一种适时四驱复合转向系统及其多目标优化方法技术方案

本发明专利技术公开了一种适时四驱复合转向系统及其多目标优化方法，该系统包括差动转向系统和线控四轮转向系统，采用四个独立的轮毂电机实现转向助力。本发明专利技术在差动转向系统的基础上，增设线控四轮转向系统和电子辅助系统，使适时四驱复合转向系统可以根据车辆的不同工况，在两驱差动转向和线控四轮转向两种模式间切换，完成汽车转向。本发明专利技术基于该适时四驱复合转向系统提出一种多目标优化方法，选取转向系统的部分参数作为优化变量，建立目标函数，设置约束条件，搭建适时四驱复合转向系统的模型，采用和声搜索算法对一种适时四驱复合转向系统进行多目标优化。

A timely four drive composite steering system and its multi-objective optimization method

The invention discloses a timely four-wheel drive compound steering system and its multi-objective optimization method. The system includes differential steering system and four wheel steering system controlled by wire, and four independent hub motors are used to realize steering assistance. The present invention in the differential steering system based on the additional wire system and electronic auxiliary four wheel steering system, the steering system can be real-time composite according to different working condition of vehicle steering and four wheel steering by wire to switch between the two modes in two drive differential, complete steering. The invention is based on the real-time composite to a multi-objective optimization method is proposed to select part of system parameters of the system as optimization variables, the objective function is established, set constraints, to build real-time composite steering system model, the harmony search algorithm for a real-time composite steering system for multi objective optimization.

【技术实现步骤摘要】
一种适时四驱复合转向系统及其多目标优化方法
本专利技术涉及转向系统
，尤其涉及一种适时四驱复合转向系统及其多目标优化方法。
技术介绍
差动转向系统通过调节左右转向轮的驱动转矩，进而改变左右转向轮的驱动力，产生驱动转向力矩完成转向。差动转向系统采用轮毂电机技术，将动力、传动、制动装置都整合在轮毂内，省略了复杂的机械传动系统，大大简化了车辆结构，节省了布置空间，转矩响应准确、迅速，使汽车转向的完成更易精准实现。但是差动转向的轮胎磨损大，在砂石路面或雨雪天气下，难以保证轮胎都处于滚动状态，且前轮差动易影响整车稳定性。线控四轮转向系统同样采取轮毂电机完成驱动、转向、制动，避免系统的重复布置，节约成本。线控四轮转向系统控制单元根据各传感器检测的数据信号，发出指令，进行转向操作。四轮转向一般处于四轮驱动状态，相较两轮驱动，操控能力出众、稳定性高、坚固耐用，有更好的动力、牵引力和驾驶体验，尤其在剧烈驾驶情况下更安全，行驶更加稳定，弥补了差动转向不稳定的不足。但无法根据路面情况作出扭矩分配的调整，油耗偏大，经济性差。适时四驱的设计，使车辆在不同工况下采用不同的驱动模式，保证车辆的动力性和通过性，又兼顾了燃油经济性。但适时四驱复合转向系统不仅融合了差动转向系统和线控四轮转向系统，而且驱动方式在两驱和四驱之间转换，增加了车辆布置的复杂程度，且系统、工况的切换必然会影响系统工作状态的稳定性，所以需对适时四驱复合转向系统进行多目标优化。
技术实现思路
针对于上述现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种适时四驱复合转向系统及其多目标优化方法，以解决现有技术中复合转向系统使车辆布置的复杂程度增加和系统、工况的切换影响系统工作状态的稳定性的问题。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：本专利技术的一种适时四驱复合转向系统，包括差动转向系统及线控四轮转向系统；所述差动转向系统包括转向盘、车速传感器、车身侧向加速度传感器、横摆角速度传感器、转矩转角传感器、转向轴、齿轮齿条转向机构、连杆机构、差动转向控制单元、左前轮轮毂电机、右前轮轮毂电机；所述线控四轮转向系统包括转向盘、车速传感器、车身侧向加速度传感器、横摆角速度传感器、转矩转角传感器、转向轴、转向伺服电机、线控四轮转向控制单元、连杆机构、左前轮轮毂电机、右前轮轮毂电机、左后轮轮毂电机、右后轮轮毂电机；所述车速传感器用于测量汽车当前驾驶车速；所述车身侧向加速度传感器用于测量汽车当前的车身侧向加速度；所述横摆角速度传感器用于测量汽车当前的横摆角速度；所述转向盘、转矩转角传感器、转向轴、齿轮齿条转向机构相互连接，形成转向盘系统，完成转矩传递，同时接收路面及车辆的反馈信息，提供给驾驶员相应路感；所述转矩转角传感器安装在转向轴上，用以测量驾驶员的转向轴转矩输入和转角输入；所述连杆机构包括转向主销及转向横拉杆，二者连接；所述差动转向控制单元与转矩转角传感器、车速传感器、车身侧向加速度传感器、横摆角速度传感器、左前轮轮毂电机、右前轮轮毂电机相连，根据接收到的转向轴转矩、转角、车速、车身侧向加速度、横摆角速度，向左前轮轮毂电机、右前轮轮毂电机发送指令，以分配相应驱动力矩；所述齿轮齿条转向机构通过连杆机构分别与左前轮轮毂电机、右前轮轮毂电机的车轴相连；所述线控四轮转向控制单元与转矩转角传感器、车速传感器、车身侧向加速度传感器、横摆角速度传感器、四个转向伺服电机相连，根据接收到的转向轴转矩、转角、车速、车身侧向加速度、横摆角速度，向四个转向伺服电机发送指令；所述四个转向伺服电机分别与四个转向横拉杆相连，接收线控四轮转向控制单元的控制指令，控制车轮转向。优选地，所述系统还包括电子辅助系统，其包括车速传感器、车身侧向加速度传感器、横摆角速度传感器、电子辅助控制单元ECU、左前轮轮毂电机、右前轮轮毂电机、左后轮轮毂电机、右后轮轮毂电机；所述电子辅助控制单元ECU的输入端与车速传感器、车身侧向加速度传感器、横摆角速度传感器的输出端连接，电子辅助控制单元ECU根据各传感器传输的数据综合判断当前路况，并发出相应指令给轮毂电机；所述电子辅助控制单元ECU的输出端与左前轮轮毂电机、右前轮轮毂电机、左后轮轮毂电机、右后轮轮毂电机相连，四个轮毂电机根据接收指令，实现车辆两驱或四驱。本专利技术的一种适时四驱复合转向系统的多目标优化方法，其基于上述系统，包括以下步骤：步骤1)：建立整车三自由度模型、差动转向系统模型、线控四轮转向系统模型；步骤2)：基于差动转向系统模型和线控四轮转向系统模型，建立适时四驱复合转向系统模型；步骤3)：基于整车三自由度模型和已建立的适时四驱复合转向系统模型，推导适时四驱复合转向系统的性能指标；步骤4)：选取优化变量，建立适时四驱复合转向系统进行多目标优化的目标函数，设置约束条件，在Isight软件中建立适时四驱复合转向系统的优化模型；步骤5)：基于适时四驱复合转向系统的优化模型，采用和声搜索算法，对适时四驱复合转向系统进行多目标优化。优选地，所述步骤1)中的整车三自由度模型为：式中，m为整车质量，u为x轴方向车速，ms为簧载质量，h汽车质心高度，Iz为整车质量绕z轴的转动惯量，Ixz为整车质量对x、z轴的惯性积，Ix为整车质量对x轴的转动惯量，ωr为横摆角速度，为车身侧倾角，β为质心侧偏角，δ为前轮转向角；其中，各项系数表示为：式中，a为汽车质心至前轴距离，b为汽车质心至后轴距离，k1、k2分别左右前转向轮刚度，Ka为轮毂电机转矩系数，Km为轮毂电机转矩增益差值，Ks为转矩转角传感器刚度，n为转向横拉杆到前轮的传动比，l为左右轮距，r为车轮半径，E1、E2分别为前后侧倾转向系数，DD1、DD2分别为前后悬架阻尼。优选地，所述步骤1)的中差动转向系统模型为：式中，Js、Bs分别为转向轴的转动惯量和等效阻尼系数，Bs、Be分别为转向输出轴的转动惯量和等效阻尼系数，θs为方向盘转角，θe为转向输出轴转角，Md为方向盘转矩，Me为扭杆的反作用转矩，ΔMm为差动助力转矩，nl为转向输出轴到驱动轮的传动比，Mr为齿轮齿条阻力矩，d为转向主销偏移距，r为车轮半径，T1、T2分别为左右轮毂电机驱动力矩，Ks为转矩转角传感器转向扭杆的等效刚度，xr为齿条位移，rp为小齿轮半径。优选地，所述步骤1)中的线控四轮转向系统模型为：式中，Js、Bs分别为转向轴的转动惯量和等效阻尼系数，θs为方向盘转角，Md为方向盘转矩，Me为扭杆的反作用转矩，Jeq、Beq分别为轮毂电机的转动惯量和等效阻尼系数，θi为相应车轮转角，Fxi为地面阻力，r为车轮半径，Tti为车轮驱动力，Jm、Bm分别为转向执行电机转子的转动惯量和等效阻尼系数，θc为转向执行电机轴转角，Te为转向执行电机的电磁转矩，Kt为转向输入轴的扭转刚度，xr为齿条位移，rp为小齿轮半径，gs为减速器传动比，mr、br分别为齿条的等效质量和阻尼系数，Mr为齿轮齿条阻力矩，ΔMm为差动助力转矩，nl为转向输出轴到驱动轮的传动比，kr为等效弹簧的弹性系数。优选地，所述步骤2)中的适时四驱复合转向系统模型为：优选地，所述步骤3)中的性能指标包含转向路感、转向灵敏度，分别为：转向路感E(s)：转向灵敏度E(m)：优选地，所述步骤4)中具体包括：选取的优化变量为：转向轴的转动本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种适时四驱复合转向系统，其特征在于，包括差动转向系统及线控四轮转向系统；所述差动转向系统包括转向盘(1)、车速传感器、车身侧向加速度传感器、横摆角速度传感器、转矩转角传感器(2)、转向轴(3)、齿轮齿条转向机构(4)、连杆机构、差动转向控制单元(13)、左前轮轮毂电机(10)、右前轮轮毂电机(6)；所述线控四轮转向系统包括转向盘(1)、车速传感器、车身侧向加速度传感器、横摆角速度传感器、转矩转角传感器(2)、转向轴(3)、转向伺服电机(5)、线控四轮转向控制单元(9)、连杆机构、左前轮轮毂电机(10)、右前轮轮毂电机(6)、左后轮轮毂电机(8)、右后轮轮毂电机(7)；所述车速传感器用于测量汽车当前驾驶车速；所述车身侧向加速度传感器用于测量汽车当前的车身侧向加速度；所述横摆角速度传感器用于测量汽车当前的横摆角速度；所述转向盘、转矩转角传感器、转向轴、齿轮齿条转向机构相互连接，形成转向盘系统，完成转矩传递，同时接收路面及车辆的反馈信息；所述转矩转角传感器(2)安装在转向轴(3)上，用以测量驾驶员的转向轴转矩输入和转角输入；所述连杆机构包括转向主销(11)及转向横拉杆(12)，二者连接；所述差动转向控制单元(13)与转矩转角传感器(2)、车速传感器、车身侧向加速度传感器、横摆角速度传感器、左前轮轮毂电机(10)、右前轮轮毂电机(6)相连，根据接收到的转向轴转矩、转角、车速、车身侧向加速度、横摆角速度，向左前轮轮毂电机(10)、右前轮轮毂电机(6)发送指令，以分配相应驱动力矩；所述齿轮齿条转向机构(4)通过连杆机构分别与左前轮轮毂电机(10)、右前轮轮毂电机(6)的车轴相连；所述线控四轮转向控制单元(9)与转矩转角传感器(2)、车速传感器、车身侧向加速度传感器、横摆角速度传感器、四个转向伺服电机(5)相连，根据接收到的转向轴转矩、转角、车速、车身侧向加速度、横摆角速度，向四个转向伺服电机(5)发送指令；所述四个转向伺服电机(5)分别与四个转向横拉杆(12)相连，接收线控四轮转向控制单元(9)的控制指令，控制车轮转向。...

【技术特征摘要】
1.一种适时四驱复合转向系统，其特征在于，包括差动转向系统及线控四轮转向系统；所述差动转向系统包括转向盘(1)、车速传感器、车身侧向加速度传感器、横摆角速度传感器、转矩转角传感器(2)、转向轴(3)、齿轮齿条转向机构(4)、连杆机构、差动转向控制单元(13)、左前轮轮毂电机(10)、右前轮轮毂电机(6)；所述线控四轮转向系统包括转向盘(1)、车速传感器、车身侧向加速度传感器、横摆角速度传感器、转矩转角传感器(2)、转向轴(3)、转向伺服电机(5)、线控四轮转向控制单元(9)、连杆机构、左前轮轮毂电机(10)、右前轮轮毂电机(6)、左后轮轮毂电机(8)、右后轮轮毂电机(7)；所述车速传感器用于测量汽车当前驾驶车速；所述车身侧向加速度传感器用于测量汽车当前的车身侧向加速度；所述横摆角速度传感器用于测量汽车当前的横摆角速度；所述转向盘、转矩转角传感器、转向轴、齿轮齿条转向机构相互连接，形成转向盘系统，完成转矩传递，同时接收路面及车辆的反馈信息；所述转矩转角传感器(2)安装在转向轴(3)上，用以测量驾驶员的转向轴转矩输入和转角输入；所述连杆机构包括转向主销(11)及转向横拉杆(12)，二者连接；所述差动转向控制单元(13)与转矩转角传感器(2)、车速传感器、车身侧向加速度传感器、横摆角速度传感器、左前轮轮毂电机(10)、右前轮轮毂电机(6)相连，根据接收到的转向轴转矩、转角、车速、车身侧向加速度、横摆角速度，向左前轮轮毂电机(10)、右前轮轮毂电机(6)发送指令，以分配相应驱动力矩；所述齿轮齿条转向机构(4)通过连杆机构分别与左前轮轮毂电机(10)、右前轮轮毂电机(6)的车轴相连；所述线控四轮转向控制单元(9)与转矩转角传感器(2)、车速传感器、车身侧向加速度传感器、横摆角速度传感器、四个转向伺服电机(5)相连，根据接收到的转向轴转矩、转角、车速、车身侧向加速度、横摆角速度，向四个转向伺服电机(5)发送指令；所述四个转向伺服电机(5)分别与四个转向横拉杆(12)相连，接收线控四轮转向控制单元(9)的控制指令，控制车轮转向。2.根据权利要求1所述的适时四驱复合转向系统，其特征在于，所述系统还包括电子辅助系统，其包括车速传感器、车身侧向加速度传感器、横摆角速度传感器、电子辅助控制单元ECU、左前轮轮毂电机(10)、右前轮轮毂电机(6)、左后轮轮毂电机(8)、右后轮轮毂电机(7)；所述电子辅助控制单元ECU的输入端与车速传感器、车身侧向加速度传感器、横摆角速度传感器的输出端连接，电子辅助控制单元ECU根据各传感器传输的数据综合判断当前路况，并发出相应指令给轮毂电机；所述电子辅助控制单元ECU的输出端与左前轮轮毂电机、右前轮轮毂电机、左后轮轮毂电机、右后轮轮毂电机相连，四个轮毂电机根据接收指令，实现车辆两驱或四驱。3.一种适时四驱复合转向系统的多目标优化方法，其特征在于，基于上述权利要求1-2任意一项的适时四驱复合转向系统，包括以下步骤：步骤1)：建立整车三自由度模型、差动转向系统模型、线控四轮转向系统模型；步骤2)：基于差动转向系统模型和线控四轮转向系统模型，建立适时四驱复合转向系统模型；步骤3)：基于已建立的整车三自由度模型和适时四驱复合转向系统模型，推导适时四驱复合转向系统的性能指标；步骤4)：选取优化变量，建立适时四驱复合转向系统进行多目标优化的目标函数，设置约束条件，在Isight软件中建立适时四驱复合转向系统的优化模型；步骤5)：基于适时四驱复合转向系统的优化模型，采用和声搜索算法，对适时四驱复合转向系统进行多目标优化。4.根据权利要求3所述的适时四驱复合转向系统的多目标优化方法，其特征在于，所述步骤1)中的整车三自由度模型为：式中，m为整车质量，u为x轴方向车速，ms为簧载质量，h汽车质心高度，Iz为整车质量绕z轴的转动惯量，Ixz为整车质量对x、z轴的惯性积，Ix为整车质量对x轴的转动惯量，ωr为横摆角速度，为车身侧倾角，β为质心侧偏角，δ为前轮转向角；其中，各项系数表示为：式中，a为汽车质心至前轴距离，b为汽车质心至后轴距离，k1、k2分别左右前转向轮刚度，Ka为轮毂电机转矩系数，Km为轮毂电机转矩增益差值，Ks为转矩转角传感器刚度，n为转向横拉杆到前轮的传动比，l为左右轮距，r为车轮半径，E1、E2分别为前后侧倾转向系数，DD1、DD2分别为前后悬架阻尼。5.根据权利要求4所述的适时四驱复合转向系统的多目标优化方法，其特征在于，所述步骤1)的中差动转向系统模型为：式中，Js、Bs分别为转向轴的转动惯量和等效阻尼系数，Bs、Be分别为转向输出轴的转动惯量和等效阻尼系数，θs为方向盘转角，θe为转向输出轴转角，Md为方向盘转矩，Me为扭杆的反作用转矩，ΔMm为差动助力转矩，nl为转向输出轴到驱动轮的传动比，Mr为齿轮齿条阻力矩，d为转向主销偏移距，r为车轮半径，T1、T2分别为左右轮毂电机驱动力矩，xr为齿条位移，rp为小齿轮半径。6.根据权利要求5所述的适时四驱复合转向系统的多目标优化方法，其特征在于，所述步骤1)中的线控四轮转向系统模型为：

【专利技术属性】
技术研发人员：王云琦，赵万忠，王春燕，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32