基于模糊控制對(duì)多輪獨(dú)立電驅(qū)動(dòng)車輛驅(qū)動(dòng)形式的研究

摘 要：多輪獨(dú)立電驅(qū)動(dòng)是一種新型技術(shù)，多輪獨(dú)立電驅(qū)動(dòng)裝甲車被認(rèn)為是未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)需求的核心戰(zhàn)斗裝備，因此對(duì)多輪獨(dú)立電驅(qū)動(dòng)技術(shù)的驅(qū)動(dòng)形式分別研究是一個(gè)值得深思的課題。本文主要通過(guò)模糊控制原理，比較8×8和8×4兩種驅(qū)動(dòng)形式各自適應(yīng)的工況，并通過(guò)車速和路面情況對(duì)車輛的安全性能和動(dòng)力性能進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：多輪獨(dú)立電驅(qū)動(dòng)；模糊控制；安全性能；動(dòng)力性能

中圖分類號(hào)：TJ810；TP273.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2018）12-0167-03

Study on the Drive Form of Multi-wheel Independent Electric Driven Vehicle

Based on Fuzzy Control

CUI Zhi1，WANG Tianqi2，F(xiàn)ANG Yuan1，DONG Zheng1

（1.Armorde Forces Academy of PLA Army，Beijing 100072，China；2.63853 Troops，Baicheng 137000，China）

Abstract：Multi-wheel independent electric drive is a new technology. Multi-wheel independent electric drive armored vehicles are considered to be the core combat equipment for future war needs. Therefore，the study of the drive form of multi-wheel independent electric drive technology is a subject worth pondering. This paper mainly compares the adaptive conditions of 8×8 and 8×4 drive form by fuzzy control principle，and analyzes the safety performance of the vehicle through the speed and road surface.

Keywords：multi-wheel independent electric drive；fuzzy control；safety performance；dynamic performance

0 引 言

多輪獨(dú)立電驅(qū)動(dòng)技術(shù)是一門先進(jìn)的技術(shù)，在全世界范圍內(nèi)，以美國(guó)為首的西方國(guó)家在電力驅(qū)動(dòng)研究方面取得了巨大的進(jìn)展，已研制了多種原理樣車，并有部分已在戰(zhàn)爭(zhēng)中投入使用。多輪獨(dú)立電驅(qū)動(dòng)裝甲車輛與傳統(tǒng)裝甲車輛相比，具有以下優(yōu)勢(shì)[1-4]：（1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，空間靈活，主要采用導(dǎo)線連接各零部件；（2）采用電機(jī)制動(dòng)，各車輛之間獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，車輛更靈活；（3）在戰(zhàn)場(chǎng)中，可以使用靜音行駛，減少紅外特征，有利于在戰(zhàn)爭(zhēng)中隱蔽自己；（4）可以為裝甲車輛上的武器、護(hù)甲等提供電能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)車輛全電化。

隨著永磁電機(jī)技術(shù)在20世紀(jì)80年代的發(fā)展，外軍爭(zhēng)先恐后地計(jì)劃研制利用電驅(qū)動(dòng)技術(shù)和輪轂安裝電動(dòng)機(jī)的輪式戰(zhàn)車。美國(guó)作為世界頭號(hào)軍事強(qiáng)國(guó)，在裝甲車輛電傳動(dòng)領(lǐng)域的研究一直走在世界前列。2001年，美國(guó)通用動(dòng)力公司發(fā)布了第一個(gè)先進(jìn)混合電力驅(qū)動(dòng)8×8演示車（AHED）；2002年，美國(guó)防務(wù)公司推出了未來(lái)戰(zhàn)斗系統(tǒng)輪式車輛（FCS-W）和履帶式車輛（FCS）。2003年，美國(guó)海軍研制出了第一輛混合電傳動(dòng)4×4演示樣車（RST-V）；2008年，洛克希德·馬丁公司制造出了輕型戰(zhàn)術(shù)樣車（JLTV），逐步取代原有的悍馬車輛；2012年初，美國(guó)陸軍推出太陽(yáng)能混合動(dòng)力“漢姆威”車（Alpha）和高效燃油地面演示車（FED）。

相比外國(guó)軍事力量的成就和經(jīng)驗(yàn)，國(guó)內(nèi)的電驅(qū)動(dòng)研究在這一領(lǐng)域仍處于起步階段，主要應(yīng)用于民用車輛。而在軍事領(lǐng)域方面，關(guān)于電驅(qū)動(dòng)的整體研究暫時(shí)沒(méi)有取得顯著成績(jī)，因此關(guān)于電驅(qū)動(dòng)的研究仍然是一個(gè)至關(guān)重要的課題。

1 某型裝甲車輛模型的建立

動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件ADAMS[5]是一款使用范圍廣、體系成熟的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真分析平臺(tái)，特別是關(guān)于輪式車輛的建模，ADAMS軟件具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，具體表現(xiàn)為：（1）它包含多種輪胎模型，對(duì)輪胎模型的選擇相對(duì)方便；（2）它含有汽車分析模塊，便于建立各種各樣的車輛懸架模型；（3）通過(guò)汽車專用模塊，可以對(duì)車輛操縱穩(wěn)定性及平順性進(jìn)行較專業(yè)的仿真，以此來(lái)檢驗(yàn)該模型建立的準(zhǔn)確性；（4）新版本的ADAMS軟件和三維建模軟件、其他動(dòng)力學(xué)建模軟件以及MATLAB等控制軟件的接口技術(shù)良好，方便完成軟件之間的模型和數(shù)據(jù)的交換。

綜上，本文選擇在ADAMS/View環(huán)境下，根據(jù)制造商提供的車輛參數(shù)，建立車輛動(dòng)態(tài)模型。

1.1 車輛模型

車輛建模的前提是車身模型的建立，車身是骨架，其他部分：懸架、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)以及輪胎等與車體相連。車體模型的三維實(shí)體建模之前，先將整車的全局坐標(biāo)系統(tǒng)定義好以規(guī)定車輛的朝向和重力方向等，在Solidworks中建立剛體模型時(shí)，根據(jù)廠家提供的參數(shù)，導(dǎo)入到ADAMS/View中，如圖1所示。

全局坐標(biāo)系的定義是：X軸是徑向方向，車輛朝向是正面；Y軸是側(cè)向方向；Z軸是垂直方向。都遵循右手法則，其中，將Z軸的負(fù)方向定義為重力加速度方向。

1.2 模型的仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證建立的車輛模型的準(zhǔn)確性，本節(jié)將采用靜平衡位置放置仿真對(duì)所建動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行分析驗(yàn)證，為下面的聯(lián)合仿真試驗(yàn)奠定基礎(chǔ)。

車輛模型在進(jìn)行靜平衡位置仿真時(shí)，系統(tǒng)將整車的動(dòng)力約束自動(dòng)置零，讓車輛模型從規(guī)定的高度上自由落到路面上，通過(guò)測(cè)試車輛質(zhì)心在垂直方向上的移動(dòng)，驗(yàn)證模型參數(shù)尤其是懸架參數(shù)的合理性。如果懸架中的彈簧彈性系數(shù)和阻尼器的阻尼系數(shù)設(shè)置過(guò)大，也就是說(shuō)懸架和阻尼器的剛度過(guò)高，就會(huì)導(dǎo)致車輛持續(xù)性震蕩，相反，如果兩者的參數(shù)設(shè)置過(guò)低，減震效果就不明顯。如果模型參數(shù)準(zhǔn)確合理，車輛會(huì)很快進(jìn)入平衡狀態(tài)。靜平衡位置仿真結(jié)果如圖2所示。

仿真結(jié)果表明，車輛與路面接觸后，由于輪胎、減震器和彈簧的彈性作用，車輛會(huì)產(chǎn)生垂直振動(dòng)，由于彈簧和減震器中阻尼器參數(shù)是合理的，因此這種振動(dòng)會(huì)逐漸衰減，在大約3s的時(shí)候，振幅衰減到零，車輛進(jìn)入平衡狀態(tài)。仿真結(jié)果表明，該車輛模型參數(shù)的設(shè)置是準(zhǔn)確合理的。

2 模糊控制介紹

對(duì)于模糊控制器來(lái)說(shuō)，模糊控制規(guī)則和隸屬函數(shù)的正確選擇是其關(guān)鍵。模糊控制是一種在較高層次上對(duì)人腦思維進(jìn)行模擬的方式，基本是利用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)人腦的控制試驗(yàn)，在20世紀(jì)80年代末90年代初取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，其主要有以下優(yōu)點(diǎn)[6]：（1）模糊控制是基于規(guī)則的控制，它可以利用專家、技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)，以語(yǔ)言的形式制定規(guī)則，通俗易懂，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，應(yīng)用方便，不依賴于被控對(duì)象，不必將更多的時(shí)間精力放在對(duì)被控對(duì)象的數(shù)學(xué)建模上；（2）由于模糊控制有基于人工經(jīng)驗(yàn)和語(yǔ)言型控制規(guī)則的特點(diǎn)，所以能夠更好地模擬人為控制過(guò)程，具有一定的智能水平，使控制系統(tǒng)適應(yīng)性更強(qiáng)；（3）模糊控制魯棒性強(qiáng)，針對(duì)非線性、時(shí)變、慣性較大的系統(tǒng)，或者干擾、參數(shù)的變化對(duì)控制系統(tǒng)影響較大的情況，模糊控制都可以起到非常好的控制效果，減小以上因素對(duì)系統(tǒng)的影響；（4）從工業(yè)的角度看，相比于數(shù)學(xué)模型難以建立、動(dòng)態(tài)特性難以掌握、復(fù)雜多變的系統(tǒng)而言，模糊控制通俗易懂、容易搭建的語(yǔ)言型控制規(guī)則更易讓人接受。

3 模糊控制設(shè)計(jì)

本文主要對(duì)8×8和8×4兩種驅(qū)動(dòng)形式進(jìn)行比較，輸入路面附著系數(shù)與滾動(dòng)阻力系數(shù)，設(shè)計(jì)模糊控制器，輸出為8×4和8×8的隸屬度函數(shù)。

4 結(jié) 論

通過(guò)上述曲面觀測(cè)窗可以看出，當(dāng)滾動(dòng)阻力系數(shù)越小，路面附著系數(shù)越大時(shí)，8×4驅(qū)動(dòng)形式的隸屬度越大，雖說(shuō)在該種情況下8×8與8×4兩種驅(qū)動(dòng)形式都可以選擇，但是考慮到驅(qū)動(dòng)電機(jī)越多越復(fù)雜的情況，應(yīng)優(yōu)先選擇8×4驅(qū)動(dòng)形式。當(dāng)滾動(dòng)阻力系數(shù)越大，路面附著系數(shù)越小時(shí)，由圖6（a）可以看出8×4驅(qū)動(dòng)形式的隸屬度很小，而從圖6（b）可以看出，8×8的隸屬度很大，因此在該種情況下，選擇8×8驅(qū)動(dòng)形式。

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作者簡(jiǎn)介：崔智（1994-），男，漢族，遼寧營(yíng)口人，碩士研究生。主要研究方向：電力系統(tǒng)自動(dòng)化。