一种前后车架铰接的多轴线车辆全轮转向的解析算法

摘要

一种前后车架铰接的多轴线车辆全轮转向的解析算法，包括如下步骤：步骤一、对于分前后车且前后车架以球形铰铰接的多轴车辆，构筑各轴线水平面投影布置图；全车共有i条轴线，各轴线分别依次记为第一轴线、第二轴线、第三轴线、……第i轴线；以后车各轴线中点连线为X轴，以第i轴线为Y轴建立直角坐标系；第i轴线垂直于后车各轴线中点连线；车架主铰位于B点；本发明的解析算法构筑车辆各轴水平面投影图并建立直角坐标系，根据依据车辆无侧滑转向原理，得出多轴线转向时前后车各轮之间的转角关系，建立各轮转角与轴距、轮距，δ角等参数的关系式。

说明书

技术领域

本发明是涉及车辆转向控制领域，尤其是涉及多轴线车辆全轮转向的解析算法。

背景技术

为了满足工程缩短工期、提高效率以及降低成本的需要，工程机械日趋大型化，用 户对它的性能要求越来越高。由于转向性能直接影响整车的机动性、灵活性和行驶稳定性， 因此对大型车辆的转向系统提出了更高的要求。

多轴线轮式铰接底盘越来越广泛地应用于运架一体机、提梁机等工程机械。众所 周知，多轴线车辆都具有全轮转向，并需要根据不同工况下转向模式的要求确定转向角度，

以运架一体机运梁行驶工况为例。为了能使车辆按照驾驶员的操纵意图直线行驶 或转向，需要转动方向盘来调整车辆行驶方向，即车轮的转向角度。如图1所示，该图示出了 前后车架铰接的多轴线车辆全轮转向的转向过程。

多轴线车辆转向一般采用全轮转向技术，其原理是各轮必须绕着同一个转向中心 转动；使各转向轮在转向过程中沿半径不同的同心圆轨迹滚动，也就是说，各轴上的轮胎转 向角度不同，才能保证在转向过程中轮胎只做纯滚动运动。避免轮胎与地面之间发生滑动 摩擦。显然这是一种理想的转向状态，在车辆的所有转向轮的轴线都相交于一点就能实现。

众所周知，多轴车辆转向时，各轴车轮的转角有一定的转角关系，在刚性车架的多 轴车辆中，根据汽车转向的阿克曼原理，得出多轴转向时前后轮之间的转角关系，建立各轮 转角与轴距、轮距的关系式，以电控液压助力机械拉杆机构，电控液压机构实现。

而在前后车架铰接的多轴车辆全轮转向时，显然若某些原因使前车中轴线与后车 中轴线产生夹角δ，各轮转角与轴距、轮距的关系就不再满足阿克曼原理了。无论是前车引 导还是后车引导，这时前车各轴线内轮绝对偏转角γ_i，外轮绝对偏转角θ_i与内轮相对转角 α_i、外轮的相对转角β_i之间就相差δ角。若这时再按阿克曼原理解析计算的各转向轮转角使 各转向轮的轴线将不再交于一点上，各转向轮在转向过程中将沿半径不同的各自的圆心轨 迹作滚动，同时必然还会有侧滑,从而会造成轮胎的异常磨损。直接的表象是使前车中轴线 与后车中轴线产生的夹角δ在转向行驶中越来越大。使车辆难以按照驾驶员的操纵意图行 驶或转向。不仅增加了车辆的使用成本，对安全行驶也会造成严重的不利影响。

在实际应用中，为使前后车在同一直线上运行，一般都会在控制程序中嵌入纠偏 程序，一旦δ角大于某允许值，纠偏程序将操作后车以自身八字模式围绕前后车间铰点反δ 角转向，直至δ角趋于0°，以保证前后车在同一直线上运行。但必须注意到纠偏程序目前只 能在车辆直线运行时发挥作用。在转向时当δ角大于某值时，车辆的偏转方向已和驾驶员的 操纵意图行驶方向相去甚远，此时不得不将车辆退出转向进入直线行驶，进行纠偏直至δ角 趋于0°后再次进行转向。其实际转向行驶轨迹不是平滑的曲线而是曲线、直线的组合。这就 造成实际转向半径远大于理论转向半径。且车辆转向操控技术要求很高。

如若试想在转向时叠加纠偏程序，后车在转向过程中各转向轮轴线相交于一点已 无从谈起。而叠加后的纠偏效果与内轮相对转角α_i、外轮的相对转角β_i相关，还与侧滑力相 关，转向过程将呈现不确定的状态。现实中还无法实施。还需进行深入理论研究和现场试 验。

实现所有转向车轮的无侧滑转动是多轴线铰接车架转向系统设计的目标，为此， 必然要对前车中轴线与后车中轴线已产生夹角δ后，各轮转角与轴距、轮距、δ角的关系进行 研究，找出满足车辆的所有转向轮的轴线都相交于一点的理论关系和解析算法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种多轴线铰接车架转向系统的解析算法，利 用本解析算法可在各种转向模式下、前车中轴线与后车中轴线已产生夹角δ后，计算出的各 轮转角保证多轴线铰接车架车辆在转向中，各轮转角与轴距、轮距、δ角的关系满足各转向 轮轴线相交于一点。有效提高多轴线铰接车架车辆的操控性，减少车辆行驶中轮胎的磨损。

本发明的技术方案是：

一种前后车架铰接的多轴线车辆全轮转向的解析算法，包括如下步骤：

步骤一、对于分前后车且前后车架以球形铰铰接的多轴车辆，构筑各轴线水平面 投影布置图；全车共有i条轴线，各轴线分别依次记为第一轴线、第二轴线、第三轴线、…… 第i轴线；以后车各轴线中点连线为X轴，以第i轴线为Y轴建立直角坐标系；第i轴线垂直于 后车各轴线中点连线；车架主铰位于B点。

前车各轴轮距为K₁，后车各轴轮距为K₂，前车各轴轴距为L₁，后车各轴轴距为L₂，前 车轴线数为n₁，后车轴线数为n₂；前车与后车在B点铰接，前车第i轴线与车架主铰B点距离为 L_xi，后车第n₂轴线距B点距离为p；设定的车辆转向中心轨迹线与Y轴距离为L_zx；前车各轴线 中点连线与X轴的夹角为δ；根据车辆转向原理，车辆瞬时转向过程中车辆的所有转向轮的 轴线都相交于转向中心轨迹线上的M点；设各轴线内轮相对转角(车轮与前车轮组中心连线 的偏转角)为α_i，外轮相对转角为β_i，各轴线内轮绝对偏转角(车轮与后车轮组中心连线的偏 转角)为γ_i，外轮绝对偏转角为θ_i；

步骤二、由直角坐标系的几何关系，定义中间参数、得出其计算公式：

2-10)e—第i轴线车轮回转中心由于δ角而形成的水平位移，

e＝(K₁)/2×sin(δ)(1.2-1)

2-11)g—车架铰接点B点与设定转向中心的水平距离，

g＝L_zx-p(1.2-2)

2-12)f—第i轴线半轮距由于δ角而形成的在垂直方向上的投影距离，

f＝(K₁)/2×cos(δ)(1.2-3)

2-13)b_i—第i轴线中点与车架主铰距离的水平投影距离，

b_i＝L_x1-(i-1)×L₁×cos(δ)(1.2-4)

2-14)a_i—第i轴线内侧车轮回转中心与设定转向中心的水平距离，

a_i＝b_i-g-e(1.2-5)

2-15)c_i—第i轴线内侧车轮回转中心与设定转向中心的垂直距离，

c_i＝c_i-1+(i-1)×L₁×sin(δ)(i＞1)(1.2-6)

2-16)d_i—第i轴线外侧车轮回转中心与设定转向中心的水平距离，

d_i＝b_i-g+e(1.2-7)

2-17)m_i—第i轴线外侧车轮回转中心与设定转向中心的垂直距离，

m_i＝c_i+(2×f)(1.2-8)

2-18)c_h—后车中线与设定转向中心的垂直距离，

当前车引导时，c_h＝c₁+L_x1×sin(δ)+f；(1.2-9.1)

当后车引导时，c_h＝L_zx/tan(α_(n1+n2))+K₂/2；(1.2-9.1)

步骤三、根据车辆运行方向，确定第一轴线的c₁、c_h值：

3-1)当以前车为引导时：

c₁＝a₁/tan(α₁+δ)(1.3-1)

c_h＝c₁+L_x1×sin(δ)+f(1.3-2)

3-2)当以后车为引导时：

c_h＝L_zx/tan(α_(n1+n2))+K₂/2(1.3-3)

c₁＝c_h-L_x1×sin(δ)-f(1.3-4)

步骤四、根据车辆运行方向，并依据车辆转向原理，得出各轴线内轮相对转角为 α_i，外轮相对转角为β_i，各轴线内轮绝对偏转角为γ_i，外轮绝对偏转角为θ_i的解析计算公 式：

4-1)当以前车为引导时：

4-1-g)前车各轴线内轮相对转角α_i

α_i＝arctg(a_i/c_i)-δ(1≤i≤n₁)(1.4-1)

4-1-h)前车各轴线外轮相对转角β_i

β_i＝arctg(d_i/m_i)-δ(1≤i≤n₁)(1.4-2)

4-1-i)前车各轴线内轮绝对偏转角为γ_i

γ_i＝arctg(a_i/c_i)(1≤i≤n₁)(1.4-3)

4-1-j)前车各轴线外轮绝对偏转角θ_i

θ_i＝arctg(d_i/m_i)(1≤i≤n₁)(1.4-4)

4-1-k)后车各轴线内轮相对转角α_i

α_i＝arctg(-(L_zx-(n₂-1)×L₂)/(c_h-K₂/2))-δ(n₁≤i≤n₂)(1.4-5)

4-1-l)后车各轴线外轮相对转角β_i

β_i＝arctg(-(L_zx-(n₂-1)×L₂)/(c_h+K₂/2))-δ(n₁≤i≤n₂)(1.4-6)

对于后车而言，不存在δ角的影响，内外轮相对转角等于绝对偏转角；

4-2)当以后车为引导时：

各轴线内轮相对转角为α_i，外轮相对转角为β_i，各轴线内轮绝对偏转角为γ_i，外轮 绝对偏转角为θ_i的解析计算公式与前车为引导时一致，前车引导时α₁角是确定参数，由司机 通过方向盘输入，而后车引导时α_(n1+n2)角是确定参数；由司机通过方向盘输入，计算时需区 分先后带入计算。

通过设定的车辆转向中心轨迹线与Y轴距离为L_zx，就可计算得到不同转向模式下 的各轴线内轮相对转角为α_i，外轮相对转角为β_i，各轴线内轮绝对偏转角为γ_i，外轮绝对偏 转角为θ_i；

模式一、无论是前车引导还是后车引导，当L_zx＝(L_x1+p)/2时，即所谓八字转向模 式，以所述步骤一到步骤四就可计算得到此转向模式下的各轴线内轮相对转角α_i，外轮相 对转角β_i，各轴线内轮绝对偏转角为γ_i，外轮绝对偏转角为θ_i；此模式下可获得在第一轴线 内轮相对转角为同等α₁角度时的最小转向半径。

模式二、前车引导时，当L_zx＝0时；后车引导时，当L_zx＝(L_x1+p)时即所谓半八字转 向模式，以所述步骤一到步骤四就可计算得到此转向模式下的各轴线内轮相对转角为α_i， 外轮相对转角为β_i，各轴线内轮绝对偏转角为γ_i，外轮绝对偏转角为θ_i。

在车辆的所有转向轮都转向同一方向时，即蟹行模式(crab)；蟹行转向模式下的 各轴线内轮相对转角为α_i，外轮相对转角为β_i，各轴线内轮绝对偏转角为γ_i，外轮绝对偏转 角为θ_i；解析计算包括如下步骤：

采用所述的步骤四：前车各轴线中点连线与X轴的夹角为δ，无论是前车引导还是 后车引导均以后车第一轴线车轮为基准解析计算，

a)后车各轴线内、外轮相对转角α_i、β_i，

α_(n2+n1)＝α_(n2+n1-1)……＝α_(n2)＝β_(n2+n1)＝β_(n2+n1-1)……＝β_(n2)(3.1-1)

对于后车而言，不存在δ角的影响，内外轮相对转角等于绝对偏转角；

b)前车各轴线内、外轮相对转角α_i、β_i，

α_(n2+n1)-δ＝α_(n1)＝α_(n1-1)＝……＝α₁＝β_(n1)＝β_(n1-1)……＝β₁(3.1-2)

c)前车各轴线内、外轮绝对偏转角为γ_i、θ_i，

α_(n2+n1)＝γ_(n1)＝γ_(n1-1)＝……＝γ₁＝θ_(n1)＝θ_(n1-1)……＝θ₁(3.1-3)。

本发明的解析算法构筑车辆各轴水平面投影图并建立直角坐标系，根据依据车辆 无侧滑转向原理，得出多轴线转向时前后车各轮之间的转角关系，建立各轮转角与轴距、轮 距，δ角等参数的关系式；根据平面结构建立数学模型，计算出不同转向模式下的各轴线内 轮相对转角为α_i，外轮相对转角为β_i，各轴线内轮绝对偏转角为γ_i，外轮绝对偏转角为θ_i。 本解析算法可保证铰接车架的多轴线车辆全轮转向时各轮转角准确定位，与理想转角完全 一致。可明显减轻轮胎磨损，同时提高车辆操控性性，改善车辆受力，增加了车辆的行驶稳 定性。

附图说明

图1是本发明的前后车架铰接的多轴线车辆各轴线水平面投影布置图；

图2是前后车架铰接的19轴线车辆八字模式转向过程示意图；

图3是前后车架铰接的19轴线车辆蟹行模式转向过程示意图；

图4是图1的局部放大图S₁。

图5是图3的局部放大图S。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合 附图及实施例，对依据本发明提出的车架铰接的多轴线车辆全轮转向控制方法的具体实施 方式、结构、特征及其功效，详细说明如下：

有关本发明的前述及其它技术内容、特点及功效，在以下配合参考图式的较佳实 施例的详细说明中将可清楚呈现。通过具体实施方式的说明，当可对本发明为达成预定目 的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图式仅是提供参考与说 明之用，并非用来对本发明加以限制。

附图1所示为19轴线铰接车辆转向示意图，图1中左侧为后车，右侧为前车，全轮转 向的解析算法包括如下步骤：

步骤一、对于分前后车且前后车架以球形铰铰接的多轴车辆，构筑各轴线水平面 投影布置图。全车共有i条轴线，各轴线分别依次记为第一轴线、第二轴线、第三轴线、…… 第i轴线。以后车各轴线中点连线为X轴，以第i轴线为Y轴建立直角坐标系。第i轴线垂直于 后车各轴线中点连线。车架主铰位于B点。

前车各轴轮距为K₁，后车各轴轮距为K₂，前车各轴轴距为L₁，后车各轴轴距为L₂，前 车轴线数为n₁，后车轴线数为n₂。前车与后车在B点铰接，前车第i轴线与车架主铰B点距离为 L_xi，后车第n_(n1+n2)轴线距B点距离为p。设定的车辆转向中心轨迹线与Y轴距离为L_zx。前车各 轴线中点连线与X轴的夹角为δ。根据车辆转向原理，车辆瞬时转向过程中车辆的所有转向 轮的轴线都相交于转向中心轨迹线上的M点(设定的转向中心)。设各轴线内轮相对转角为 α_i，外轮相对转角为β_i，各轴线内轮绝对偏转角为γ_i，外轮绝对偏转角为θ_i。

步骤二、由直角坐标系的几何关系，定义中间参数、得出其计算公式：

2-1)e—第i轴线车轮回转中心由于δ角而形成的水平位移，

e＝(K₁)/2×sin(δ)(1.2-1)

2-2)g—车架铰接点B点与设定转向中心(M点)的水平距离，

g＝L_zx-p(1.2-2)

2-3)f—第i轴线半轮距由于δ角而形成的在垂直方向上的投影距离，

f＝(K₁)/2×cos(δ)(1.2-3)

2-4)b_i—第i轴线中点与车架主铰(B点)距离的水平投影距离，

b_i＝L_x1-(i-1)×L₁×cos(δ)(1.2-4)

2-5)a_i—第i轴线内侧车轮回转中心与设定转向中心(M点)的水平距离，

a_i＝b_i-g-e(1.2-5)

2-6)c_i—第i轴线内侧车轮回转中心与设定转向中心(M点)的垂直距离，

c_i＝c_i-1+(i-1)×L₁×sin(δ)(i＞1)(1.2-6)

2-7)d_i—第i轴线外侧车轮回转中心与设定转向中心(M点)的水平距离，

d_i＝b_i-g+e(1.2-7)

2-8)m_i—第i轴线外侧车轮回转中心与设定转向中心(M点)的垂直距离，

m_i＝c_i+(2×f)(1.2-8)

2-9)c_h—后车中线与设定转向中心(M点)的垂直距离，

当前车引导时，c_h＝c₁+L_x1×sin(δ)+f，

当后车引导时，c_h＝L_zx/tan(α_(n1+n2))+K₂/2，

步骤三、根据车辆运行方向，确定第一轴线的c₁、c_h值；

3-1)当以前车为引导时：

c₁＝a₁/tan(α₁+δ)(1.3-1)

c_h＝c₁+L_x1×sin(δ)+f(1.3-2)

3-2)当以后车为引导时：

c_h＝L_zx/tan(α_(n1+n2))+K₂/2(1.3-3)

c₁＝c_h-L_x1×sin(δ)-f(1.3-4)

步骤四、根据车辆运行方向，并依据车辆转向原理，得出各轴线内轮相对转角为 α_i，外轮相对转角为β_i，各轴线内轮绝对偏转角为γ_i，外轮绝对偏转角为θ_i的解析计算公式

4-1)当以前车为引导时：

4-1-a)前车各轴线内轮相对转角α_i

α_i＝arctg(a_i/c_i)-δ(1≤i≤n₁)(1.4-1)

4-1-b)前车各轴线外轮相对转角β_i

β_i＝arctg(d_i/m_i)-δ(1≤i≤n₁)(1.4-2)

4-1-c)前车各轴线内轮绝对偏转角为γ_i

γ_i＝arctg(a_i/c_i)(1≤i≤n₁)(1.4-3)

4-1-d)前车各轴线外轮绝对偏转角θ_i

θ_i＝arctg(d_i/m_i)(1≤i≤n₁)(1.4-4)

4-1-e)后车各轴线内轮相对转角α_i

α_i＝arctg(-(L_zx-(n₂-1)×L₂)/(c_h-K₂/2))-δ

(n₁≤i≤n₂)(1.4-5)

4-1-f)后车各轴线外轮相对转角β_i

β_i＝arctg(-(L_zx-(n₂-1)×L₂)/(c_h+K₂/2))-δ

(n₁≤i≤n₂)(1.4-6)

对于后车而言，不存在δ角的影响，内外轮相对转角等于绝对偏转角。

4-2)当以后车为引导时：

各轴线内轮相对转角为α_i，外轮相对转角为β_i，各轴线内轮绝对偏转角为γ_i，外轮 绝对偏转角为θ_i的解析计算公式与前车为引导时一致，需注意和理解的是前车引导时α₁角 是确定参数，由司机通过方向盘输入。而后车引导时α_(n1+n2)角是确定参数，由司机通过方向 盘输入。计算时需区分先后带入计算。

根据上述的前后车架铰接的多轴车辆全轮转向的解析算法，通过设定的车辆转向 中心轨迹线与Y轴距离为L_zx，就可计算得到不同转向模式下的各轴线内轮相对转角为α_i，外 轮相对转角为β_i，各轴线内轮绝对偏转角为γ_i，外轮绝对偏转角为θ_i。

模式一、无论是前车引导还是后车引导，当L_zx＝(L_x1+p)/2时，如图2所示，即所谓 八字转向模式，以上述步骤一到步骤四就可计算得到不同此转向模式下的各轴线内轮相对 转角为α_i，外轮相对转角为β_i，各轴线内轮绝对偏转角为γ_i，外轮绝对偏转角为θ_i。此模式 下可获得在第一轴线内轮相对转角为同等α₁角度时的最小转向半径。

模式二、前车引导，当L_zx＝0时。后车引导，当L_zx＝(L_x1+p)时即所谓半八字转向模 式，以上述步骤一到步骤四就可计算得到此转向模式下的各轴线内轮相对转角为α_i，外轮 相对转角为β_i，各轴线内轮绝对偏转角为γ_i，外轮绝对偏转角为θ_i。

如图3、4所示，在车辆的所有转向轮都转向同一方向时，即蟹行模式(crab)。蟹行 转向模式下的各轴线内轮相对转角为α_i，外轮相对转角为β_i，各轴线内轮绝对偏转角为γ_i， 外轮绝对偏转角为θ_i。解析计算包括如下步骤；

采用步骤四：前车各轴线中点连线与X轴的夹角为δ，无论是前车引导还是后车引 导均以后车第一轴线车轮为基准解析计算，

采用所述的步骤四：前车各轴线中点连线与X轴的夹角为δ，无论是前车引导还是 后车引导均以后车第一轴线车轮为基准解析计算，

后车各轴线内、外轮相对转角α_i、β_i，

a)α_(n2+n1)＝α_(n2+n1-1)……＝α_(n2)＝β_(n2+n1)＝β_(n2+n1-1)……＝β_(n2)(3.1-1)

对于后车而言，不存在δ角的影响，内外轮相对转角等于绝对偏转角；

前车各轴线内、外轮相对转角α_i、β_i，

b)α_(n2+n1)-δ＝α_(n1)＝α_(n1-1)＝……＝α₁＝β_(n1)＝β_(n1-1)……＝β₁(3.1-2)

前车各轴线内、外轮绝对偏转角为γ_i、θ_i，

c)α_(n2+n1)＝γ_(n1)＝γ_(n1-1)＝……＝γ₁＝θ_(n1)＝θ_(n1-1)……＝θ₁(3.1-3)

本解析算法可应用于前后车架铰接的多轴线车辆等大型多轴线多轮车辆中全轮 转向的各转向轮偏转角的计算，也可用于多模块多轴线平板车辆软联接组合后的全轮转向 的各转向轮偏转角的计算。具体实施中，方向盘转角传感器向控制器发出转向角度指令。铰 接角度传感器或轴线姿态传感器向控制器输入轴线夹角δ值，各转向轮安装有向控制器输 入反馈信号的角度传感器。控制器按本发明的解析算法计算出各转向轮正确的偏转角，控 制器据此输出信号通过电磁比例阀组控制转向油缸实现转向。随着计算机的发展，本解析 算法中可通过编制计算机程序进行求解，同时整个解析算法也可通过编制计算机程序自动 执行完成。

一种铰接车架多轴线车辆全轮转向控制系统，适用于对于分前后车且前后车架以 球形铰铰接的多轴线车辆，所述多轴线车辆全轮转向控制系统包括ECU、若干安装于转向枢 架回转中心的角度传感器；安装于车架铰接处回转中心的角度传感器，以及若干电控液压 转向执行机构，所述多轴线车辆全轮转向控制系统用于执行如上述的多轴线车辆全轮转向 控制方法。