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基于carsim的分布式驅(qū)動(dòng)汽車原地掉頭功能仿真
技術(shù)背景
分布式驅(qū)動(dòng)汽車原地掉頭轉(zhuǎn)向，這一技術(shù)主要依賴于兩種不同的機(jī)制來實(shí)現(xiàn)。
一種是無轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的方式。這種方法常見于坦克等軍事車輛，它們通過使兩側(cè)履帶或車輪反向旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向。比亞迪仰望U8也展示了類似的轉(zhuǎn)向方式，但在高附著力路面上使用時(shí)，對輪胎、傳動(dòng)系統(tǒng)和路面會存在一定程度上的磨損。
另一種方式則是依賴于汽車的分布式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，比如獨(dú)立解耦的拉桿轉(zhuǎn)向或主銷轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。JEEP的一款概念車Hurricane，它采用了前后對稱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了零轉(zhuǎn)彎半徑的原地掉頭功能。此方式輪胎在轉(zhuǎn)向過程中不存在橫向摩擦，因此可以在瀝青路面上實(shí)現(xiàn)流暢的原地轉(zhuǎn)向。這種設(shè)計(jì)需要對車輛的傳動(dòng)系統(tǒng)、懸架結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行復(fù)雜的調(diào)整和優(yōu)化。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向，同軸車輪需要反向轉(zhuǎn)動(dòng)，這就需要增加額外的離合器和差速器來控制車輪的動(dòng)力傳輸。
針對無轉(zhuǎn)向系統(tǒng)原地轉(zhuǎn)向模式，對汽車原地轉(zhuǎn)向時(shí)的運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)只要保證四個(gè)車輪中，左側(cè)兩車輪跟右側(cè)兩車輪的輪速相同方向相反，便可以實(shí)現(xiàn)汽車原地掉頭這一功能。于是，為實(shí)現(xiàn)這一功能，通過采用PID控制器計(jì)算扭矩的方法，使得四個(gè)車輪的扭矩不斷增加，直到輪速達(dá)到參考值為止，以此達(dá)到控制目標(biāo)。
車輛通過常規(guī)轉(zhuǎn)向模式能夠完成絕大多數(shù)的轉(zhuǎn)向或掉頭任務(wù)，但是在實(shí)際道路的曲率半徑小于車輛最小轉(zhuǎn)彎半徑時(shí)，由于物理運(yùn)動(dòng)限制，車輛無法完成這類轉(zhuǎn)向任務(wù)。坦克掉頭模式能夠使車輛在某些道路的寬度僅支持車輛單向行駛，且該寬度必須大于前后輪軸距的道路上進(jìn)行掉頭轉(zhuǎn)向動(dòng)作。此模式下，保持每個(gè)輪的轉(zhuǎn)角為零，通過控制系統(tǒng)控制每個(gè)車輪的扭矩，使得左側(cè)車輪的轉(zhuǎn)速與右側(cè)車輪的轉(zhuǎn)速相等，方向相反，以此實(shí)現(xiàn)車輛的原地掉頭。圖1是該模式下的運(yùn)動(dòng)學(xué)簡圖。
圖1 原地掉頭功能示意圖
原地掉頭控制原理
汽車實(shí)現(xiàn)原地掉頭的機(jī)理在于對左、右兩側(cè)車輪的速度控制，控制目標(biāo)是保證左、右輪輪速大小相等，方向相反?？刂品椒ㄊ遣捎每刂破鲗γ總€(gè)車輪進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制，進(jìn)而計(jì)算出每個(gè)輪對應(yīng)的扭矩控制量，單個(gè)計(jì)算周期內(nèi)的扭矩計(jì)算如下：
其中
是PID控制參數(shù)，
是車輪參考速度，
是車輪實(shí)際速度。
CarSim-Simulink聯(lián)合仿真步驟
本文將利用carsim和simulink聯(lián)合仿真，對四個(gè)車輪的輪端扭矩進(jìn)行獨(dú)立解耦控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)車輛原地掉頭功能。
1）配置CarSim中的車輛模型
在進(jìn)入CarSim軟件主頁面時(shí)，操作主頁的狀態(tài)通常如下圖所示：
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