四轮驱动—转向电动车辆动力学控制现状

四轮驱动—转向电动车辆动力学控制现状

作者：来鑫 陈辛波 方淑德 谢万军

来源：《河北科技大学学报》2016年第04期

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摘要：四轮驱动-转向（4WID-4WIS）电动车辆除具有分布式驱动电动车辆传动链短、传动高效、结构紧凑的优点外，车辆的机动性及可操控性更高。通过对4WID-4WIS车辆的运动学及动力学控制展开论述，提炼了相关研究的热点与难点：在车辆控制系统构架上广泛采用分布式网络控制系统，非理想网络下的控制实时性、可靠性问题是研究的难点，动力学

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分层控制方法是研究的热点；在车辆动力学控制方法上，主要研究集中在基于一个或多个优化目标的转矩分配方法，协调多个控制目标的集成控制成为重要的研究方向；为了解决4WID-4WIS车辆转向模式停车切换的问题，基于该车辆的控制自由度冗余对转向模式动态切换方法的研究成为一个新的研究方向。

关键词：车辆工程；4WID-4WIS电动车辆；动力学控制；转向模式动态切换；集成控制；网络控制

中图分类号：U469.72文献标志码：A 文章编号：1008-1542（2016）04-0322-07

Abstract：The four-wheel independent drive and four-wheel independent steering （4WID-4WIS） vehicle has the advantages of short transmission chain， high efficiency， compact structure， and high maneuverability. The kinematics and dynamic control of the 4WID-4WIS vehicle are discussed， then key and difficult problems are refined. The distributed network control system is widely used in the vehicle control system， so that real-time and reliable control under non-ideal network is the research challenges， and hierarchical control method is a hot research topic. For the vehicle dynamics control method， the main research focuses on torque distribution method under one or more optimization objectives， and integrated control which harmonizes multi control subjects has become an important research direction. In order to solve the problem of steering mode static switching of the 4WID-4WIS vehicle， the study on the dynamic switching method based on redundant control degree of freedom is a new research direction.

Keywords：vehicle engineering； 4WID-4WIS electric vehicle； dynamics control； dynamic switching of steering mode； integrated control； network control

随着日益严峻的能源短缺、大气污染、交通事故等问题的产生，发展电动汽车已成为体现能源安全、可持续发展和自主创新的国家战略需求。近年来，在诸如高性能分布式驱动电动汽车关键基础问题研究及轮边电驱动系统关键零部件及其底盘应用技术研究等项目的资助下，对分布式驱动电动汽车高效节能、高速安全以及高度便捷相关的基础科学问题及关键零部件进行了研究[1-3]。分布式驱动电动车辆的主要特征是将驱动电机分散布置在驱动轮内或附近，具有传动链短、传动效率高、结构紧凑等优点，通过冗余可控自由度的协制来分配与优化驱动力与制动力，能极大地提高车辆能耗、主动安全性等性能，成为未来电动车辆重要的发展方向，受到国内外研究人员的高度重视与关注。四轮驱动 （four wheel independent drive，4WID）电动车辆是典型的分布式驱动电动车辆，在4WID车辆上进一步引入四轮转向技术，形成了四轮驱动-转向 （4WID-4WIS）车辆这一新型车辆架构，该车辆除继承了分布式驱动电动车辆的优点外，冗余可控自由度更大，车辆的机动性及可操纵性更高，可实现前轮转向、后轮转向、四轮转向、任意点转向、原地转向、直行、斜行、蟹行等多种转向模

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式，广泛应用于工业、农业、军事、宇宙探索等多个领域[1，4-5]，具有广阔的应用前景，成为车辆领域的研究热点。

4WID-4WIS车辆具有冗余的控制自由度，目前对于该车辆的运动学及动力学控制主要集中在：利用冗余控制自由度，基于车辆运动学与动力学，且通过恰当的协制实现车辆的机动性、动力性、安全性、稳定性和经济性等。本文通过综述国内外关于4WID-4WIS车辆运动学及动力学的控制现状，提炼热点及难点问题，并对4WID-4WIS车辆转向模式的动态切换方法研究进行论述及展望。 1网络化的控制系统结构

4WID-4WIS车辆所有车轮均可地驱动、制动及转向，取消各车轮之间的机械约束关系，执行器数量明显多于车辆姿态被控物理量，具有多个控制自由度冗余（冗余度为2n-3，n为车轮个数，n≥3）[5]，给整车运动学及动力学控制带来高度灵活性的同时，也带来各车轮运动控制的实时性、协调性及可靠性问题，因此对控制系统提出了更高要求。目前常采用的是分布式网络控制形式，其结构如图1所示。主控制器实时对各车轮的运动进行计算与优化，并将控制信号发送到车载网络上，各转向控制器与驱动控制器接收主控制器的信号实施闭环控制，同时将各车轮的运动状态通过网络发送给主控制器。这种网络控制架构具有信息集中、控制分散、扩展方便等特点，在四轮驱动/转向车辆中得到广泛应用。目前，对于4WID-4WIS车辆网络控制系统的研究重点主要集中在：1）网络方式的研究，目前应用较多的是CAN网络[6-7]、TTCAN网络[8]及FlexRay网络[9]，其中TTCAN与FlexRay为时间触发网络，与事件触发的传统CAN网络相比较，实时性及可靠性高，适合大负载、高实时性的网络控制需求；2）延时、丢包等非理想网络环境下控制策略与算法研究，文献[10]提出了一种基于网络预测直接横摆转矩的控制算法，对网络故障带来的不利影响进行有效补偿；3）分布式网络控制环境下车辆的动力学控制方法研究，目前主要采用分层控制结构，文献[11]采用了两层控制系统，上层为车辆动力学控制层，下层为车辆运动状态计算及控制层。文献[12]采用三层控制结构，上层控制器结合车辆动力学设计了滑模横摆力矩观测器，中层控制器进行各车轮转矩及转向角的优化与分配，下层控制器负责驱动电机与转向电机的控制。研究分层网络结构下车辆的动力学控制策略与算法是目前的研究热点。 2 4WID-4WIS电动车辆的控制策略与方法

2.14WID电动车辆的动力学控制方法4WID电动车辆将驱动电机分散到各个车轮，这种分布式驱动的结构给车辆的动力学控制带来了很大的便利。作为一个冗余控制系统，在满足基本的动力学要求的情况下，4个车轮的转矩分配具有多种可能。目前国内外的研究重点与热点主要表现在如下方面。

1）各车轮驱动力矩的分配与优化

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目前，各车轮转矩优化分配目标主要从以下三方面考虑：从安全性着手的分配方法主要有基于简单规则[13]、轮胎附着利用率之和最小[11，14-15]、各车轮附着余量最小[16-17]、驱动电机失效下的转矩分配[18-19]；经济性是电动车辆研究所关注的重要方面，因此从节能方面考虑追求驱动及传动系统的效率最优[20-21]成为研究的热点问题；文献[22]提出了一种“前后轮节能分配，左右轮安全调节”的兼顾安全与节能的转矩分配方法，在满足横摆力矩需求的前提下，尽量提高驱动系统效率。 2）车辆行驶状态参数的估计方法

车辆状态参数是车辆动力学控制的基础。由于汽车行驶状态之间的耦合关系十分严重，使得一个行驶状态或参数估计往往涉及其他几个行驶状态和路面参数的估计，估计的难度非常大。与传统车辆相比， 4WID电动车辆获取驱动力矩和制动压力等信息更加便利，这些信息的获取大大提高了车辆状态的估算速度与精度。车辆状态参数估算主要包括车轮载荷估计、车速估计、质心侧偏角估计和路面附着系数估计等，其中质心侧偏角估算涵盖了大部分车辆状态参数的估计，因此估算难度较大，目前的估计算法主要有[23-27]：直接积分法、模糊逻辑法、神经网络法、卡尔曼滤波算法、龙贝格观测器算法、鲁棒观测器算法、滑模观测器算法以及基于李亚普诺夫理论推导的非线性观测器算法等。随着车辆智能化要求的提高，结合现代信息技术与控制技术进行车辆行驶状态参数的估计将成为车辆动力学研究的重点与难点。 3）车辆的动力学集成控制

4WID车辆由于在动力驱动上的冗余，因此在动力学控制层具有多种控制方法，文献报道较多的有直接横摆力矩控制[28]、差动驱动助力转向控制[29]、垂向力稳定性控制系统[30]、侧倾稳定性控制系统[31]等，这些控制大多只关注了一个控制目标。从文献上看集成控制方法成为了4WID车辆动力学控制研究的趋势[1，22]，这种控制方法集合了多个控制目标，通过一定的控制策略与算法，达到多个控制目标下的动力学最优，实现多个冲突控制目标的解耦与相容。如侧倾控制与横摆控制的集成控制、横摆-俯仰及侧倾的集成控制等。

2.24WIS电动车辆的控制方法4WIS车辆能在车辆低速时提高机动性，在高速时能改善车辆的操纵稳定性。目前该研究重点主要集中在运动学及动力学下车辆各车轮转向角的实时分配。文献[32]利用阿克曼转向原理实时求解瞬时转向中心，利用最小二乘法求解每个车轮的目标转向角。文献[33]利用侧偏角与横摆角速度保持恒定的稳态条件及阿克曼转向原理得出了各车轮之间的动力学关系。文献[34]以四车轮侧偏角之和最小为优化目标，以质心侧偏角为零作为约束条件设计前馈控制器及反馈控制器，结果表明车辆具有较好的跟踪性能。文献[35]提出一种基于控制分配理论的转向角分配算法，并利用滑模变结构控制理论设计反馈控制器。文献[36]采用线性二次型最优控制和模糊控制方法相结合，设计了全局稳定的前后轮转角最优协制器。

2.34WID-4WIS车辆运动控制方法

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四轮驱动-转向（4WID-4WIS）车辆在进行运动学及动力学控制时，具有较多的可控自由度，通过对每个车轮驱动力矩及转向角的合理分配，可以提高车辆的机动性、安全性、稳定性、经济性等性能。目前国内外的研究主要集中在以下两方面。

1） 车轮的驱动与转向控制力分配。文献[5]基于模糊控制理论提出 “主动前/后轮转向+直接横摆力矩控制”的车辆横摆稳定性集成控制系统。文献[37]以驾驶员意图和参考模型产生控制目标， 使用扩张状态观测器设计了车辆动力学自抗扰控制器，并提供了一种简单的工程化方法。文献[38]应用滑模变结构控制理论，集成了前/后轮主动转向控制、直接横摆力矩控制、质心侧偏角控制，提高了车辆的主动安全性。

2） 驱动/转向电机失效下的控制策略。文献[18]分析了单电机、双电机、多电机失效下的驱动力重新分配方法。文献[39]提出了一种通过电磁离合器的切换控制来应对线控转向系统故障失效的方案：当任意的1—3个转向轮系统出现失效故障时，可通过电磁离合器的离合控制，利用剩下的无故障的转向轮系统，控制左右转向轮联动转向，使车辆仍具备基本的转向行驶功能。文献[40]基于模型预测理论与重构控制分配方法对4WID/4WIS车辆电机失效的容错问题进行了研究，提高了车辆的安全性。

34WID-4WIS车辆转向模式动态切换方法研究4WID-4WIS车辆具有多种转向模式。中国首辆“玉兔号”月球车采用的是“六轮驱动，四轮转向”的方案，具备前进、后退、原地转向等多种转向及运动模式，而模式切换是在停车后进行的，实践表明该结构方案在超低速情况下能适应月球表面复杂环境；中文大学徐扬生院士等人对4WIS车辆全方位转向控制策略与方法进行了较多研究，所研发的实验车配置了零半径转向、蟹行、前轮转向等多种转向模式，特别指出了转向模式切换需停车后完成[32]；同济大学研发出以轮毂电机为动力的春晖系统四驱电动汽车，并对全方位线控转向系统进行了研究[41]，并在此基础上研发出一种全方位线控4WID-4WIS电动实验汽车，该车辆各车轮皆具180°的转弯能力且可控，4个车轮动力驱动采用4个轮毂电机且均可控制，具有直行、蟹行、斜行、前轮转向、后轮转向、四轮转向等6种转向与运动模式，在停车情况下可完成上述6种转向模式的相互切换[33]，具有极强的机动性与可操纵性，具有广阔的应用前景与领域；哈尔滨工业大学FU等[42]对可重构底盘进行了设计，定义了车辆的7种运动模式 （如图2所示）；美国爱荷华州立大学农业自动化与机器人实验室开发出具有远程控制、作物及土壤信息收集、喷雾、除草等功能的农业特种车辆AgRover，该车辆具有蟹行、前轮转向、后轮转向、零半径转向4种转向模式，转向模式切换需停车进行[4]。

综合国内外研究现状可知， 4WID-4WIS车辆具有直行、蟹行、斜行、前轮转向、后轮转向、四轮转向、原地转向、差速转向等多种模式，但转向模式切换需在停车后完成，出现这种现状的主要原因是：目前应用广泛的科考车（如月球车）、车间物料车、农用多功能车、场馆车等4WID-4WIS车辆由于工作需要都是低速行驶的，对于低速或超低速行驶车辆，停车切换带来的影响不大；再者，4WID-4WIS车辆作为一种新型结构车辆，车辆功能的实现及合理的

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控制律的设计（目的是提高车辆的动力学、稳定性等性能）是研究人员首要关心的问题。然而，随着工程应用上对车辆行驶速度要求的提高，车辆所处环境也越来越复杂，以及4WID-4WIS车辆的实际道路行驶，停车切换将严重制约该车辆的行驶安全性、机动性及智能性：对于车辆高速化、车流密集化的道路交通现状而言，停车切换时间长，易造成追尾等严重交通事故；不停车切换车辆只能以单一的转向模式运行，不能发挥其高机动性与行驶稳定性特点。另外，停车切换不利于该车辆的智能化（如自动驾驶等）。因此，为了充分发挥4WID-4WIS车辆的优势，使该车辆适应目前的道路交通条件，提高该车辆的行驶安全性、机动性、智能性，对4WID-4WIS车辆的转向模式不停车动态切换展开研究，探索在不停车情况下转向模式动态切换原理与方法是非常必要且急需的。目前的一个研究热点是充分利用4WID-4WIS车辆冗余自由度，科学规划各车轮的运动轨迹，在各种优化目标下（如时间最优、能量最优等）求解车辆最优运动轨迹，对进一步拓展与促进该车辆的工程化应用及其真正道路化行驶具有重要意义。

针对这个问题，笔者所在团队对转向模式的动态切换方法进行了初步研究[43]。研究思路是：通过对车辆瞬时转向中心进行建模，将各车轮的运动状态的规划问题转换成瞬时转向中心点在方位空间内的规划问题，然后根据瞬时转向中心的轨迹逆求解各车轮的运动轨迹。依据该思路实现了转向模式切换前后“保持转向半径不变”约束条件下的前/后轮转向模式不停车动态切换到四轮转向模式，实验结果如图3所示。由于增加了“转向半径不变”这个约束条件，直接求解前/后轮转向模式到四轮转向模式的唯一运动轨迹，没有涉及优化目标及最优运动轨迹求解、运动轨迹协调跟踪等问题，没有形成系统的建模及求解方法。

因此，该问题的研究难点及关键点在于：通过建立数学模型准确描述转向模式动态切换的过程，构建典型优化目标（如最短切换时间、最小能量消耗、最短切换路径）函数，并在运动学及动力学约束条件下分别对各种转向模式相互切换时的车辆/车轮的最优运动轨迹进行求解，阐述转向模式动态切换的原理及过程，建立一套系统的动态切换方法。 4结论

1）四轮驱动-转向（4WID-4WIS）电动车辆具有较强的机动性及可操纵性，广泛地应用于工业、农业、军事、宇宙探索等多个领域，具有广阔的应用前景，近年来其运动学及动力学控制已成为车辆控制的热点； 2）4WID-4WIS车辆的控制执行器多于被控物理量，具有多个控制自由度冗余，因此在动力学控制上可以满足更多的约束条件，集合了多个控制目标车辆的动力学集成控制是该车辆动力学控制的重点与难点； 3）4WID-4WIS车辆具有多个转向模式，目前转向模式的切换是在停车情况下完成的。充分利用4WID-4WIS车辆冗余控制自由度，通过对车辆及车轮的运动轨迹进行科学规划，实现该车辆的不停车动态切换转向模式对于提高其行驶安全性、机动性、智能性和实用性都是十分必要与急需的。 参考文献/References：

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