分布式驅(qū)動電動汽車自動泊車控制與差動補償技術(shù)研究

姚金健 楊瑞恒 陳延展

摘要：本項目通過研究分布式驅(qū)動電動汽車的轉(zhuǎn)矩輸出特性來合理分配汽車的左右轉(zhuǎn)矩差，通過電機向左右兩輪輸出的轉(zhuǎn)矩不同來改變汽車的轉(zhuǎn)彎半徑，達到助力轉(zhuǎn)向的目的。此外，為了實現(xiàn)分布式驅(qū)動電動汽車的自動泊車技術(shù)，車身上所布置的傳感器將對汽車的位置進行實時監(jiān)測，及時將車輛軌跡狀態(tài)反饋到ECU來調(diào)控電機輸出到左右兩輪的轉(zhuǎn)矩，方便對汽車的軌跡進行修正。該技術(shù)對實現(xiàn)汽車泊車快、提高汽車的操穩(wěn)性等目的具有重大意義。

關(guān)鍵詞：分布式驅(qū)動；電動汽車；自動泊車技術(shù)；差動補償技術(shù)

一、引言

汽車是國民經(jīng)濟的重要產(chǎn)業(yè)，作為汽車產(chǎn)銷的大國，我國并非強國，自主產(chǎn)品技術(shù)還很薄弱。我們應(yīng)把握電動汽車發(fā)展的機遇，實現(xiàn)汽車核心技術(shù)的飛躍，達到國際先進水平。而高性能分布式驅(qū)動電動汽車以其獨特的優(yōu)勢（可控自由度多）將會在電動汽車領(lǐng)域內(nèi)占據(jù)一席之地。所謂分布式驅(qū)動電動汽車就是由一組或多組車載動力源，為車輪的驅(qū)動電機提供電源，這樣將單獨可控的驅(qū)動系統(tǒng)分布到各個車輪上的電動汽車。

現(xiàn)代社會汽車的使用已經(jīng)相當(dāng)廣泛，而每一個司機都會面對倒車問題，有經(jīng)驗的司機能夠快速、準(zhǔn)確的將汽車停到指定的位置。然而多數(shù)的司機尤其是一些剛剛考到駕照的新手們尤其對停車的問題十分煩惱。在準(zhǔn)確性和速度之間往往很難同時滿足，設(shè)想如果能有個智能裝置，根據(jù)當(dāng)前的車速和位置能夠自動將車停到合適位置，且又同時滿足快速性和準(zhǔn)確性。本課題正是基于以上的設(shè)想，結(jié)合模糊控制的相關(guān)知識以Matlab為軟件平臺，搭建一個基于Matlab的自動倒車模糊控制系統(tǒng)。

二、分布式驅(qū)動電動汽車建模

模型是連接實際物理系統(tǒng)與計算機的一個重要橋梁。本文通過對分布式驅(qū)動電動汽車動力系統(tǒng)的理解與研究，忽略次要因素，抓住主要特性，用數(shù)學(xué)的方式描述分布式驅(qū)動電動汽車動力系統(tǒng)，建立簡化的模型，用在計算機上進行仿真分析。

2.1 整車模型

本文中的整車模型采用8自由度車輛模型。其建模的原理如圖2.1所示。

（2）汽車的停止模塊。汽車的停止模塊同樣采用的是用戶自定義模塊中的Fcn子模塊。

（3）汽車定位模塊。汽車定位模塊主要是利用了用戶自定義模塊中的Fcn模塊來實現(xiàn)距離函數(shù)。在這個模型中，near和far是2個狀態(tài)反饋控制器，它們分別工作在2個不同的狀態(tài)變量的時候，而模糊控制器在這里如同一個攪拌機使2個狀態(tài)能夠平滑地控制。其中，模塊Truck kinematics為方程組表示的汽車系統(tǒng)模型。并經(jīng)過了封裝；Fuzzy controller模塊表示的是模糊控制器；Animation模塊作為輸出的動畫顯示模塊。

本文中主要是編輯結(jié)果輸出的動畫顯示模塊。動畫的輸出與simulink仿真過程中的時間設(shè)定有關(guān)。Matlab定義的S函數(shù)中，主要用Flag控制標(biāo)簽來實現(xiàn)控制，完成仿真動畫的輸出。

3.2仿真實驗及結(jié)果分析

使用Matlab軟件對模糊控制器進行仿真實驗，檢驗其控制性能。

根據(jù)前文描述的小車動力學(xué)模型，建立“車輛模型”模塊，其輸入量是前輪轉(zhuǎn)向角和運行速度，輸出量是車輛的狀態(tài)（位置和車身偏向角）；“編碼器”和“超聲波傳感器”模塊實現(xiàn)了對真實傳感器的模擬；傳感器的測量結(jié)果經(jīng)過“預(yù)處理” 后，輸入到“控制器”模塊；“控制器”模塊是由fuzzy工具箱建立的模糊控制器，它的隸屬函數(shù)和模糊規(guī)則依照前面的描述進行設(shè)置；“控制器”模塊的輸出量是 前輪轉(zhuǎn)向角的取值，其單位是“角度”，需經(jīng)“單位轉(zhuǎn)換”模塊轉(zhuǎn)換成“弧度”；車輛的轉(zhuǎn)向系用一階系統(tǒng)進行模擬；在仿真過程中，將車輛的狀態(tài)和控制器輸出值實時記錄到數(shù)組中，以方便繪制各種曲線圖。

為了實現(xiàn)基于參考轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩的差動助力轉(zhuǎn)向控制，設(shè)計了基于參考轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩的駕駛員轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩直接控制策略，如圖4.2所示，以實際轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩與參考轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩差為反饋控制變量，利用變積分PID控制輸出左右驅(qū)動輪的驅(qū)動力差，并經(jīng)過差動助力轉(zhuǎn)向控制器進行驅(qū)動力的控制，產(chǎn)生轉(zhuǎn)向力矩，實現(xiàn)轉(zhuǎn)向助力的作用。

五、總結(jié)

本文借用8自由度車輛模型對分布式驅(qū)動電動汽車的自動泊車路徑規(guī)劃，控制策略等方面進行了研究，對基于參考轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩的差動助力轉(zhuǎn)向進行了仿真。有利于解決新手司機面對的泊車不熟練、泊車難等問題，基于參考轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩的差動助力轉(zhuǎn)向則可以在自動泊車的過程中優(yōu)化轉(zhuǎn)向助力，綜合提高汽車泊車時的操縱穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向輕便性。

參考文獻

[1] 電動四輪轉(zhuǎn)向汽車電子差速問題研究 王智晶 《北京汽車》，2010-06-25.

（作者單位：江蘇大學(xué)）