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四輪獨立驅(qū)動FSEC賽車穩(wěn)定性控制

2020-10-17 16:41:49·  來源：《汽車工程師》  作者：宋成鏢 李 剛  
　
隨著中國大學生電動方程式賽車大賽（FSEC）的興起，針對四輪獨立驅(qū)動FSEC方程式賽車操縱穩(wěn)定性控制的研究越來越被重視。根據(jù)其四輪驅(qū)動力矩獨立可控的特點，提出
隨著中國大學生電動方程式賽車大賽（FSEC）的興起，針對四輪獨立驅(qū)動FSEC方程式賽車操縱穩(wěn)定性控制的研究越來越被重視。根據(jù)其四輪驅(qū)動力矩獨立可控的特點，提出一種驅(qū)動穩(wěn)定性控制算法。該算法針對賽車穩(wěn)定性控制在比賽中對實時性的需求，設計了PID直接橫擺力矩控制器，并運用CarSim車輛動力學仿真軟件進行仿真驗證。仿真結(jié)果表明，該控制算法能有效提升賽車操縱穩(wěn)定性，且控制效果穩(wěn)定。為汽車穩(wěn)定性控制領域提供了一定參考。
 
隨著汽車技術的不斷進步，關于車輛穩(wěn)定性控制的研究也十分豐富。在控制方法方面已經(jīng)從最初的差動制動擴展到主動前輪轉(zhuǎn)向控制、四輪轉(zhuǎn)向控制、直接橫擺力矩控制等。應用控制理論從PID控制、最優(yōu)控制擴展到自適應控制、模糊邏輯控制以及人工神經(jīng)網(wǎng)絡控制等。由于大學生電動方程式賽車是近幾年興起的，對其穩(wěn)定性控制方面的研究較少，但是由于其在安全性方面的重要作用，已逐漸被重視。為充分利用四輪獨立驅(qū)動FSEC賽車四輪力矩獨立可控的優(yōu)勢，文章選取直接橫擺力矩控制方式對賽車進行穩(wěn)定性控制，配合目前最成熟，應用最為廣泛的PID算法，能夠最大程度地保證控制算法的實時性，提升控制效果。

01 直接橫擺力矩控制器搭建

直接橫擺力矩控制器結(jié)構(gòu)，如圖1所示。采用分層式結(jié)構(gòu)，包括信號采集層、決策計算層、控制分配層和執(zhí)行機構(gòu)層。在信號采集層，模擬駕駛員操縱命令，通過PID控制車輛的總驅(qū)動力矩，控制車速變化；決策計算層通過車速和駕駛員的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角輸入，計算出目標橫擺角速度，并與實際橫擺角速度值做差，輸入PID控制器，給出附加橫擺力矩；控制分配層根據(jù)來自信號采集層的總目標驅(qū)動力和所需的附加橫擺力矩，通過差動驅(qū)動規(guī)則對四輪驅(qū)動力進行分配；輸出的4個車輪的驅(qū)動力，通過執(zhí)行機構(gòu)層的四輪輪轂電機實現(xiàn)穩(wěn)定性控制。

參考模型

線性二自由度車輛動力學模型能夠很好地反映車輛的穩(wěn)定性參數(shù)狀態(tài)，并且在運算簡便性與實時性方面具有一定優(yōu)勢，因此被眾多車輛操縱穩(wěn)定性研究選為理想模型，如圖2所示。

 
根據(jù)模型可以看出，車輛穩(wěn)定性問題可由車輛側(cè)向運動與橫擺運動表征，其微分方程為：

四輪獨立驅(qū)動FSEC賽車穩(wěn)定性控制1
 
設前后輪的側(cè)偏剛度分別為Kf和Kr，并設Fyf和Fyr分別與前后輪的側(cè)偏角βf和βr成正比，即輪胎在線性區(qū)工作，那么輪胎側(cè)向力，如式（2）所示。

 
將式（2）代入式（1）中，并設前輪轉(zhuǎn)角為δf，另外在穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向條件下，車輛質(zhì)心側(cè)偏角β、橫擺角速度γ均不變，即β=0、γ=0，可得：

 
通過式（3）可知，表征車輛穩(wěn)定性的參數(shù)是關于β，γ，δf，V的方程組，其中速度V 與前輪轉(zhuǎn)角δf都由駕駛員控制輸入，而質(zhì)心側(cè)偏角β 在實際車輛控制中獲取較困難，因此最后選取橫擺角速度表征車輛的穩(wěn)定狀態(tài)，關系為：

 
橫擺力矩決策控制器

通過上述對參考模型的分析可知，車輛的穩(wěn)定性控制問題可用質(zhì)心側(cè)偏角與橫擺角速度表征，但是實際車輛控制中質(zhì)心側(cè)偏角獲取比較困難。另外，質(zhì)心側(cè)偏角不超過一定范圍時，橫擺角速度完全能夠反映車輛的穩(wěn)定性狀態(tài)。因此文章選取橫擺角速度為控制目標量?？刂圃?，如圖3所示。

 

 
 
驅(qū)動力分配器

4個車輪驅(qū)動力矩可通過各輪驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)矩換算得到：

 
當車輛直線行駛時，四輪驅(qū)動力相等。當車輛轉(zhuǎn)彎時，根據(jù)決策出的附加橫擺力矩符號對車輛狀態(tài)進行判斷：當附加橫擺力矩大于0時，認為車輛需要逆時針的附加橫擺力矩，此時應適當增大右側(cè)車輪驅(qū)動力，減小左側(cè)車輪驅(qū)動力；當附加橫擺力矩小于0時，認為車輛需要順時針的附加橫擺力矩，此時應適當增大左側(cè)車輪驅(qū)動力，減小右側(cè)車輪驅(qū)動力，具體的分配規(guī)則為：

 
 
 
02 仿真試驗驗證

CarSim車輛模型建立

基于車輛動力學仿真軟件CarSim中的方程式賽車模型進行仿真試驗，更新賽車參數(shù)并將傳動系統(tǒng)與發(fā)動機系統(tǒng)用Simulink模型代替，主要參數(shù)如表1所示。

 
仿真試驗

CarSim與Simulink聯(lián)合仿真試驗選取2個典型的試驗場景，分別是快速移線仿真試驗與正弦保持仿真試驗。

快速移線仿真試驗：

車輛速度為70km/h、高附著系數(shù)路面、閉環(huán)雙移線轉(zhuǎn)向控制，在70m時實施變道動作，向左移動3.5m，隨后變更回原來車道。試驗結(jié)果，如圖4和圖5所示。

 四輪獨立驅(qū)動FSEC賽車穩(wěn)定性控制2

從橫擺角速度仿真結(jié)果中可以看出，施加控制車輛可以較好地跟蹤目標橫擺角速度。從驅(qū)動力分配曲線可以看出，施加控制后車輛的左右側(cè)車輪轉(zhuǎn)矩差異明顯，控制效果顯著。

正弦保持仿真試驗:

車輛初始速度為80km/h、高附著路面、閉環(huán)正弦轉(zhuǎn)向輸入，幅值1.5m，每隔30m設置1個樁桶作為參考標識。試驗結(jié)果，如圖6和圖7所示。
 
四輪獨立驅(qū)動FSEC賽車穩(wěn)定性控制3
從橫擺角速度仿真結(jié)果可以看出，在頻繁的轉(zhuǎn)向輸入下車輛已經(jīng)不能很好地跟蹤目標橫擺角速度，但是相對于無控制車輛，施加控制的車輛依然能夠在響應速度與跟蹤幅度上占有一定優(yōu)勢。從驅(qū)動力分配曲線圖可以看出，施加控制后，車輛的左右側(cè)車輪轉(zhuǎn)矩變化十分均勻，控制效果穩(wěn)定。

03 結(jié) 論

文章利用四輪驅(qū)動電動方程式賽車驅(qū)動力矩獨立可控的優(yōu)勢，基于PID控制理論設計直接橫擺力矩穩(wěn)定性控制算法，對驅(qū)動力進行合理分配，能夠有效提升車輛操縱穩(wěn)定性。選取雙移線與正弦保持試驗工況對算法進行仿真試驗，結(jié)果表明施加控制的車輛能夠較好地跟蹤目標橫擺角速度，實現(xiàn)車輛的良好控制。文章提出算法是建立在參考模型線性區(qū)間的，下一階段應將非線性因素加入進來，建立更加完善的穩(wěn)定性控制算法。
 
 
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