一種面向4WID-4WIS載人月球車的控制系統

邵斌澄 1，繆天緣 1，周永輝 2，李會軍 1，宋愛國

(1.東南大學儀器科學與工程學院，南京 210096；2.北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

1 引言

載人登月始終是載人航天的主要目標之一，2019年美國NASA部署了阿爾忒彌斯登月任務，明確要在2024年之前實現登月，俄羅斯、日本與歐洲多國陸續加強了載人登月的研究。中國載人探月工程初步規劃為首次登月、月球站建設和月球站運營三大階段，載人月球車作為任務的核心構成，承擔著航天員高速轉移、物資運輸、應急救援等重要任務，研究月球車的人機交互操作方式及動力控制模式尤其重要。

載人月球車本質上隸屬于大型特種電動車，針對電驅動車輛的控制模式及相關算法，國內外學者均進行了大量研究。劉成強等選擇轉速、電流雙閉環作為控制策略，對電機驅動系統進行了動態模擬仿真，設計的電機控制系統具備良好的轉速響應特性，可以滿足不同工況條件下的輸出特性需求；Yin等根據兩輪垂直載荷的不同，將扭矩分配給車后驅兩輪并通過模糊PID控制使得車輛的啟動滑移率變小，提高了運動效率；Ren等提出了一種基于PID控制的電子差速系統控制算法，顯著提高了車輛的加速性能。以上研究都只涉及兩輪驅動的控制，未考慮多輪協同工作的問題，而多電機獨立驅動因其結構的特殊性和復雜性，已成為限制四輪獨立驅動(Four-Wheel-Independent-Drive，4WID)電動汽車發展的瓶頸之一。若多機協調控制不當，會出現行進輪間相互拖拽的現象，不僅增加功耗，而且可能會破壞運行穩定性，導致事故發生。因此，多電機協調控制的好壞將直接影響車輛的可靠性、安全性和經濟性。針對4WID系統中多電機協調運行問題，Zhang等提出了一種自適應滑模容錯協調控制(Adaptive Sliding Mode Fault Tolerant Coordinated Control，ASM-FTC)以提高系統的穩定性，在有電機故障的工況下依舊能完成任務；Li等開發了一種自適應容錯跟蹤控制方案，能夠補償車輛不確定的動力學干擾，有效地應對驅動意外故障的情況；Zhang等為了提高電動汽車的橫擺穩定性，建立了分級控制結構，上層為運動跟蹤層，下層為轉矩分配層，并基于dSPACE系統設計了原型試驗臺，采用最優轉矩分配控制策略能有效地提高輪式電機驅動電動汽車的穩定性。上述四輪獨立車輛分層控制方案雖然能同時保證車輛的穩定性和操縱性，但控制方案復雜，涉及的工作量分配比較耗時。Zhang等等提出了一種直接獨立控制4個車輪的方法，不涉及復雜的層次結構，并通過直線和轉向操縱驗證方法的有效性，但不適用于有車輪打滑的情況；Wang等基于機械式的轉向提出了一種差速驅動輔助轉向(Differential Drive Assisted Steering，DDAS)系統，通過兩側車輪之間的扭矩差來提高轉向的輕便性，可替代傳統助力轉向執行器。

綜上，需設計一種能保證行進輪和轉向輪協同工作、可應對車輪陷坑打滑等復雜工況、符合人因工程學、簡便有效且完整的控制系統，以提升載人月球車的機動性、穩定性。本文提出了一種面向四輪獨立驅動、獨立轉向的電動載人月球車控制系統，為應對復雜的路面環境，設計了四輪力矩分配策略、電子差速鎖策略，建立了車輛轉向運動學模型，提出了滿足四輪及前驅兩輪阿克曼關系的橫向控制算法，并完成了相關的地面控制試驗。

2 系統構成

載人月球車控制系統共分為4個模塊:電源系統、電力驅動系統、感知系統和整車動力控制系統，總體的構成如圖1所示。

圖1 載人月球車控制系統框圖Fig.1 Block diagram of control system for manned lunar rover

電源系統為其他模塊供電，由動力鋰電池、降壓模塊及逆變器構成，為實時檢測電池狀態，保證供電安全，設置了電量、溫度監控裝置；電力驅動系統由電機、編碼器、驅動控制器及驅動力傳動裝置組成，是載人月球車的運動執行系統；感知系統主要為視覺傳感器，包括長焦遠景攝像頭及4個廣角攝像頭，為駕駛員提供較遠的車前視野及廣闊的四周畫面；整車動力控制系統包括整車控制器PC、EtherCAT通信網絡、以太網網絡、羅技G29方向盤、車載控制臺儀表開關及其信號采集單片機裝置等，此系統接收其他系統的信號，通過顯控ADS軟件直接展示給駕駛員，駕駛員通過方向盤及觸摸屏進行交互操作，控制指令經EtherCAT通信網絡傳輸至電力驅動模塊，從而達到車輛控制目的。

3 電力驅動系統及通信網絡

由于所有行進電機具有獨立驅動、能夠快速實現轉矩響應且轉矩易于測量等諸多特點，所以四輪電驅車相比于傳統驅動形式的汽車具有更高的控制靈活性。同時，分布式驅動結構不僅能降低對機械傳動零部件的要求，而且降低了電機驅動系統的母線電壓，從而提高了整車電氣安全性。此外，電機分布式布置使得車輛底盤空間布置更靈活，有利于提高車輛的被動安全性。

本文選取交流三相伺服電機作為執行器，相比于直流電機，具有效率高、體積小、易維護、堅實可靠、使用周期長等優勢。具體電機性能如表1所示。

表1 電機性能表Table 1 Motor parameter table

車輛控制系統中，通信網絡的優劣決定了信號及數據傳輸的實時性及穩定性。EtherCAT是一種開放的實時以太網通信協議，具有傳輸速率快、數據量大、實時性好等特點，能滿足大規模控制裝置的控制需求。與傳統的線場總線相比，EtherCAT網絡可以掛載最多65 535個設備，單次傳輸字節數可達1498個，性能遠高于傳統總線方式。CANopen協議是一種基于CAN通信系統的通信協議，常用于運動控制網絡。通過將CoE(Canopen over Ethercat)嵌入到EtherCAT中，可兼容支持CANopen協議的驅動設備。本文基于工業以太網EtherCAT總線進行布局，具體如圖2所示。

圖2 EtherCAT通信網絡設計圖Fig.2 EtherCAT communication network design

使用Elmo伺服驅動，4組行進驅動器與4組轉向驅動器處于不同網段，通過功能區分，互不干擾，通過專用EtherCAT交換機與主站工控機相連接，8組驅動器作為從站。同時每個網段內的4臺驅動器直接通過網線串聯，實現多驅動器的數據收發。主站工控機向從站驅動器發送控制指令，設定使能、電流、速度和位置信號，同時從站驅動器將各參數的實測值上傳回主站。

4 整車動力控制系統

整車動力控制系統以控制PC內的車輛先進設計系統(Advanced Design System，ADS)控制軟件為核心，以EtherCAT和傳統以太網2個通信網絡為紐帶，以車載控制臺儀表開關、方向盤和觸控屏為人機輸入，以驅動器及電機為控制對象，以PID、扭矩分配策略及阿克曼轉向方法為控制算法，實時控制輸出的結果及傳感器圖像信息均在人機交互顯示軟件界面上顯示。

4.1 車輛ADS控制軟件設計

車輛ADS控制軟件為控制系統的核心，集成了控制算法、指令封裝、界面顯示、用戶調試等功能，具體如下:

1)控制指令封裝功能。將行進與轉向電機的控制指令封裝成模塊，例如行進電流輸入模塊、轉向速度輸入模塊等，便于算法進行調用。

2)車體運動信息顯示功能。實時從驅動器讀取所有電機的使能信息，各行進輪的轉速值、電流值，各轉向輪的角度值、電流值等，通過換算，在軟件界面儀表盤上顯示。

3)方向盤數據輸入及顯示功能。實時顯示速度設置值、實時的方向盤轉向角度、加減速觸發狀態、停止觸發狀態、行進與轉向模式切換信息等。

4)視覺圖像顯示功能。顯示車頂部大巴攝像頭實時圖像與車前、后、左、右4個廣角攝像頭的實時圖像，通過實時流傳輸協議(Real Time Streaming Protocol，RTSP)傳輸。軟件通過訪問車載的RTSP視屏盒獲取流數據。

5)用戶調試功能。遇到特殊情況時，駕駛員啟用此功能，可單獨對4個行進電機進行使能操作、監控實時速度、實時電流，可直接控制電流使電機轉動。也可對4個轉向電機進行使能操作、監控實時角度，可直接使用點動模式使電機轉動。并且實時記錄整車運動速度、各輪轉角數據，保存至本地文件中。

車輛ADS控制軟件的工作流程如圖3所示。

圖3 車輛ADS控制軟件工作流程圖Fig.3 Work flow chart of vehicle ADS control software

當駕駛員打開整車控制PC后，車輛ADS控制軟件將會自啟動并進行軟件的功能自檢，包括串口通信、內存共享、RTSP視頻流功能是否正常，如果檢測項測試都正常，則顯示主界面，否則對話框提示未通過項，并關閉軟件。這樣可以保證軟件的可執行性與穩定性，便于駕駛員執行后續的監測控制任務。當需要進行車輛運動操作時，需先激活方向盤的控制，開啟電機使能后，通過方向盤的撥鈕設置車速，通過按鈕實現擋位及控制模式的切換，包括前進與后退擋位切換和前橋轉向與四輪轉向模式的切換，以便于駕駛員機動靈活地進行控制，或者在特殊故障情況下完成操作任務。當完成任務后，駕駛員需斷開電機使能，關閉軟件。

4.2 控制算法設計

載人月球車的控制主要分為縱向運動控制與橫向轉向控制。

4.2.1 車輛縱向控制算法設計

縱向運動采用基于PD的整車轉速控制與車輪力矩分配策略，利用四輪驅動力矩獨立可控的優勢，采用基于車輪打滑情況的扭矩分配規則來實現協調分配。控制算法框圖如圖4所示。

圖4 車輛縱向控制算法框圖Fig.4 Block diagram of vehicle longitudinal control algorithm

整車所需要的扭矩

T

如公式(1)和(2)所示:

其中，

K

及

K

為PID調節的系數，

K

為反電動勢系數，

V

為駕駛員用方向盤設置的整車目標速度，

V

為整車實際行進速度，由行進驅動器組實時反饋，Δ

V

為速度誤差，

V

為前一時刻的速度誤差，

V

為前一時刻的目標速度，

M

為整車質量，取值為3500 kg，

T

為克服動摩擦需要的扭矩，其公式如(3)所示:

其中，

μ

為動摩擦系數，取0.003，

g

為重力加速度，因在地球表面進行試驗，取9.8 m/s。

T

～

T

分別為分配給左前輪、右前輪、左后輪與右后輪的扭矩，具體計算如公式(4)、(5)所示:

其中，

N

為不打滑車輪的數量。為判斷車輪是否打滑，結合本文月球車的具體情況，設定了一個速度閾值

V

=1 km/h，若某時刻車輪的轉速與四輪中最小轉速差值的絕對值超過

V

，便認定此車輪打滑，打滑輪不參與此時刻力矩的分配，只提供小電流輸入，維持其轉動，實現了電子差速鎖的功能，保證扭矩分配的合理性

4.2.2 車輛橫向控制算法設計

橫向運動采用基于阿克曼轉向模型的控制策略，該原理是在假定汽車前輪定位角為0，汽車行駛系統為剛性，汽車行駛中無側向力的情況下，四輪繞同一圓心作純滾動運動。

在車輪最大轉角一定的情況下，為減小車輛轉彎半徑，采用四輪轉向必定優于前驅兩輪轉向。考慮到特種車輛面向的工況較為復雜，本文默認使用四輪轉向控制模式，當有意外情況，如后輪轉向失效時，駕駛員可以在線手動切換成前驅兩輪轉向模式。

車輛橫向控制算法如圖5所示。

圖5 車輛橫向控制算法框圖Fig.5 Block diagram of vehicle lateral control algorithm

在滿足阿卡曼轉向關系的前提下，每一個方向盤轉角

θ

都可映射到4個車輪的目標轉角

θ

～

θ

，對每個車輪進行位置環的PID控制，將參考速度值寫入EtherCAT驅動器，交流伺服電機工作在速度環，通過轉向機構轉化為4個車輪的轉角，實現橫向協同控制。前驅兩輪轉向的模型如圖6所示。

圖6 前驅兩輪轉向模型示意圖Fig.6 Schematic diagram of front axle two wheel steering model

以整車左轉向為例，

O

為整車轉向圓心，

C

為整車質心，

L

為車輛前軸至車質量中心的軸距，

L

為車輛后軸至車質量中心的軸距，

D

為后軸軸距的1

/

2，

θ

為車輛轉向角，

R

為質心轉彎半徑，

R

、

R

為轉向中心到左、右前輪距離，

R

、

R

為轉向中心到兩后輪的距離，

R

為轉向中心到車質量中心的垂直距離，

τ

為整車寬長比，取1.0338。其中

L

、

L

、

D

和

τ

都為車輛基本參數。

θ

、

θ

是前橋兩輪轉角，右轉時定義為正，

θ

跟隨方向盤的轉角數據

θ

，

θ

根據阿克曼轉向關系計算得出。根據幾何關系，由公式(6)～(11)可計算出

θ

的大小。

根據速度瞬心特性可知，各質點的速度之比等于各點到瞬心的距離之比，可得左前輪

V

、右前輪

V

、質量中心

V

、左后輪

V

及右后輪

V

的速度，如公式(12):

為減小整車轉彎半徑，提高運動靈活性，整車默認使用四輪轉向，前后輪都參與調節，且轉向方向相反。本文研究的車輛質心基本位于整車中間，簡化模型可得

L

=

L

，因此轉向時兩內側輪的轉角相同，兩外側輪的轉角也相同。依舊以整車左轉為例，模型如圖7所示。整車轉向圓心

O

與質心

C

連線平行于車前后軸，

R

～

R

為圓心至4個車輪的距離，

R

為整車的轉彎半徑，

θ

～

θ

為四輪的轉向角度。由對稱關系可知:

R

=

R

，

θ

=

θ

，

R

=

R

，

θ

=

θ

。

圖7 四輪轉向模型示意圖Fig.7 Schematic diagram of four wheel steering model

由幾何關系可得式(13)、(14):

因此可計算出

θ

的大小，如式(15)所示:

根據速度瞬心特性可知，各質點的速度之比等于各點到瞬心的距離之比，可得式(16):

5 地面試驗

為驗證車輛縱向與橫向控制算法設計的準確性與有效性，設計并進行了地面試驗，包括多種速度的行進試驗、爬坡試驗及原地轉向試驗。

5.1 多種速度的行進試驗

工況為水泥路面，略微有些起伏。使用方向盤加速及減速2個撥鈕設置整車的目標速度

V

，分為3檔:1 km/h、2 km/h與3 km/h，實時記錄目標速度與實際速度

V

，監控四輪(左前輪、右前輪、左后輪和右后輪)的有效電流值

i

～

i

，結果如圖8～10所示。

圖8表明目標速度為1 km/h時，整車運動速度曲線跟隨較好，實際速度有上下小范圍的波動，主要原因是因為車體4個輪子柔性較強，車體運動過程中有自發性抖動；整車穩定運動后速度誤差在±0.2 km/h范圍內；四輪實時電流平穩，平均值為7.5 A，峰值為12 A，力矩分配均勻。

圖8 來回1 km/h條件下速度跟隨及電流曲線圖Fig.8 Velocity following and current curve diagram at 1 km/h back and forth

圖9表明目標速度為2 km/h時，整車運動速度曲線跟隨有滯后，穩定運動后速度誤差在±0.3 km/h范圍內；四輪實時電流較為平穩，平均值為11 A，峰值達到16 A。

圖9 來回2 km/h條件下速度跟隨及電流曲線圖Fig.9 Velocity following and current curve diagram at 2 km/h back and forth

圖10表明目標速度為3 km/h時，整車運動依舊有滯后，穩定運動后速度誤差在±0.45 km/h范圍內；四輪實時電流變化幅度增加，峰值達到25 A。

圖10 來回3 km/h條件下速度跟隨及電流曲線圖Fig.10 Velocity following and current curve diagram at 3 km/h back and forth

5.2 爬坡試驗

為研究車輛越障及爬坡性能，在路面設置小型障礙及2個并排放置的20°鑄鐵坡道，以4 km/h最大速度進行試驗，結果如圖11所示。

(3)利用PD-HFLWA和決策專家權重確定群體偏好矩陣其中為PD-HFLTS，表征以指標cy為基準，指標cn相對于指標cx的重要度；

圖11 越障爬坡速度跟隨及電流曲線圖Fig.11 Obstacle crossing and climbing velocity following and current curve

由圖11可知，整車運動分4個階段。第1階段為去程越障，速度跟隨有一個小的滯后，接著快速接近并到達目標速度4 km/h，靠近坡道時減速停車，電流亦持續增加至21 A后衰減；第2階段為去程爬坡，因爬坡初期扭矩不足，速度跟隨滯后顯著，當電流持續增大時，車速亦提升起來，越過坡道后減速停止；第3階段為回程爬坡，電流峰值達到42 A(未超過驅動器峰值電流54 A)，因越過坡道時未及時減速，導致車速過快導致超調；第4階段為回程越障。該試驗證明整車具備較好的越障及爬坡性能。

5.3 轉向試驗

車輛原地使用方向盤，設置目標轉角±5°，在前驅轉向模式和四輪轉向模式下分別進行試驗，實時記錄目標角度

θ

與四輪實際轉角

θ

～

θ

的曲線，結果如圖12和圖13所示。

圖12 前驅轉向條件車輪轉角及阿克曼誤差曲線圖Fig.12 Wheel angle and Ackerman error curve under front axle steering condition

圖13 四輪轉向條件車輪轉角及相關誤差曲線圖Fig.13 Wheel angle and related error curve under four-wheel steering condition

前驅轉向模式下，后兩輪轉角

θ

與

θ

始終為0

°

。轉角

θ

為正，表明整車進行右轉，右前輪轉角

θ

與目標值

θ

一致，左前輪轉角

θ

始終小于

θ

，

θ

為負，表示整車左轉，左前輪轉角

θ

與目標值

θ

一致，右前輪轉角

θ

絕對值始終小于

θ

絕對值，且滿足公式(11)。兩輪轉角實時跟隨目標角度，穩態誤差小于0.01°。阿克曼轉角誤差定義為實際轉向角度與模型理論角度的差值，可用于衡量兩車輪轉向的協同性，該誤差小于0.06°。四輪轉向模式下，所有輪都參與轉向調節。目標轉角

θ

為正值，表明整車進行右轉，

θ

跟隨目標值

θ

，

θ

始終小于θ，后驅輪轉角

θ

、

θ

和前驅輪轉角

θ

、

θ

大小一致，方向相反。

θ

為負，表示整車左轉，

θ

跟隨目標值

θ

，

θ

隨動且滿足公式(15)。控制跟隨效果良好，穩態誤差小于0.01°。阿克曼誤差可衡量前驅兩輪與后驅兩輪的控制協同性，同側轉角誤差可衡量左側兩輪與右側兩輪的控制協同性。由圖可知，前驅輪阿克曼誤差最大值為0.057°，后驅輪最大誤差為0.048°，總體可控制在±0.03°范圍內，左側輪轉角最大誤差為0.04°，右側最大誤差為0.05°，整體上誤差絕對值小于0.02°，轉向過程中四輪協同性與穩定性良好。

6 結論

1)本文構建了一套面向4WID-4WIS載人月球車的控制系統，設計了電源、電力驅動、感知和整車動力控制4個子模塊，使用EtherCAT網絡連接8套驅動-電機系統，實現低延時穩定控制，設計的車輛ADS控制軟件具備良好人機交互性。

3)試驗驗證了算法的有效性及穩定性。縱向運動中，在1～3 km/h的目標速度下，整車速度跟隨良好，力矩分配均勻，電流峰值分別達到12 A、16 A與25 A；月球車可翻越20°坡道；在前驅轉向及四輪轉向模式下，橫向運動的穩態誤差均小于0.01°，阿克曼誤差均小于0.06°。