，利用起落架傳遞轉向扭矩，彈簧阻尼傳遞動載荷。與傳統燭式懸架相比，能夠有效地緩解主銷磨損。通過主銷上角度傳感器可以實時地采集車輪的當前轉向角度，并通過對電機的控制使車輪的轉向實時跟隨，使車輪轉向角達到理想狀態。

設計的4WIS-4WID車輛的控制系統結構及信號流如圖2所示。可以看出,該控制系統的核心為對8個電動機(4個轉向電動機及4個驅動電動機)進行協調控制。該控制系統由中央控制系統、驅動控制系統、轉向控制系統、駕駛員意圖判斷系統構成：轉向控制系統控制4個轉向電動機實現獨立轉向；駕駛員意圖判斷系統通過采集油門踏板開度、方向盤角度輸入、觸控屏信號輸入以及轉向模式輸入等信息，判斷駕駛員的意圖;驅動控制系統通過獨立控制4個輪轂電動機完成4個車輪的獨立驅動功能；中央控制器采用MotoHawk 控制器，該控制器具有豐富的接口與軟件資源，并與Matlab/Simulink實現無縫集成，自動實現仿真程序的編譯及代碼的自動生成，是目前一種主流的控制系統程序快速開發方法;駕駛員意圖判斷系統中的方向盤與轉向系統之間沒有機械連接，是一種線控轉向結構。四輪獨立轉向控制過程如下：中央控制器實時采集安裝在方向盤轉向軸的角位移傳感器信號與控制面板上的轉向模式的選擇信號，通過一定的控制策略算出4個獨立車輪的目標轉向角，進而實時控制4個車輪的轉向角，完成轉向進程。四輪獨立驅動控制的基本原理是控制器根據傳感器信號判定車輛的行駛狀態，同時考慮地面附著條件和驅動電動機的約束條件并計算出車輛所需總驅動力矩，然后優化分配各驅動輪上的驅動力矩。

1-輪胎,2-輪轂電動機,3-制動盤,4-柱式懸架支撐平臺,5-蝸輪蝸桿減速機,6-車輪轉角傳感器,7-轉向電動機,8-上滑柱,9-起落架上擺臂,10-減震器,11-彈簧,12-起落架下擺臂,13-制動鉗,14-下滑柱,15-副車架,16-副車架連接桿,17-車架,18-懸架支撐平臺加強筋

圖1 4WIS-4WID車輛的基本結構

圖2 4WIS-4WID車輛的控制系統結構及信號流

2 4WIS-4WID車輛的測控方案

設計的4WIS-4WID車輛實驗平臺的測控方案如圖3所示。中央控制器(MotoHawk)與觸控屏、輪轂電動機驅動器、數據采集系統(利用LabVIEW軟件編寫)、MotoTune模塊之間均采用 CAN 通信傳遞信號，可擴展性及穩定性好。MotoTune為MotoHawk的程序下載、數據在線監控及標定模塊。中央控制器通過I/O端口輸出8路脈沖信號，分別控制4個轉向電動機(采用的是伺服電動機)的轉向角及方向。4個車輪的轉向角通過4個轉角傳感器進行測量，中央控制器通過AD采樣端口采集轉角傳感器、電子油門踏板、控制面板的開關信號、方向盤角位移信號等。

圖3 4WIS-4WID實驗車輛的測控方案示意圖

3 基于模型設計的控制系統開發

基于模型設計(Model-based Design,MBD)方法是一種能實現Matlab/Simulink算法模型到嵌入式C代碼的一鍵自動生成的先進方法。該方法在整個開發過程中從仿真程序直接到應用程序，不需手寫代碼，不會出現程序語法錯誤，同時硬件驅動直接自動集成到模型中，只需設置少量參數便可完成寄存器配置等底層工作,極大提高了軟件的開發速度，降低軟件開發的難度，節省了開發費用。MBD方法在國外得到廣泛應用與認可，成為了汽車電子及控制系統開發的主流方法，目前在國內該方法主要在企業中得到了應用，高校(特別是對于本科生)很少涉及這種高效而先進方法的介紹。因此，把MBD方法引入到大學生的學習與研究體系之中是十分必要的。

本文采用的MBD方法是建立在Moto Hawk平臺上的。Moto Hawk是在Matlab/Simulink環境下安裝的一個功能模塊庫插件，該插件與Matlab無縫集成。Moto Hawk庫中包含了例如 Analog I/O Blocks(模擬信號輸入輸出)模塊、Build(編譯器)模塊、CAN Blocks(CAN 總線)模塊、Calibration & Probing Blocks(標定、顯示)模塊等模型。軟件開發采用Matlab/Simulink/Stateflow編寫具體的控制算法，然后進行仿真分析，確保算法的有效性，Moto Hawk編寫或配置與控制器硬件相關的功能(包括底層模塊以及相應的接口設置)，之后即可生成將仿真程序直接編譯成硬件平臺可識別與使用的應用程序，過程如圖4所示。Moto Tune是硬件平臺提供的一種用于程序下載控制、參數標定、數據顯示的軟件，可以在該軟件中進行參數的實時調試工作。控制器采用ECM-0565-128，該控制器具有2路高速CAN總線，1路CAN總線通過Kvaser CAN與Moto Tune相連，用于程序下載與數據監控，另外1路CAN總線通過CAN轉USB接口與上位PC機上相連，進行數據的顯示與記錄。

圖4 基于模型設計開發流程

4 數據采集系統設計

為了實時顯示及記錄實驗數據及其動態過程，需要設計數據采集與記錄系統。本實驗平臺采用LabVIEW編寫上位PC機界面，通過 USB-CAN數據卡實現PC機與CAN總線的連接，直接從CAN總線上讀取感興趣的數據。由于LabVIEW 軟件不支持此類USB-CAN數據卡設備，因此本文采用LabVIEW調用動態連接庫(DLL)的方式實現上下位機之間的數據交換。CAN/USB接口卡一般都提供了DLL庫文件，通過LabVIEW直接調用庫文件中的庫函數，在界面上實現CAN設備的打開、初始化(包括波特率、CAN通道、ID號的設置) 、數據標定、數據讀寫、設備關閉等操作，完成CAN總線上數據的讀寫。

所設計的數據采集及記錄系統如圖5所示。采用LabVIEW編寫的線控4WIS試驗樣車整車數據采集及顯示系統，該系統可以實現整車數據的實時顯示以及存儲功能。左面4個示波器分別顯示整車中央控制器發送的4個轉向輪目標轉角以及轉角傳感器檢測到實時轉角波形曲線，它們的實時值會在右邊顯示。同時本系統可以采集方向盤轉角、轉向模式、車速、標志位等信息并顯示。該系統另外一個重要的功能是將采集的試驗數據存儲到自定義文件名的Excel表格中，方便實驗后實驗數據的處理與分析。

圖5 4WIS-4WID實驗車輛數據采集系統

5 實驗研究

開發的實驗車輛如圖6所示。利用該實驗平臺即可對該車輛的動力學與運動學控制、運動軌跡規劃等方面的科學研究與教學實踐。該平臺具有4WIS-4WID車輛高智能、高機動性等方面的優點。控制系統的實現通過基于模型設計的方法，不必把大量時間花在繁瑣的代碼設計與調試上，而可以把主要精力放在控制程序的設計及仿真方面，大大提高了控制系統開發的效率。

圖6 4WIS-4WID實驗車輛

利用該實驗平臺可以開展多個實驗項目。圖7為測試所提出的某協調控制策略有效性的實驗數據，該實驗數據是通過數據采集系統得到。圖7(a)為前車輪轉向模型下各車輪轉向角的測量結果，程序設計時在1.3 s某個車輪轉向角突然變化某個角度(模擬外界干擾)。從4個車輪的響應曲線來看，當某個車輪受到外界干擾轉向角發生改變時，4個車輪的轉向角都會發生改變，證明了所提出的協調控制策略的有效性。圖7(b)為車輛平移狀態時的實驗曲線。以上實驗充分說明了所設計的4WIS-4WID實驗車輛的有效性及控制系統設計的便利性。

6 結 語

本文設計了一種4WIS-4WID電動車實驗平臺，介紹了該實驗平臺的結構原理、測控方案、控制系統及收據采集系統的設計，并通過實驗驗證了該實驗平臺的有效性。為了控制系統開發的便利性，該實驗平臺采取目前先進的基于模型設計的方法，大大提高程序開發的效率與便利性。本文所設計的實驗平臺為4WIS-4WID車輛的研究與多個實驗項目的教學與實踐提供了平臺，也為基于模型設計的控制系統開發方法在高校中的教學提供了實踐條件。

(a) 前輪轉向

(b) 平移狀態

圖7 4WIS-4WID車輛實驗結果

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