全轮独立电驱动车辆双重转向控制策略探析

郑博天

摘  要：文章首先对全轮独立电驱动车辆双重转向控制的结构基础进行了阐述;其后，基于卡尔曼滤波算法，对全轮独立电驱动车辆双重转向控制的车辆状态监测系统设计进行了分析;最后，围绕车辆操纵稳定性、车辆直线驱动以及转向性能三个方面，研究了全轮独立电驱动车辆双重转向控制的车辆运动控制系统设计策略。

关键词：双重转向;车辆运动控制系统;路面附着系数

中图分类号：U469.72 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2020）05-0143-02

Abstract： In this paper， firstly， the structural basis of dual steering control of all-wheel independent electric drive vehicle is described， and then， based on Kalman filter algorithm， the design of vehicle condition monitoring system for dual steering control of all-wheel independent electric drive vehicle is analyzed. Finally， the vehicle motion control system design strategy of dual steering control of all-wheel independent electric drive vehicle is studied from three aspects： vehicle handling and stability， vehicle linear drive and steering performance.

Keywords： double steering; vehicle motion control system; road adhesion coefficient

隨着现代社会的快速发展，不可再生资源的枯竭问题日益严峻。在此背景下，汽车行业作为石油资源消耗的重要行业，正面临着新的发展要求与创新挑战。近年来，为了应对能源危机，电动汽车行业崭露头角，并受到了社会各界的广泛关注，我国政府更是发布了《节能与新能源汽车产业发展规划（2012-2020）》等政策文件，将推动电动汽车行业发展定为能源安全建设的重要目标。

1 全轮独立电驱动车辆双重转向控制的结构基础

在传统的车辆控制系统设计中，车辆的方向转变是由车轮角度的变化实现的，这种转向控制方式虽然能适应常规性的城市路面，但在冰面、沙面、雪面等低附着路面上则会表现出明显的“力不从心”，出现过度滑转、难以控制等负面情况，不仅会降低车辆的高速稳定性，还可能对车辆的行驶安全性造成威胁。相比之下，双重转向控制方式在传统控制方式的基础上，融入了拖滑转向的设计概念，在降低车轮转弯半径、提高车辆制动效能的同时，也有效规避了单纯拖滑转向的轮胎磨损问题[1]。

在全轮独立电驱动车辆双重转向控制的系统结构当中，可先假设车辆保有平移、横摆、侧倾三个方面的自由度，并据此制定车辆转向的控制策略。当驾驶者通过方向盘发出转向指令时，双重转向控制系统首先会对基于指令进行转角模拟，继而在平移、横摆、侧倾三个方面自由度的参考背景下，运算预测出驾驶者行为预期的转向程度与转角速度。其后，再通过PID控制器对稳态误差的响应处理，对转矩分配系统发出合理化的驱动信号，从而完成四个车轮电机驱动力的重新分配。同时，在这一过程当中，双重转向控制系统还会对车辆所处的纵向车速、当前驱动等状态信息进行同步观测，以确保转向控制结果的动态性与准确性。

2 全轮独立电驱动车辆双重转向控制的车辆状态监测系统设计

在全轮独立电驱动车辆双重转向控制系统当中，以卡尔曼滤波方法为基础，进行车辆状态监测系统这一子系统的设计。

在车辆状态监测系统的设计中，首先需要围绕轮胎力这一车辆运行的重要参数建立自适应模型，以便直观化、真实化地对车辆轮胎运行中的垂直荷载、摩擦系数等数值进行分析。在模型分析中，可应用公式Fy=（C+？驻C）？茁0进行车辆轮胎侧向力的运算。其中，C表示轮胎侧向偏转的初始刚度值，△C表示轮胎侧向偏转的校准参量，β0表示轮胎侧向偏转的具体角度。基于此，通过Carsim仿真软件的数据算法，可推导出轮胎侧偏初始刚度值的运算公式为C=f（FS，？滋）。在车辆状态监测系统的设计当中，由于车辆的转向角度具有一定随机性，因此可将△C这一校准参量视为0，继而结合车辆动力模型与卡尔曼滤波算法，得出车辆参数离散系统的方程为

据此，结合Carsim仿真软件与MATLAB数学软件构建出车辆运行状态的仿真平台，将时速100km的车辆参数代入到MATLAB软件算法模型当中，并基于轮胎侧偏初始刚度值公式、车辆参数离散系统方程在Carsim软件中设置出车辆绝对速度、车辆纵向加速度、车辆侧向加速度、车轮横摆角速度等输出变量，对车辆行驶中的整体状态进行仿真观测。在仿真观测中发现，车辆的运行状态可实现较准确的线性辨识，并将各常规情况下车辆参数的最大误差值控制在3%以内，将低附着路面下车辆参数的最大误差值控制在4.9%以内。同时，仿真实验表明，算法系统对于轮胎力即轮胎测量偏转刚度值这一重要状态数据具备迅速、准确的响应效果，可实现良好的自适应能力[2]。

3 全轮独立电驱动车辆双重转向控制的车辆运动控制系统设计

3.1 车辆操纵稳定性的控制

在车辆运动控制系统的设计中，首先要考虑到全轮独立电驱动车辆双重转向控制下车辆操纵的稳定性问题。所谓“车辆操纵稳定性”，就是在驾驶者驾驶技术良好、身体状态健康的前提下，车辆对驾驶者操控意图（如车速调整、转向需求等）的响应与保持能力。开展这一性能的系统设计时，要明确“操纵性”与“稳定性”之间的耦合关系。通常情况下，若车辆的操纵性与稳定性均处在较低水平，当驾驶者实施转向操作时，轮胎就很容易发生侧滑现象，进而导致车辆出现转向不足或转向过足，对车辆标准的运行状态与动线预期产生影响。针对这一情况，可从车辆质心侧偏角与车辆横摆角速度两个角度入手，进行车辆运动控制系统的操纵稳定性设计。其中，车辆质心侧偏角的运算公式为？茁=arctan，车辆转向过程中车辆轮胎侧偏角的关系为结合两个公式可得，车辆横摆角速度与正常状态下车辆转向的关系为其中l为车辆转向的轴距。由此可见，当车辆速度较慢时，质心侧偏角β的数值也较低，使得车辆处于良好的转向状态当中，即表明车辆可充分响应驾驶者的操纵需求;当车辆速度过快时，质心侧偏角β的数值会随之增大，进而造成车辆操纵稳定性的下降，出现侧滑问题。因此，在进行全轮独立电驱动车辆双重转向控制的车辆运动控制系统设计时，应着重进行车辆横摆力矩的调整，以此提高车辆转向运行的安全性和稳定性。

3.2 车辆直线驱动的控制

提高车辆在低附着路面上的准确转向，是全轮独立电驱动车辆双重转向控制系统的主要设计与应用目标。这一目标的实现，在很大程度上取决于车轮驱动力的控制水平。同时需要注意的是，车轮的驱动力与其驱动力矩并非完全成正比，而是与车轮与路面之间的附着系数有关。一般情况下，车轮的路面附着系数越大，车轮的驱动力也就越强，车辆在运行和转向中的稳定性也就越高。基于此，可将最优滑移率这一概念融入到车辆运动控制系统的设计当中，以此实现路面附着系数的高效利用，最终提高车辆整体的动能质量。

若将路面附着系数与车轮滑移率代入到坐标系当中，可发现二者的关系曲线并非持续上升的，而是存在具体的峰值，这一峰值便是最优滑移率。当车辆处在这一峰值区间时，车轮与路面间的附着系数最大，即代表车辆的驱动力达到最高水平。基于此，车辆控制系统中直线驱动控制部分的设计目标，就是推动车轮的滑移率无限接近最优滑移率，从而达成最佳的双重转向控制效果。路面附着系数的运算公式为？渍=，其中F？渍为车轮对地面的最大附着力，Fdamx为车轮可发出的最大驱动力，FS为车轮的垂直荷载力，滑移率的运算公式为？姿=。结合这两个运算公式，可求出车轮路面附着系数与滑移率的关系为当等于0时，即为最優滑移率。在得出这一算法结论后，便可将其代入到控制系统当中，设置出“输入T、？棕、ut、Fs、t→代入公式运算→≤0→是，输出？姿/否，重新输入”的程序流程，以此根据滑移率输出值对车辆各车轮驱动力进行有效分配。通过这样的系统控制方式，可显著提高车辆在运行和转向过程中对地面的附着能力，从而避免因车轮打滑而发生的转向过足、转向不足问题，充分提高车辆行驶的安全性与稳定性。

3.3 车辆转向性能的控制

上文提到，在车辆操纵稳定性的优劣与否，主要取决于质心侧偏角、横摆角速度等重要参数。当质心侧偏角的数值较低时，车辆的实际转向方向与驾驶者的操纵意愿基本一致，即车辆处在最佳的控制状态当中。横摆角速度则能反映出车辆具体的转向能力，当横摆角速度提升时，车辆的转向速度也会随之加快，进而形成较小的转向半径，使车辆稳定在良好水平。而质心侧偏角与横摆角速度又与横摆力矩密切相关，所以在进行全轮独立电驱动车辆双重转向控制系统的设计时，可基于横摆力矩进行车辆转向性能的控制处理[3]。

结合分层化的设计原则，可将车辆转向性能的控制分成目标设计、运动控制、运动分配三个层级。其中，目标设计层主要根据车辆当前状态和驾驶者发出的方向盘操纵指令，模拟预测出车辆的转向控制目标。其后，运动控制层根据已生成的目标参数，计算出目标所需的驱动力及横摆力矩。最后，运动控制层将运算结果传递到运动分配层，继而根据车辆的运动学原理，对各车轮的电机进行动能分配，进而使各车轮产生科学合理的驱动力，以此实现车辆运动系统的理想化稳定控制。

总而言之，与传统汽车相比，双重转向下的全轮独立电驱动车辆具有能源清洁、动能优质、分配灵活等诸多优势，具有良好的应用价值与推广前景。在设计与应用实践当中，为了提升全轮独立电驱动车辆行驶的安全性与稳定性，应做好监测、控制等系统的科学设计，通过调整横摆力矩、提高路面附着系数等手段，实现转向过程中各车轮驱动力的最优分配，达成最佳的操纵控制效果。

参考文献：

[1]张东升.四轮独立驱动电动车稳定性分层控制研究[D].西安科技大学，2019.

[2]罗正.电动轮驱动汽车差动助力转向与稳定性协调控制[D].吉林大学，2019.

[3]洪濡.分布式电驱动汽车运动控制系统设计[D].西南交通大学，2018.