电驱动装甲车辆双重转向控制联合仿真*

苏建强，马晓军，项 宇，阳贵兵

（装甲兵工程学院，北京 100072）

电驱动装甲车辆双重转向控制联合仿真*

苏建强，马晓军，项 宇，阳贵兵

（装甲兵工程学院，北京 100072）

为了提高轮毂电机驱动装甲车辆转向的灵活性及越野机动性能，借鉴履带车辆滑移转向思想，采用双重转向控制策略。以车辆的横摆角速度为控制目标，设计了自抗扰控制器，通过调整两侧轮毂电机转矩输出产生直接横摆力矩，进而调节车辆横摆角速度，实现装甲车辆双重转向。在Adams中建立车辆动力学模型的基础上，构建Adams与Matlab环境中的联合仿真模型，并进行了联合仿真，结果表明，基于直接横摆力矩控制的双重转向增大了外侧动力输出，减小了车辆在中低速转向时转向半径，提高了车辆的转向性能。

轮毂电机，横摆角速度，双重转向控制，联合仿真，横摆力矩

引言

直接横摆力矩控制是车辆先进的主动安全技术之一，对于机械车辆这些控制系统一般由复杂的机械机构来实现［1］。轮毂电机驱动装甲车辆，取消了驱动轮之间的机械连接，每个轮子装有一个驱动电机，驱动轮的自由度大大增加，控制两侧电机转矩即可产生横摆力矩［2］。与机械车辆动力传动方式不同，电传动技术可实现功率的柔性传递，而对各个轮毂电机的控制只需要车辆综合控制通过总线网络对电机控制器控制，且电机转矩响应快、控制精度高、易于测量，相比传统车辆具有无可比拟的优势［3-5］。

本文借鉴履带车辆滑移转向，利用轮毂电机转矩独立可控，采用双重转向控制［6-7］，设计了横摆角速度自抗扰控制器，通过直接横摆力矩调节车辆横摆角速度响应，从而满足驾驶员对车辆的转向期望。进行了Adams与Matlab环境中的联合仿真分析，验证了双重转向控制策略的有效性，为下一步实车应用提供了理论支撑。

1 八轮毂电机驱动轮式装甲车辆结构

本文中装甲车辆由8个轮毂电机驱动，其结构如图1。发动机带动发电机发电为后功率链8个轮毂电动机提供电能，在功率需求较小时，可为动力电池、超级电容充电，当发动机不能满足功率需求时，由动力电池和超级电容放电补充。各个轮毂电机之间没有任何的机械连接，车辆综合控制器通过总线对各个轮毂电机控制，使车辆控制自由度将大大增加。

图1 八轮毂电机驱动轮式装甲车辆结构

2 双重转向控制

机械传动的轮式车辆转向通过转向机构和差速器来实现，在车轮转过一定角度时，由于内外侧车轮地面阻力不同，动力经差速器后内外侧输出不同转速，内外侧转矩基本保持相等，在良好路面上具有较好性能，但其越野工况下性能变差，所以一般越野车辆装有限滑差速器。履带车辆的滑移转向具有较好的越野性能，但其功率损耗较大，履带磨损大。双重转向就是将两种转向方式结合起来，在保持原有轮式车辆转向角不变的情况下，利用滑移转向来减小车辆的转向半径。对于轮毂电机驱动轮式装甲车辆，采用双重转向时，可将内侧电机的制动功率转移到外侧电机，提高了能量的利用率，同时必然也增加了轮胎磨损。

2.1 车辆动力学模型

电驱动装甲车辆采用了双前桥转向机构，即车辆在转向时前四轮转过一定角度，后四轮转向角为零。建立车辆等效二自由度单轨模型，状态变量X=［γ β］τ，则系统的状态方程：

其中：

式中：M为横摆力矩，l为车辆内外侧轮距；Vx为车辆质心纵向速度；β为车身侧偏角；αi为第i轴轮子侧偏角；γ为横摆角速度；δi为第i轴轮子转向角；Ci为第i轴车轮侧偏刚度（i=a，b，c，d）；m为整车质量；Iz为车辆的转动惯量，F1（t）、F2（t）状态方程中的扰动。

2.2 参考横摆角速度

轮式车辆的质心侧偏角较小的情况下，由线性二自由度车辆决定的车辆横摆角速度对车辆来说是最稳定的［8-9］。当不考虑侧向力饱和，横摆力矩输出为零时，根据式（1）计算得到车辆期望的横摆角速度为：

车辆在行驶过程中受路面附着条件的影响，其侧向加速度必须有如下约束：

式中，ay为车辆侧向加速度，μ为路面附着系数。

在质心侧偏角很小时有：ay≈γ·Vx，所以期望的横摆角速度还应该满足如下条件：

在车辆行驶中低速时，为了减小车辆的转向半径，提高车辆的灵活性能，增大参考横摆角速度，使车辆转向过程中外侧输出更大的动力，但同时要保证行驶安全性能，所以参考横摆角速度取为：

式中，K为调整参数，K越大车辆滑移转向比例越大，车辆速度在35 km/h以上时，K=1，不具有滑移转向性能，此时以车辆稳定性为控制目标。

2.3 横摆角速度自抗扰控制器设计

关于车辆横摆角速度控制有PID控制、模糊控制、滑模控制等。装甲车辆行驶工况复杂，车辆行驶过程中将受到各种不确定因素影响，本文引入自抗扰控制，通过实时估计并补偿车辆行驶过程受到的各种扰动，结合特殊的非线性反馈结构。

首先将状态方程转化为严格的反馈系统，令：

则得到严格的反馈系统：

其中，新状态方程中的扰动：

横摆角速度自抗扰控制器包括扩张状态观测器、非线性误差反馈率、微分跟踪器设计。

装甲车辆行驶工况复杂，车辆行驶过程中将受到各种不确定因素影响，都可等效到扰动F'（t）中，通过扩张状态观测器估计总的扰动：

微分跟踪器：采用二阶微分跟踪器，负责安排给定横摆角速度信号的过渡过程，对给定的输入信号γref，它将输出两个信号γref1和γref2。

式中，fst（●）为最速控制综合函数。

将系统变成积分器串联型，则自抗扰控制器的横摆力矩输出满足下式：

根据车辆的等效模型计算得到横摆力矩，需通过改变两侧车轮纵向力实现车辆双重转向，车辆的纵向力同时也要满足车辆纵向加速度要求，即：

其中，各轴分配的横摆力矩分别为

在车轮不发生滑转时，电机驱动力很快传递到地面，将横摆力矩平均分配到各个轮毂电机上，则各个轮毂电机分配的转矩为：

式中，ΔS为调整量，S为驾驶员需求转矩，其中S=（-1）kσj式进行计算，其中S∈［0，1］为制动和加速踏板的归一化行程，j作为驾驶员驾驶习惯调整参数取j=1.618，Tmax（n）为轮毂电机转矩外特性曲线。

轮毂电机的转矩瞬态响应性能比车轮的瞬态响应要快几十倍，本文将电机的转矩模型简化为一阶动态系统模型：

3 基于Adams动力学建模

采用了多体动力学Adams建立装甲车辆的动力学模型，包括车身模型、悬架模型、双前桥转向机构模型以及轮胎与地面模型。这里主要介绍车辆转向机构建模。转向机构由横拉杆、副横拉杆、转向立柱、转向摆臂等组成，此结构实现了双前桥转向功能，转向器摇臂通过四连杆结构带动前右摇臂运动，前右摆臂带动一桥横拉杆运动，并通过纵拉杆带动后右摆臂运动，前、后摆臂通过副横拉杆与转向节相连，带动车轮转向。四连杆结构使前后桥形成断开梯形状，符合转向阿克曼原理。整个转向系统包含个18个约束副，其中5个球型副、6个旋转副、3个圆柱副、2个万向副、1个移动副、1个固定副。

图2 转向机构模型

4 联合仿真及试验分析

4.1 联合仿真模型建立

在Adams中建立车辆动力学模型后，采用Matlab/Simulink平台进行控制模块搭建和算法编程，而后进行联合仿真。驱动电机输出电磁转矩作为驱动车辆的主动力矩，由Matlab中的电机模型输出到Adams环境中的车轮上，驱动车辆在生成的虚拟路面上行驶，基于Matlab的驱动系统仿真中需要的电机转速、车辆横摆角速度等变量，由Adams车辆动力学模型中反馈，Matlab与Adams软件之间通过专门的接口模块实现参数的传递。其联合仿真模型如图3所示。

图3 联合仿真模型

4.2 工况仿真分析

文献［10］针对电动轮汽车采用了自适应的转矩控制思想，转向时不改变内外侧的转矩，让车辆通过地面阻力自动调整各车轮转速，实现电动汽车的转向。本文通过有横摆力矩控制、等转矩控制对比说明前者对于装甲车辆转向性能的提升。

驾驶员在t=2 s时给定油门信号0.25，车辆开始加速，当t=10 s时，给定前轮转角阶跃信号如图4所示。图5、图6分别为两种情况下车辆横摆角速度响应，在没有横摆力矩控制时，实际横摆角速度不能跟踪上参考，有控制时横摆角速度自抗扰控制TD输出，很好实现给定的跟踪和提取其微分信号，在实际控制系统中TD同时可以起到滤波作用，实际横摆角速度较好跟踪了参考值。图7为两种情况下车辆质心的行驶轨迹，显然采用横摆力矩控制时车辆转向半径较小。

图4 第一轴外轮转角

图5 有控制时车辆横摆角速度和TD输出

图6 无控制时车辆横摆角速度

图7 车辆质心运动轨迹

图8 车速和前四轮线速度

图9 车速和前四轮线速度

图10 车辆内外侧电机转矩控制量

图11 车辆内外侧电机实际转矩响应

两种情况下，车辆的车速和前四轮线速度响应如图8、图9。有横摆力矩控制时，内外轮速差速更大。如图10、图11为采用横摆角速度自抗扰控制时内外侧电机的转矩给定和响应，显然外侧电机转矩控制量增大，内侧电机转矩减小，当减小到小于零时内侧电机制动，将制动功率转移到外侧电机，一方面提高能量的利用率，另一方面也利用了履带车辆滑移转向。显然若完全采用履带车辆的滑移转向势必造成装甲车辆轮胎极大磨损，所以采用了两者的折中，既提高了装甲车辆的转向性能，同时降低轮胎磨损。

5 结 论

本文利用电驱动装甲车辆轮毂电机转矩独立可控的优势，设计了车辆横摆角速度自抗扰控制器，计算需求横摆力矩，通过增大车辆外侧电机转矩输出，减小内侧电机转矩输出，实现轮式装甲车辆的双重转向。最后进行了Matlab与Adams的联合仿真，验证了控制算法的有效性，为下一步实车应用提供了理论支撑。

［1］Du H P，Zhang N，Dong G M.Stabilizing Vehicle Lateral Dynamics with Considerations of Parameter Uncertainties and Control Saturation Through Robust Yaw Control［J］.IEEE Transactionson VehicularTechnology，2010，59（5）：2593-2597.

［2］Andrew J，David C，Adrain W.et al.Coordinated Mobility Control of a Multi-wheeled off-the Road Vehicle with Individual Wheel Torque Control［C］//4th International AECV Conference，2002.

［3］Cong G，Lotfi M，Mouloud D.Direct Yaw-Moment Control of an In-Wheel-Motored Electric Vehicle Based on Body Slip Angle Fuzzy Observer［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2009，56（5）：1411-1419.

［4］Donghyun K，Sungho H，Hyunsoo K.Vehicle Stability Enhancement of Four-wheel-drive Hybrid Electric Vehicle Using Rear Motor Control［J］.IEEE Transactions on Vehicular Technology，2008，57（2）：727-735.

［5］Loic B D，Alain B，Olivier P，et al.Simulation Model of Military HEV with a Highly Redundant Architecture［J］.IEEE Transactions on Vehicular Technology 2010，59（6）：2654-2663.

［6］Benjamin R.Dual Steering for Wheeled Vehicle［C］//4th International AECV Conference，2002.

［7］范晶晶，罗禹贡，张海林，等.全轮独立电驱动车辆双重转向控制策略的研究［J］.汽车工程，2011，33（5）：369-372.

［8］Yi J G，Li J L，Lu J B.On the Stability and Agility of Aggressive Vehicle Maneuvers：a Pendulum-turn Maneuver Example［J］.IEEE Transactions on Control Systems Technology，2012，20（3）：663-676.

［9］Motoki S，Masao N.Yaw-moment Control of Electric Vehicle for Improving Handling and Stability［J］.JSAE Review，2001（22）：473-480.

［10］靳立强，王庆年，张缓缓，等.电动轮驱动电动汽车差速技术研究［J］.汽车工程，2007，29（8）：700-704.

Co-simulation Research of Dual-steering Control for Multi-in-wheel Motors Drive Armored Vehicle

SU Jian-qiang，MA Xiao-jun，XIANG Yu，YANG Gui-bing
（Academy of Armored Force Engineering，Beijing 100072，China）

To improve the steering agility and off-road mobility of multi-in-wheel motors drive armored wheeled vehicle，the dual-steering control is adopted corresponding to the tracked vehicle steering way.The target of control system is the vehicle yaw rate，and active disturbance rejection controller is designed.Yaw moment torque is produced by adjusting the both sides of the in-wheel motor torque output to achieve the target of reference yaw rate.The vehicle kinetics model is built in the Adams，and the co-simulation model is designed base on the Adams and Matlab.At last cosimulation is carried out.The results of simulation demonstrate that the dual-steering control increased the vehicle outboard power output and decreased the steering radius.The method could improve the steering performance.

In-wheel motor，yaw rate，dual-steering control，co-simulation，yaw moment torque

TJ811

A

1002-0640（2014）11-0128-05

2013-08-30

2013-11-05

军队预研基金资助项目（40402050101）

苏建强（1983- ），男，内蒙古乌拉特前旗人，博士研究生。研究方向：电力传动控制技术研究。