无轨胶轮车主动转向控制策略仿真研究

赵献臣

（中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院，北京 100083）

无轨胶轮车主动转向控制策略仿真研究

赵献臣

（中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院，北京 100083）

为解决无轨胶轮车转向系统转向沉重、稳定性差、能耗高等问题，引入线控主动转向系统。通过CarSim建立线控转向整车动力学模型，采用横摆角速度反馈控制策略，在Simulink中搭建控制框图。最后通过对开路面实验和双移线实验仿真，并与传统转向系统进行对比分析，结果表明，线控主动转向系统可显著改善无轨胶轮车的转向特性。

无轨胶轮车；线控转向；主动转向；CarSim仿真

0 引言

井下无轨胶轮车作为煤矿辅助运输的重要组成部分，具有使用范围广、机动灵活、适应性强、安全可靠以及可完成直达运输等优点，极大的提高了煤矿生产运输的效率，是未来井下运输的发展趋势之一［1］。

传统无轨胶轮车的转向机构根据转向方式不同分为两类：偏转车轮转向和铰接式转向。这两种转向机构在怠速时，传统转向机构转向沉重，操作不灵活，而高速时，又缺乏稳定性，且随着负载的增加消耗功率的比重越来越高，通常占到全车功耗的7%～14%。

线控转向系统（Steer-By-Wire）是一种新型转向系统，最近几年在车辆行业得到重视。它通过微电子技术连接并控制转向元件代替传统的机械或液压连接，此系统大大提高了车辆操纵系统的稳定性和灵活性，并比传统转向系统节能5%左右，可有效解决传统无轨胶轮车转向系统现存问题［2］。

本文以某厂WXD-45JGJ2型矿用防爆蓄电池无轨胶轮车为例，在CarSim中建立整车动力学模型；以横摆角速度为反馈控制目标，实现车辆的稳定性控制，在Si mulink中搭建线控转向系统；通过S函数接口进行联合仿真并与传统转向系统进行对比分析，结果显示采用线控系统主动转向控制方案的无轨胶轮车性能更加优越。

1 线控转向动力学模型

线控转向系统由方向盘总成、转向执行机构总成和主控制器三个主要部分以及自动防故障系统、电源等辅助系统组成。根据线控系统基本组成，对WXD-45JGJ2型无轨胶轮车原有机械转向系统进行改造，增加转向器驱动电机和方向盘路感电机以及主控制器等硬件设备。分别对整车动力学、方向盘总成、转向执行机构总成三大部分进行建模。

1.1CarSim整车动力学模型

CarSim是一款研究车辆动力学问题的仿真软件，其内置模型在计算机上运行速度比实时速度快3～6倍，可以仿真车辆对驾驶员、路况及空气动力学输入的响应，主要用来预测和仿真汽车整车的操纵稳定性、动力性、平顺性、制动性和经济性，同时被广泛地应用于现代汽车控制系统的开发［3］。

根据WXD-45JGJ2型无轨胶轮车车型特点，在Car-Sim中选用D-Class型车辆为参考进行建模。建模过程中，车辆空气动力学参数采用默认设置，驱动系采用四轮驱动，制动系采用ABS制动，轮胎模型采用CarSim内置轮胎模型，型号为255/65R16。车辆的主要参数，如表1所示。

表1　整车模型主要参数Tab.1 The main parameters of the entire vehicle model

1.2方向盘系统总成动力学模型

方向盘系统总成主要包括方向盘、转向柱、路感电机、减速器转角传感器和转矩传感器。根据其结构特点建立简单动力学模型［4］。方向盘总成的运动方程如下所示。

方向盘力矩为：

电机力矩为：

式中：J1—方向盘等效转动惯量；C1—方向盘阻尼系数；K—转向柱刚度系数；Tf—干摩擦系数；J2—路感电机等效转动惯量；Kf—路感电机的电磁转矩系数；C2—路感电机阻尼系数；γ—减速器传动比；i—电机电流。

1.3转向执行总成动力学模型

转向执行机构系统总成包括执行电机，减速器，转向器以及移传感器。根据其结构特点建立简单动力学模型。转向执行系统运动方程如下所示。

转向器组件为：

转向主销为：

Tl=Fl/Nl，Tr=Fr/Nr

电机力矩为：

电机电学平衡为：

式中：Tl，Tr—左右轮回正力矩；Fl，Fr—转向器齿条受力；Nl，Nr—左右轮与齿条传动比；γ1—减速器传动比；r—转向器齿轮半径；xr—齿条的位移；Mr—齿条等效质量；Cr—转向器等效阻尼；Kr—齿轮刚度；Kt—电机转矩系数；R—电机电阻；L—电机电感；i—电机电流；Kl—电机反电动势系数。

2 线控系统主动控制方案

将线控系统主动转向控制应用于井下无轨胶轮车最主要的目的是增加车辆在井下恶劣工况下自身的稳定性，同时实现可变传动比转向增强车辆的操纵性。

2.1横摆角速度反馈控制方案

目前工业领域应用最为广泛的PID控制器即可实现上述要求，车辆的横摆角速度为控制目标，首先将驾驶员输入方向盘转角及车速带入车辆线性二自由度参考模型中得到期望横摆角速度，此期望横摆角速度受地面附着系数μ以及车速V限制，其最大值为：；随后主控制器通过横摆角速度传感器得到车辆实际的横摆角速度值，对期望和实际的横摆角速度差值进行PID控制，降低实际横摆角速度在转向过程中的波动，使其尽快趋于期望值；最后得到所需的附加转向角并通过执行电机进行输出［5］。

2.2利用Simulink搭建控制方案

根据图3可知在横摆角速度反馈控制方案中实际车辆的的输入端为方向盘转角，这个转角是驾驶员转向角与经过PID控制器调整之后的补偿角之间的叠加值，输出端为车速和横摆角速度，现利用Simulink搭建控制方案。

首先，建立理想横摆角速度参考模型，根据理想横摆角速度公式：

式中：ωr—理想横摆角速度；δ—方向盘转角；V—车速；K—稳定因子（））。以及在路面附着系数一定时，车辆所能达到的最大横摆角速度，可知在车速和方向盘转角已知的情况下能够推得理想横摆角速度，在Simulink中搭建参考模型，然后，将此参考模型进行封装，根据图3方案，在Simulink中搭建完成线控系统主动转向控制方案，如图1所示。

图1　Simulink中主动转向系统结构框图Fig.1ThestructurediagramoftheactivesteeringsysteminSimulink

3 仿真分析

为验证上述算法的可行性，结合煤矿井下矸石较多，巷道狭小转向频繁等工况，进行对开路面和双移线实验，与传统机械转向机构进行对比分析。

3.1对开路面仿真实验

设定仿真环境：设车速为80km/h，道路为平坦直线公路，右侧路面附着系数为正常值0.5，左侧模仿井下矸石路面附着系数为0.2，驾驶员在进入对开路面后2s中紧急刹车，刹车时间1s，驾驶员输入方向盘转角为0，仿真结果如图2～3所示。

图2　横摆角速度Fig.2 The yaw rate

图3　质心侧偏角Fig.3 The centroid slip angle

从图2和图3可看出，在驾驶员紧急制动后，胶轮车横摆角速度出现波动，控制器迅速做出反应，通过转向执行电机控制输出前轮转角，及时矫正失稳车辆，使其继续平稳行驶。而从图2和图3的对比中可看出，没有线控主动转向控制器的车辆横摆角速度和质心侧偏角已远超正常值，车辆严重失稳，有侧翻风险。事实证明此工况下，线控主动控制器可有效提高车辆稳定性。

3.2双移线仿真实验

设定仿真环境：设车速为50km/h，路面附着系数为0.85，此工况是为了检验胶轮车在井下紧急避障的能力，设定路径，可得仿真结果如图4～5所示。

图5　方向盘转角

从图4中可以看出线控转向系统和与传统机械转向车辆都完成了双移线试验，但是线控转向胶轮车轨迹偏差较小，更加稳定。从图5中可看出，在达到同样转向特性的前提下，线控主动转向胶轮车的方向盘输入转角较小，很大程度上降低了驾驶员负担。图6可以看出线控转向胶轮车横摆角速度变化幅度较小，显著提高了车辆操纵稳定性。

图6　横摆角速度Fig.6 The yaw rate

通过上述仿真分析证明，采用线控转向系统的无轨胶轮车，在危险工况下能够独立于驾驶员的转向干预来稳定车辆，通过控制器输出叠加前轮转角不断改变车辆响应与理想状态尽可能保持一致。

4 结束语

目前国内外4t以下轻型无轨胶轮车转向系统多为液压助力或电动液压助力，而线控主动转向系统在无轨胶轮车上的应用尚属空白。通过本文的仿真分析可知，线控主动转向系统显著增强了无轨胶轮车的稳定性、安全性、灵活性，同时降低整车能耗，具有较强的市场前景，是为了无轨胶轮车转向系统发展趋势之一。

［1］陈贤忠.我国无轨胶轮车辅助运输的回顾与展望［J］.煤矿机械，2011，3.

［2］余志生.汽车理论［M］.北京：机械工业出版社，2009.

［3］肖闯，黄江，易高.基于CARSIM的车辆稳定性控制仿真［J］.专用汽车，2007，6.

［4］于蕾艳，林逸，施国标.线控转向系统动力学模型的研究［J］.计算机仿真，2008，6.

［5］Michael Holle.Lenkstrategien Fuer Active Vorderachslenksystem.9. Aachener Kolloquim 2000.

Simulation Study on Control Strategy of Trackless Rubber Tire Vehicle Based on Active Steering

ZHAO Xian-Chen
（School of Mechanical Electronic and Information Engineering，China University of Mining and Technology，Beijing 100083，China）

To solve the problem of trackless rubber tire vehicle's steering system，such as steering heavy，poor stability，high energy consumption and so on，the system of active steering by wire was applied.Through the CarSim，the vehicle dynamics model of steering system was set up，applying the feedback control strategy of yaw angle rate，building control block diagram in the Simulink.Finally，through the simulation experiment of splitter road and double line，and comparing with the traditional steering system，the consequence shows that the active steering by wire system can improve trackless rubber tire vehicle's steering system significantly.

trackless rubber tire vehicle；steering by wire；active steering；CarSim

TH-39

A

10.3969/j.issn.1002-6673.2015.02.022

1002-6673（2015）02-057-03

2014-12-25

赵献臣，男，河南平顶山人，硕士，就读于中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院。从事矿山机械方面研究。