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转向是车辆行驶中最基本的运动。转向最基本的要求是所有车轮均纯滚动而不滑动,传统车辆在转向时要借助于转向梯形和差速器等刚性机械结构。对于四轮独立驱动、独立转向的柔性底盘,要实现差速转向控制功能,就需要进行转向的差速控制策略的设计及软硬件系统开发。本文基于阿克曼转向原理,对四轮独立驱动、独立转向的柔性底盘的前轮转向特性及控制策略进行了研究,通过试验台试验和硬化路面试验,取得了以下研究结论:
(1)建立了基于阿克曼转向原理的柔性底盘前轮转向的差速转向几何模型和动力学模型,推导出了前轮转向时两转向轮应满足的转角关系及四个驱动轮应满足的转速关系式。
(2)研究了柔性底盘前轮转向时的电子差速控制策略。转向控制系统需要对柔性底盘直行和转向两种状态的四轮速度进行协调分配,在每一路驱动电动轮的电路上均设置了5%~10%的阈值,当各驱动电动轮的转速超过或低于该阈值时,控制器就需要对该驱动轮的转速进行调制,以使各驱动电动轮的实际转速尽可能地满足按柔性底盘前轮转向模型推导出的理论转速,确保柔性底盘整体能以回转中心O为圆心完成转向过程。
(3)设计并制作了差速控制策略配套的软件系统和硬件系统。硬件方面:根据整车差速转向控制策略,给出了柔性底盘整机转向控制电路图,根据该控制电路图选定了性价比较好的STM32F103ZET6单片机作为主控制芯片,对其它器材也进行了选取,并完成了转向控制系统的搭建;软件方面:对方向盘模拟器、油门模拟器及各路传感器信号的接收程序、控制信号的发送程序、驱动电动轮的驱动控制程序、调速程序等软件控制部分进行了设计。
(4)完成了基于水平圆盘试验台的前轮转向特性试验。以车轮转速、方向盘模拟器转角及方向盘模拟器转速为试验因素,以转向轮响应角度及响应时间、转向轮转角响应误差及阿克曼率为试验指标,进行了单因素及三元二次正交旋转组合试验。试验结果表明:随着方向盘模拟器转角信号的发出,两驱动转向轮几乎同时到达目标角度,最大滞后时间差为0.103s;转向轮的响应角度与方向盘模拟器转角之间及转向轮的响应时间与方向盘模拟器转角、方向盘模拟器转速之间均存在线性关系;内转向轮转角响应误差在0.23°~0.54°的范围内,外转向轮转角响应误差在0.29°~0.41°的范围内,阿克曼率在97.89%~106.32%的范围内。验证了所设计的柔性底盘前轮转向差速控制策略的可行性。
(5)完成了基于水泥硬化路面的柔性底盘实车前轮转向特性试验。试验结果表明:随着方向盘模拟器转角信号的发出,两驱动转向轮的转角响应变化过程与试验台上的过程类似,但相较于试验台,转角的波动幅度有所增大,而响应时间却明显缩短,最大滞后时间差为0.321s;类似于试验台得出的试验结果,转向轮的响应角度与方向盘模拟器转角之间及转向轮的响应时间与方向盘模拟器转角、方向盘模拟器转速之间也均存在线性关系;内转向轮转角响应误差在0.65°~O.99°的范围内,外转向轮转角响应误差在0.77°~0.98°的范围内,阿克曼率在97.16%~111.58%的范围内。进一步验证了转向控制策略的正确性和精度。
(1)建立了基于阿克曼转向原理的柔性底盘前轮转向的差速转向几何模型和动力学模型,推导出了前轮转向时两转向轮应满足的转角关系及四个驱动轮应满足的转速关系式。
(2)研究了柔性底盘前轮转向时的电子差速控制策略。转向控制系统需要对柔性底盘直行和转向两种状态的四轮速度进行协调分配,在每一路驱动电动轮的电路上均设置了5%~10%的阈值,当各驱动电动轮的转速超过或低于该阈值时,控制器就需要对该驱动轮的转速进行调制,以使各驱动电动轮的实际转速尽可能地满足按柔性底盘前轮转向模型推导出的理论转速,确保柔性底盘整体能以回转中心O为圆心完成转向过程。
(3)设计并制作了差速控制策略配套的软件系统和硬件系统。硬件方面:根据整车差速转向控制策略,给出了柔性底盘整机转向控制电路图,根据该控制电路图选定了性价比较好的STM32F103ZET6单片机作为主控制芯片,对其它器材也进行了选取,并完成了转向控制系统的搭建;软件方面:对方向盘模拟器、油门模拟器及各路传感器信号的接收程序、控制信号的发送程序、驱动电动轮的驱动控制程序、调速程序等软件控制部分进行了设计。
(4)完成了基于水平圆盘试验台的前轮转向特性试验。以车轮转速、方向盘模拟器转角及方向盘模拟器转速为试验因素,以转向轮响应角度及响应时间、转向轮转角响应误差及阿克曼率为试验指标,进行了单因素及三元二次正交旋转组合试验。试验结果表明:随着方向盘模拟器转角信号的发出,两驱动转向轮几乎同时到达目标角度,最大滞后时间差为0.103s;转向轮的响应角度与方向盘模拟器转角之间及转向轮的响应时间与方向盘模拟器转角、方向盘模拟器转速之间均存在线性关系;内转向轮转角响应误差在0.23°~0.54°的范围内,外转向轮转角响应误差在0.29°~0.41°的范围内,阿克曼率在97.89%~106.32%的范围内。验证了所设计的柔性底盘前轮转向差速控制策略的可行性。
(5)完成了基于水泥硬化路面的柔性底盘实车前轮转向特性试验。试验结果表明:随着方向盘模拟器转角信号的发出,两驱动转向轮的转角响应变化过程与试验台上的过程类似,但相较于试验台,转角的波动幅度有所增大,而响应时间却明显缩短,最大滞后时间差为0.321s;类似于试验台得出的试验结果,转向轮的响应角度与方向盘模拟器转角之间及转向轮的响应时间与方向盘模拟器转角、方向盘模拟器转速之间也均存在线性关系;内转向轮转角响应误差在0.65°~O.99°的范围内,外转向轮转角响应误差在0.77°~0.98°的范围内,阿克曼率在97.16%~111.58%的范围内。进一步验证了转向控制策略的正确性和精度。