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摘要：文章首先對全輪獨立電驅動車輛雙重轉向控制的結構基礎進行了闡述；其后，基于卡爾曼濾波算法，對全輪獨立電驅動車輛雙重轉向控制的車輛狀態監測系統設計進行了分析；最后，圍繞車輛操縱穩定性、車輛直線驅動以及轉向性能三個方面，研究了全輪獨立電驅動車輛雙重轉向控制的車輛運動控制系統設計策略。
關鍵詞：雙重轉向；車輛運動控制系統；路面附著系數
隨著現代社會的快速發展，不可再生資源的枯竭問題日益嚴峻。在此背景下，汽車行業作為石油資源消耗的重要行業，正面臨著新的發展要求與創新挑戰。近年來，為了應對能源危機，電動汽車行業嶄露頭角，并受到了社會各界的廣泛關注，我國政府更是了《節能與新能源汽車產業發展規劃（2012-2020）》等政策文件，將推動電動汽車行業發展定為能源安全建設的重要目標。
1全輪獨立電驅動車輛雙重轉向控制的結構基礎
在傳統的車輛控制系統設計中，車輛的方向轉變是由車輪角度的變化實現的，這種轉向控制方式雖然能適應常規性的城市路面，但在冰面、沙面、雪面等低附著路面上則會表現出明顯的“力不從心”，出現過度滑轉、難以控制等負面情況，不僅會降低車輛的高速穩定性，還可能對車輛的行駛安全性造成威脅。相比之下，雙重轉向控制方式在傳統控制方式的基礎上，融入了拖滑轉向的設計概念，在降低車輪轉彎半徑、提高車輛制動效能的同時，也有效規避了單純拖滑轉向的輪胎磨損問題[1]。在全輪獨立電驅動車輛雙重轉向控制的系統結構當中，可先假設車輛保有平移、橫擺、側傾三個方面的自由度，并據此制定車輛轉向的控制策略。當駕駛者通過方向盤發出轉向指令時，雙重轉向控制系統首先會對基于指令進行轉角模擬，繼而在平移、橫擺、側傾三個方面自由度的參考背景下，運算預測出駕駛者行為預期的轉向程度與轉角速度。其后，再通過PID控制器對穩態誤差的響應處理，對轉矩分配系統發出合理化的驅動信號，從而完成四個車輪電機驅動力的重新分配。同時，在這一過程當中，雙重轉向控制系統還會對車輛所處的縱向車速、當前驅動等狀態信息進行同步觀測，以確保轉向控制結果的動態性與準確性。
2全輪獨立電驅動車輛雙重轉向控制的車輛狀態監測系統設計
在全輪獨立電驅動車輛雙重轉向控制系統當中，以卡爾曼濾波方法為基礎，進行車輛狀態監測系統這一子系統的設計。在車輛狀態監測系統的設計中，首先需要圍繞輪胎力這一車輛運行的重要參數建立自適應模型，以便直觀化、真實化地對車輛輪胎運行中的垂直荷載、摩擦系數等數值進行分析。在模型分析中，可應用公式Fy=（C+△C）β0進行車輛輪胎側向力的運算。其中，C表示輪胎側向偏轉的初始剛度值，△C表示輪胎側向偏轉的校準參量，β0表示輪胎側向偏轉的具體角度。基于此，通過Carsim仿真軟件的數據算法，可推導出輪胎側偏初始剛度值的運算公式為C=f（FS，μ）。在車輛狀態監測系統的設計當中，由于車輛的轉向角度具有一定隨機性，因此可將△C這一校準參量視為0，繼而結合車輛動力模型與卡爾曼濾波算法。據此，結合Carsim仿真軟件與MATLAB數學軟件構建出車輛運行狀態的仿真平臺，將時速100km的車輛參數代入到MATLAB軟件算法模型當中，并基于輪胎側偏初始剛度值公式、車輛參數離散系統方程在Carsim軟件中設置出車輛絕對速度、車輛縱向加速度、車輛側向加速度、車輪橫擺角速度等輸出變量，對車輛行駛中的整體狀態進行仿真觀測。在仿真觀測中發現，車輛的運行狀態可實現較準確的線性辨識，并將各常規情況下車輛參數的最大誤差值控制在3％以內，將低附著路面下車輛參數的最大誤差值控制在4.9％以內。同時，仿真實驗表明，算法系統對于輪胎力即輪胎測量偏轉剛度值這一重要狀態數據具備迅速、準確的響應效果，可實現良好的自適應能力。
3全輪獨立電驅動車輛雙重轉向控制的車輛運動控制系統設計
3.1車輛操縱穩定性的控制
在車輛運動控制系統的設計中，首先要考慮到全輪獨立電驅動車輛雙重轉向控制下車輛操縱的穩定性問題。所謂“車輛操縱穩定性”，就是在駕駛者駕駛技術良好、身體狀態健康的前提下，車輛對駕駛者操控意圖（如車速調整、轉向需求等）的響應與保持能力。開展這一性能的系統設計時，要明確“操縱性”與“穩定性”之間的耦合關系。通常情況下，若車輛的操縱性與穩定性均處在較低水平，當駕駛者實施轉向操作時，輪胎就很容易發生側滑現象，進而導致車輛出現轉向不足或轉向過足，對車輛標準的運行狀態與動線預期產生影響。針對這一情況，可從車輛質心側偏角與車輛橫擺角速度兩個角度入手，進行車輛運動控制系統的操縱穩定性設計。由此可見，當車輛速度較慢時，質心側偏角β的數值也較低，使得車輛處于良好的轉向狀態當中，即表明車輛可充分響應駕駛者的操縱需求；當車輛速度過快時，質心側偏角β的數值會隨之增大，進而造成車輛操縱穩定性的下降，出現側滑問題。因此，在進行全輪獨立電驅動車輛雙重轉向控制的車輛運動控制系統設計時，應著重進行車輛橫擺力矩的調整，以此提高車輛轉向運行的安全性和穩定性。
3.2車輛直線驅動的控制
提高車輛在低附著路面上的準確轉向，是全輪獨立電驅動車輛雙重轉向控制系統的主要設計與應用目標。這一目標的實現，在很大程度上取決于車輪驅動力的控制水平。同時需要注意的是，車輪的驅動力與其驅動力矩并非完全成正比，而是與車輪與路面之間的附著系數有關。一般情況下，車輪的路面附著系數越大，車輪的驅動力也就越強，車輛在運行和轉向中的穩定性也就越高?；诖?，可將最優滑移率這一概念融入到車輛運動控制系統的設計當中，以此實現路面附著系數的高效利用，最終提高車輛整體的動能質量。若將路面附著系數與車輪滑移率代入到坐標系當中，可發現二者的關系曲線并非持續上升的，而是存在具體的峰值，這一峰值便是最優滑移率。當車輛處在這一峰值區間時，車輪與路面間的附著系數最大，即代表車輛的驅動力達到最高水平?；诖?，車輛控制系統中直線驅動控制部分的設計目標，就是推動車輪的滑移率無限接近最優滑移率，從而達成最佳的雙重轉向控制效果。通過這樣的系統控制方式，可顯著提高車輛在運行和轉向過程中對地面的附著能力，從而避免因車輪打滑而發生的轉向過足、轉向不足問題，充分提高車輛行駛的安全性與穩定性。
3.3車輛轉向性能的控制
上文提到，在車輛操縱穩定性的優劣與否，主要取決于質心側偏角、橫擺角速度等重要參數。當質心側偏角的數值較低時，車輛的實際轉向方向與駕駛者的操縱意愿基本一致，即車輛處在最佳的控制狀態當中。橫擺角速度則能反映出車輛具體的轉向能力，當橫擺角速度提升時，車輛的轉向速度也會隨之加快，進而形成較小的轉向半徑，使車輛穩定在良好水平。而質心側偏角與橫擺角速度又與橫擺力矩密切相關，所以在進行全輪獨立電驅動車輛雙重轉向控制系統的設計時，可基于橫擺力矩進行車輛轉向性能的控制處理[3]。結合分層化的設計原則，可將車輛轉向性能的控制分成目標設計、運動控制、運動分配三個層級。其中，目標設計層主要根據車輛當前狀態和駕駛者發出的方向盤操縱指令，模擬預測出車輛的轉向控制目標。其后，運動控制層根據已生成的目標參數，計算出目標所需的驅動力及橫擺力矩。最后，運動控制層將運算結果傳遞到運動分配層，繼而根據車輛的運動學原理，對各車輪的電機進行動能分配，進而使各車輪產生科學合理的驅動力，以此實現車輛運動系統的理想化穩定控制。總而言之，與傳統汽車相比，雙重轉向下的全輪獨立電驅動車輛具有能源清潔、動能優質、分配靈活等諸多優勢，具有良好的應用價值與推廣前景。在設計與應用實踐當中，為了提升全輪獨立電驅動車輛行駛的安全性與穩定性，應做好監測、控制等系統的科學設計，通過調整橫擺力矩、提高路面附著系數等手段，實現轉向過程中各車輪驅動力的最優分配，達成最佳的操縱控制效果。
參考文獻：
[1]張東升.四輪獨立驅動電動車穩定性分層控制研究[D].西安科技大學，2019.
[2]羅正.電動輪驅動汽車差動助力轉向與穩定性協調控制[D].吉林大學，2019.
[3]洪濡.分布式電驅動汽車運動控制系統設計[D].西南交通大學，2018.
作者:鄭博天 單位:中國船舶重工集團公司第七一三研究所