近年來隨著汽車行業(yè)的發(fā)展，車輛在各行各業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。越野車因為其良好的通過性也被應(yīng)用到更多的場景，越野車的主要工作環(huán)境為非鋪裝路面等惡劣工況。在越野車中，多軸車輛的通過性較好，一般車軸在三軸及以上車輛被稱為多軸車輛。多軸車輛具有軸距長、質(zhì)量大、質(zhì)心高等特點。這就會導(dǎo)致車輛存在低速轉(zhuǎn)向時轉(zhuǎn)向半徑大、靈活性差、輪胎磨損嚴重等問題。

基于多軸車輛存在的問題，全輪轉(zhuǎn)向技術(shù)應(yīng)運而生。全輪轉(zhuǎn)向即車輛所有車輪均參與轉(zhuǎn)向，為保證更佳的轉(zhuǎn)向性能其一般擁有多種轉(zhuǎn)向模式。分布式的線控全輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（6WS）能夠?qū)崿F(xiàn)六個車輪獨立轉(zhuǎn)向，使全輪轉(zhuǎn)向的功能變得更豐富，本文針對6輪獨立全輪轉(zhuǎn)向車輛的轉(zhuǎn)向運動特性進行簡要分析，并介紹全輪主動轉(zhuǎn)向的控制方法。

圖1 車輛二自由度模型

使用如下車輛二自由度模型：

對于三軸車輛，在假設(shè)第一軸轉(zhuǎn)角已知的情況下，第二、三軸轉(zhuǎn)角應(yīng)滿足以下關(guān)系：

令角傳動比系數(shù)：

       （1）

       （2）

式中表示轉(zhuǎn)向中心到第軸到的距離；表示第二軸到第一軸的距離；表示第三軸到第一軸的距離。

由第二、三軸與第一軸的轉(zhuǎn)角比例系數(shù)表達式可知，若計算、，首先得到轉(zhuǎn)向中心到前軸距離的表達式，令車輛的質(zhì)心側(cè)偏角，質(zhì)心側(cè)偏角速度，車輛在穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向時橫擺角加速度滿足。由多軸車輛在轉(zhuǎn)向時的平衡態(tài)可得如下條件：

                       （3）

                     （4）

將式(5)、(6)代入車輛的二自由度動力學(xué)模型中可解得：

在各轉(zhuǎn)角比例系數(shù)確定的情況下，每個前輪轉(zhuǎn)角都對應(yīng)一個轉(zhuǎn)彎半徑，由圖1中幾何關(guān)系可得知轉(zhuǎn)彎半徑與前輪轉(zhuǎn)角有如下關(guān)系：

在求解出后，代入（1）、（2）式解得、，進一步的，根據(jù)式（4）求出和。根據(jù)阿克曼轉(zhuǎn)向幾何解耦到每個車輪的轉(zhuǎn)角，運動學(xué)關(guān)系如下：

其中，tw表示輪距。在求解出后，可得L2和L3為

考慮不同速度下的前輪轉(zhuǎn)角值最大值，方向盤轉(zhuǎn)角與前輪轉(zhuǎn)角對應(yīng)關(guān)系滿足：

           （5）

其中，是方向盤轉(zhuǎn)角（定義為-1到1的百分比范圍），是前輪轉(zhuǎn)角，Df是模擬的由變角傳動比系數(shù)和車輛安全性決定的極限前輪轉(zhuǎn)角，做成S曲線的形式可兼顧低速中心區(qū)性能與高速穩(wěn)定性能。

根據(jù)車輛穩(wěn)定性，縱向速度與橫擺角速度需滿足以下約束條件：

進一步簡寫成前輪轉(zhuǎn)角大小和縱向速度的約束關(guān)系：

做近似取值，上式可寫為：

令不同速度下的極限轉(zhuǎn)角為：

其中，表示在某個速度下方向盤打滿時前輪能轉(zhuǎn)動的最大角度；是安全系數(shù)；是冗余因數(shù)，可構(gòu)造一個極限角度的軟保護功能，以防止該轉(zhuǎn)角Df達到其物理極限值。

同理針對倒擋時，還可推得以后軸車輪轉(zhuǎn)角作為輸入時轉(zhuǎn)角約束條件：

令極限轉(zhuǎn)角為：

則方向盤轉(zhuǎn)角與后輪轉(zhuǎn)角對應(yīng)關(guān)系滿足：

在人工駕駛的情況下，只要輸入方向盤轉(zhuǎn)角，由式（5）即可求得當前方向盤轉(zhuǎn)角對應(yīng)下的前軸車輪轉(zhuǎn)角值，再由式（1）和式（2）即可求得后兩軸車輪轉(zhuǎn)角。

4.1最小轉(zhuǎn)彎半徑

對于常規(guī)模式下，設(shè)車輛前輪的最大轉(zhuǎn)角為45°，由轉(zhuǎn)向幾何關(guān)系，可得此時的轉(zhuǎn)彎半徑=旋轉(zhuǎn)中心到前軸的距離。車輛最小轉(zhuǎn)彎半徑與車速的關(guān)系如下圖所示，橫坐標表示車輛縱向速度，縱坐標表示轉(zhuǎn)彎半徑。

圖2 不同車速下的最小轉(zhuǎn)彎半徑

通常過彎時的速度都比較小，以5m/s為例，常規(guī)轉(zhuǎn)向模式下車輛的轉(zhuǎn)彎半徑在2.1m-2.2m左右。若以車輛幾何中心為轉(zhuǎn)向時的旋轉(zhuǎn)中心，則前后輪可同時達到極限值，并且此時中軸保持0轉(zhuǎn)角，如下圖所示。此模式下前輪跟后輪同時達到最大轉(zhuǎn)角45°，根據(jù)幾何關(guān)系可得：

此時最小轉(zhuǎn)彎半徑即為。

圖3 最小轉(zhuǎn)彎半徑模式

規(guī)定當轉(zhuǎn)彎半徑處于1.58m-2.1m之間時，轉(zhuǎn)向模式切換為最小轉(zhuǎn)彎模式，且切換時機只能是在低速行駛階段，不能在車輛高速行駛途中切換至最小轉(zhuǎn)彎模式，其余場景下均使用常規(guī)轉(zhuǎn)向模式。

4.2自動駕駛方案

在最小轉(zhuǎn)彎模式下，由于中軸轉(zhuǎn)角保持為零，車輛的旋轉(zhuǎn)中心位于中軸延長線上，此時前輪轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)彎半徑有如下關(guān)系：

因為等軸距的設(shè)計方案，后輪轉(zhuǎn)角與前輪轉(zhuǎn)角相等方向相反，可表示為，而中軸不作轉(zhuǎn)角控制，保持在零位，即。但是需要注意，中軸左右的輪速需要做電子差速控制。

4.3人工駕駛方案

人工駕駛方案較自動駕駛方案的不同在于，輸入變?yōu)榉较虮P轉(zhuǎn)角，前輪轉(zhuǎn)角的值由方向盤轉(zhuǎn)角映射得到，前輪轉(zhuǎn)角滿足：

經(jīng)過計算得到前輪轉(zhuǎn)角后，采用與前文一樣的方法便可求得后輪轉(zhuǎn)角。

根據(jù)車輛二自由度動力學(xué)模型中、，則三軸二自由度全軸轉(zhuǎn)向模型的平衡點滿足如下表達式：

將式（4）代入得：

進一步解得車輛穩(wěn)態(tài)橫擺增益為: