用于双侧电机耦合驱动的履带车辆的转向控制方法

摘要

本发明属于混合动力车辆控制技术领域，涉及用于双侧电机耦合驱动的履带车辆的转向控制方法。其根据归一化的油门踏板信号和方向盘转角信号、挡位信号及路面附着系数判断车辆是否发生侧滑，算出控制目标，控制履带车辆转向。若车辆不会发生侧滑，则通过查表，利用挡位信号、归一化的油门踏板信号和方向盘转角信号得到两侧电机转速控制指令，发送给电机；若车辆将会发生侧滑，则通过查表，利用归一化的油门踏板信号、路面附着系数和挡位信号得到两侧电机的转速控制指令，发送给电机；两侧电机控制器接收传动系统控制器发出的指令，驱动履带车辆转向。经大量试验证明，可有效避免车辆行驶中的侧滑危险，并使车辆有效执行驾驶员的行驶意图。

说明书

技术领域

本发明属于混合动力车辆控制技术领域，具体涉及一种用于双侧 电机耦合驱动的履带车辆的转向控制方法。

背景技术

随着电力电子技术、控制技术、大功率永磁同步电机等技术的发 展，电传动在履带车辆的应用上越来越广泛。不同于传统的液力机械 传动的履带车辆，采用双侧电机耦合驱动形式的履带车辆需要通过控 制两侧电机的转速来执行履带车辆直驶或转向等操作。因此，传动系 统控制器(TCU)是电传动履带车辆的大脑，而控制方法是传动系统 控制器(TCU)的灵魂。相较于轮式车辆的随动式转向，履带车辆通 过传动系统实现主动式转向，即通过TCU向两侧电机发送不同的转速 控制指令，从而使两侧履带产生速差，最终实现车辆转向。所以，转 向控制方法是电传动履带车辆驱动控制方法的关键组成部分。当路面 附着条件较差或车速较高时，若车辆转向半径过小，离心力过大，车 辆很容易发生侧滑，失去控制，这是非常危险的。所以，在转向控制 方法中，对车辆是否有侧滑的可能进行判断是非常必要的，这样，在 履带车辆在转向过程中，才可以在保证安全的前提下满足驾驶员的驾 驶意图。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是如何提供一种用于双侧电机耦合驱 动的履带车辆的转向控制方法，以避免车辆行驶中的侧滑危险，并有 效执行驾驶员的行驶意图。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供一种用于双侧电机耦合驱动的 履带车辆的转向控制方法，所述控制方法基于双侧电机耦合驱动的履 带车辆动力传动系统来实施，所述动力传动系统包括：发动机1、发 电机2、传动系统控制器3、左侧电机4、右侧电机5、左侧电机减速 器6、右侧电机减速器7、左侧变速机构及侧传动装置9、右侧变速 机构及侧传动装置10、左侧主动轮11、右侧主动轮12、左侧履带13、 右侧履带14；所述发动机1带动发电机2发电，为传动系统控制器3 提供电能；所述传动系统控制器3分别向左侧电机4和右侧电机5发 送转速控制指令；左侧电机4的功率经过左侧电机减速器6、左侧变 速机构及侧传动装置9和左侧主动轮11传递到左侧履带13，右侧电 机5的功率经过右侧电机减速器7、右侧变速机构及侧传动装置10 和右侧主动轮12传递到右侧履带14；当两侧电机的转速相等时，履 带车辆执行直驶；当两侧电机出现转速差时，履带车辆执行转向；

所述控制方法包括如下步骤：

步骤S1：传动系统控制器3接收油门踏板信号α，并且对其进行 归一化处理，得到归一化的油门踏板信号S_α；

步骤S2：传动系统控制器3接收方向盘转角信号θ，并且对其进 行归一化处理，得到归一化的方向盘转角信号S_θ；

步骤S3：传动系统控制器3读入挡位信号D，若换挡手柄处于一 挡位置，则D＝1；若处于二挡位置，则D＝2；同时，传动系统控制 器3读入路面附着系数

步骤S4：根据归一化的油门踏板信号Sα、归一化的方向盘转角 信号Sθ、挡位信号D以及路面附着系数对车辆是否发生侧滑进行判 断；若判断结果为车辆不会侧滑，则进入步骤S5；否则，进入步骤 S6；

步骤S5：首先制定电机转速控制指令表，通过查表的方法，利用 归一化的油门踏板信号Sα、归一化的方向盘转角信号Sθ和挡位信号 D得到左侧电机4和右侧电机5的转速控制指令，并发送；其中，所 述电机转速控制指令表的制表方法如下：

步骤S501：对Sα进行离散，步长为0.1，

Sα＝[0，0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8，0.9，1.0]

步骤S502：对Sθ进行离散，步长为0.1，

Sθ＝[-1.0，-0.9，-0.8，-0.7，-0.6，-0.5，-0.4，-0.3，-0.2，-0.1， 0，0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8，0.9，1.0]

步骤S503：根据下述公式(h)及(i)计算各挡位下每对(Sα，Sθ) 对应的两侧电机转速控制指令，制成二维表格：

$\left(\begin{array}{c}{n}_L=n_{\max }*e_L(\mathrm{S\alpha },\mathrm{S\theta },D)\\ n_{\mathrm{Loon}}=n_L,\left|n_L\right|\le n_{\max }\\ n_{\mathrm{Loon}}=n_{\max }*\mathrm{sign}\left(n_L\right),\left|n_L\right|>n_{\max }\end{array}\right)---\left(h\right)$

$\left(\begin{array}{c}{n}_R=n_{\max }*e_R(\mathrm{S\alpha },\mathrm{S\theta },D)\\ n_{\mathrm{Roon}}=n_R,\left|n_R\right|\le n_{\max }\\ n_{\mathrm{Roon}}=n_{\max }*\mathrm{sign}\left(n_R\right),\left|n_R\right|>n_{\max }\end{array}\right)---\left(i\right)$

其中，对于函数e_L(Sα，Sθ，D)和e_R(Sα，Sθ，D)的具体形式，采用前述 步骤S4中有关归一化的油门踏板信号Sα与履带车辆质心目标车速 V(km/h)之间的映射关系，以及归一化的方向盘转角信号Sθ与履带车 辆目标相对转向半径ρ之间的映射关系，在车辆采用差速式转向时， 函数e_L(Sα，Sθ，D)和e_R(Sα，Sθ，D)的具体形式如下下述公式(j)及(k) 所示；

$e_L=\left(\begin{array}{c}\mathrm{S\alpha }*[1+S{\theta }^2\mathrm{sign}\left(\mathrm{S\theta }\right)],D=1\\ \mathrm{S\alpha }*[1+\frac{1}{3}S{\theta }^2\mathrm{sign}\left(\mathrm{S\theta }\right)],D=2\end{array}\right)---\left(j\right)$

$e_R=\left(\begin{array}{c}\mathrm{S\alpha }*[1-S{\theta }^2\mathrm{sign}\left(\mathrm{S\theta }\right)],D=1\\ \mathrm{S\alpha }*[1-\frac{1}{3}S{\theta }^2\mathrm{sign}\left(\mathrm{S\theta }\right)],D=2\end{array}\right)---\left(k\right)$

步骤S6：根据步骤S5中所制定的电机转速控制指令表，

通过查表的方法，利用归一化的油门踏板信号Sα、路面附着系 数和挡位信号D得到左侧电机4和右侧电机5的转速控制指令，并 发送；查表方法如下：

步骤S601：求解关于归一化的方向盘转角信号Sθ的方程(1)， 其中，T为大于1的安全系数；

步骤S602：采用步骤5所制定的表格，利用归一化的油门踏板信 号Sα、归一化的方向盘转角信号Sθ和挡位信号D得到左侧电机4和 右侧电机5的转速控制指令；

步骤S7：两侧电机执行由传动系统控制器3发出的转速控制指令。

其中，根据公式(a)进行油门踏板信号的归一化处理；

$\mathrm{S\alpha }=\frac{\alpha -{\alpha }_0}{{\alpha }_{\max }-{\alpha }_0},0\le S_{\alpha }\le 1---\left(a\right)$

其中，α₀为油门踏板空程转角；α_max为油门踏板最大转角。

其中，根据公式(b)进行方向盘转角信号的归一化处理；

$\mathrm{S\theta }=\frac{\left|\theta \right|-\left|{\theta }_0\right|}{\left|{\theta }_{\max }\right|-\left|{\theta }_0\right|}*\mathrm{sign}\left(\theta \right),-1\le S_{\theta }\le 1---\left(b\right)$

其中，θ₀为方向盘空程转角；θ_max为方向盘最大转角；且，方向 盘左转时Sθ为负，方向盘右转时Sθ为正，直驶时Sθ为零。

其中，所述步骤S4具体包括：

步骤S401：根据车辆的操作方式定义履带车辆质心目标车速 V(km/h)与归一化的油门踏板信号Sα、挡位信号D之间的映射关系， 该映射关系以公式(c)来表示；

V＝f(Sα，D)    (c)

步骤S402：根据车辆的操作方式并结合车辆转向稳定性要求定义 履带车辆目标相对转向半径ρ与归一化的方向盘转角信号Sθ、挡位 信号D之间的映射关系；该映射关系以公式(d)及(e)来表示；

ρ＝h(Sθ，D)(d)

$\rho =\frac{R}{B}---\left(e\right)$

其中，R为车辆转向半径(m)；B为两侧履带中心线的距离(m)；

步骤S403：判断车辆转向是否侧滑：

其中，m为车辆质量(kg)；g为重力加速度(m/s²)；

将式(c)、(d)、(e)代入式(f)中，得到：

若Sα、Sθ及D满足式(g)，那么判断结果为车辆不会侧滑，则 进入步骤S5；否则，判断车辆将发生侧滑，则进入步骤S6。

(三)有益效果

与现有技术相比较，本发明技术方案根据归一化的油门踏板信号 和方向盘转角信号、挡位信号以及路面附着系数对车辆是否发生侧滑 进行判断，解算出控制目标，进行履带车辆转向控制。如果车辆不会 发生侧滑，那么通过查表的方法，利用挡位信号、归一化的油门踏板 信号和方向盘转角信号得到两侧电机的转速控制指令，发送给电机； 如果车辆将会发生侧滑，那么通过查表的方法，利用归一化的油门踏 板信号、路面附着系数和挡位信号得到两侧电机的转速控制指令，发 送给电机；两侧电机控制器接收传动系统控制器发出的指令，驱动履 带车辆转向。经大量试验证明，该技术方案能够有效避免车辆行驶中 的侧滑危险，并使车辆有效执行驾驶员的行驶意图。

附图说明

图1为本发明技术方案实施所基于的双侧电机耦合驱动的履带车 辆动力传动系统的结构示意图。

图2为本发明技术方案的方法流程图。

图3为本发明技术方案中油门踏板行程示意图。

图4为本发明技术方案中方向盘转角示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实 施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

为解决现有技术的问题，本发明提供一种适用于双侧电机耦合驱 动的履带车辆的转向控制方法，根据油门踏板信号、方向盘转角信号 和挡位信号等通过查表的方式获得两侧电机的转速控制指令

一种用于双侧电机耦合驱动的履带车辆的转向控制方法，所述控 制方法基于双侧电机耦合驱动的履带车辆动力传动系统来实施，如图 1所示，所述动力传动系统包括：发动机1、发电机2、传动系统控 制器3、左侧电机4、右侧电机5、左侧电机减速器6、右侧电机减速 器7、功率耦合机构8、左侧变速机构及侧传动装置9、右侧变速机 构及侧传动装置10、左侧主动轮11、右侧主动轮12、左侧履带13、 右侧履带14；所述发动机1带动发电机2发电，为传动系统控制器3 提供电能；所述传动系统控制器3分别向左侧电机4和右侧电机5发 送转速控制指令；两侧电机输出的功率分别经过左侧电机减速器6和 右侧电机减速器7传递到功率耦合机构8；所述功率耦合机构8输出 的一路功率经过左侧变速机构及侧传动装置9和左侧主动轮11传递 到左侧履带13，功率耦合机构8输出的另一路功率经过右侧变速机 构及侧传动装置10和右侧主动轮12传递到右侧履带14；

或者，所述双侧电机耦合驱动的履带车辆动力传动系统也可以去 掉功率耦合机构8，即，左侧电机4的功率直接经过左侧电机减速器 6、左侧变速机构及侧传动装置9和左侧主动轮11传递到左侧履带 13，右侧电机5的功率直接经过右侧电机减速器7、右侧变速机构及 侧传动装置10和右侧主动轮12传递到右侧履带14；

当两侧电机的转速相等时，履带车辆执行直驶；当两侧电机出现 转速差时，履带车辆执行转向；

本发明控制方法的流程图如附图2所示；所述控制方法包括如下 步骤：

步骤S1：传动系统控制器3接收油门踏板信号α，并且对其进行 归一化处理，得到归一化的油门踏板信号Sα(0≤Sα≤1)；其中，根据 公式(a)进行油门踏板信号的归一化处理；

$\mathrm{S\alpha }=\frac{\alpha -{\alpha }_0}{{\alpha }_{\max }-{\alpha }_0}---\left(a\right)$

其中，如附图3所示，α₀为油门踏板空程转角；α_max为油门踏板 最大转角；

步骤S2：传动系统控制器3接收方向盘转角信号θ，并且对其进 行归一化处理，得到归一化的方向盘转角信号Sθ(-1≤Sθ≤1)；其中， 根据公式(b)进行方向盘转角信号的归一化处理；

$\mathrm{S\theta }=\frac{\left|\theta \right|-\left|{\theta }_0\right|}{\left|{\theta }_{\max }\right|-\left|{\theta }_0\right|}*\mathrm{sign}\left(\theta \right)---\left(b\right)$

其中，如附图4所示，θ₀为方向盘空程转角；θ_max为方向盘最大 转角；且，方向盘左转时Sθ为负，方向盘右转时Sθ为正，直驶时Sθ 为零；

步骤S3：传动系统控制器3读入挡位信号D，若换挡手柄处于一 挡位置，则D＝1；若处于二挡位置，则D＝2；

同时，传动系统控制器3读入路面附着系数

步骤S4：根据归一化的油门踏板信号Sα、归一化的方向盘转角 信号Sθ、挡位信号D以及路面附着系数对车辆是否发生侧滑进行判 断；

当路面附着系数较小，而车速较高，这时候如果车辆进行小半径 转向就有可能发生侧滑，使车辆失去控制，这是非常危险的。所以， 在步骤S4中，判断车辆是否会侧滑，所述步骤S4具体包括：

步骤S401：根据车辆的操作方式定义履带车辆质心目标车速 V(km/h)与归一化的油门踏板信号Sα、挡位信号D之间的映射关系， 即，基于车辆驾驶过程中，车速大小是由挡位大小及油门踏板的深浅 度所决定的关系来定义该映射关系，该映射关系以公式(c)来表示；

V＝f(Sα，D)    (c)

步骤S402：根据车辆的操作方式并结合车辆转向稳定性要求定义 履带车辆目标相对转向半径ρ与归一化的方向盘转角信号Sθ、挡位 信号D之间的映射关系；即，基于车辆驾驶过程中，转弯半径大小是 由挡位大小及方向盘转角大小所决定的关系来定义该映射关系，该映 射关系以公式(d)及(e)来表示；

ρ＝h(Sθ，D)    (d)

$\rho =\frac{R}{B}---\left(e\right)$

其中，R为车辆转向半径(m)；B为两侧履带中心线的距离(m)；

步骤S403：判断车辆转向是否侧滑：

其中，m为车辆质量(kg)；g为重力加速度(m/s²)；

将式(c)、(d)、(e)代入式(f)中，得到：

若Sα、Sθ及D满足式(g)，那么判断结果为车辆不会侧滑，则 进入步骤S5；则，判断车辆将发生侧滑，则进入步骤S6；

步骤S404：对判断条件进行更加详细的举例说明，分别对映射关 系f和h进行定义：

$V=\left(\begin{array}{c}\mathrm{S\alpha }*0.377\frac{n_{\max }{r}_z}{i_j{i}_{b1}{i}_c},D=1\\ \mathrm{S\alpha }*0.377\frac{n_{\max }{r}_z}{i_j{i}_{b2}{i}_c},D=2\end{array}\right)---\left(c^{,}\right)$

$\rho =\left(\begin{array}{c}\frac{1}{{2\mathrm{S\theta }}^2},D=1\\ \frac{3}{{2\mathrm{S\theta }}^2},D=1\end{array}\right)---\left(d^{,}\right)$

其中，n_max为驱动电机的最高转速(r/min)；r_z为主动轮半径(m)； i_j驱动电机减速器传动比；i_b1和i_b2分别为变速机构在一挡和二挡时的 传动比；i_c为侧传动装置的传动比；

将式(c’)、(d’)代入式(g)得到：

如果Sα、Sθ满足式(g’)，那么车辆不会侧滑；否则车辆将发生 侧滑；

步骤S5：首先制定电机转速控制指令表，通过查表的方法，利用 归一化的油门踏板信号Sα、归一化的方向盘转角信号Sθ和挡位信号 D得到左侧电机4和右侧电机5的转速控制指令，并发送；其中，所 述电机转速控制指令表的制表方法如下：

步骤S501：对Sα进行离散，步长为0.1，

Sα＝[0，0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8，0.9，1.0]

步骤S502：对Sθ进行离散，步长为0.1，

Sθ＝[-1.0，-0.9，-0.8，-0.7，-0.6，-0.5，-0.4，-0.3，-0.2，-0.1， 0，0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8，0.9，1.0]

步骤S503：根据下述公式(h)及(i)计算各挡位下每对(Sα，Sθ) 对应的两侧电机转速控制指令，制成二维表格：

$\left(\begin{array}{c}{n}_L=n_{\max }*e_L(\mathrm{S\alpha },\mathrm{S\theta },D)\\ n_{\mathrm{Loon}}=n_L,\left|n_L\right|\le n_{\max }\\ n_{\mathrm{Loon}}=n_{\max }*\mathrm{sign}\left(n_L\right),\left|n_L\right|>n_{\max }\end{array}\right)---\left(h\right)$

$\left(\begin{array}{c}{n}_R=n_{\max }*e_R(\mathrm{S\alpha },\mathrm{S\theta },D)\\ n_{\mathrm{Roon}}=n_R,\left|n_R\right|\le n_{\max }\\ n_{\mathrm{Roon}}=n_{\max }*\mathrm{sign}\left(n_R\right),\left|n_R\right|>n_{\max }\end{array}\right)---\left(i\right)$

其中，假设传动系统中没有功率耦合机构，对于函数e_L(Sα，Sθ，D)和 e_R(Sα，Sθ，D)的具体形式，采用前述步骤S4中有关归一化的油门踏板 信号Sα与履带车辆质心目标车速V(km/h)之间的映射关系，以及归一 化的方向盘转角信号Sθ与履带车辆目标相对转向半径ρ之间的映射 关系，在车辆采用差速式转向时，函数e_L(Sα，Sθ，D)和e_R(Sα，Sθ，D)的具 体形式如下下述公式(j)及(k)所示；

$e_L=\left(\begin{array}{c}\mathrm{S\alpha }*[1+S{\theta }^2\mathrm{sign}\left(\mathrm{S\theta }\right)],D=1\\ \mathrm{S\alpha }*[1+\frac{1}{3}S{\theta }^2\mathrm{sign}\left(\mathrm{S\theta }\right)],D=2\end{array}\right)---\left(j\right)$

$e_R=\left(\begin{array}{c}\mathrm{S\alpha }*[1-S{\theta }^2\mathrm{sign}\left(\mathrm{S\theta }\right)],D=1\\ \mathrm{S\alpha }*[1-\frac{1}{3}S{\theta }^2\mathrm{sign}\left(\mathrm{S\theta }\right)],D=2\end{array}\right)---\left(k\right)$

其中，而假设传动系统中设有功率耦合机构，则前述步骤S503 根据下述公式(h’)及(i’)计算各挡位下每对(Sα，Sθ)对应的两侧电 机转速控制指令，制成二维表格：

$\left(\begin{array}{c}{n}_L=n_{\max }*e_L(\mathrm{S\alpha },\mathrm{S\theta },D)\\ n_{\mathrm{Lcon}}=n_L,\left|n_L\right|\le n_{\max }\\ n_{\mathrm{Lcon}}=n_{\max }*\mathrm{sign}\left(n_L\right),\left|n_L\right|>n_{\max }\end{array}\right)---\left(h\right)$

$\left(\begin{array}{c}{n}_R=n_{\max }*e_R(\mathrm{S\alpha },\mathrm{S\theta },K,D)\\ n_{\mathrm{Rcon}}=n_R,\left|n_R\right|\le n_{\max }\\ n_{\mathrm{Rcon}}=n_{\max }*\mathrm{sign}\left(n_R\right),\left|n_R\right|>n_{\max }\end{array}\right)---\left(i\right)$

其中，K为功率耦合机构的行星排参数；

步骤S6：根据步骤S5中所制定的电机转速控制指令表，通过查 表的方法，利用归一化的油门踏板信号Sα、路面附着系数和挡位信 号D得到左侧电机4和右侧电机5的转速控制指令，并发送；查表方 法如下：

步骤S601：求解关于归一化的方向盘转角信号Sθ的方程(1)， 其中，T为大于1的安全系数；

步骤S602：采用步骤5所制定的表格，利用归一化的油门踏板信 号Sα、归一化的方向盘转角信号Sθ和挡位信号D得到左侧电机4和 右侧电机5的转速控制指令；

步骤S7：两侧电机执行由传动系统控制器3发出的转速控制指令。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领 域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以 做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。