CN110228375B - 分布式驱动车辆无转向轮原地转向的一种控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了分布式驱动车辆无转向轮原地转向的一种控制方法，本发明适用于四轮毂电机分布式驱动的车辆。根据四个车轮的垂直载荷的大小，分别对四轮的驱动转矩进行分配，以使得驱动轮产生驱动力以克服地面对车轮的纵向力和横向力产生的阻碍车辆旋转的阻力矩，使车辆按照一定的横摆角速度旋转起来。以使得车辆在旋转一定角度后，把车辆的质心偏移控制在一定的范围内。采用这种控制方法，可以避免复杂的传动和转向机构，增加可靠性。由于轮毂电机具有传输效率高，响应快，扭矩大等优点，可以使车辆的多种性能可以很好地实现。采用四轮轮毂电机的分布式驱动，可以对四轮的转矩分别控制，对转矩的大小进行灵活的分配，以适应不同的工况。

Description

分布式驱动车辆无转向轮原地转向的一种控制方法

技术领域

本发明属于分布式驱动技术领域，是一种控制策略，具体涉及分布式驱动车辆无转向轮原地转向的一种控制方法。

背景技术

目前采用四轮毂电机分布式驱动的有很多，但是对于转向问题，一种是采用常规最小半径转向，但是这种方法的缺点在于不够灵活以及占地面积过大。另一种是采用四轮转向，这种机构的缺点是结构复杂，可靠性低。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供分布式驱动车辆无转向轮原地转向的一种控制方法，可以车辆原地旋转到任意角度，而且在整个转向过程中，车辆所需的地面面积比常规前轮转向所需的地面面积小很多，又不需要四轮转向的复杂机构。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

本发明公开了分布式驱动车辆无转向轮原地转向的一种控制方法，适用于四轮毂电机分布式驱动的车辆。通过车辆动力学相关知识，四轮驱动可以充分利用地面附着力。由于轮毂电机具有传输效率高，响应快，扭矩大等优点，可以使车辆的多种性能可以很好地实现。采用四轮轮毂电机的分布式驱动，可以对四轮的转矩分别控制，对转矩的大小进行灵活的分配，以适应不同的工况。

分布式驱动车辆无转向轮原地转向的一种控制方法，包括以下步骤：

1)通过车上的横摆角速度传感器实时获取横摆角速度ω，发送信号至PID控制器中并与设定的横摆角速度期望值ω₀进行比较，得到横摆角速度差值Δω；

2)PID控制器根据横摆角速度差值Δω，输出控制器输出驱动转矩T；

3)PID控制器将控制器输出驱动转矩T信号输出给四个驱动轮毂电机，四个轮毂电机依据四轮的转矩分配方法，根据四轮的垂直载荷的大小实时的调整各自的转矩进行转矩分配，进而调整车的横摆角速度至横摆角速度期望值。

进一步的，所述横摆角速度期望值ω₀为0.4m/s²。

进一步的，步骤3)中，转矩分配方法为：根据四轮的垂直载荷的大小来分配各个驱动轮驱动转矩的大小：

Tfl＝T

其中，

T为控制器输出驱动转矩；

Fzfl,Fzfr,Fzrl,Fzrr分别为四轮的垂直载荷；Tfl,Tfr,Trl,Trr分别为四轮的驱动转矩，其中Tfl和Tfr，Trl和Trr分别异号，Tfl和Trl，Tfr和Trr分别同号；fl,fr,rl,rr分别表示左前轮、右前轮、左后轮、右后轮。

有益效果：本发明提供的分布式驱动车辆无转向轮原地转向的一种控制方法，与现有技术相比，本发明采用恰当的控制策略，可以使车辆绕着中心旋转任意角度，比常规的最小半径转向占用更小的地面面积。采用这种驱动控制的车辆，可以在一些地方较窄的地方作业，可以增加车辆转向的灵活性。

附图说明

图1为车辆受力及运动原理图；

图2为本发明方法的转向半周和常规最小半径转向最小占地面积的比较示意图；

图3为本发明的控制系统示意图；

图4为PID控制器输入输出示意图；

图5为车轮所受垂直载荷与驱动转矩示意图；

图6为四轮的转矩分配方法流程图。

具体实施方式

如图3所示，根据四个车轮的垂直载荷的大小，分别对四轮的驱动转矩进行分配，以使得驱动轮产生驱动力以克服地面对车轮的纵向力和横向力产生的阻碍车辆旋转的阻力矩，使车辆按照一定的横摆角速度旋转起来。然后把横摆角速度的大小反馈给控制器，然后根据一定的控制策略分配四个轮的驱动转矩。同时，通过对控制策略的设计，对四个车轮的驱动转矩进行合理分配。以使得车辆在旋转一定角度后，把车辆的质心偏移控制在一定的范围内。采用这种控制方法，可以避免复杂的传动和转向机构，增加可靠性。

下面结合附图和实施例对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，首先定义L为车辆轴距，D为车辆轮距，o为车辆旋转中心，l为车辆旋转中心到车辆前轴的距离，ω为车辆绕着车辆旋转中心的横摆角速度。车辆的左前、右前、左后、右后轮的侧偏角分别为Afl,Afr,Arl,Arr，各车轮绕着车辆旋转中心的旋转半径分别为Rfl,Rfr,Rrl,Rrr，各车轮的驱动转矩分别为Tfl,Tfr,Trl,Trr。实心箭头为车轮中心速度，空心箭头为车轮速度。

根据车辆横摆角速度ω的变化，对四个车轮的驱动转矩进行一定的分配，以使车辆的横摆角速度按照设定期望值变化，使车辆可以不使用转向轮时，通过四个车轮的驱动力矩的关系而使车辆旋转任意角度。

如图6所示，通过车上的横摆角速度传感器实时的采集横摆角速度的信号，将此信号实时的与我们要求的横摆角速度ω₀进行比较，将此差值反馈到我们设计的PID控制器中，经过我们设计的控制策略(包括PID控制器以及转矩分配方法)，发出信号给四个驱动的轮毂电机，四个轮毂电机根据接收的信号实时的调整各自的转矩，根据四轮的转矩分配方法进行转矩分配，进而调整车的横摆角速度，从而横摆角速度达到我们的期望值。我们设计的控制器为PID控制器，该控制器的输入值为横摆角速度的差值，输出值T决定四轮的驱动转矩的大小。如图4所示。

对于四轮的转矩分配方法：根据四轮的垂直载荷的大小来分配各个驱动轮驱动转矩的大小，如图5所示。

设已知的四轮的垂直载荷分别为Fzfl,Fzfr,Fzrl,Fzrr，其中fl,fr,rl,rr分别表示左前轮，右前轮，左后轮，右后轮。

四轮的驱动转矩分别为Tfl,Tfr,Trl,Trr，其中Tfl和Tfr，Trl和Trr分别异号，Tfl和Trl，Tfr和Trr分别同号。

如果

则令

其中Tfl＝T，T为控制器输出驱动转矩。即：PID控制器先得到T值，然后由a、b、c值一起得到各个Tfl,Tfr,Trl,Trr值；继而调整车的横摆角速度至横摆角速度期望值。

实施例

对本控制策略方法进行MATLAB和Carsim的联合仿真测试：在Carsim中设置好车辆的相关参数(根据具体的车型对应设置)，设置为四轮驱动，无转向。然后在MATLAB中设置控制器以及转矩分配策略，进行联合仿真，结果显示，在本发明的控制策略下，车辆可以在原地转向180度时，车的质心偏移距离x(如图3所示，本控制策略方法输出有车辆质心偏移量x和车辆横摆角速度w两个量，其中辆横摆角速度ω反馈给PID控制器，车辆质心偏移量x用来评价旋转效果)在30cm以内，达到了期望的要求。

本发明的这种控制方法，可以车辆原地旋转到任意角度，而且在整个转向过程中，车辆所需的地面面积比常规前轮转向所需的地面面积小很多，又不需要四轮转向的复杂机构。采用这种驱动控制的车辆，可以在一些地方较窄的地方作业，可以增加车辆转向的灵活性，如图2所示，图2(a)为常规的最小转弯半径转向，图2(b)为本发明中无转向轮转向。图中黑色的矩形代表车辆，其中图2(b)中的两个矩形代表车辆旋转在不同的位置，从图中可以看出，本发明的控制方法达到了理想效果，偏移距离在可接收范围(30cm)之内。

本发明的要点就是对于四轮的转矩分配方法，通过这种分配的方法，车辆就可以不使用转向轮(也就是不打方向盘)，进行原地旋转(转向)。而且车辆的横摆角速度(也就是车辆的旋转角速度)以及在旋转半周或者一周以后，一方面，车的偏移距离在可接受范围之内(设定要求的是30cm)，这就近似为原地转向了。另一方面，使车辆旋转时对人体的加速度在人体可承受范围以内(设定取值为0.4m/s²)。

期望值ω₀可以根据不同的车和人进行设置，具体方法如下：车辆旋转一周，假设人们可接受的时间为10s(这个因人和工作状况而异)，因为车辆运动需要一定的机动性，时间太长车辆的机动性就达不到人们的要求，时间太短的话，那么人所受的加速度就越大，就会增加人的不适感，故取10s为最佳值，这样车辆旋转的角速度为

在车中，人们坐的位置距离车辆的质心一般不到1m，本发明取1m(这个距离随着车的不同而不同)。这样，人所受的加速度就为

这个值约等于0.4m/s²，即为本发明设定的ω₀。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.分布式驱动车辆无转向轮原地转向的一种控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)通过车上的横摆角速度传感器实时获取横摆角速度ω，发送信号至PID控制器中并与设定的横摆角速度期望值ω₀进行比较，得到横摆角速度差值Δω；

2)PID控制器根据横摆角速度差值Δω，输出控制器输出驱动转矩T；

3)PID控制器将控制器输出驱动转矩T信号输出给四个驱动轮毂电机，四个轮毂电机依据四轮的转矩分配方法，根据四轮的垂直载荷的大小实时的调整各自的转矩进行转矩分配，进而调整车的横摆角速度至横摆角速度期望值；

步骤3)中，转矩分配方法为：根据四轮的垂直载荷的大小来分配各个驱动轮驱动转矩的大小：

Tfl＝T

其中，

T为控制器输出驱动转矩；

Fzfl,Fzfr,Fzrl,Fzrr分别为四轮的垂直载荷；Tfl,Tfr,Trl,Trr分别为四轮的驱动转矩，其中Tfl和Tfr，Trl和Trr分别异号，Tfl和Trl，Tfr和Trr分别同号；fl,fr,rl,rr分别表示左前轮、右前轮、左后轮、右后轮。

2.根据权利要求1所述的分布式驱动车辆无转向轮原地转向控制方法，其特征在于：所述横摆角速度期望值ω₀为0.4rad/s。

Images