基于同轴式轮腿结构的主动姿态与全轮转向协同控制方法技术

本发明专利技术基于同轴式轮腿结构全地形搭载平台的主动姿态控制方法，涉及车辆的自动控制领域。当车辆进入弯道时，陀螺仪采集车辆当前的运动状态并将参数传送到控制单元；其中侧向加速度大于门限值时，车辆主动姿态与全轮转向协同系统开始作用，利用车辆质心转移，减小轮胎侧向附着力；当控制单元判断需要主动姿态调节介入时，将调用最优质心位置控制器计算得到此刻质心最佳位置，控制大臂举升电机调节质心位置，而后经由车辆动力学模型得出相应的转向角控制车轮转向；在新一时刻，陀螺仪再次回传车辆状态至控制单元，车辆侧向加速度判断门限值，如此往复，直至车辆平稳驶出弯道。本发明专利技术使用主动姿态调节质心位置，对车辆有更好的操控。

Active Attitude and Whole Wheel Steering Cooperative Control Method Based on Coaxial Wheel Leg Structure

The invention is based on an active attitude control method of an all terrain platform with coaxial wheel-leg structure, and relates to the automatic control field of vehicles. When a vehicle enters a curve, the gyroscope collects the current motion state of the vehicle and transmits the parameters to the control unit. When the lateral acceleration is greater than the threshold value, the active attitude of the vehicle and the whole wheel steering coordinate system begin to work. The vehicle centroid transfer is used to reduce the lateral adhesion of the tire. When the control unit judges the need for active attitude adjustment intervention, the optimal centroid position will be invoked. The controller calculates the optimal position of the center of mass at the moment, controls the arm lifting motor to adjust the position of the center of mass, and then obtains the corresponding steering angle through the vehicle dynamics model to control the wheel steering. At the new moment, the gyroscope returns the vehicle status to the control unit again, and the lateral acceleration of the vehicle judges the threshold value, so on, reciprocating until the vehicle steadily moves out of the bend. The invention uses active attitude to adjust the position of the center of mass, and has better control over the vehicle.

【技术实现步骤摘要】
基于同轴式轮腿结构的主动姿态与全轮转向协同控制方法
本专利技术涉及自动控制领域，具体为一种基于同轴式轮腿结构全地形搭载平台的主动姿态控制方法。
技术介绍
随着我国工业水平、科技水平和人民生活水平的不断提高，多功能智能移动平台，尤其是全地形移动搭载平台，逐渐应用于众多行业之中。为了适应野外复杂非铺装路面(戈壁、山地、干涸河床等)、复杂地质环境(冰面、雪地、泥地、沼泽、湿地、草原和沙漠等)，全地形搭载平台应具备上述多种复杂地形与复杂地质环境行驶、恶劣气候工作以及低环境足迹等能力，来弥补现有设备搭载平台的技术缺陷。采用先进的技术手段提高搭载平台相关性能至关重要。在转弯机动时，车辆的横向稳定性和安全性是一组重要的性能指标。一些在ABS刹车系统基础上研发的基于车身转矩控制的主动控制系统已被广泛地应用于现在汽车领域来提高车辆在转弯时的横向稳定性。然而制动力必然导致车辆速度的损失。这直接影响了车辆的操纵感受，并且增加了燃油的消耗。前轮线控转向系统可以通过干预前轮的转向角度来保持车辆在弯道的稳定,运用一种直接横摆转矩最优化控制方法，在车辆转向时保持一定的不足转向特性，同时减小了车辆的侧偏角。最新研究表明包含主动后轮转向的全轮转向控制系统对车辆横向稳定性、横向灵敏度与横向安全性有显著的提高。本项目负责人的博士论文中提到在相同假设条件下，主动前轮转向与全轮转向的灵敏度、稳定性与安全性上的差异。随着无人驾驶技术的兴起，路径跟踪控制逐渐被研究人员重视。由于全轮主动转向在操纵灵敏度与稳定性上的优势，全轮主动转向技术被更多的应用于无人驾驶汽车与智能机器人路径跟踪方面的研究中。在国内多轮转向系统多用于月球车等特种车辆与机器人的研究中。以月球车为基础，研究了探测车在松软的月球表面土壤上的转向动力学问题,给出了六轮月球探测车的四轮转向运动学计算公式，推导了探测车在松软土壤上的四轮转向动力学模型,并提出了合理的简化方法。综上所述，现有研究不足之处体现为：对于现有转向系统研究，多集中于转向控制本身。在转向过程中，忽略了车辆轮胎抓地力、车身质心偏移与横向负载转移变化对整车转向性能的影响。对复杂地形条件，包括大滑移率与摩擦力分布不均匀的情况对轮胎模型相关参数的估计方法研究不深入。
技术实现思路
针对上述缺陷，本专利技术克服了现有技术存在的转向控制没有考虑车辆轮胎抓地力、车身质心偏移与横向负载转移变化对整车转向性能的影响，提供了一种姿态与全轮转向协同控制方法。本专利技术采用的技术方案是：基于同轴式轮腿结构的主动姿态与全轮转向协同控制方法，包括：同轴式轮腿结构分别设置有四个大臂举升电机、四个小臂转向电机、四个轮毂电机、四个轮毂电机编码器，车身设置有测量车状态参数的陀螺仪和控制单元；当车辆进入弯道时，陀螺仪采集车辆当前的运动状态并将参数传送到控制单元，判断车辆侧向加速度；其中侧向加速度a1有门限值a，当a1<a时，可无需主动姿态调节即可保证车辆的稳定性；当a1>a时，车辆主动姿态与全轮转向协同系统开始作用，利用车辆质心转移，减小轮胎侧向附着力,保证高速过弯的稳定性；当控制单元判断需要主动姿态调节介入时，将调用最优质心位置控制器计算得到此刻质心最佳位置，而后输出控制信号分别控制四个大臂举升电机调节质心位置，而后经由车辆动力学模型得出相应的四个车轮转向角控制车轮转向；在新一时刻，陀螺仪再次回传车辆状态至控制单元，车辆侧向加速度判断门限值，如此往复，直至车辆平稳驶出弯道。所述的车辆质心转移是利用重力的分力mgsinα平衡离心力mω2r，从而减小轮胎侧向附着力F1，F2，计算式如下：mgsinα+F1+F2＝mω2r，mgcosα＝Fn，F1＝k1*β1，k1为前轮轮胎侧偏刚度，β1为前轮轮胎侧偏角；F2＝k2*β2，k2为后轮轮胎侧偏刚度，β2为后轮轮胎侧偏角；所述的质心最佳位置应用矩阵形式计算表示，公式如下：y＝CX+D1U+D2F其中X＝[x1,x2,x3,x4]TU＝[u1,u2]TF＝[f1(x1,x3),f2(x2,x4)]Ty＝[y1,y2,y3,y4]T式中m1为前轴质量，m2为后轴质量，k为弹簧刚度，c1为系统阻尼，t为时间。X是系统的输入，x1为左前车轮输入，x2为右前车轮输入，x3为左后车轮输入，x4为右后车轮输入，y为系统输出，y1为左前车轮输出，y2为右前车轮输出，y3为左后车轮输出y4为右后车轮输出；U为系统干扰量，u1为道路干扰，u2为侧风干扰；A为系统矩阵，B1B2为输入矩阵，C为输出矩阵,D1D2为直接传递矩阵，F是与不同车轮输入x1，x2，x3，x4相关的干扰矩阵。它们是由系统的结构和参数所定出的矩阵。最优质心位置控制器输出电机工作电压U，分别控制四个大臂举升电机调节质心位置，而后经由车辆动力学模型得出相应的四个车轮转向角控制车轮转向，计算式如下：其中，U是驱动电压，I是转子电流，R是转子回路电阻，φ是磁通量，k是感应电动势常数，N为电机转速，L为线圈电感量，i为电流，di/dt是电流的变化率。通过调整电机控制量U可以调整电机转速，从而调节转动量。所述的由车辆动力学模型得出相应的四个车轮转向角δ1，δ2，δ3，δ4，以控制车轮转向，计算式如下：式中为车身横摆加速度；IZ为绕Z轴的转动惯量；LF、LR分别为前轴轴距与后轴轴距，用于确定质心位置；FF、FR分别为前轮侧向力与后轮侧向力；δF、δR分别为前轮转向角与后轮转向角；为车身横摆角速度；β为车辆侧偏角；α为当前坡度；m为汽车质量，v为汽车后轮速度，v2为汽车质心的速度。由于采用上述的技术方案，与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：该控制方法积极使用主动姿态调节质心位置，质心位置的变化能够抵消弯中部分离心力，使驾驶员在不感到过度疲劳的情况下，对车辆有更好的操控。提出最佳质心位置，在满足附着条件的情况下，最大限度减小驾驶员的紧张感，能越过大于轮胎直径的障碍物，并能完成特定动作，如爬楼梯。附图说明图1是本专利技术的基于同轴式轮腿结构的姿态与全轮转向协同控制方法的流程图。图2是全地形车斜面受力图。图3是地面切向反作用力对侧偏特性的影响图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步的说明：下面结合附图对本专利技术作详细的描述：对于转向问题，主要研究运用车身姿态与全轮转向智能协同控制来保证全地形搭载平台轨迹跟踪精度，同时提高车辆横向稳定性、灵敏度及安全性。主动姿态控制利用车身主动质心偏移，更积极的利用各轮间平衡的重力分配与车身侧偏角与横摆角间的耦合，提高转向灵敏度及横向安全性。主动全轮转向通过调整后轮转向角度对横向稳定性和安全性的进一步优化。智能协同控制方法综合两种控制方法的优势，将在保证轨迹跟踪精度的前提下，全面提升平台横向稳定性、操纵灵敏度与横向安全性，并能在安全范围内提高平台行驶速度。然而由于腿部关节运动带来的车辆一系列参数变化，主动转向系统需对此加以考虑，否则将导致转向不足、转向过度以及轨迹跟踪误差过大等状况发生。由于主动姿态的控制，腿部关节旋转导致车身两侧的前后轮距发生了变化。腿部关节旋转角作为一种由姿态变化产生的已知量来参与协同调节和主动转向角度控制。通过腿部关节旋转角度与腿部机构的长度计算可得到车轮质心到车身质心的相对距离。考虑到车辆在越野环境受大滑移影本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于同轴式轮腿结构的主动姿态与全轮转向协同控制方法，其特征在于，包括：同轴式轮腿结构分别设置有四个大臂举升电机、四个小臂转向电机、四个轮毂电机、四个轮毂电机编码器，车身设置有测量车状态参数的陀螺仪和控制单元；当车辆进入弯道时，陀螺仪采集车辆当前的运动状态并将参数传送到控制单元，判断车辆侧向加速度；其中侧向加速度a1有门限值a，当a1

【技术特征摘要】
1.一种基于同轴式轮腿结构的主动姿态与全轮转向协同控制方法，其特征在于，包括：同轴式轮腿结构分别设置有四个大臂举升电机、四个小臂转向电机、四个轮毂电机、四个轮毂电机编码器，车身设置有测量车状态参数的陀螺仪和控制单元；当车辆进入弯道时，陀螺仪采集车辆当前的运动状态并将参数传送到控制单元，判断车辆侧向加速度；其中侧向加速度a1有门限值a，当a1<a时，可无需主动姿态调节即可保证车辆的稳定性；当a1>a时，车辆主动姿态与全轮转向协同系统开始作用，利用车辆质心转移，减小轮胎侧向附着力，保证高速过弯的稳定性；当控制单元判断需要主动姿态调节介入时，将调用最优质心位置控制器计算得到此刻质心最佳位置，而后输出控制信号分别控制四个大臂举升电机调节质心位置，而后经由车辆动力学模型得出相应的四个车轮转向角控制车轮转向；在新一时刻，陀螺仪再次回传车辆状态至控制单元，车辆侧向加速度判断门限值，如此往复，直至车辆平稳驶出弯道。2.根据权利要求1所述的基于同轴式轮腿结构的主动姿态与全轮转向协同控制方法，其特征在于，所述的车辆质心转移是利用重力的分力mgsinα平衡离心力mω2r，从而减小轮胎侧向附着力F1，F2，计算式如下：mgsinα+F1+F2＝mω2r，mgcosα＝Fn，F1＝k1*β1，k1为前轮轮胎侧偏刚度，β1为前轮轮胎侧偏角；F2＝k2*β2，k2为后轮轮胎侧偏刚度，β2为后轮轮胎侧偏角。3.根据权利要求2所述的基于同轴式轮腿结构的主动姿态与全轮转向协同控制方法，其特征在于，所述的质心最佳位置应用矩阵形式计算表示，公式如下：y＝CX+D1U+D2F其中X＝[x1,x2,x3,x4]TU＝[u1,u2]TF＝[f1(...

【专利技术属性】
技术研发人员：马芳武，聂家弘，吴量，倪利伟，徐广健，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22