三轴车辆全轮转向滑模控制器设计

doi:10.3969/j.issn.1000-1093.2015.08.003

摘要/Abstract

摘要： 为深入研究三轴全轮转向车辆的动力学行为，建立了考虑车轮非线性特性和车辆载荷变化的整车模型。为提高三轴全轮转向车辆的操纵稳定性，以三轴双前桥转向车辆横摆率和零质心侧偏角为理想跟踪目标，基于滑模变结构控制理论，设计了三轴车辆全轮转向滑模控制器。对比了双前桥转向车辆、零质心侧偏角比例控制全轮转向车辆和滑模控制全轮转向车辆在不同工况下的响应性能，结果表明：设计的全轮转向滑模控制器可将车辆质心侧偏角控制在较小范围，能很好地跟随车辆理想横摆角速度，同时还能够较好地抵抗侧向风和路面条件变化的干扰。为深入研究三轴全轮转向车辆的动力学行为，建立了考虑车轮非线性特性和车辆载荷变化的整车模型。为提高三轴全轮转向车辆的操纵稳定性，以三轴双前桥转向车辆横摆率和零质心侧偏角为理想跟踪目标，基于滑模变结构控制理论，设计了三轴车辆全轮转向滑模控制器。对比了双前桥转向车辆、零质心侧偏角比例控制全轮转向车辆和滑模控制全轮转向车辆在不同工况下的响应性能，结果表明：设计的全轮转向滑模控制器可将车辆质心侧偏角控制在较小范围，能很好地跟随车辆理想横摆角速度，同时还能够较好地抵抗侧向风和路面条件变化的干扰。

关键词: 控制科学与技术, 三轴车辆, 全轮转向, 理想模型, 滑模控制器

Abstract: For further research on the dynamic behavior of three-axle vehicle with all-wheel steering system, an all-wheel steering vehicle dynamic model is built considering the nonliner characteristics and load changes of wheels. To improve the handling stability of three-axle vehicle with all-wheel steering system, an all-wheel steering controller is designed based on the siding mode variable structure control theory, which can follow a reference model that contains an ideal yaw rate of the double-front-axle steering vehicle and the zero side-slip model. The double-front-axle steering vehicle, the all-wheel steering vehicle with zero side-slip angle proportional controller and the all-wheel steering vehicle with sliding mode controller are compared under different conditions. The result shows that the siding mode controller can ensure the smaller slide-slip angle and the ideal yaw rate, which can resist the interference from lateral wind and road conditions.

Key words: control science and technology, three-axle vehicle, all-wheel steering, ideal model, sliding mode controller

中图分类号:

U461.6

袁磊，刘维平，刘西侠. 三轴车辆全轮转向滑模控制器设计[J]. 兵工学报, 2015, 36(8): 1391-1397.

YUAN Lei， LIU Wei-ping， LIU Xi-xia. Design of Sliding Mode Controller for All-wheel Steering System of Three-axle Vehicle[J]. Acta Armamentarii, 2015, 36(8): 1391-1397.

参考文献

［1］ Huh K，Kim J，Hong J. Handling and driving characteristics for six-wheeled vehicles[J].Journal of Automobile Engineering，2000，214（2）：159-170.
[2] Li Y X，Wang Y C，Feng P F. Lateral dynamics of three-axle steering vehicle based zero vehicle sideslip angle control[J]. Advanced Materials Research, 2012，3(2)：1682-1687.
[3] An S J，Lee H Y, Cho W K,et al. Development of steering algorithm for 6WS military vehicle and verification by experiment using a scale-down vehicle[C]∥Proceeding of International Symposium on Advanced Vehicle Control. Taibei, Taiwan: SAE，2006：245-250.
[4] 刘少君．多轴车辆第三轴电控液压转向系统研究[D]. 合肥：合肥工业大学，2013.
LIU Shao-jun. The research of electronically controlled hydraulic steering system for the third axle of multi-axle trucks[D]. Hefei: Hefei University of Technology，2013.（in Chinese）
[5] 李耀旭. 三轴电液转向控制系统研究与开发[D]. 厦门：集美大学，2013.
LI Yao-xu. Research and development of control system for three-axle electro-hydraulic steering system[D]. Xiamen: Jimei University，2013.（in Chinese）
[6] 陈建松，陈南，殷国栋. 考虑非线性特征的4WS车辆滑模鲁棒稳定性控制[J]. 东南大学学报：自然科学版，2010，40（5）：969-972.
CHEN Jian-song，CHEN Nan，YIN Guo-dong. Sliding mode robust control for 4WS vehicle based on non-linear characteristic[J]. Journal of Southeast University：Natural Science Edition，2010，40（5）： 969-972.（in Chinese）
[7] 李炎亮，高秀华，张春秋，等. 车载式自行火炮多桥动态转向系统[J]. 吉林大学学报：工学版，2006，36（3）：321-326.
LI Yan-liang，GAO Xiu-hua，ZHANG Chun-qiu，et al. Multi-axle dynamic steering system of truck-howitzer[J]. Journal of Jilin University ：Engineering and Technology Edition，2006，36（3）：321-326.（in Chinese）
[8] 王树风，李华师. 三轴车辆全轮转向最优控制[J].汽车工程，2013，35（8）：667-672.
WANG Shu-feng，LI Hua-shi. Optimal control of all-wheel steering in three-axle vehicle[J]. Automotive Engineering，2013，35（8）：667-672.（in Chinese）
[9] 刘芹芹，高秀华，张小江. 多轴转向车辆二自由度鲁棒控制[J]. 农业机械工程，2011，27（2）：136-140.
LIU Qin-qin，GAO Xiu-hua，ZHANG Xiao-jiang. Robust two-degree-freedom control for multi-axle steering vehicle[J]. Transactions of the Chinese Society of Agriculture Engineering，2011，27（2）： 136-140.（in Chinese）
[10] 喻凡，林逸. 汽车系统动力学[M]. 北京：机械工业出版社，2005：34-37.
YU Fan，LIN Yi. Vehicle system dynamic[J]. Beijing: China Machine Press，2005：34-37.（in Chinese）
[11] Watts D J，Strogatz S H. Collective dynamic of small-world network[J]. Nature，1999，393：440-442.
[12] 袁磊，刘西侠，金毅，等. 一种具有不同转向模式的多轴车辆设计[J]. 机械设计与制造，2012（10）：33-35.
YUAN Lei， LIU Xi-xia， JIN Yi , et al. Design for a multi-axis turning car at different steering models[J]. Machinery Design & Manufacture， 2012（10）: 33-35.（in Chinese）
[13] 刘金琨. 滑模变结构控制MATALAB仿真[M].北京：清华大学出版社， 2012：15-17.
LIU Jin-kun. Sliding mode control design and MATALAB simulation[M]. Beijing: Tsinghua University Press，2012：15-17.（in Chinese）
[14] 王丰尧. 滑模变结构控制 [M]. 北京：机械工业出版社，1995.
WANG Feng-yao. Sliding mode control[M]. Beijing: China Machine Press，1995.（in Chinese）

[1]	苗建明，王少萍，范磊，李元. 欠驱动自主水下航行器空间曲线路径跟踪控制研究[J]. 兵工学报, 2017, 38(9): 1786-1796.
[2]	查峰，覃方君，李京书，叶斌. 三轴旋转惯性导航系统的旋转控制建模研究[J]. 兵工学报, 2017, 38(8): 1610-1618.
[3]	伍明，张国良，李琳琳，付光远，李承剑. 基于动态和静态环境对象观测一致性约束的移动机器人多传感器标定优化方法[J]. 兵工学报, 2017, 38(8): 1630-1641.
[4]	王世峰，都凯悦，孟颖，王锐. 基于机器学习的车辆路面类型识别技术研究[J]. 兵工学报, 2017, 38(8): 1642-1648.
[5]	周荻，董金鲁. 带襟翼的飞行器非线性控制系统分析和设计[J]. 兵工学报, 2017, 38(7): 1322-1329.
[6]	郑睿，赵伟，方明星，杜友武. 基于多圈环绕结构的超流体陀螺噪声抑制方法[J]. 兵工学报, 2017, 38(7): 1330-1335.
[7]	邢丽, 熊智, 刘建业, 杭义军. 基于对偶四元数的圆锥及划船误差补偿改进算法[J]. 兵工学报, 2017, 38(7): 1336-1347.
[8]	庞辉, 陈嘉楠, 刘凯. 汽车磁流变半主动悬架系统自适应反推跟踪控制[J]. 兵工学报, 2017, 38(7): 1430-1442.
[9]	马艳彤，郑荣，韩晓军. 面向海底光学探测使命的自治水下机器人水平路径跟随控制[J]. 兵工学报, 2017, 38(6): 1147-1153.
[10]	陈慧岩，陈舒平，龚建伟. 智能汽车横向控制方法研究综述[J]. 兵工学报, 2017, 38(6): 1203-1214.
[11]	廖自力，阳贵兵，高强，袁东. 多轮独立电驱动车辆转向稳定性集成控制研究[J]. 兵工学报, 2017, 38(5): 833-842.
[12]	王斌锐，沈国阳，金英连，王凌. 基于干扰观测器的级联气动肌肉肘关节滑模控制[J]. 兵工学报, 2017, 38(4): 793-801.
[13]	李阁强，顾永升，李健，李跃松，郭冰菁. 被动式电液力伺服系统的自适应反步滑模控制[J]. 兵工学报, 2017, 38(3): 616-624.
[14]	周焕银, 刘亚平，胡志强，刘开周, 衣瑞文. 基于辨识模型集的无人半潜水下机器人系统深度动态滑模控制切换策略研究[J]. 兵工学报, 2017, 38(11): 2198-2206.
[15]	江梦洁，李家旺，吕艳芳，周家炜，黄汉涛. 饱和输入限制下欠驱动自主水下航行器水平面航迹跟踪控制[J]. 兵工学报, 2017, 38(11): 2207-2213.