电动汽车的试验研究基于差动转向角速度跟踪控制

文摘

的实验研究探讨差动驱动的四轮独立转向控制(FWID)电动汽车(EV)基于steer-by-wire(南偏西)系统。FWID每个轮子的车辆可以独立驱动,实现差动转向通过应用不同的驱动力矩前面轮子。首先,分析了差动转向基于的原则南偏西系统。差动转向被激活时,驾驶员的转向请求被发送到车辆的ECU。然后,ECU给不同的控制信号有时右前方左前和车轮,产生一个外部转向力转向组件。外部力量推动转向组件将对应于司机的请求。其次,为了测试差动转向的可行性,FWID EV是组装和车辆配备了四个独立驱动轮电机。设计相应的控制系统。最后,车辆的现场试验的基础上,提出了差动转向控制策略执行。在实验中,固定偏航率跟踪和多样的偏航率跟踪演习受聘。 In the fixed yaw rate tracking, the vehicle can track the desired yaw rate well with differential steering. In addition, the vehicle can track the varied yaw rate with proposed differential steering. The test results confirm the feasibility and effectiveness of the differential steering. By using the differential steering, a backup steering is established without additional components; thus, the costs can be reduced and the reliability of the vehicle steering system can be enhanced, significantly.

1。介绍

与世界范围内的能源节约和环境保护的关注,电动车已经引起了极大关注减少能源和减排的优势(1- - - - - -4]。FWID EV,安装轮内马达(轮毂电机),是一种很有前途的汽车车辆机动性架构(5]。另一方面,提高车辆的处理性能,南偏西系统已经在一些车辆装备。注意方向盘之间的机械连接和南偏西的低指导装配系统中删除;因此,南偏西的可靠性系统变得越来越重要,和众多的研究一直在研究这个问题(6- - - - - -8]。

随着FWID电动汽车驱动轮独立的马达,前面轮内马达的驱动转矩可以不同的生成一个新的转向机制:微分舵。类似的研究已发表在这个问题上,如微分辅助方向盘和刹车转向(9- - - - - -11]。这项研究在12)调查的可行性差驱动扭矩辅助驾驶和道路的能力感到保持的控制系统。此外,王等人进行了一项研究的援助质量分析和鲁棒控制与差动驱动电动汽车辅助转向系统(13]。这项研究在14)调查了差动轮电动汽车转向助力系统基于协同优化模型。这项研究在15)提出了一个实验验证动态模型来描述skid-steered车辆的运动在关键的指导情况下,实验是基于一个特定的6×6无人skid-steered车辆,由6个独立驱动轮内马达。这项研究在16)提供了一个有效的方法生成动态的可行性和节能的轨迹skid-steered自主地面车辆(agv)。文献[17]研究了健壮的H_∞Takagi-Sugeno模糊输出反馈控制微分速度驾驶车辆。微分动力偏航稳定使用MPC distributed-drive铰接重型车辆提出了(18]。更重要的是,集成的分层控制策略的主动悬架和微分电轮车辆辅助转向系统是讨论(19]。这项研究在20.]介绍了无人地面车辆的运动跟踪控制,组成的直线驾驶控制和转弯控制。

上述文献研究了车辆转向控制基于前面的轮子之间的速度差异;和上述微分辅助转向主要集中在辅助转矩路上司机的手,感觉保持能力,没有积极的指导。然而,在南偏西系统是至关重要的,以确保转向系统的可靠性,以及降低了额外的成本。此外,与差动转向的理论研究相比,微分舵的实验研究是罕见的。

处理上述问题,本文采用微分舵作为备份转向机制来提高可靠性和降低了外部成本的南偏西系统失败。论文的主要贡献如下。首先,差动转向的原理是基于转向系统的分析研究。然后FWID电动汽车组装和控制系统设计。最后,电动车的现场试验的基础上,提出了差动转向控制策略执行和结果进行了分析。剩下的纸是组织如下。部分2研究的机理提出了差动转向。部分3讨论了控制模式提出了微分舵和FWID EV。部分4给出了现场试验的电动汽车的偏航率跟踪实验中,紧随其后的是结论部分5。

2。汽车差动转向动力学

如图1差动转向系统的原理与南偏西系统基于FWID EV,哪里有方向盘和转向传动机构之间没有机械连接。司机引导方向盘和转向请求信号发送到车辆的ECU。指导请求可以实现由电动助力转向(EPS)。然而,当电动机完全失败或转向信号传输错误发生,司机的转向请求将无法运作。与此同时,故障诊断系统检测到故障并激活微分转向执行驾驶员的驾驶要求。注意,南偏西系统的故障诊断系统和电动汽车已被广泛研究之前,这不是本文的重点。

见图1,当常规南偏西系统彻底失败和微分舵激活引导汽车,前面轮内马达将产生不同的驱动力量 在哪里表示擦洗半径, 表示目前的主要人物我th轮, 表示轮胎纵向力我分别th轮。然后,将生成一个转向角的那一刻,微分的焦点转向。在图中,很明显,转向系统将向右拐左车轮的驱动力矩比是正确的。微分的动力转向系统给出如下(9,10]: 在哪里和表明有效惯性和阻尼的转向系统,分别。是前轮的转向角度。表示轮胎调心的时刻。

根据刷模型(21),调心的时刻可以表示为 ,在哪里是一个常数,然后呢是前轮胎侧偏刚度。是前轮偏角,它可以表示为 ,在哪里和分别表示车辆的纵向和横向速度。和表示距离前轴和后轴中央重力(CG),分别。

假设前轮转向角很小,目前在车辆的重心被定义为 在哪里表示车辆轨道宽度的一半。然后,那一刻可以推导出 ,与 。

然后,系统(2)可以写成 在哪里 表示小的距离称为和通常很小。

3所示。车辆配置和控制模式

验证了微分舵,FWID电动车从全地形车辆改装(ATV),在装备更方便相关组件。车辆配置图2。FWID电动车配有四个轮内马达;前面汽车6千瓦电力,和后面的每一个人都有8千瓦电力。轮由凯利控制电机控制器,在控制信号是一个模拟电压信号在[0,5]V,电动机控制器的工作原理转矩模式。很明显,锂电池和MicroAutoBox控制器在树干,如果提供GPS在屋顶上,IMU CG附近点的车。车辆参数表中列出1。

给出了GPS / IMU配置图3。注意,GPS实时运动(RTK)技术用于提高定位精度。由GPS接收的信号从卫星基站,然后传输到车辆的大功率发射机。车辆的速度、加速度、航向角和偏航率IMU信号测量的组件附近车辆的重心。

本文研究了车辆处理控制的基于微分舵FWID EV。偏航率r,这将影响车辆的处理性能,应控制在控制系统。然后控制对象是设计一个控制器,与偏航率跟踪误差最小化。控制模式的流程图如图4。在图中,很明显,控制器接收到两个信号:所需的偏航率r_d和实际的偏航率r_米。所需的偏航率信号r_d从司机输入生成,这是一个模拟电压信号。出于安全原因,信号转换成(−10、10),表明所需的偏航率可以修改从−10度/秒到10度/秒。然而,范围可以扩大严重的驾驶环境。实际的偏航率r_米测量了IMU的CG点附近的车辆。偏航率差异之间的r_d和r_米与PID控制器最小化。

见图5,电压信号dV从PID控制器相应获得偏航率差异 。那么电压dV转换成两个部分,控制电压和 ,分别控制前面轮内马达。考虑到死区和财产的轮内马达控制器,一个抵消添加到保持电动机在正常条件下运行。

在图4、电动机控制器接收到控制信号V₁和V₂并给出了左前和有时右前方轮汽车驾驶赞赏;然后所需的扭矩T₁和T₂分别生成。因为方向盘是发布的驱动程序,不同的驱动转矩之间的前面前面轮内马达将迫使车轮旋转他们的主要人物,以及方向盘。然后相对应的车辆完成转向机动司机偏航率输入。请注意,方向盘角度传感器(SAS)是用来衡量转向角;然后我们可以获得方向盘角在现场试验。此外,没有转向机动车辆。在接下来的测试中,司机将方向盘转向电动机故障发生时模拟的情况。

4所示。实验研究微分舵

在本节中,车辆的现场试验验证的有效性提出了微分舵。在测试中,见图6最初,车辆运行,然后司机释放方向盘。与此同时,副驾驶员激活差动转向控制模式和提供所需的偏航率信号控制器。没有司机的转向力矩,方向盘只是由差动转向控制器。控制器使车辆跟踪与提出的期望偏航率控制模式。三个不同的驾驶动作执行的实验和结果数据7- - - - - -9,分别。注意,在这些测试中,车辆前面只是由轮马达,并关闭rear-two轮内马达。积极的偏航率表明左舵的方向,反之亦然。

4.1。固定的偏航率跟踪

在该测试中,车辆应该跟踪固定偏航率 。在图7(一),很明显,在最初的几秒钟,实际的偏航率为零,起诉,车辆运行在一条直线。然后司机释放方向盘,副机长激活差动转向输入所需的偏航率 。见图7 (b)差动转向被激活时,控制系统快速生成控制信号。两轮内马达的控制电压分离到相反的方向。有时右前方轮内马达的控制信号V₂增加和左前电机信号V₁减少。不同的控制信号,轮内马达产生不同的扭矩,从而车轮速度是截然不同的,见图7 (d)。这样的信号,正确的运动产生较大的速度比左一,使车辆左转和实际的偏航率r_米迅速达到−7度/秒。注意,在图7 (d),黑色实线表示车辆速度( )。在图7 (c),车大约是在一条直线运行开始时(意味着起点;意味着终点),然后在一个圆圈 。

在图7(一),很明显,整个偏航率跟踪性能好。因为司机的转向角相对较大的偏航率信号相比,我们给了方向盘角度,也就是说, ,black-dotted线路图7(一)。没有司机的介入,微分舵仍然可以转动方向盘,实现电动助力转向的类似的效果。

4.2。偏航率与Lane-Change-like机动跟踪

在该测试中,车辆应该跟踪不同的偏航率与lane-change-like回旋余地。结果在图8。见区域图8(一个)开始时,实际的偏航率为零。2 s,司机释放方向盘,和副驾驶员激活差动转向所需的偏航率变化。差动转向被激活时,控制系统快速生成控制信号,如区域图8 (b)。两轮内马达的控制电压分离到相反的方向。的轮内马达的控制电压信号V₂大于V₁在区一个,显示的左转弯车辆,如区域所示一个的图8 (b)。车辆转左,右轮更大的速度( )比左( )在区一个的图8 (d)。实际的偏航率跟踪所需的值在区一个。在区B的图8(一个),司机偏航率的方向变化,试图修正航向角,让对面的车辆做一个。然后控制系统也在不断增加V₁,减少V₂在区B的图8 (b),产生更大的扭矩在左边的轮子比在右边,从而车辆右转区B的图8 (c)。的车辆右转,左侧车轮更大的速度( )比正确的( )图B区8 (d)。实际的偏航率跟踪所需的值在区B。

在区C的图8(一个),司机再次改变方向偏航率修正航向角,让车辆在直线移动。然后系统增加V₂,减少V₁在区C的图8 (b),造成更大的转矩以正确的轮子比左,从而阻止车辆的右转向趋势区C的图8 (c)。在区C的图8,右轮更大的速度( )比左( )。尽管业务区C并不完美,实际的偏航率跟踪所需的值在带吗C和前馈策略仍然是可接受的。

4.3。偏航率与J-Turn-like机动跟踪

在该测试中,车辆应该跟踪不同的偏航率与J-turn-like回旋余地。在区一个的图9(一个),实际的偏航率为零的前几秒。5 s,司机释放方向盘,和副驾驶员激活差动转向输入所需的偏航率。在区一个,所需的偏航率成为−3度/秒。系统重新分配前面轮内马达的控制电压,如图9 (b)。的轮内马达的控制信号V₂大于V₁在区一个,显示的左转弯车辆,如图9 (c)。车辆转左,右轮更大的速度( )比左( )如图9 (d)。实际的偏航率跟踪所需的值在区。

在B区图9(一个),司机试图改变方向偏航率修正航向角,让对面的车辆做一个。然后系统增加V₁,减少V₂在区B的图9 (b),导致更大的扭矩在左边的轮子比在右边,从而车辆右转区B的图9 (c)。车辆略转右,左车轮更大的速度( )比正确的( )在区B的图9 (d)。实际的偏航率跟踪所需的值在区B。

在区C的图9(一个),司机试图修正航向角,让车辆左转。然后系统增加V₂,减少V₁在区域C图9 (b),造成更大的转矩以正确的轮子比左,从而阻止车辆的右转向趋势区C的图9 (c)。车辆停止右转,右轮更大的速度( )比左( )在区C的图9 (d)。

在区D的图9(一个),司机试图J-turn机动右转弯。然后系统增加V₁,减少V₂在区D的图9 (b),导致更大的扭矩在左边的轮子比在右边,从而车辆右转区D的图9 (c)。大幅的车辆右转,左车轮更大的速度( )比正确的( )在区D的图9 (d)。以较高的速度和大幅转向J-turn测试,操作区D是不完美的。然而,在这种情况下,偏航率的性能跟踪和J-turn轨迹在这个测试仍然是可接受的。因此,可行性和有效性差异被证明的实地测试。

5。结论

的驱动扭矩FWID EV有时右前方左前和车轮可以独立控制,本文设计了差动转向南偏西时备份指导电力系统失败它的常规功能。测试的实际性能微分舵,FWID EV是制造和设计相应的控制模式。现场试验的车辆偏航率跟踪执行的合作下,驾驶员和副驾驶员。固定的偏航率跟踪和多样的偏航率跟踪演习FWID EV的用于测试。在固定的偏航率跟踪、车辆可以跟踪所需的偏航率与微分舵。此外,车辆可以跟踪各种偏航率提出了差动转向。测试结果验证的有效性提出了差动转向。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作在一定程度上支持广西自然科学基金(2018 gxnsfaa281271 2020 gxnsfaa297031, Guike AD18281063)。

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