四轮独立驱动—独立转向电动车辆动力学控制现状

四轮独立驱动—独立转向电动车辆动力学控制现状

作者：来鑫陈辛波方淑德谢万军

来源：《河北科技大学学报》2016年第04期

摘要：四轮独立驱动-独立转向（4WID-4WIS）电动车辆除具有分布式驱动电动车辆传动链短、传动高效、结构紧凑的优点外，车辆的机动性及可操控性更高。通过对4WID-4WIS车辆的运动学及动力学控制展开论述，提炼了相关研究的热点与难点：在车辆控制系统构架上广泛采用分布式网络控制系统，非理想网络下的控制实时性、可靠性问题是研究的难点，动力学

分层控制方法是研究的热点；在车辆动力学控制方法上，主要研究集中在基于一个或多个优化目标的转矩分配方法，协调多个控制目标的集成控制成为重要的研究方向；为了解决4WID-

4WIS车辆转向模式停车切换的问题，基于该车辆的控制自由度冗余对转向模式动态切换方法的研究成为一个新的研究方向。

关键词：车辆工程；4WID-4WIS电动车辆；动力学控制；转向模式动态切换；集成控制；网络控制

中图分类号：U469.72文献标志码：A

文章编号：1008-1542（2016）04-0322-07

Abstract：The four-wheel independent drive and four-wheel independent steering （4WID-

4WIS） vehicle has the advantages of short transmission chain， high efficiency， compact structure， and high maneuverability. The kinematics and dynamic control of the 4WID-4WIS vehicle are discussed， then key and difficult problems are refined. The distributed network control system is widely used in the vehicle control system， so that real-time and reliable control under non-ideal network is the research challenges， and hierarchical control method is a hot research topic. For the vehicle dynamics control method， the main research focuses on torque distribution method under one or more optimization objectives， and integrated control which harmonizes multi control subjects has become an important research direction. In order to solve the problem of steering mode static switching of the 4WID-4WIS vehicle， the study on the dynamic switching method based on redundant control degree of freedom is a new research direction.

Keywords：vehicle engineering； 4WID-4WIS electric vehicle； dynamics control； dynamic switching of steering mode； integrated control； network control

随着日益严峻的能源短缺、大气污染、交通事故等问题的产生，发展电动汽车已成为体现能源安全、可持续发展和自主创新的国家战略需求。近年来，在诸如高性能分布式驱动电动汽车关键基础问题研究及轮边电驱动系统关键零部件及其底盘应用技术研究等项目的资助下，对分布式驱动电动汽车高效节能、高速安全以及高度便捷相关的基础科学问题及关键零部件进行了研究[1-3]。分布式驱动电动车辆的主要特征是将驱动电机分散布置在驱动轮内或附近，具有传动链短、传动效率高、结构紧凑等优点，通过冗余可控自由度的协调控制来分配与优化驱动力与制动力，能极大地提高车辆能耗、主动安全性等性能，成为未来电动车辆重要的发展方向，受到国内外研究人员的高度重视与关注。四轮独立驱动（four wheel independent drive，

4WID）电动车辆是典型的分布式驱动电动车辆，在4WID车辆上进一步引入四轮独立转向技术，形成了四轮独立驱动-独立转向（4WID-4WIS）车辆这一新型车辆架构，该车辆除继承了分布式驱动电动车辆的优点外，冗余可控自由度更大，车辆的机动性及可操纵性更高，可实现前轮转向、后轮转向、四轮转向、任意点转向、原地转向、直行、斜行、蟹行等多种转向模

式，广泛应用于工业、农业、军事、宇宙探索等多个领域[1，4-5]，具有广阔的应用前景，成为车辆领域的研究热点。

4WID-4WIS车辆具有冗余的控制自由度，目前对于该车辆的运动学及动力学控制主要集中在：利用冗余控制自由度，基于车辆运动学与动力学，且通过恰当的协调控制实现车辆的机动性、动力性、安全性、稳定性和经济性等。本文通过综述国内外关于4WID-4WIS车辆运动学及动力学的控制现状，提炼热点及难点问题，并对4WID-4WIS车辆转向模式的动态切换方法研究进行论述及展望。

1网络化的控制系统结构

4WID-4WIS车辆所有车轮均可独立地驱动、制动及转向，取消各车轮之间的机械约束关系，执行器数量明显多于车辆姿态被控物理量，具有多个控制自由度冗余（冗余度为2n-3，n 为车轮个数，n≥3）[5]，给整车运动学及动力学控制带来高度灵活性的同时，也带来各车轮运动控制的实时性、协调性及可靠性问题，因此对控制系统提出了更高要求。目前常采用的是分布式网络控制形式，其结构如图1所示。主控制器实时对各车轮的运动进行计算与优化，并将控制信号发送到车载网络上，各转向控制器与驱动控制器接收主控制器的信号实施闭环控制，同时将各车轮的运动状态通过网络发送给主控制器。这种网络控制架构具有信息集中、控制分散、扩展方便等特点，在四轮独立驱动/转向车辆中得到广泛应用。目前，对于4WID-4WIS车辆网络控制系统的研究重点主要集中在：1）网络方式的研究，目前应用较多的是CAN网络[6-7]、TTCAN网络[8]及FlexRay网络[9]，其中TTCAN与FlexRay为时间触发网络，与事件触发的传统CAN网络相比较，实时性及可靠性高，适合大负载、高实时性的网络控制需求；2）延时、丢包等非理想网络环境下控制策略与算法研究，文献[10]提出了一种基于网络预测直接横摆转矩的控制算法，对网络故障带来的不利影响进行有效补偿；3）分布式网络控制环境下车辆的动力学控制方法研究，目前主要采用分层控制结构，文献[11]采用了两层控制系统，上层为车辆动力学控制层，下层为车辆运动状态计算及控制层。文献[12]采用三层控制结构，上层控制器结合车辆动力学设计了滑模横摆力矩观测器，中层控制器进行各车轮转矩及转向角的优化与分配，下层控制器负责驱动电机与转向电机的控制。研究分层网络结构下车辆的动力学控制策略与算法是目前的研究热点。

2 4WID-4WIS电动车辆的控制策略与方法

2.14WID电动车辆的动力学控制方法4WID电动车辆将驱动电机分散到各个车轮，这种分布式驱动的结构给车辆的动力学控制带来了很大的便利。作为一个冗余控制系统，在满足基本的动力学要求的情况下，4个车轮的转矩分配具有多种可能。目前国内外的研究重点与热点主要表现在如下方面。

1）各车轮驱动力矩的分配与优化