四轮驱动电动轮汽车主动变道系统的转矩分配研究

段婷婷 吕冬慧 姜绍忠

摘 要：基于电动轮汽车主动变道的安全性和整车的稳定性，考虑前轮驱动力对整车横摆力矩的影响，以横摆角速度和质心侧偏角为整车状态参量，采用基于模糊推理的控制方法对电动轮汽车的操纵稳定性进行调节，在此基础上对电动轮汽车主动变道的驱动转矩进行分配，并通过Carsim和Matlab/Simulink的联合仿真平台，验证该控制策略的可行性，为电动轮汽车自动驾驶的转矩分配开发奠定基础。

关键词：前轮驱动力;状态参量;模糊推理;转矩分配

伴随着自动驾驶产业和智能网联技术的不断革新，汽车行业对于电动汽车主动变道系统和智能驾驶系统的研究越来越多[1]，而电动轮汽车主要依据轮毂电机和电控系统来实现整车的运行，其响应速度和精准度更高，整车力矩分配的实时性高，是未来智能驾驶的发展方向[2]。

基于世界能源的危机性和环境保护的紧迫性，考虑到四轮独立驱动电动轮汽车的优点，国内外研究机构对四轮独立驱动电动轮汽车的主动变道系统的研究较为关注。智能驾驶的关键技术主要有环境感知、汽车行驶的轨迹规划、整车的稳定性控制和整车转向和制动的协调控制等方面，而电动轮汽车具有四轮独立可控的优点，更有利于智能驾驶智能网联的实现[3]。

目前，国内外对电动轮汽车的研究热点转矩协调和稳定性控制等问题上，对电动轮汽车智能驾驶的协调方面的研究刚刚开始。陈文韬等人使用多种控制方式对汽车的ACC进行控制仿真，设计出较为适合智能驾驶车辆的基于模糊推理控制的ACC控制器[4]。江庆坤等人通过分析智能驾驶汽车在常见道路上的避障风险和轨迹规划，采用模型预测和驾驶员预瞄相结合，提高形式的安全性[5]。

1 动力学模型

1.1 整车模型

2 控制策略

为保障汽车电动轮汽车主动变道的安全性和整车的稳定性，汽车主动变道系统的转矩分配策略应满足行车轨迹精准跟踪、稳定性目标控制良好、有效抵抗各种不确定干扰、对模型的不确定性具有良好的鲁棒性等特点。

2.1 左右驱动力矩对横摆力矩的影响

整车在运行过程中，四个车轮的运动彼此独立又相互耦合，即转矩分配系数的大小影响横摆力矩，继而左右着整车横向的稳定性。假定整车左转避障状态，不同附着系数下，前轮驱動力矩与横摆力矩的关系如图所示前轮驱动力的大小可以对整车不足转向或过多转向的特性起矫正作用[6]。

2.2 模糊推理控制器

基于汽车在变道时工况的不确定性，无法精确其条件量，故采用模糊推理的方式来横摆力矩分配系数值来控制整车，模糊推理的原则是通过逻辑规则和模糊集合建立数学模型。本项目通过设定γd和βd为输入量，依据图1和图2所示的驱动力与横摆力矩的关系将横摆力矩分配系数进行规则化[6]。

通过对γd和βd进行模糊推理后得到横摆力矩分配隶属度函数值，其三维视图如图3。

3 控制结果及分析

为验证模糊推理控制器的转矩分配策略的可行性，本文对整车在主动变道工况下的稳定性进行在线仿真验证。假设车速为30km/h，整车在行驶30s时对前方障碍物紧急避障，仿真结果如图4和图5所示。根据仿真结果可以看出，基于模糊推理控制的横摆角速度和质心侧偏角，其振荡幅值较小，能快速收敛，跟踪效果更为理想。

4 结论

本项目在研究模糊推理原则的基础上，考虑前轮驱动力对整车横摆力矩的影响，以横摆角速度和质心侧偏角为整车状态参量对整车主动变道工况下横摆力矩进行分配，保证电动轮汽车主动变道的安全性和整车的稳定性，通过对系统的联合仿真平台，验证该控制策略的可行性，为电动轮汽车的主动安全乃至自动驾驶的开发提供理论基础。

参考文献：

[1]赵臻.基于电子信息与智能化技术在汽车中的运用分析[J].内燃机与配件，2019（16）：236-237.

[2]Yu Z，Hui C，Waslander S L，et al.Hybrid trajectory planning for autonomous driving in highly constrained environments[J].IEEE Access，2018，6：32800-32819.

[3]李印祥.汽车主动制动/转向避障控制系统研究[D].合肥工业大学，2018.

[4]陈文韬，刘志斌，丁嘉浩，姚森.汽车纵向主动避障系统研究[J].时代汽车，2017（10）：71-72.

[5]江庆坤.智能汽车避障危险评估和轨迹规划研究[D].吉林大学，2016.

[6]段婷婷.四轮独立驱动电动轮汽车驱动转矩协调分配研究[D].南京航空航天大学，2015.

基金项目：天津市自然科学基金项目19JCTPJC45000;天津中德应用技术大学科研基金项目（zdkt2018-010）

作者简介：段婷婷（1990—），女，初级。