三轴车辆电控液压式全轮转向系统设计与控制

袁 磊，刘西侠，刘维平，金 毅

(装甲兵工程学院 机械工程系，北京 100072)



三轴车辆电控液压式全轮转向系统设计与控制

袁 磊，刘西侠，刘维平，金 毅

(装甲兵工程学院 机械工程系，北京 100072)

针对某型三轴车辆低速机动性不好、高速稳定性差的问题，通过对原车转向助力系统进行深入研究，设计了一套电控液压式全轮转向系统。针对全轮转向系统控制器设计难的问题，建立了车辆三自由度全轮转向数学模型，设计了全轮转向比例前馈和模糊控制反馈控制器。分别选取前轮转角为3°角阶跃输入，车速为20，80 km/h两种转向工况，对全轮转向车辆与原双前桥转向车辆进行对比仿真研究。结果表明：所设计的全轮转向控制器能够改善车辆各状态参数的响应特性，降低车辆侧滑几率，提高车辆低速机动性和高速操纵稳定性。

车辆工程；三轴车辆；全轮转向；数学模型；模糊控制

三轴车辆通常车身较长、质量较大、重心较高，其在狭小空间内调头和转向较为困难[1]。传统的三轴车辆通常采用机械摇臂式双前桥转向机构，该机构稳定、耐用。但低速时不能解决车辆的小半径转向问题，高速时不能保证车辆的操纵稳定性。全轮转向车辆低速转向半径小，高速稳定性好，转向轨迹可控性强，转向响应快，轮胎磨损低，转向效率高[2]。因而，全轮转向系统的研究备受关注，特别是多轴车辆的全轮转向系统。

全轮转向系统的研究主要包括转向系统设计和转向控制算法选取两方面。在全轮转向系统设计方面，通常采用电控液压式或电控电动式两种驱动型式。但对于多轴车辆，由于使用环境恶劣、转向冲击大，通常考虑采用电控液压式。然而，对于多轴车辆电控液压式全轮转向系统设计的研究国内外文献较少。在全轮转向控制算法选取方面，零侧偏角比例控制[3-5]、最优控制[6-7]的研究较多。但这些控制都没有解决控制模型不精确的问题，模糊控制作为一种智能控制算法，对该问题的解决具有较好效果[8-12]。

因此，笔者首先设计了一套电控液压式的全轮转向系统，提出了零侧偏角比例前馈和模糊控制反馈的全轮转向控制策略，并进行了仿真分析，分析结果可为三轴车辆全轮转向系统的开发提供参考。

1 全轮转向系统设计

全轮转向系统总体设计方案如图1。原车为双前桥转向，改装后，车辆中后轴均采用与前轴相同的转向传动机构，同时加装电磁阀和转向助力缸，发动机曲轴直接联结液压泵为助力缸供油。

1—方向盘；2—转向器；3—方向盘转角传感器； 4—位移传感器；5—电磁阀；6—助力缸； 7—车辆状态信息

方向盘转角输入后，经转向传动机构及转向助力缸共同作用，使前轮转向。方向盘转角由方向盘转角传感器实时采集并输入控制单元，控制单元经计算后转化为前轮转角∂1，控制单元还实时接收车速传感器、横摆角速度传感器采集的当前车辆状态信息，转角和车辆状态信息经控制器控制算法计算后，为中、后轴电磁阀发出能够使中后轴车轮转过角度为∂2和∂3的开口信号，以此控制电磁阀开口，进而驱动车轮转过相应角度。

整个车辆控制系统可分为5层结构：第1层手动进行车辆不同转向模式的选择，可选择前两轴转向或全轮转向；第2层由控制单元协调并进行控制算法运算；第3层由控制单元输出电磁阀控制信号驱动助力缸移动；第4层由助力缸驱动摆臂，助力缸动力来源于发动机驱动的液压泵；第5层由转向摇臂通过转向传动机构使车轮转动。

2 全轮转向车辆数学模型

考虑多轴车辆簧载质量侧倾运动对车辆转向的影响，建立包含侧倾自由度的车辆三自由度等效力学模型，如图2。

图2 全轮转向车辆三自由度模型

图2中，Q点为过车辆质心与侧倾轴线的交点，以该点为原点，得到固定于簧载质量的坐标系Q-x′-y′-z′和固定于非簧载质量的坐标系Q-x-y-z。根据拉格朗日方程可推导出车辆三自由度动力学方程，如式(1)：

(1)

式中：m为车辆总质量；ms为车辆簧载质量；e0为车辆簧载质量质心到侧倾轴线的距离；li(i=1～3)为车辆质心到第i轴的距离；di(i=1～3)为单位车身侧倾角引起的第i轴车轮侧向偏移量；Iz为车辆绕z轴的转动惯量；Ix为车身绕x轴的转动惯量；Ixz为车身绕x轴和z轴的惯性积；φ为车身侧倾角；Kφ为车身侧倾角刚度；Cφ为车身侧倾等效阻尼系数；Ki(i=1～3)为等效车轮刚度；vx，vy分别为车辆纵向和侧向速度；wx，wz分别为车辆绕x轴和z轴的角速度。

由式(1)可推导出车辆各主要状态参数的传递函数：

(2)

(3)

(4)

(5)

其中：

wz1=(a12a33+a13a32)g2+(a13a22-a12a23)g3-

(a22a33+a23a32)g1，

wz2=(a12a36+a15a33-a13a35)g2+(a13a25-

a15a23)g3+(a23a35-a25a33-a22a36)g1，

wz3=(a12a37+a15a36)g2-(a22a37-a25a36)g1，

wz4=a15a37g2+a25a37g1，

a12a23a31+ a13a22a31，

a13a24a32+a13a25a31-a14a22a33-a14a23a32-a15a23a31，

n4=a12a15a37-a11a25a37+a12a24a37-a14a22a37-a14a25a36+a15a24a36n5=a15a24a37-a14a25a37，

β1=(a12a33-a23a31)g1+(a11a23-a12a13)g3+

(a13a31-a11a33)g2，

β2=(a12a36+a24a33-a23a34)g1+(a13a34-

a14a33-a11a36)g2+(a14a23-a13a24)g3，

β3=(a12a37+a24a36)g1-(a11a37+a14a36)g2，

β4=a24a37g1-a14a37g2，

wx1=(a12a32+a22a31)g1-(a11a32+a12a31)g2+

wx2=(a22a34+a24a32+a25a31-a12a35)g1+(a11a35-a12a34-a15a31-a14a32)g2+(a12a15+a12a24-a11a25-

a14a22)g3，

wx3=(a25a34-a24a35)g1+(a14a35-a15a34)g2+

(a15a24-a14a25)g3，

φ2=a12a15g3-a12a35g1-a11a25g3+a11a35g2+

a12a24g3-a12a34g2-a14a22g3-a14a32g2-a15a31g2+

a22a34g1+a24a32g1+a25a31g1，

φ3=a14a35g2-a14a25g3+a15a24g3-a15a34g2-

a24a35g1+a25a34g1，

a31=Ixz,a32=mse0u,a33=Ix,a34=mse0u-

3 全轮转向系统控制

考虑到多轴车辆转向行驶过程中，车轮载荷和外界环境的变化都会对车轮刚度产生影响，车辆控制模型很难表达出这种影响，这导致了通常采用的零侧偏角比例控制难以实现预期的控制目标。因此，笔者采用零侧偏角比例前馈和模糊控制反馈的方法对车辆全轮转向进行控制，以达到全轮转向车辆的环境适应能力。

3.1 零侧偏角比例前馈

零侧偏角比例控制以质心零侧偏角为控制目标，由车辆稳态转向二自由度数学模型可得车辆转向中心到第1轴的距离Li：

(6)

假设δi=Kiδ1，由车辆全轮转向阿克曼定理可得车辆各轴车轮转角的转角比例Ki：

(7)

3.2 模糊控制反馈

模糊反馈控制设计主要包含3个方面：输入输出量选择，论域确定，模糊规则确定。为实现质心侧偏角为零的目标，选择质心侧偏角误差e和误差变化率ec为输入变量，后两轴车轮转角比例K1、K2为输出变量。通常质心侧向侧偏角偏差和偏差变化率的范围为[-0.02,0.02]，[-0.3,0.3]；输入输出比例系数范围为[-1,1]，以其变化范围作为模糊控制的基本论域。模糊控制的输入和输出语言均选择7个：负大(NM)、负中(NS)、零(ZO)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)。

模糊规则的确定主要依据以下4点：①当质心侧偏角偏差和偏差变化率符号同为正时，车轮反向偏转，快速向目标转角接近，此时控制K2减小，增加车辆响应速度，同理，当两者符号同为负时，控制K2增大；②当质心侧偏角偏差为0时，偏差变化率为负或为正，则增大或减小K2以消除误差；③当质心侧偏角和偏差变化率符号一正一负时，后轮转角比例K2与误差变化率同号；④当K2增大时，车辆为高速，此时δ1>δ2>δ3，当K2减小时，车辆为低速，此时δ1>δ3>δ2。基于以上分析，可建立K2，K1的模糊规则，如表1、表2。

表1 K2模糊规则

表2 K1模糊规则

3.3 全轮转向车辆仿真分析

分别选取车速为20，80 km/h，前轮转角为3°角阶跃输入，观察车辆质心侧偏角β、横摆角速度ω、车身侧倾角φ、车身侧倾角速度p的变化情况，并与原双前桥转向进行比较。

1)由图3可知：车辆在20，80 km/h时，全轮转向车辆质心侧偏角都基本保持为0，实现了预期的控制目标。同时，当车辆为80 km/h时，双前桥转向车辆质心侧偏角出现了负值，这是由于车速提高后，车辆向心加速度增加，不足转向度减小，车辆中后轴质心侧偏角的绝对值增加，方向为负，进而导致了整车质心侧偏角为负。仿真结果同时表明：模糊控制全轮转向能够抑制整车质心侧偏角的负向变化，减少车辆侧滑几率。

图3 质心侧偏角响应情况对比

2)由图4可知：车辆在20 km/h时，全轮转向车辆横摆角速度较大，有利于车辆的低速机动；而在80 km/h时，全轮转向车辆横摆角速度较小，这使得车辆高速的不足转向度增加，稳定性增强。对于普通双前桥转向车辆，当车速增加后，车辆的横摆角速度也出现了增加的情况，这将极易导致车辆高速侧滑、侧翻状况的出现。

图4 质心横摆角速度响应情况对比

3)由图5可知：车辆在20，80 km/h时，全轮转向车辆和双前桥转向车辆仿真开始5 s后，侧倾角都能基本保持为0，且高速时侧倾角超调量相对较小，进入稳态所需要的时间短，有利于车辆的高速稳定性。80 km/h时，双前桥转向车辆的侧倾角波动较大，达到稳定所需时间长，不利于车辆的高速稳定。

图5 侧倾角响应情况对比

4)由图6可知：车辆在20，80 km/h时，全轮转向车辆的侧倾角速度稳态值都较小，车辆稳定性好。而普通的双前桥转向车辆，始终都保持较大的侧倾角速度，这对于车辆转向行驶是不利的。

图6 侧倾角速度响应情况对比

4 结 语

基于某型三轴车辆底盘，设计了一套电控液压式全轮转向系统，系统以原车结构为基础，对全轮转向系统的实现方案进行了详细阐述。建立了三轴全轮转向车辆数学模型，设计了零侧偏角比例前馈和模糊控制反馈的全轮转向控制器，并进行了对比仿真分析。结果表明：所设计的模糊反馈控制能够降低车辆侧滑几率，提高车辆的低速机动性和高速操纵稳定性。

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Design and Control of Electro-Hydraulic All-Wheel Steering System of Three-Axle Vehicle

Yuan Lei, Liu Xixia, Liu Weiping, Jin Yi

(Department of Mechanical Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China)

Aiming at the problem of bad maneuverability at low speed and poor stability at high speed for an all-wheel steering three-axle vehicle, a set of electric hydraulic all wheel steering system was designed by the study on the steering system of the original vehicle. Aiming at the problem of the design of all-wheel steering controller, the 3-DOF mathematical model was established, the proportional feed forward and fuzzy control feedback controller were designed. The three degree step of front wheel angle was selected at the speed of 20 and 80 km/h, for comparison study on the simulation result for the double front axle steering vehicle and the all-wheel steering vehicle. The results show that the all-wheel steering controller can improve the response characteristics of the vehicle state parameters, reduce the vehicle sideslip rate, and improve the low-speed maneuverability and high-speed handling and stability of vehicle.

vehicle engineering; three-axle vehicle; all-wheel steering; mathematic model; fuzzy control

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.03.28

2014-03-10；

2014-12-01

国家自然科学基金项目(51305457)

袁 磊(1990—)，男，云南宣威人，博士，主要从事车辆总体技术方面的研究。E-mail: yuanlei-scut@outlook.com。

U463.4

A

1674-0696(2015)03-142-04