高速电驱动履带车辆操纵特性分析_袁艺.pdf

第 卷第 期 年 月兵工学报 ：高速电驱动履带车辆操纵特性分析袁艺，盖江涛，周广明，高秀才，李训明，马长军，（中国北方车辆研究所，北京；车辆传动重点实验室，北京；陆军装备部驻北京地区第六军事代表室，北京）摘要：为了奠定高速电驱动履带车辆的操纵稳定性评价及控制的基础，进行了高速电驱动履带车辆开环操纵特性分析及高速电驱动履带车辆横摆运动响应试验，并在此基础上完成了基于人车路闭环系统的电驱动履带车辆操纵特性分析。研究结果表明：车速越高，横摆角速度稳定值越小；路面条件越好，车辆横摆角速度响应越快；当考虑电驱动车辆的动态响应特性后，保证闭环系统稳定的驾驶员预瞄时间需要增大，驾驶员最短反应滞后时间缩短；驱动电机响应速度越快，使系统稳定的最小预瞄时间越大。关键词：电驱动履带车辆；高速履带车辆；操纵特性；横摆运动；人车路闭环系统 中图分类号：文献标志码：文章编号：（）收稿日期：基金项目：科工局基础产品创新科研项目 ，（，；，；，）：，：，；，；，：；引言车辆的操纵性是指车辆能遵循驾驶员通过转向系及转向车轮给定方向行驶的能力。车辆的操纵性不仅影响车辆操纵的方便程度，也是影响高速车辆安全行驶的一个主要性能。轮式车辆车兵 工 学 报第 卷速较高，为了保证其行驶安全性，学者们在轮式车辆操纵特性分析、操纵稳定性试验及评价、操纵稳定性控制等方面进行了大量研究，建立了较完善的理论。传统机械传动履带车辆的行驶车速远低于轮式车辆，因此在其操纵性方面并没有进行深入的分析研究。随着电驱动技术在履带车辆上的应用，车辆速度大幅提升。美国陆军安全中心曾经对 起坦克侧翻事故原因进行统计，发现以下 项因素为事故主要原因，分别为：车辆检修不足 、车速过高 、通信不畅 、夜间视野受限 、道路狭窄 、地面起伏 、地面引导不当 、跟车过近 及超车不当 。由此可以看出，高车速非常容易引起履带车辆侧翻，在所有事故原因中排第。轮式车辆的转向由转向系统实现，而履带车辆则通过其传动装置使两侧履带产生转速差，实现车辆转向。履带车辆的电驱动装置可以通过调节电机输出来控制车辆运动，实现电驱履带车辆操纵稳定性控制，防止车辆失稳。本文进行高速电驱动履带车辆开环操纵特性以及基于人车路闭环系统的高速电驱动履带车辆操纵特性的研究，以期为电驱履带车辆操纵稳定性评价及控制奠定基础。高速电驱动履带车辆开环操纵特性分析在高速履带车辆模型的基础上加入电驱动装置模型，推导高速电驱动履带车辆横摆角速度对方向盘转角的传递函数，并进行试验验证，然后对电驱动履带车辆开环操纵特性进行分析。.履带车辆横摆运动传递函数图 所示为履带车辆转向平面运动及受力示意图。图 中：为大地坐标系；为车辆坐标系；为车辆几何中心及质心（假设质心与几何中心重合）；为履带中心距；为履带接地段长度；与 分别为内侧履带与外侧履带的瞬时转向中心；为车辆横摆角；为车辆横摆角速度；为车辆航向角；为质心侧偏角；，、，和，（，）分别为第 侧履带第 个负重轮下履带与地面之间的滑动速度、滑动速度的 轴方向分量及 轴方向分量；、和 分别为车辆质心速度、质心速度的 轴方向分量和 轴方向分量；、，和，（，）分别为第 侧履带第 个负重轮下履带与地面之间的剪切力、剪切力的 轴方向分量和 轴方向分量；和 分别为作用于内外侧履带的地面滚动阻力。图 履带车辆转向平面运动示意图 令车辆横摆运动控制量 为 （）式中：为两侧履带卷绕速度 和 之比，。假设车辆在水平地面上进行匀速运动，并且在进行转向时两侧履带转速差较小，可以得到履带车辆 自由度线性转向动力学模型 为（）（）（）（）（）（）（）（）（）|（）式中：为重力加速度；为拉普拉斯变换中的复变量；为滑转率为 时履带与地面之间的摩擦系数；为依赖于土壤黏聚系数和摩擦特性的常数；为车辆转动惯量；为整车质量；为单侧负重轮个数；为路面滚动阻力系数；为车辆质心高度。假设横摆角、横摆角速度、质心侧偏角及质心侧偏角速度初值均为零，对式（）进行拉氏变换，得到横摆角速度对横摆运动控制量的传递函数及质心侧偏角对横摆运动控制量的传递函数分别为 第 期高速电驱动履带车辆操纵特性分析（）（）（）（）（）（）（）|（）式中：（）（）|（）.高速电驱动履带车辆横摆运动传递函数电驱动装置结构简图如图 所示。图 中，传动装置由两个驱动电机、耦合机构、两侧变速机构及侧减速机构组成，耦合机构由若干行星排构成，行星排参数（即行星排齿圈齿数与太阳轮齿数之比）为，变速机构传动比为，侧减速机构比为。图 电驱动装置结构简图 方向盘转角信号 传递至电驱动综合控制器，综合控制器根据当前车速确定可实现的最小相对转向半径，经过计算得到两侧驱动电机目标转速差：（）式中：和 分别为内外侧电机目标转速；为主动轮半径；为车速 对应的最小转向半径，车速越高，越大；为方向盘转角归一化系数。假设车速 不变，传动综合控制器根据两侧驱动电机目标转速差，可以解算得到两侧驱动电机目标转速，再发送至两侧驱动电机控制器。在进行电驱动装置集成前，驱动电机及其控制器通过调试，驱动电机会快速响应转速指令，并且尽量不使其产生超调。因此，将驱动电机对其转速指令的响应看作一个 阶惯性环节，并假设两侧驱动电机的响应相同，时间常数为，因此两侧驱动电机的实际转速差为 （）（）式中：和 分别为两侧驱动电机实际转速。由此，两侧主动轮转速差 为 （）履带车辆的输入控制量为 （）电驱动环节的传递函数为 （）（）（）（）（）电驱动履带车辆系统的方块图如图 所示。方框图的物理意义为：电驱动装置综合控制器接收到驾驶员方向盘转角指令，经过计算得到两侧驱动电机目标转速差，向两侧驱动电机控制器发出两侧驱动电机转速指令，两侧驱动电机对转速指令进行响应，输出转速差。经过机械子系统及侧传动后输出履带车辆横摆运动控制量，履带车辆接收到控制量后进行转向响应，输出横摆角速度。图 电驱动履带车辆方块图 电驱动履带车辆横摆运动的传递函数为（）（）（）（）（）（）（）由传递函数可以看出，该系统是由电驱动装置对应的一个 阶惯性环节和履带车辆横摆运动对应的一个 阶环节叠加而成。系统总共有三个极点，包含 阶环节的一个极点 及 阶环节两个极点。图 所示为 阶环节极点的实部与车速的关系，车速越高，极点的实部越小。系统极点的负实部越是远离虚轴，则该极点对应的项在瞬态响应中衰兵 工 学 报第 卷减得越快，因此当极点 与虚轴的距离大于极点 与虚轴距离的 倍时，分析系统瞬态响应时可忽略极点。图 所示为系统极点，阶环节的极点距离虚轴的距离约为。当车辆以小于.的车速转向时，阶环节的极点距离虚轴的距离约为大于，此时在分析电驱动车辆的横摆运动响应时可忽略 阶环节而仅考虑电驱动装置对应的 阶环节。图 阶环节极点实部与车速关系 图 系统极点 .高速电驱动履带车辆横摆运动响应试验在某铺路面进行了方向盘转角斜阶跃输入下的电驱动履带车辆横摆运动响应试验，总共进行了四次试验，试验结果如图 图 所示。试验过程中，车速基本稳定在 左右。第一、三、四次试验中，方向盘转角缓慢增大，后最终均稳定在左右。由于方向盘转角传感器零点漂移效应，即使在车辆不转向时，方向盘转角仍有 左右，在后续数据对比中对方向盘转角数据进行了相应的处理。对比在方向盘转角斜阶跃输入下的车辆横摆角速度响应与横摆角速度试验数据，如图、图 所示。可以看出，在方向盘转角逐渐增大的过程中，车辆横摆角速度能对其进行较快速的响应；三次试验的横摆角速度终值基本在.左右，而斜阶跃输入下车辆横摆角速度终值为.。电驱动履带车辆横摆运动响应试验的试验结果与理论分析结果具有较好的符合度，因此电驱动履带车辆横摆运动响应特性分析模型可以用于基于人车路闭环系统的电驱动履带车辆操纵特性分析。图 方向盘转角 图 车速 .高速电驱动履带车辆开环操纵特性分析如图 所示，为不同车速下电驱动履带车辆横摆角速度阶跃响应，在 时刻给出终值为 的方向盘转角阶跃信号，车辆横摆角速度响应在 后达到稳定值。由于控制策略中车速越高，最小转向半径越小，因此车速越高，横摆角速度稳定值越 第 期高速电驱动履带车辆操纵特性分析图 电驱动履带车辆横摆角速度 图 方向盘转角斜阶跃输入与方向盘转角试验数据对比 图 横摆角速度试验结果与方向盘转角斜阶跃输入下横摆角速度响应对比 小。当不加入电驱动环节时，车速越大，横摆角速度图 不同车速下电驱动履带车辆横摆角速度阶跃响应 终值越大。在 时刻给出终值为 的方向盘转角阶跃信号，图 所示为不同路面参数下电驱动履带车辆横摆角速度阶跃响应。由图 可以看出，路面参数对车辆横摆角速度的终值影响较小，对其响应速度影响较大。路面条件越好，地面可提供的转向驱动力矩越大，车辆横摆角速度响应越快。图 不同路面参数下车辆横摆角速度阶跃响应 基于人车路闭环系统的电驱动履带车辆操纵特性分析 在电驱动履带车辆模型的基础上加入驾驶员模型，基于人车路闭环系统对电驱动履带车辆操纵特性进行分析。.驾驶员操纵环节传递函数车辆行驶轨迹如图 所示，采用郭孔辉提出的驾驶员模型。考虑车辆在预定轨迹上行驶，轨迹中心线方程为（）。设在所观察的瞬时 车辆具有兵 工 学 报第 卷的即时状态为横向坐标（）和横向速度（）。驾驶员向前预瞄一个距离，相应于预瞄时间 。驾驶员前视点的横向坐标为（）。图 车辆行驶轨迹 为了使车辆按照预定的轨迹行驶，驾驶员会根据经验选择一个方向盘角度，对应一个轨迹曲率 ：（）（）（）（）驾驶员根据自己的经验将目标曲率转化为方向盘转角，再考虑到驾驶员反应及手臂肌肉滞后时间，因此加入滞后环节。驾驶员操纵环节的框图如图 所示。图 中，为驾驶员根据经验总结出的最佳方向盘转角与车辆轨迹曲率之间的比例系数，称其为驾驶增益。图 驾驶员操纵环节方块图 图 的物理意义为：驾驶员根据前方道路信息（）和车辆的即时状态（）与（），加上对车速与预瞄时间的判断来确定一个最优的轨迹曲率，然后根据驾驶经验确定最佳的方向盘转角：（）（）（）（）（）.准稳态闭环系统操纵特性分析车辆横向加速度为：（）将式（）代入式（），得到在车辆坐标系中 轴方向加速度对转向输入的传递函数为 （）（）（）（）（）暂不考虑电驱车辆高频响应，则式（）和式（）可以分别写为 （）（）（）（）（）则仅考虑驾驶员反应滞后，得到人车路闭环系统的准稳态模型方块图如图 所示。图 准稳态闭环系统方块图 在低频内，有（）（）()（）(（）)()（）系统特征方程为（）(（）)()（）该 阶系统稳定的条件为（）(（）)()（）|（）由此可以看出，闭环系统稳定与否与驾驶特性参数、车辆参数、控制参数有关。第 期高速电驱动履带车辆操纵特性分析.预瞄时间对准稳态闭环系统操纵特性影响一般有经验的驾驶员预瞄时间较大，而初学者由于预瞄时间很短，车辆行驶轨迹常常左右摇摆，闭环系统容易失稳。如图 所示，为车速 时，不同预瞄时间下单移线工况闭环系统对期望轨迹的响应特性。由图 可以看出，预瞄时间较短时，系统体现出一定的振荡特性，相当于驾驶员在不停的调节方向盘。当预瞄时间较大时，对轨迹的跟踪偏差较大。如图 所示，当预瞄时间为.时，系统已经发散。图 不同预瞄时间下单移线工况闭环系统响应 图 .时单移线工况闭环系统响应 .驾驶增益对准稳态闭环系统操纵特性影响图 所示为车速 时，不同驾驶增益下单移线工况闭环系统对期望轨迹的响应。由图 可以看出，当驾驶增益较小时，系统体现出一定的振荡特性，相当于驾驶员在不停的调节方向盘。这是因为 较小时，相同的目标曲率下，驾驶员得出较小方向盘转角，无法跟踪预期轨迹，因此需要不停的调整方向盘。但是，驾驶增益并非越大越好，根据系统稳定条件，驾驶增益越大，系统越容易达到临界或失稳状态。如图 所示，当驾驶增益大于使系统稳定的临界值时，闭环系统发散。图 不同驾驶增益下单移线工况闭环系统响应 图 时单移线工况闭环系统响应 .车辆参数对准稳态闭环系统操纵特性影响图 所示为车速 时，不同车辆参数下单移线工况闭环系统对期望轨迹的响应。由于 值越小，车辆横摆角速度终值越大，因此车辆能对期望轨迹进行更好的跟踪。.车速对准稳态闭环系统操纵特性影响图 所示为不同车速下单移线工况闭环系统对期望轨迹的响应特性。当车速不同时，需要选取兵 工 学 报第 卷图 不同车辆参数单移线工况闭环系统响应 不同的驾驶参数和预瞄时间。从图 中可以看出，车速越大，驾驶参数越大，预瞄时间越短。较大的车速对应的最小转向半径较大，即最大转速差较小，为了实现相同的曲率，需要更大的方向盘转角，即驾驶参数要更大。即在目前的控制策略下，驾驶员要实现同样的转向半径，车速越高，驾驶员需要将方向盘转动更大的转角。图 不同车速单移线工况闭环系统响应 .计入电驱动车辆动态响应后的闭环系统操纵特性分析计入电驱动车辆动态响应并且采用车辆 自由度模型后的人车路闭环系统的方块图如图 所示。.预瞄时间对动态闭环系统操纵特性影响图、图 所示为车辆以 进行单移线图 人车路动态闭环系统方块图 运动时，不同预瞄时间下闭环系统响应特性。通过与准稳态闭环系统模型的响应对比可以看出，当驾驶员预瞄时间为.时，准稳态模型中车辆能较好的实现期望轨迹，但是动态模型中车辆运动轨迹发散，系统已处于失稳状态。将预瞄时间增加至.后，准稳态模型中车辆能较好的实现期望轨迹。因此，当考虑电驱动车辆的动态响应特性后，驾驶员预瞄时间需要增大，否则由于驾驶员频繁纠正较短预瞄距离内的车辆横向运动的偏差，而电驱动车辆会对驾驶员操纵进行较快响应，从而导致车辆易失稳。图 单移线工况不同预瞄时间下车辆轨迹 .驾驶员滞后时间对动态闭环系统操纵特性影响图、图 所示为车辆以 进行单移线运动时，驾驶员不同反应滞后时间下闭环系统响应特性。通过与准稳态闭环系统模型的响应对比可以看出，当驾驶员反应滞后时间为.或.时，准稳态模型中车辆能较好地实现期望轨迹。但是，当驾驶员反应滞后时间为.时，动态模型中车辆运动轨迹发散，系统已处于失稳状态。当驾驶员反应滞后时间为.时，动态模型中车辆能实现期望轨迹。因此，当考虑电驱动车辆的动态响应特 第 期高速电驱动履带车辆操纵特性分析图 单移线工况不同预瞄时间下车辆横向加速度 性后，保证闭环系统稳定的驾驶员最短反应滞后时间缩短。图 单移线工况驾驶员不同滞后时间下车辆轨迹 .电机响应时间对动态闭环系统操纵特性影响图、图 所示为车辆以 进行单移线运动时，驱动电机不同响应时间下闭环系统响应特性。电机转速响应速度越快，对目标轨迹的跟踪效果越好。当电机转速响应时间常数为.，驾驶员预瞄时间为.时，车辆可以实现预期轨迹。但是当预瞄时间缩短至.时，系统失稳。因此，驱动电机响应速度越快，使系统稳定的预瞄时间越大。结论）本文推导了电驱动履带车辆横摆角速度对方向盘转角的传递函数，并且通过实车试验对传图 单移线工况驾驶员不同滞后时间下车辆横向加速度 图 单移线工况电机不同响应时间下车辆轨迹 递函数进行了验证，分析了高速电驱动履带车辆开环操纵特性。结果表明：车速越高，横摆角速度稳定值越小；路面参数对车辆横摆角速度的终值影响较小，路面条件越好，车辆横摆角速度响应越快。）本文建立了人车路闭环系统模型，推导了准稳态闭环系统的稳定条件，分析了驾驶参数、车辆结构参数、车速及电驱动装置动态响应对电驱动履带车辆操纵特性。结果表明：当考虑电驱动车辆的动态响应特性后，保证闭环系统稳定的驾驶员预瞄时间需要增大，驾驶员最短反应滞后时间缩短，驱动电机响应速度越快，使系统稳定的最小预瞄时间越长。兵 工 学 报第 卷图 单移线工况电机不同响应时间下车辆横向加速度 参考文献（）余志生 汽车理论 北京：机械工业出版社，：，（）倪佑民 汽车方向稳定性基本原理 北京：清华大学出版社，：，（）陆正煜，伦景光，倪佑民 方向盘斜阶跃转角输入对汽车转向瞬态响应特性的影响 汽车工程，（）：，（）：（）陆正煜，伦景光，倪佑民 汽车转向特性模拟计算的初步研究 汽车工程，（）：，（）：（）郭孔辉 人车路闭环操纵系统主动安全性的综合评价与优化设计 汽车技术，（）：，（）：（）郭孔辉 驾驶员汽车闭环操纵运动的最优预瞄曲率模型 汽车工程，（）：，（）：（）李亮，朱宏军，陈杰，等 用于汽车稳定性控制的路面附着识别算法 机械工程学报，（）：，（）：（）王伟达，张宇航，黄国强，等 轮毂驱动电动车辆动力学稳定性滑模控制策略研究 动力学与控制学报，（）：，（）：（），：，：闫清东，张连第，赵毓芹，等 坦克构造与设计 北京：北京理工大学出版社，：，（）盖江涛，黄守道，周广明，等 双电机耦合驱动履带车辆自适应滑模转向控制 兵工学报，（）：，（）：（）邹渊，孙逢春，张承宁 电传动履带车辆双侧驱动转速调节控制策略 北京理工大学学报，（）：，（）：（）曾庆含，马晓军，廖自力，等 双侧电驱动履带车辆等效条件积分滑模稳定转向控制 兵工学报，（）：，（）：（）盖江涛，刘春生，马长军，等 考虑履带滑转滑移的电驱动车辆转向控制策略研究 兵工学报，（）：，（）：（）王红岩，王钦龙，芮强，等 高速履带车辆转向过程分析与试验验证 机械工程学报，（）：，（）：（）芮强，王红岩，王钦龙，等 履带车辆转向性能参数分析与试验研究 机械工程学报，（）：，第 期高速电驱动履带车辆操纵特性分析，（）：（），（）：，董景新，赵长德，熊沈蜀，等 控制工程基础 北京：清华大学出版社，：，（）盖江涛，李慎龙，周广明，等 一种履带车辆机电复合传动装置：，：（）盖江涛，黄守道，周广明，等 双侧电机驱动的功率耦合机构传动方案设计方法 中国机械工程，（）：，（）：（）作者简介：袁艺（），女，研究员，硕士。：盖江涛（），通信作者，男，研究员，博士。：周广明（），男，研究员。：高秀才（），男，工程师，硕士。：李训明（），男，副研究员，博士。：马长军（），男，研究员，硕士。：