無(wú)人地面車(chē)輛電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能

黃倫明，楊 華，麻玉川，葉 敏

(1.中國(guó)人民解放軍32184部隊(duì)， 北京 100071；2.長(zhǎng)安大學(xué) 公路養(yǎng)護(hù)裝備國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室， 西安 710064)

0 引言

作為新型作戰(zhàn)力量的無(wú)人地面車(chē)輛對(duì)未來(lái)陸戰(zhàn)形態(tài)影響深遠(yuǎn)。無(wú)人地面車(chē)輛是機(jī)械化、信息化和智能化高度融合的機(jī)動(dòng)作戰(zhàn)平臺(tái)，在危險(xiǎn)(恐怖活動(dòng)、地震現(xiàn)場(chǎng))、有害(火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)、核泄漏現(xiàn)場(chǎng))、地形多變(山體滑坡、土方開(kāi)挖)、極端條件(極地環(huán)境、沙漠環(huán)境)等各種復(fù)雜環(huán)境下需求較大。美國(guó)、俄羅斯、以色列、英國(guó)、瑞士等國(guó)家開(kāi)展了軍用/民用地面作業(yè)裝備的無(wú)人化研究。20世紀(jì)50年代，美國(guó)國(guó)防部開(kāi)始對(duì)自主導(dǎo)航工程車(chē)輛進(jìn)行了研究。60年代，美國(guó)國(guó)防部研發(fā)的DEMO智能無(wú)人重載工程車(chē)受到了廣泛的關(guān)注，該系列車(chē)型可應(yīng)用于物資運(yùn)輸與作戰(zhàn)任務(wù)中。未來(lái)美國(guó)地面車(chē)輛將圍繞“智能化”和“新能源”兩個(gè)主題發(fā)展[1]。2017年美國(guó)通用汽車(chē)公司(General Motors)在美國(guó)陸軍協(xié)會(huì)的會(huì)議上展出了一款外形科幻的混合動(dòng)力無(wú)人駕駛地面車(chē)輛，這種車(chē)在災(zāi)難地區(qū)或沖突地區(qū)具有廣闊的推廣空間。由于重載車(chē)輛質(zhì)心高、質(zhì)量大、體積大等因素造成其轉(zhuǎn)向力矩大，需借助電液系統(tǒng)來(lái)輔助轉(zhuǎn)向。國(guó)內(nèi)對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能進(jìn)行了相關(guān)研究，針對(duì)電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能要求設(shè)計(jì)了測(cè)試臺(tái)架，進(jìn)行了電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)試[2]。通過(guò)理論仿真分析了多軸重載車(chē)輛的電液轉(zhuǎn)向系統(tǒng)節(jié)能性和穩(wěn)定性[3-4]以及重載車(chē)輛無(wú)人駕駛模式下電液復(fù)合轉(zhuǎn)向控制性能的研究[5]。在搶險(xiǎn)救援、抗震救災(zāi)和反恐突擊時(shí)使用的地面車(chē)輛中，對(duì)無(wú)人駕駛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和抗干擾性能提出了較高要求。將傳統(tǒng)車(chē)輛改裝，利用電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)人地面車(chē)輛在復(fù)雜環(huán)境下的靈活機(jī)動(dòng)性。

1 無(wú)人地面車(chē)輛電液轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與建模

無(wú)人地面車(chē)輛大多應(yīng)用于危險(xiǎn)、有害、地形多變和極端環(huán)境，其主要性能指標(biāo)包括最大行駛速度、水平轉(zhuǎn)動(dòng)角度、最大爬坡度、俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)角度、最大抬舉重量。根據(jù)陸軍以及武警部隊(duì)作戰(zhàn)實(shí)際需求，對(duì)實(shí)際作業(yè)的典型工況進(jìn)行了分析與研究，無(wú)人地面車(chē)輛典型任務(wù)應(yīng)用需求和場(chǎng)景主要包括環(huán)境感知、機(jī)動(dòng)避險(xiǎn)越障、清理破除障礙、協(xié)同工程作業(yè)和工程作業(yè)防護(hù)。無(wú)人地面車(chē)輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)原理如圖1所示，在充分考慮基于無(wú)人地面車(chē)輛典型任務(wù)需求和傳統(tǒng)車(chē)輛性能基礎(chǔ)上，根據(jù)不同的作戰(zhàn)任務(wù)需求提出對(duì)應(yīng)的解決方案：通過(guò)攝像頭實(shí)時(shí)感知環(huán)境信息，傳輸給系統(tǒng)供決策使用；避險(xiǎn)越障采用輪式底盤(pán)設(shè)計(jì)來(lái)達(dá)到高機(jī)動(dòng)性的效果；清理破障利用突擊破障車(chē)上的破障機(jī)械手、鏟斗設(shè)計(jì)等；利用汽車(chē)自動(dòng)駕駛避障系統(tǒng)中的集成規(guī)劃和控制方法來(lái)設(shè)計(jì)作業(yè)方案；作業(yè)防護(hù)能力主要依靠裝備材質(zhì)進(jìn)行保障，不同環(huán)境下的防護(hù)要求也各不相同，例如消防機(jī)器人的防火能力、核泄露現(xiàn)場(chǎng)救援設(shè)備的抗輻射能力等。

在作戰(zhàn)以及工程實(shí)踐中，復(fù)雜多變的地形環(huán)境對(duì)無(wú)人車(chē)輛的正常行駛造成了非常大的影響，各種地形障礙物的存在對(duì)車(chē)輛的行駛通過(guò)性有非常高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求，因此車(chē)輛的機(jī)動(dòng)避障能力在無(wú)人化應(yīng)用中非常重要。利用自動(dòng)駕駛車(chē)輛的避障系統(tǒng)，設(shè)計(jì)的無(wú)人地面車(chē)輛自動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理如圖1(a)所示，當(dāng)車(chē)輛檢測(cè)到環(huán)境信息如障礙物時(shí)，根據(jù)障礙物的位置、速度和加速度信息，決策出最優(yōu)的避障方法。車(chē)載集成規(guī)劃系統(tǒng)根據(jù)道路信息和避障規(guī)則實(shí)時(shí)規(guī)劃出一條無(wú)障礙軌跡以規(guī)避障礙物，使車(chē)輛產(chǎn)生諸如加速、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向等行為，靈活控制車(chē)輛的速度和轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)機(jī)動(dòng)避障。

圖1 無(wú)人地面車(chē)輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)原理框圖

無(wú)人地面車(chē)輛在無(wú)人為干涉的情況下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛，它可以獲取有關(guān)道路條件的信息，并根據(jù)GPS系統(tǒng)定位。無(wú)人地面車(chē)輛具有實(shí)時(shí)更新道路行駛標(biāo)線檢測(cè)方面的信息和通過(guò)霍爾傳感器測(cè)量車(chē)輛偏離角度來(lái)規(guī)劃新的路徑實(shí)現(xiàn)行駛功能。無(wú)人地面車(chē)輛及其轉(zhuǎn)向自動(dòng)控制模式原理如圖1(b)所示，它主要分為頂層路徑規(guī)劃系統(tǒng)和底層電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，包括：微控制器、伺服電機(jī)、直流電機(jī)、Zigbee無(wú)線調(diào)制解調(diào)器、霍爾傳感器、GPS系統(tǒng)、路線標(biāo)識(shí)檢測(cè)器、攝像頭、紅外傳感器。頂層路徑規(guī)劃層接收車(chē)輛遠(yuǎn)程控制中心指令，由位置信息和命令信息來(lái)控制車(chē)輛的行駛，實(shí)時(shí)監(jiān)控并進(jìn)行反饋，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛和遙控駕駛模式的切換。通信網(wǎng)絡(luò)作為媒介，從遠(yuǎn)程控制中心向無(wú)人地面車(chē)輛發(fā)送指令，實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛。無(wú)人地面車(chē)輛中的底層轉(zhuǎn)向系統(tǒng)接收命令并進(jìn)行相應(yīng)的操作。攝像頭記錄車(chē)輛行進(jìn)的路線信息，并將其發(fā)送到遠(yuǎn)程控制中心。控制單元通過(guò)微控制器接收來(lái)自用戶(hù)和其他傳感器的信號(hào)，根據(jù)信號(hào)進(jìn)行操作，如車(chē)輛的行駛速度、偏離角度和車(chē)道線信號(hào)檢測(cè)。GPS系統(tǒng)用于自動(dòng)控制模式，用于獲取供無(wú)人地面車(chē)輛移動(dòng)的原地點(diǎn)和目標(biāo)地點(diǎn)，并據(jù)此規(guī)劃所需的路徑。霍爾傳感器用來(lái)獲取無(wú)人地面車(chē)輛轉(zhuǎn)向目標(biāo)角度。

1.1 電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

EHPS(electro-hydraulic power steering)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2所示，其中儲(chǔ)油罐、齒輪泵、電機(jī)、電子控制單元集成一體,通過(guò)CAN與整車(chē)中央控制單元總線交換信息數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)向機(jī)結(jié)構(gòu)與HPS轉(zhuǎn)向機(jī)相同，高效齒輪泵為EHPS提供液壓助力，齒輪泵由小慣量、內(nèi)轉(zhuǎn)子、三相無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)組成。在上電狀態(tài)下，電液泵控制器實(shí)時(shí)采集方向盤(pán)轉(zhuǎn)速信號(hào)，并通過(guò)CAN與整車(chē)中央控制單元通訊，從而獲取車(chē)速信號(hào)，實(shí)現(xiàn)車(chē)速感應(yīng)型助力。

無(wú)人地面車(chē)輛采用的電液轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)借鑒商用載重車(chē)電控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，它與乘用車(chē)EPS不同，增加了EPS硬件結(jié)構(gòu)的同時(shí)還保留了傳統(tǒng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，其主要原因是負(fù)載較大時(shí)，液壓系統(tǒng)具有功率密度高、耐久性和可靠性好等優(yōu)點(diǎn)，用于滿足主要轉(zhuǎn)向助力力矩需求，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。EPS控制策略主要包含助力、回正和阻尼控制。根據(jù)傳感器獲得的車(chē)速、轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角等信號(hào)，判斷當(dāng)前車(chē)輛處于何種工作模式。根據(jù)控制邏輯計(jì)算出相應(yīng)的電流信號(hào)，與實(shí)際電機(jī)電流信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)PID控制器輸出PWM信號(hào)發(fā)送給電機(jī)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)的前置控制環(huán)節(jié)，通過(guò)液壓放大級(jí)驅(qū)動(dòng)車(chē)輪轉(zhuǎn)向。

圖2 EHPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 電液轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)模型

圖3為無(wú)人地面車(chē)輛電液助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)原理圖，主要由液壓泵、電液伺服閥組、液壓缸和控制器組成，是典型的機(jī)-電-液復(fù)合系統(tǒng)，具有非線性。轉(zhuǎn)向液壓缸通過(guò)雙橫臂懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)與車(chē)輪相連。轉(zhuǎn)向控制器根據(jù)方向盤(pán)設(shè)定的指令信號(hào)，以及車(chē)輛當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)，調(diào)節(jié)相應(yīng)電液伺服閥組兩端電磁鐵輸入PWM電壓信號(hào)的占空比。電液伺服閥組是由壓力控制先導(dǎo)閥和流量伺服閥組合而成。通過(guò)控制先導(dǎo)閥的壓力，進(jìn)而控制伺服閥的開(kāi)口大小輸出要求的流量。泵向系統(tǒng)提供恒壓油，通過(guò)電液伺服閥組來(lái)控制流入各個(gè)轉(zhuǎn)向液壓缸的流量，控制轉(zhuǎn)向油缸活塞桿的伸長(zhǎng)量，從而控制各個(gè)轉(zhuǎn)向輪的偏轉(zhuǎn)角度，使車(chē)輪實(shí)際轉(zhuǎn)角跟隨轉(zhuǎn)向控制器設(shè)定的指令值。

圖3 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)電液控制系統(tǒng)原理示意圖

電液轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)主要取決于閥控液壓缸的動(dòng)態(tài)特性，也就是閥和液壓缸的頻率響應(yīng)特性。由于電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(機(jī)-電-液復(fù)合系統(tǒng))中的一些微分方程是非線性的，因此閥的負(fù)載流量曲線方程具有非線性。為了簡(jiǎn)便分析和應(yīng)用，采用線性化分析方法，即研究在某一穩(wěn)定工作點(diǎn)附近作微量運(yùn)動(dòng)時(shí)的特性。當(dāng)工作點(diǎn)變動(dòng)時(shí)必須謹(jǐn)慎地對(duì)所有的工作點(diǎn)進(jìn)行研究。但實(shí)際上在較寬的范圍內(nèi)，動(dòng)力機(jī)構(gòu)的參數(shù)可用于不同的工作點(diǎn)，所以線性化的分析結(jié)果具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

閥控缸原理如圖3所示，各物理量的方向以箭頭所示方向?yàn)檎．?dāng)閥正向移動(dòng)時(shí)，流進(jìn)液壓缸進(jìn)油腔的流量和由液壓缸回油腔流出的流量分別為：

(1)

式中：Q1、Q2分別為轉(zhuǎn)向油缸無(wú)桿，有桿腔流量，m3/s；Cd為滑閥閥口流量系數(shù)；W為窗口面積梯度，m2；ρ為油液密度，kg/ m3；P1、P2分別為有、無(wú)桿腔壓力，MPa；Ps為供油壓力，MPa。

用小位移線性化方法將式(1)線性化，設(shè)在某初試工作點(diǎn)(XV0,PL0)的負(fù)載流量是QL0，經(jīng)過(guò)線性化的閥流量方程的形式流體流量方程為

QL=KqXV-KcPL

(2)

由于系統(tǒng)存在偶合現(xiàn)象，需簡(jiǎn)化方程可得到傳遞函數(shù)，合并式(1)和式(2)后得到閥控缸環(huán)節(jié)總的傳遞函數(shù)為

(3)

式中：A1、A2分別為油缸無(wú)桿、有桿腔面積；F(s)為作用在活塞上的負(fù)載力；mt為活塞及相連的負(fù)載折算到活塞上總質(zhì)量；βe為液壓油液彈性模量；Am為等效參數(shù)；Cp為總泄露系數(shù)；Vt為液壓缸進(jìn)油腔的容積。

2 無(wú)人地面車(chē)輛轉(zhuǎn)向動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間研究

無(wú)人地面車(chē)自動(dòng)避障系統(tǒng)是利用車(chē)載攝像頭傳感器來(lái)識(shí)別車(chē)道信息，若車(chē)輛偏離識(shí)別車(chē)道線，則向頂層路徑規(guī)劃層發(fā)送指令，進(jìn)行預(yù)警或優(yōu)先級(jí)接管[6-7]。在行駛過(guò)程中，若采集車(chē)輛的速度和車(chē)道信息可以滿足自動(dòng)駕駛的條件，則車(chē)輛可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛，如果偏離行駛路線，則對(duì)偏離路線進(jìn)行糾正操作。

2.1 道路軌跡計(jì)算及目標(biāo)軌跡擬合

無(wú)人駕駛車(chē)輛在道路識(shí)別過(guò)程采用了深度學(xué)習(xí)的視覺(jué)識(shí)別[8-9]和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理[10-11]以及兩者結(jié)合的方法[12-13]。識(shí)別車(chē)輛自動(dòng)駕駛道路軌跡通過(guò)曲線擬合進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)目標(biāo)軌跡選取若干個(gè)預(yù)瞄點(diǎn)完成相應(yīng)的車(chē)道線擬合。預(yù)瞄點(diǎn)的個(gè)數(shù)、距離和行駛車(chē)速會(huì)影響算法的路徑跟隨精度。假設(shè)行車(chē)速度v一定，則算法的精度依賴(lài)于預(yù)瞄點(diǎn)的個(gè)數(shù)和距離。目前，可以有效描述車(chē)輛行駛狀態(tài)的參數(shù)主要有切線角度偏差、橫向偏差和角方位偏差。研究的車(chē)輛轉(zhuǎn)向回正算法將橫向偏差作為控制量，選取若干預(yù)瞄點(diǎn)橫向偏差進(jìn)行權(quán)重分配，以目標(biāo)函數(shù)的方式獲得最終自適應(yīng)預(yù)瞄點(diǎn)偏差[14]。由于攝像頭圖像掃描方式是斜向下的，故存在掃描視野盲區(qū)，因此選取距攝像頭前基本偏移D為偏移量的點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，t時(shí)間內(nèi)運(yùn)行的距離為采樣點(diǎn)，依次取30個(gè)采樣點(diǎn)，如圖4所示。

圖4 車(chē)輛轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)預(yù)瞄采樣點(diǎn)選取位置示意圖

道路軌跡的計(jì)算是根據(jù)單目攝像頭識(shí)別的車(chē)道線參數(shù)進(jìn)行擬合的，主要識(shí)別的參數(shù)有C0、C1、C2和C3，則三次樣條車(chē)道線的計(jì)算為：

y=C0+C1x+C2x2+C3x3

(4)

x=D+kn×L

(5)

式中：C0、C1、C2和C3為攝像頭通過(guò)CAN總線讀到的車(chē)道線參數(shù)；L為步長(zhǎng)；D為原點(diǎn)距攝像頭的偏移值；kn為系數(shù)，取值范圍0～29。選取30個(gè)預(yù)瞄點(diǎn)將其坐標(biāo)帶入到車(chē)道線三次曲線，通過(guò)線性插值方法得到具有實(shí)時(shí)性的兩側(cè)車(chē)道線函數(shù)。通過(guò)Mobileye單目攝像頭進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取分析，最終獲取車(chē)道線參數(shù)，進(jìn)行線性插值得到實(shí)時(shí)車(chē)道線信息。左右車(chē)道線曲線函數(shù)相加除以二就得到了目標(biāo)估計(jì)函數(shù)，同理該函數(shù)具有自適應(yīng)性。

2.2 避障動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間算法研究

避障系統(tǒng)橫向跨道時(shí)間(TLC)是利用橫向行駛距離和偏離速度計(jì)算，可將預(yù)警時(shí)間提前，留有足夠的反應(yīng)時(shí)間[15]。通過(guò)車(chē)輛運(yùn)行狀態(tài)和環(huán)境信息，計(jì)算偏離預(yù)警時(shí)間TLC。設(shè)定閾值為T(mén)，當(dāng)TLCT時(shí)，車(chē)輛暫無(wú)偏離車(chē)道的風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)跨道時(shí)間算法建立相應(yīng)的車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型，根據(jù)當(dāng)前車(chē)輛運(yùn)行狀態(tài)預(yù)測(cè)未來(lái)車(chē)輛運(yùn)行軌跡，通過(guò)車(chē)輪距離接觸到車(chē)道線的時(shí)間判斷是否需要預(yù)警，這就是跨道時(shí)間算法。設(shè)定頂層路徑規(guī)劃層為最高優(yōu)先級(jí)，通過(guò)車(chē)輛信息對(duì)車(chē)輛操作狀態(tài)進(jìn)行綜合分析，當(dāng)系統(tǒng)判定頂層路徑規(guī)劃中心屬于無(wú)意識(shí)狀態(tài)操作車(chē)輛，且滿足跨道時(shí)間模型預(yù)警條件時(shí)，則主動(dòng)發(fā)出預(yù)警信號(hào)，提醒頂層路徑規(guī)劃層。若頂層路徑規(guī)劃中心未接管車(chē)輛，則進(jìn)入路徑跟隨算法進(jìn)行基本助力和主動(dòng)轉(zhuǎn)向的模式切換，協(xié)調(diào)電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行主動(dòng)回正。目標(biāo)軌跡為曲線時(shí)，TLC計(jì)算模型如圖5所示。

圖5 車(chē)輛轉(zhuǎn)向曲線軌跡計(jì)算模型示意圖

圖5中，db表示輪距，ω表示車(chē)輛橫擺角速度，θ表示橫向角，Rr表示車(chē)道中心線半徑，Rv表示車(chē)輛轉(zhuǎn)彎半徑，α、β、γ無(wú)具體含義。當(dāng)目標(biāo)軌跡為直線時(shí)，由上述TLC計(jì)算模型方法，可以獲取A點(diǎn)與O點(diǎn)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，當(dāng)目標(biāo)軌跡為曲線時(shí)，其計(jì)算方法不變。A點(diǎn)坐標(biāo)為(XA,YA)，根據(jù)幾何關(guān)系可知：

(6)

(7)

由式(6)和式(7)可得到V點(diǎn)坐標(biāo)(XV,YV)。

(8)

BV的斜率K1為：

(9)

VA的斜率K2為：

(10)

跨道時(shí)間TLC為：

(11)

3 無(wú)人地面車(chē)輛電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仿真

3.1 無(wú)人地面車(chē)輛電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仿真模型

車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型是仿真運(yùn)行的基礎(chǔ)，基于實(shí)車(chē)轉(zhuǎn)向參數(shù)，在TruckSim軟件中進(jìn)行參數(shù)配置，搭建法規(guī)要求的目標(biāo)工況，通過(guò)設(shè)定仿真步長(zhǎng)、仿真時(shí)間等信息對(duì)配置的模型和工況進(jìn)行數(shù)值求解。通過(guò)原地轉(zhuǎn)向?qū)嶒?yàn)，將仿真結(jié)果和實(shí)際結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證TruckSim模型轉(zhuǎn)向系統(tǒng)配置的準(zhǔn)確性。圖6為T(mén)ruckSim仿真動(dòng)畫(huà)輸出的三維圖像。

圖6 TruckSim3D動(dòng)畫(huà)輸出的三維圖

選取車(chē)型為T(mén)ruck 20T，其基本參數(shù)如表1所示。

表1 重載車(chē)輛行駛系統(tǒng)基本參數(shù)

液壓系統(tǒng)模型在AMESim環(huán)境中搭建，模型考慮了液壓缸內(nèi)泄漏系數(shù)、靜摩擦力、庫(kù)侖摩擦力、黏性摩擦力等因素。液壓系統(tǒng)的參數(shù)如表2所示。

表2 液壓系統(tǒng)系統(tǒng)的參數(shù)

3.2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)階躍響應(yīng)仿真研究

左前輪的單位階躍響應(yīng)仿真結(jié)果如圖7所示，在有助力控制下，單個(gè)車(chē)輪的階躍響應(yīng)效果較好，響應(yīng)無(wú)超調(diào)，不存在穩(wěn)態(tài)誤差，基本可以達(dá)到車(chē)輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的要求，對(duì)外加擾動(dòng)的抑制效果明顯。而在無(wú)助力控制下，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)外加擾動(dòng)抑制效果不明顯。在系統(tǒng)達(dá)到期望穩(wěn)定位置后，在10 s和15 s時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)角信號(hào)施加階躍干擾信號(hào)，模擬系統(tǒng)受到的外部干擾作用。采用PID控制，系統(tǒng)在11.84 s和16.84 s達(dá)到穩(wěn)態(tài)，最大超調(diào)量為21.34%。

圖7 左前輪的階躍響應(yīng)曲線

3.3 原地轉(zhuǎn)向扭矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)仿真

為了完成原地轉(zhuǎn)向?qū)嶒?yàn)，無(wú)人地面車(chē)輛按照順時(shí)針?lè)较蚓徛D(zhuǎn)至轉(zhuǎn)向盤(pán)最大轉(zhuǎn)角處，以相同的方式，逆時(shí)針將轉(zhuǎn)向盤(pán)緩慢轉(zhuǎn)至轉(zhuǎn)向盤(pán)最大轉(zhuǎn)角處，完成以上動(dòng)作后將方向盤(pán)恢復(fù)到初始位置，反復(fù)實(shí)驗(yàn)，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分析，分別記錄僅有液壓助力和帶有電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向時(shí)不同的參數(shù)數(shù)據(jù)。仿真結(jié)果如圖8所示，只有液壓助力時(shí)駕駛員施加轉(zhuǎn)向盤(pán)最大力矩約為 6 N·m，加入電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)同等工況下力矩峰值降低到 2.5 N·m左右，可使得轉(zhuǎn)向更加平滑，從而滿足轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)向輕便性的要求。

圖8 原地轉(zhuǎn)向仿真曲線

4 無(wú)人地面車(chē)輛電液轉(zhuǎn)向系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

重載車(chē)輛電液轉(zhuǎn)向系統(tǒng)硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖9所示，包括信息采集模塊、整車(chē)車(chē)身模塊、控制器等。信息采集模塊主要由攝像頭和各種傳感器組成，負(fù)責(zé)采集道路環(huán)境信息、車(chē)輛運(yùn)行狀態(tài)信息以及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作狀態(tài)信息。車(chē)身部分是將傳統(tǒng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)改造為電液助力系統(tǒng)。控制器是將輸入的CAN信息進(jìn)行分析處理，得到相應(yīng)輸出信號(hào)，發(fā)送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

圖9 硬件在環(huán)轉(zhuǎn)向?qū)嶒?yàn)平臺(tái)示意圖

實(shí)際采集到的數(shù)據(jù)是車(chē)輛中位到車(chē)道線的距離，為了使數(shù)據(jù)更加直觀，采集到的數(shù)據(jù)減去車(chē)輛寬度的二分之一，即為左右車(chē)輪距離車(chē)道線的實(shí)際值，直道左偏數(shù)據(jù)如圖10所示。對(duì)比圖8和圖10可知，在仿真工況與實(shí)驗(yàn)工況下，轉(zhuǎn)向力矩曲線變化趨勢(shì)、轉(zhuǎn)矩峰值等基本一致，即仿真與實(shí)車(chē)硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)所得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本一致。

圖10 原地轉(zhuǎn)向硬件在環(huán)實(shí)車(chē)實(shí)驗(yàn)曲線

利用理論建模和參數(shù)辨識(shí)的方法得到車(chē)輛電液轉(zhuǎn)向系統(tǒng)從方向盤(pán)輸入到左前輪轉(zhuǎn)角輸出的閉環(huán)傳遞函數(shù)。圖11(a)和圖11(b)分別為無(wú)助力控制和有助力控制策略下擬合的閉環(huán)系統(tǒng)Bode圖。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：存在外界干擾的情況下，無(wú)助力控制效果明顯偏差，大量數(shù)據(jù)點(diǎn)落在曲線下，輸出信號(hào)幅值達(dá)不到預(yù)期值，轉(zhuǎn)向角跟隨精度差，在高頻輸入信號(hào)時(shí)，偏差過(guò)大，超出40 dB。而有助力控制下，實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較令人滿意，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本落于曲線上，尤其在高頻輸入時(shí)，控制策略仍能保證轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能指標(biāo)和魯棒性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：外界干擾工況條件下，電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)性好，同時(shí)具有較好的穩(wěn)定性和抗干擾能力。

圖11 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)擬合Bode圖

5 結(jié)論

構(gòu)建了一個(gè)在自動(dòng)控制模式下重載車(chē)輛自動(dòng)轉(zhuǎn)向理論模型及車(chē)道軌跡算法和車(chē)道預(yù)警算法模型。利用TruckSim軟件對(duì)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行參數(shù)配置仿真，驗(yàn)證了所配置車(chē)輛模型的準(zhǔn)確性。

1) 電液動(dòng)力轉(zhuǎn)向比無(wú)助力轉(zhuǎn)向力矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間提高了2.1 s，且電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能夠在外界干擾后1.84 s恢復(fù)穩(wěn)態(tài)，保持轉(zhuǎn)向控制的穩(wěn)定性。

2) 原地轉(zhuǎn)向有助力控制下最大轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)矩比無(wú)助力轉(zhuǎn)向減小3 N·m。可為后續(xù)無(wú)人駕駛系統(tǒng)研究提供理論支撐。