專利名稱：多軸轉(zhuǎn)向車輛的轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)和控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于多軸轉(zhuǎn)向車輛的轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)和控制方法。

背景技術(shù)：
隨著多軸轉(zhuǎn)向車輛的出現(xiàn)，對(duì)于多軸轉(zhuǎn)向車輛的控制系統(tǒng)和控制方法的研究還不夠完善。國(guó)內(nèi)對(duì)于多軸轉(zhuǎn)向的研究還剛剛起步。某些多軸轉(zhuǎn)向車輛采用液壓助力轉(zhuǎn)向，每個(gè)車輪的轉(zhuǎn)角通過(guò)轉(zhuǎn)向桿系來(lái)協(xié)調(diào)，采用此種方式，往往造成某些轉(zhuǎn)向桿系受力過(guò)大，車輪在轉(zhuǎn)向和復(fù)雜工況下難以保證所有車輪處于純滾動(dòng)狀態(tài)，車輪轉(zhuǎn)向出現(xiàn)側(cè)滑，輪胎磨損較嚴(yán)重，造成車輛使用成本高。對(duì)于電控轉(zhuǎn)向，由于控制系統(tǒng)要控制車輪較多，控制算法較難實(shí)現(xiàn)。電控轉(zhuǎn)向在多軸轉(zhuǎn)向車輛上應(yīng)用較少。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種控制可滿足多軸轉(zhuǎn)向車輛的轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)和控制方法，將多軸轉(zhuǎn)向車輛和兩軸轉(zhuǎn)向車輛控制操縱模型統(tǒng)一起來(lái)，使多軸轉(zhuǎn)向車輛的轉(zhuǎn)向控制算法較易實(shí)現(xiàn)，解決輪胎在轉(zhuǎn)向過(guò)程中因側(cè)滑而造成的磨損，降低車輛的使用成本。
本發(fā)明的具體方案是一種多軸轉(zhuǎn)向車輛的轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)，主要由控制部分和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，所說(shuō)的控制部分包括相互連接的主控制器和輔助控制器，裝在車身上的車身狀態(tài)傳感器與主控制器連接，其信號(hào)輸入給主控制器，在轉(zhuǎn)向油缸與主控制器和輔助控制器之間連接有電磁比例閥組，主控制器和輔助控制器通過(guò)控制電磁比例閥組控制轉(zhuǎn)向油缸實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，車橋上裝有向控制器輸入反饋信號(hào)的車輪轉(zhuǎn)角傳感器，其中一個(gè)車輪轉(zhuǎn)角傳感器與主控制器連接，其它車輪轉(zhuǎn)角傳感器與輔助控制器連接，方向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器分別與主控制器和輔助控制器連接。
多軸車輛前軸車輪由方向盤(pán)通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)裝置直接控制，所說(shuō)的主控制器控制其余車軸中的一個(gè)車軸車輪的轉(zhuǎn)角；其它車軸車輪由輔助控制器控制。
對(duì)多軸轉(zhuǎn)向車輛操縱模型進(jìn)行轉(zhuǎn)化處理，使兩軸轉(zhuǎn)向車輛控制算法也適用于多軸轉(zhuǎn)向車輛，采用線性二自由度模型，則處理之后的自由度模型為 車輛行駛方向?yàn)閤軸正方向，垂直地面向上方向?yàn)閦軸正方向，y軸方向根據(jù)右手定則確定；m為車輛的總質(zhì)量；δi為i軸車輪的轉(zhuǎn)角；u、V為車輛質(zhì)心速度在x、y軸的分量；Ci為i軸的綜合側(cè)偏剛度；ωr為車輛繞z軸的角速度；β為質(zhì)心處的側(cè)偏角；IZ為車輛繞z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Li為i軸到車輛質(zhì)心的距離； 采用線性三自由度模型則轉(zhuǎn)化后的模型為 mb為車身的質(zhì)量；mi為第i個(gè)車軸的質(zhì)量；Ixzb為車身繞側(cè)傾中心x軸和z軸的慣性積；Izb為車身繞側(cè)傾中心z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Izq為各橋繞側(cè)傾中心z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之和；Li第i軸到車身質(zhì)心的距離；Ixb為車身繞側(cè)傾中心x軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；di為車身側(cè)傾引起的第i軸車輪側(cè)向偏移量；hb為車身質(zhì)心到側(cè)傾軸線的高度；Kφ為車輛側(cè)傾剛度；p為車身的側(cè)傾角速度；φ為車身的側(cè)傾角。
所述的多軸轉(zhuǎn)向車輛的轉(zhuǎn)向控制方法處理后的多軸轉(zhuǎn)向車輛操縱模型等同于兩軸車輛的操縱模型；將多軸轉(zhuǎn)向車輛的操縱模型和兩軸車輛的操縱模型統(tǒng)一起來(lái)。
本發(fā)明有益效果采用此控制系統(tǒng)和控制方法，兩軸轉(zhuǎn)向車輛控制算法有些可以應(yīng)用于多軸轉(zhuǎn)向車輛，提高了兩軸車輛控制算法的通用性；控制系統(tǒng)和控制方法較易實(shí)現(xiàn)；減小了多軸轉(zhuǎn)向車輛在轉(zhuǎn)向過(guò)程中車輪的側(cè)滑，降低了輪胎的磨損。



圖1為多軸轉(zhuǎn)向車輛線性二自由度模型圖； 圖2為多軸轉(zhuǎn)向車輛線性三自由度模型圖； 圖3為多軸轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)示意圖。
圖中車輛行駛方向?yàn)閤軸正方向，垂直地面向上方向?yàn)閦軸正方向，y軸方向根據(jù)右手定則確定。δi為i軸車輪的轉(zhuǎn)角；αi為第i軸車輪的側(cè)偏角；Vi為第i軸車輪運(yùn)動(dòng)方向；u、V為車輛質(zhì)心速度在x、y軸的分量；ωr為車輛繞z軸的角速度；β質(zhì)心處的側(cè)偏角；Li為i軸到車輛質(zhì)心的距離。O為車輛的質(zhì)心位置；O′為轉(zhuǎn)向中心在x軸上的投影。

具體實(shí)施例方式 下面結(jié)合附圖所示實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的具體內(nèi)容。
本發(fā)明提供的多軸轉(zhuǎn)向車輛的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)包括控制部分和執(zhí)行部分?？刂撇糠钟职ㄖ骺刂破骱洼o助控制器。在車身裝有狀態(tài)傳感器(如橫擺角速度傳感器等)信號(hào)輸入主控制器。多軸轉(zhuǎn)向車輛前輪的轉(zhuǎn)角一般由方向盤(pán)通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)裝置控制，主控制器通過(guò)控制算法只控制一個(gè)軸車輪的轉(zhuǎn)角。輔助控制器則控制其它車軸車輪的轉(zhuǎn)角，保證車輪在轉(zhuǎn)向過(guò)程中做純滾動(dòng)，無(wú)側(cè)滑，降低輪胎的磨損。
執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要有轉(zhuǎn)向油缸、電磁比例閥組和車輪轉(zhuǎn)角傳感器。電磁比例閥根據(jù)主控制器和輔控制器的信號(hào)來(lái)控制液壓缸的行程來(lái)控制車輪的轉(zhuǎn)角。車輪轉(zhuǎn)角傳感器信號(hào)反饋到各自控制器，提高了控制系統(tǒng)的精度。
本發(fā)明提供的控制方法是對(duì)多軸轉(zhuǎn)向車輛操縱模型進(jìn)行轉(zhuǎn)化，將多軸轉(zhuǎn)向車輛和兩軸轉(zhuǎn)向車輛的操縱模型統(tǒng)一起來(lái)，使兩軸轉(zhuǎn)向車輛控制算法也適用于多軸轉(zhuǎn)向車輛，提高了控制算法的通用性。
對(duì)于多軸轉(zhuǎn)向車輛，如果采用兩自由度操縱模型，一般的多軸車輛線性二自由度操縱模型為 如圖1所示，車輛行駛方向?yàn)閤軸正方向，垂直地面向上方向?yàn)閦軸正方向，y軸方向根據(jù)右手定則確定。m為車輛的總質(zhì)量；δi為i軸車輪的轉(zhuǎn)角；u、V為車輛質(zhì)心速度在x、y軸的分量；Ci為i軸的綜合側(cè)偏剛度；ωr為車輛繞z軸的角速度；β質(zhì)心處的側(cè)偏角；IZ為車輛繞z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Li為i軸到車輛質(zhì)心的距離。
如果車軸q車輪轉(zhuǎn)角δq和車軸m上的車輪轉(zhuǎn)角δm已知，則車輛的轉(zhuǎn)向中心已知。
為保證車輪作純滾動(dòng)，則需要保證車軸i上的車輪轉(zhuǎn)角δi與車輪轉(zhuǎn)角δq和δm的關(guān)系為 多軸轉(zhuǎn)向車輛車輪的轉(zhuǎn)角較小， 因此得到新的二自由度操縱模型為 本發(fā)明中也提出了多軸轉(zhuǎn)向車輛三自由度操縱模型，一般的線性三自由度操縱模型為 其中x＝[p φ ωr β]T； mb為車身的質(zhì)量；mi為第i個(gè)車軸的質(zhì)量；Ixzb為車身繞側(cè)傾中心x軸和z軸的慣性積；Izb為車身繞側(cè)傾中心z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Izq為各橋繞側(cè)傾中心z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之和；Li第i軸到車身質(zhì)心的距離；Ixb為車身繞側(cè)傾中心x軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；di為車身側(cè)傾引起的第i軸車輪側(cè)向偏移量；hb為車身質(zhì)心到側(cè)傾軸線的高度；Kφ為車輛側(cè)傾剛度；p為車身的側(cè)傾角速度；φ為車身的側(cè)傾角。
同樣采用二自由度操縱模型變換的方法得到新的三自由度操縱模型為 從上可以看出，對(duì)于多軸轉(zhuǎn)向車輛操縱模型，由多軸車輛的任意兩個(gè)車軸車輪的轉(zhuǎn)角就可以控制其它車軸車輪的轉(zhuǎn)角，把多軸轉(zhuǎn)向車輛和兩軸車輛操縱模型統(tǒng)一起來(lái)。兩軸轉(zhuǎn)向車輛的轉(zhuǎn)向控制算法可以用于多軸車輛，提高了有些控制算法的通用性。
此多軸轉(zhuǎn)向車輛轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)向控制部分和轉(zhuǎn)向執(zhí)行部分。控制部分有兩個(gè)控制器所構(gòu)成?？刂破鲀?nèi)包括控制程序，主控制器的控制程序根據(jù)操縱模型和所選擇的控制算法來(lái)編寫(xiě)。輔助控制器的核心是多軸轉(zhuǎn)向車輛車輪的轉(zhuǎn)角較小，取其中δi第i軸車輪的轉(zhuǎn)角，Li第i軸到車輛質(zhì)心的距離。
在一般多軸轉(zhuǎn)向車輛中，前輪的轉(zhuǎn)角直接由方向盤(pán)通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)裝置直接控制，如圖3所示，在主控制器中，根據(jù)方向盤(pán)轉(zhuǎn)角、車輛反饋的狀態(tài)和操縱模型，選用相應(yīng)的控制算法，將編寫(xiě)的程序?qū)懭胫骺刂破鱽?lái)控制另一軸車輪的轉(zhuǎn)角。
轉(zhuǎn)向輔助控制器接收到方向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器和主控制器的信號(hào)后經(jīng)過(guò)計(jì)算得到除前軸車輪和主控制器控制的車軸車輪外的其他車輪的轉(zhuǎn)角信號(hào)；電液比例閥組接收到車輪轉(zhuǎn)角信號(hào)后來(lái)控制各個(gè)橋的轉(zhuǎn)向油缸來(lái)實(shí)現(xiàn)車輪轉(zhuǎn)向。
權(quán)利要求
1、一種多軸轉(zhuǎn)向車輛的轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)，主要由控制部分和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，其特征在于所說(shuō)的控制部分包括相互連接的主控制器和輔助控制器，裝在車身上的車身狀態(tài)傳感器與主控制器連接，其信號(hào)輸入給主控制器，在轉(zhuǎn)向油缸與主控制器和輔助控制器之間連接有電磁比例閥組，主控制器和輔助控制器通過(guò)控制電磁比例閥組控制轉(zhuǎn)向油缸實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，車橋上裝有向控制器輸入反饋信號(hào)的車輪轉(zhuǎn)角傳感器，其中一個(gè)車輪轉(zhuǎn)角傳感器與主控制器連接，其它車輪轉(zhuǎn)角傳感器與輔助控制器連接，方向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器分別與主控制器和輔助控制器連接。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的多軸轉(zhuǎn)向車輛的轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)，其特征在于多軸車輛前軸車輪由方向盤(pán)通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)裝置直接控制，所說(shuō)的主控制器控制其余車軸中的一個(gè)車軸車輪的轉(zhuǎn)角；其它車軸車輪由輔助控制器控制。
3、一種用于權(quán)利要求1所述的多軸轉(zhuǎn)向車輛的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制方法，其特征在于對(duì)多軸轉(zhuǎn)向車輛操縱模型進(jìn)行轉(zhuǎn)化處理，使兩軸轉(zhuǎn)向車輛控制算法也適用于多軸轉(zhuǎn)向車輛，采用線性二自由度模型，則處理之后的自由度模型為
車輛行駛方向?yàn)閤軸正方向，垂直地面向上方向?yàn)閦軸正方向，y軸方向根據(jù)右手定則確定；m為車輛的總質(zhì)量；δi為i軸車輪的轉(zhuǎn)角；u、V為車輛質(zhì)心速度在x、y軸的分量；Ci為i軸的綜合側(cè)偏剛度；ωr為車輛繞z軸的角速度；β為質(zhì)心處的側(cè)偏角；IZ為車輛繞z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Li為i軸到車輛質(zhì)心的距離；
采用線性三自由度模型則轉(zhuǎn)化后的模型為
mb為車身的質(zhì)量；mi為第i個(gè)車軸的質(zhì)量；Ixzb為車身繞側(cè)傾中心x軸和z軸的慣性積；Izb為車身繞側(cè)傾中心z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Izq為各橋繞側(cè)傾中心z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之和；Li第i軸到車身質(zhì)心的距離；Ixb為車身繞側(cè)傾中心x軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；di為車身側(cè)傾引起的第i軸車輪側(cè)向偏移量；hb為車身質(zhì)心到側(cè)傾軸線的高度；Kφ為車輛側(cè)傾剛度；p為車身的側(cè)傾角速度；φ為車身的側(cè)傾角。
4、根據(jù)權(quán)利要求3所述的多軸轉(zhuǎn)向車輛的轉(zhuǎn)向控制方法，其特征在于處理后的多軸轉(zhuǎn)向車輛操縱模型等同于兩軸車輛的操縱模型；將多軸轉(zhuǎn)向車輛的操縱模型和兩軸車輛的操縱模型統(tǒng)一起來(lái)。
全文摘要
多軸轉(zhuǎn)向車輛的轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)和控制方法涉及一種多軸車輛新的轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)和控制方法。控制系統(tǒng)包括控制部分和執(zhí)行部分。車輛的前輪由方向盤(pán)通過(guò)機(jī)械裝置控制，主控制器只控制另一軸車輪的轉(zhuǎn)角。輔助控制器控制其它車軸車輪的轉(zhuǎn)角。除前軸車輪外，其它車軸車輪都安裝轉(zhuǎn)角傳感器，實(shí)現(xiàn)反饋控制。控制器通過(guò)控制電磁比例閥組來(lái)控制轉(zhuǎn)向油缸來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。控制方法，是對(duì)多軸轉(zhuǎn)向車輛操縱模型進(jìn)行轉(zhuǎn)化處理，處理之后的模型只需對(duì)任兩個(gè)車軸車輪的轉(zhuǎn)角進(jìn)行控制就能實(shí)現(xiàn)對(duì)整車的控制。本發(fā)明解決了將多軸和兩軸轉(zhuǎn)向車輛控制操縱模型統(tǒng)一起來(lái)，使多軸轉(zhuǎn)向車輛的轉(zhuǎn)向控制算法較易實(shí)現(xiàn)，解決輪胎在轉(zhuǎn)向過(guò)程中因側(cè)滑而造成的磨損，降低車輛的使用成本。
文檔編號(hào)B62D6/00GK101293533SQ20081005070
公開(kāi)日2008年10月29日 申請(qǐng)日期2008年5月12日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月12日
發(fā)明者張小江, 高秀華, 李炎亮, 王云超 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)