六-轮式车辆期望横摆角速度和侧偏转向控制方法

广西工学院毕业设计（外文）翻译英文原文名Desired yaw rate and steering control method during cornering for a six-wheeled vehicle中文译名六轮式车辆期望横摆角速度和侧偏转向控制方法系别汽车工程系专业班级交Y081班学生姓名XXX指导教师XXX填表日期二〇一一年9月译文：六-轮式车辆期望横摆角速度和侧偏转向控制方法.1）机械与宇航工程学院，汉城国立大学，汉城151-744，韩国2）电脑辅助机械设计工程，大津大学，Gyoenggi 487-711，韩国3），大田305-600，韩国国防发展局5-3-3集团摘要:本文提出了一种最优控制理论为基础，以改善六轮式车辆在转弯时的操作稳定性为目标转向控制方法。

六轮式车辆，相信比四个轮子的车辆在其跨越障碍的能力,越野性能和当一个或两个轮胎刺破时故障安全处理方面有更好的性能表现。

虽然人们研究和开发许多方法来提高四轮车辆的横向稳定性，但六轮式车辆的横向稳定性方面的研究比较少。

近年来一些六轮式车辆的研究已经报道，但它们是有关用四轮汽车的横摆角速度去控制六轮车辆的转向。

在本文中，通过侧滑角和横摆角速度的控制以提高转弯时的操作稳定性，提出了适合六轮式车辆所需的横摆角速度。

此外，设计了带有6个独立控制驱动马达和六个独立控制的转向私服马达的按比例缩小的汽车模型。

所提出的控制方法性能是可以通过一个完整的模型的车辆仿真模拟和按比例缩小的车辆实验验证的。

关键词：六轮式车辆的横向稳定性，所需的横摆角速度，按比例缩小的车辆1. 引言一个独立的6WD（四轮驱动）/ 6WS（转向轮）机制在特殊的用途的、军事的装甲车得以应用，以加强其转向性能和越野驱动能力。

六轮式车辆，相信比四个轮子的车辆在其跨越障碍的能力,越野性能和当一个或两个轮胎刺破时故障安全处理方面有更好的性能。

为了一个六轮车辆在转弯时达到最好的可操作性，中间及后轮转向角度根据前轮的转向和六轮式车辆的速度角度，需要加以控制。

许多方法已被研究，并积极开发，使四轮车辆的横向稳定性得到大大地提（Zanten，1998；Nagai et al，1999；Nagai etal.2002；Shino et al.2001；Shibahata.1992；Song etal.2007）。

然而，只有少数研究六轮式车辆的横向稳定性。

Huh et al.（2000年），设置中间车轮转向角度，前轮转向角的一半和控制的后轮转向角度，以尽量减少六轮车辆的侧滑角。

杰克逊和克罗拉（2002）提出的横摆角速度控制方法，使用直接横摆力矩控制（DYC）六轮式车辆在转弯时的稳定性提高。

Chen et al.（2006年），使用积分控制的LQR（线性二次型调节）技术实现了中间、后轮转向角度的控制。

An et al.（2006年）在前轮转向角度和速度的基础上使用积分控制的LQR（线性二次型调节）技术实现了前、中间、后轮转向角度的控制。

然而，他们用的四轮车辆所需的横摆角速度控制在转弯时的六轮汽车的操纵。

在这项研究中没有考虑中间轮的效应来影响控制目标。

在本文中，通过对侧滑角和横摆角速度的控制提高了独立控制六个轮子的转向角度转弯过程中的操控性。

提出所需适合六轮式车辆的横摆角速度作为控制目标。

此外，还设计按比例缩小的车辆来评估所提出的控制方法。

按比例缩小的车辆有六个驱动器电机和六个转向马达可以独立控制。

按比例缩小的车辆配备了微控制器和两个光学鼠标，使得它可以控制车辆运动和测量车辆的速度和横摆角速度。

使用完整的模型汽车模拟结果和按比例缩小的汽车实验结果验证所提出的控制方法的性能。

2.整车模型图1 六轮式车辆的整车模型在本文中，一个六轮的车辆是仿照作为一个18度的自由度（DOF）对象。

完整的车型是由六自由度平移和旋转的簧载质量构成的模型，六自由度非簧载悬挂质量和六自由度轮动力学模型如图1所示(Huh et al., 2000)。

轮胎用一种同时考虑滑移率和滑移角结合的轮胎模型展示。

它是基于Pacejka的轮胎模型（Pacejka 2002年）。

有了完整的车辆模型才使得我们可能去实现六轮式车辆的机动性和研究对车辆的控制方法的性能的分析。

3.转向控制方法图2一个2自由度自行车模型侧滑角和横摆角速度被控制到接近期望值，因为他们是在转弯时车辆的机动性的重要因素。

完整的车辆模型由于过于复杂而难以设计出控制系统。

因此，使用2自由度自行车模型设计的控制器。

设计控制器之前，有必要设计适合六轮式车辆所需的模型。

在最近对六轮的车辆的研究中，四轮车辆所需的横摆角速度是用来控制六轮式车辆在转弯时的操纵。

在这一章中，一种建立在依赖中间轮效应修正四轮车辆所需的横摆角速度的模型被提出。

要在按照所需的模型的前轮转向角和纵向速度的基础上，六个轮子的转向角度通过LQR技术被控制。

3.1 控制器的车辆动态模型控制器的设计中使用的车型是一个2自由度自行车模型与线性轮胎力模型相结合，如在图2所示。

假设是在一个恒定的前进速度行驶的车辆，V x车辆动力学方程描述方程（1），（2）其中MIS为车辆质量，V x是车辆纵向速度，侧滑角β，I z转动惯量，r是横摆角速度。

假设有相等侧向力作用到左、右轮轮胎上，F yf , F ym , F yr分别为前，中和后轮轮胎部各自受到的力。

l f , l m , l r分别为重心（CG）到前、中、后轮轴线的距离。

假设轮胎上的左、右车轮的滑移角和轮胎打滑角度角相等，外侧轮胎的受力，采用线性轮胎模型定义如下：其中C f , C m , C r分别代表前轮、中间轮和后轮各自的侧偏刚度，代表的前轮，中间轮和后轮各自的转向角度。

定义状态向量控制输入下面的状态空间表示：其中矩阵A和B被定义为：4.在转弯时所需的横摆角速度和转向控制方法3.2 所需的模型（Tomas，1992年）在最近的六轮式车辆研究中，中间车轮转向角为零的条件下，预期的横摆角速度在稳态的过完方程中取得，如在图3所示，不考虑中间轮效应。

在本文中，提出一个新的适合六轮转向车辆的期望模型。

在低速转弯时，轮胎不需要制定一个侧向力。

因此，他们无滑移角转动，如图4所示。

在适当的几何转角（假设为小角度），前轮转向角阿克曼角定义为：前轮转向角和中间车轮转向角之间的关系定义如下：图4 几何一个转折点6W车辆。

图5 弯道的自行车模型在高速过弯，出现了横向加速度。

为了抵消横向加速度，轮胎必须产生一个侧向力。

因此，在每个车轮上呈现出一个滑移角，如图5所示。

应用牛顿第二定律的以及几何恒等式可以过来推导出如在图5所示的稳态过弯方程。

在高速过弯，转向中心因为轮胎打滑的角度而由‘A’（低速转中心）更改为转向中心“B”。

每个轮胎的侧滑角的定义如下：为了得到所需的模型，根据前轮转向角和纵向速度，在高速过弯时，中间车轮转向角应满足方程（6）。

通过结合方程（6）和，方程（4）重新整理如下：前轮转向角度和稳态横摆角速度增益之间的关系被定义为利用方程（8）得到的方程（9）。

所需的横摆角速度定义为使用一个适当的时间常数（ 方程）的稳态的横摆角速度增益和一阶传递函数（10）假设所需的侧滑角 零，所需的模型定义如下：3.3 转向控制方法在转弯时与车辆的机动性紧密相连的是侧滑角和横摆角速度。

在本文中，侧滑角和横摆角速度是通过控制由一个额外在图6中论证过的前轮转向角和后轮转角组成的输入量接近期望的模型值的模型。

中间车轮转向角度是由方程（6）（开环控制）。

为了定义方程（4）重新排列如下：要确定控制输入，动态误差定义如下：图6。

控制方法控制输入量u由又前馈输入量和反馈输入组成。

通过定义的前馈输入：动态误差重新排列如下：反馈输入增益矩阵（K），可通过求解代数Riccati方程。

反馈输入增益矩阵，最大限度地减少了以下的成本函数J如下：其中Q和R分别地是状态的偏差和输入工作的加权矩阵。

他们由布赖森的规则规定如下：4. 按比例缩小的汽车设计为了研究驾驶的特点和并评估所提出的控制方法，设计了一辆按比例缩小的车辆用来采集和保存实验数据的。

按比例缩小的车辆使用的无线通信控制。

设计的小车是通过六个转向装置和六个驱动马达分别独立地控制小车的转向和运动。

驱动马达的速度可以通过内置的编码速度传感器测得。

纵向速度，横向速度，侧滑角和横摆角速度都可以通过了装在按比例缩小的的车辆在正面和背面的两个光学鼠标获得。

（Jung and Lee, 2005）。

4.1 转向部分设计转向机构设计使用的是由Hobby Inc公司生产的HES-288型号R/C伺服电机。

R/C 伺服电机是使用如图7所示的PWM信号控制转向角的。

伺服电机用一根杆连接。

这种旋转运动是来自像拉杆节臂一样。

小车的转向角与R/C伺服电机的转角之比为1.4:1。

图7 基于PWM信号转向角。

图8 驾驶和转向电机的位置。

4.2 驱动部分设计驱动部件的设计使用2224SR MINIMOTOR公司生产的系列电动机驱动直流电动机。

减速齿轮（13.8:1）直接连接到直流电动马达去驱动传动轴。

带有万向节传动轴就把马达驱动力矩传到车轮。

减震系统是由基于R / C 模型的螺旋弹簧和阻尼器组成。

转向马达并不需要任何额外的电线路，因为它有一个内置的电路。

相反，驱动电机设计了使用L293 H-桥芯片组而需要一个额外的电路。

图8展示了驱动和转向电机位置。

4.3 传感元件设计通常情况下，加速度计和横摆角速度陀螺仪，用于测量车辆的中央的速度和角速度。

在本文假设，实验的车辆，只在一个平面上运动，分别安装在两个光学鼠标前中央的纵向速度，横向速度和横摆角速度获得通过测量每个光学鼠标的纵向和横向的速度如下：图9 测量车辆的速度和横摆角速度。

这里：：按比例缩小的车辆的一个中心点上纵向和横向速度按比例缩小车辆的前光学鼠标纵向和横向速度按比例缩小车辆的后光学鼠标的纵向和横向速度4.4 控制器和用户界面的设计 六个转向私服电机和6个驱动马达设计控制是由Infineon 公司（英飞凌科技股份公司，2003年）生产的C167CR16位微控制器控制的。

图10显示了一个框图，描述了一个按比例缩小的车辆控制器和外部设备之间的信号连接，控制器同时进行收集实验数据和独立控制六个驱动电机/ 6个伺服电机。

图10 控制器接口框图。

操作程序在PC 上运行时提供用户操作界面和数据存储单元。

图11演示了一个使用LabVIEW 设计的用户界面。

通过这个接口，用户可以选择命令模式并运行一个按比例缩小的的车辆。

此外，用户获得可以按比例缩小的车辆状态。

车辆控制器和PC 之间的通信是通过蓝牙模块连接的。

5. 仿真与实验结果本节通过仿真和实验结果研究前面设定的转向控制方法性能表现。

5.1 仿真结果为了的检验转向控制方法表现，在仿真模拟中使用了30条命令和18个自由度完整车辆模型。