| 专利名称： | 一种主动后轮转向的快速控制原型实现方法 | ||
| 专利名称(英文)： | Fast control prototype realization method of active rear wheel steering | ||
| 专利号： | CN201510781869.9 | 申请时间： | 20151115 |
| 公开号： | CN105241678A | 公开时间： | 20160113 |
| 申请人： | 北京工业大学 | ||
| 申请地址： | 100124 北京市朝阳区平乐园100号 | ||
| 发明人： | 冯能莲; 陈龙科; 米磊; 王军; 张春强 | ||
| 分类号： | G01M17/06 | 主分类号： | G01M17/06 |
| 代理机构： | 北京思海天达知识产权代理有限公司 11203 | 代理人： | 刘萍 |
| 摘要： | 一种主动后轮转向的快速控制原型实现方法，属于转向控制系统领域。其特征在于，包括转向盘转角传感器、轮速传感器、横摆角速度传感器、纵向加速度传感器、工控机、接线端子板、显示器和转向电机，根据建立的后轮主动转向快速控制原型，实时采集与输出数据，实现后轮主动转向的控制，验证控制算法的正确性，实现控制器的快速开发，降低了开发成本、率缩短了开发周期、提高了开发效。本发明应用于后轮采用轮毂电机驱动的电动汽车上，能够提高车辆的转向稳定性，改善车辆系统的动态性能，并能在前轮转向失效情况下保证车辆的操纵稳定性，另外，通过控制轮毂电机的转速实现后轮的辅助转向。 | ||
| 摘要(英文)： | The present invention provides a fast control prototype realization method of an active rear wheel steering, belonging to the field of the steering control system. The fast control prototype realization method of the active rear wheel steering comprises a steering sensor of a steering wheel, a wheel speed sensor, a yaw velocity sensor, a longitudinal acceleration sensor, an industrial control computer, a terminal board, a display and a steering motor. The prototype is fast controlled according to established active steering of the rear wheel, real time acquisition and output of data are perform, the control of the active steering of the rear wheel is realized, and the correctness of the control algorithm is verified, therefore the rapid development of the controller is realized, the development cost is reduced, the development period is shortened, and the development efficiency is improved. The fast control prototype realization method of the active rear wheel steering is applicable to an electric vehicle having rear wheels driven by an in-wheel motor, so that the steering stability of the vehicle may be improved, the dynamic property of the vehicle system is improved, and the handling stability of the vehicle may be ensured in the condition of the invalidation of the front wheel steering. Moreover, the assisting steering of the rear wheel may be realized through the control of the rotate speed of the in-wheel motor. | ||
1.一种主动后轮转向的快速控制装置，其特征在于，包括后轮主动 转向系统、工控机(14)、接线端子板(15)、显示器(16)；所述后轮 主动转向系统包括转向盘(1)、转向轴(2)、前轮转向执行机构(3)、 后轮转向执行机构(4)、后轮转向电机(5)、轮毂电机(6)、转向盘转 角传感器(7)、横摆角速度传感器(8)、侧向加速度传感器(9)、后轮 转向电机位移传感器(10)、轮速传感器(11)、后轮转向电机控制器(12)、 轮毂电机控制器(13)；转向盘转角传感器(7)、横摆角速度传感器(8)、 侧向加速度传感器(9)、后轮转向电机位移传感器(10)、轮速传感器 (11)、后轮转向电机控制器(12)、轮毂电机控制器(13)通过信号线 与接线端子板(15)连接，用于信号的输入与输出，后轮转向电机(5) 与后轮转向执行机构(4)连接，后轮转向电机(5)通过信号线与后轮 转向电机控制器(12)连接，轮毂电机控制器(13)通过信号线与轮毂 电机(6)连接，所述显示器(16)与工控机(14)通过串口线连接， 实现串口通信，用于显示工控机运行的结果，工控机(14)与接线端子 板(15)通过串口线连接，其扩展槽中内嵌数据采集卡(21)。
2.应用权利要求1所述的一种主动后轮转向的快速控制装置的方 法，其特征在于：转向盘转角传感器(7)采集转向盘转角δ，进而转化 为前轮转角δf，后轮转向电机位移传感器(10)采集后轮转角δr，轮速 传感器(11)采集车轮的轮速，经换算得到当前的车速u，驾驶员操纵 转向盘(1)，根据δf，δr是否变化切换转向模式：当δf不变化，前轮转 向系统失效，即前轮转角处于一个非零转角的工况下，为后轮转向模式， 运用车辆横向运动控制计算当前使车辆运行在理想的车道上所需要的 后轮转角，运用模型预测控制理论跟踪后轮转角，使误差最小化，以保 证行驶至所需的路径或者停止到一个安全的地方；当δf，δr均发生变化 时，为主动后轮转向模式，根据δf，δr，u计算出理想的横摆角速度ωr， 横摆角速度传感器(8)采集实际的横摆角速度ω，利用鲁棒控制理论 对横摆角速度的差值Δω(Δω＝ω-ωr)进行控制，输出一个附加的后轮 转角δsr反馈给汽车，从而实现对后轮主动转向汽车横摆角速度的控制。
1.一种主动后轮转向的快速控制装置，其特征在于，包括后轮主动 转向系统、工控机(14)、接线端子板(15)、显示器(16)；所述后轮 主动转向系统包括转向盘(1)、转向轴(2)、前轮转向执行机构(3)、 后轮转向执行机构(4)、后轮转向电机(5)、轮毂电机(6)、转向盘转 角传感器(7)、横摆角速度传感器(8)、侧向加速度传感器(9)、后轮 转向电机位移传感器(10)、轮速传感器(11)、后轮转向电机控制器(12)、 轮毂电机控制器(13)；转向盘转角传感器(7)、横摆角速度传感器(8)、 侧向加速度传感器(9)、后轮转向电机位移传感器(10)、轮速传感器 (11)、后轮转向电机控制器(12)、轮毂电机控制器(13)通过信号线 与接线端子板(15)连接，用于信号的输入与输出，后轮转向电机(5) 与后轮转向执行机构(4)连接，后轮转向电机(5)通过信号线与后轮 转向电机控制器(12)连接，轮毂电机控制器(13)通过信号线与轮毂 电机(6)连接，所述显示器(16)与工控机(14)通过串口线连接， 实现串口通信，用于显示工控机运行的结果，工控机(14)与接线端子 板(15)通过串口线连接，其扩展槽中内嵌数据采集卡(21)。
2.应用权利要求1所述的一种主动后轮转向的快速控制装置的方 法，其特征在于：转向盘转角传感器(7)采集转向盘转角δ，进而转化 为前轮转角δf，后轮转向电机位移传感器(10)采集后轮转角δr，轮速 传感器(11)采集车轮的轮速，经换算得到当前的车速u，驾驶员操纵 转向盘(1)，根据δf，δr是否变化切换转向模式：当δf不变化，前轮转 向系统失效，即前轮转角处于一个非零转角的工况下，为后轮转向模式， 运用车辆横向运动控制计算当前使车辆运行在理想的车道上所需要的 后轮转角，运用模型预测控制理论跟踪后轮转角，使误差最小化，以保 证行驶至所需的路径或者停止到一个安全的地方；当δf，δr均发生变化 时，为主动后轮转向模式，根据δf，δr，u计算出理想的横摆角速度ωr， 横摆角速度传感器(8)采集实际的横摆角速度ω，利用鲁棒控制理论 对横摆角速度的差值Δω(Δω＝ω-ωr)进行控制，输出一个附加的后轮 转角δsr反馈给汽车，从而实现对后轮主动转向汽车横摆角速度的控制。
翻译：技术领域
本发明涉及一种主动后轮转向的快速控制原型实现方法，属于转向控制 系统领域。
背景技术
随着现代汽车技术的发展，越来越多的汽车走进家庭，交通事故频繁发 生，人们对汽车的转向操纵性能和行驶稳定性的要求日益提高。汽车转向系 统的好坏直接影响着汽车的操纵稳定性，如何设计高效的转向系统逐渐成为 汽车研究以及设计的热点之一。主动后轮转向系统相对于传统的前轮转向系 统，可以有效地提高汽车低速转向时的机动性和高速转向时的操纵稳定性， 改善车辆的动态性能。
目前，对主动后轮转向系统的研究一般采用数值仿真、台架试验、样车 试验的方式进行，开发周期长，成本高。随着嵌入式计算机技术、实时仿真 的发展，快速控制原型技术得到了迅猛发展。快速控制原型是在系统开发的 初期阶段，通过快速地建立控制对象和控制器的模型，并对整个系统进行多 次离线和在线的测试来验证控制方案的可行性，实现于产品研发的算法设计 阶段与具体实现阶段之间。
要实现主动后轮转向的快速开发，就需要有集成良好、便于使用的建模 与设计、离线仿真、实时开发及测试工具。快速控制原型就是利用某种手段 将工程师开发的算法下载到某个计算机硬件平台中，该计算机硬件平台在实 时条件下运行模拟控制器，通过实际I/O设备与被控对象实物连接，验证算 法的可靠性和准确度，可以将算法开发的错误及不当之处消除于设计初期， 不仅提高了研发速度，还降低了研发成本。
发明内容
本发明的各个方面致力于提供一种主动后轮转向的快速控制原型实现方 法，适用于模拟控制系统软件、调试产品级系统，尤其适用于后轮主动转向 控制器的开发。
一种主动后轮转向的快速控制装置，其特征在于，包括后轮主动转向系统、 工控机(14)、接线端子板(15)、显示器(16)；所述后轮主动转向系统包括 转向盘(1)、转向轴(2)、前轮转向执行机构(3)、后轮转向执行机构(4)、 后轮转向电机(5)、轮毂电机(6)、转向盘转角传感器(7)、横摆角速度传 感器(8)、侧向加速度传感器(9)、后轮转向电机位移传感器(10)、轮速传 感器(11)、后轮转向电机控制器(12)、轮毂电机控制器(13)；转向盘转角 传感器(7)、横摆角速度传感器(8)、侧向加速度传感器(9)、后轮转向电 机位移传感器(10)、轮速传感器(11)、后轮转向电机控制器(12)、轮毂电 机控制器(13)通过信号线与接线端子板(15)连接，用于信号的输入与输 出，后轮转向电机(5)与后轮转向执行机构(4)连接，后轮转向电机(5) 通过信号线与后轮转向电机控制器(12)连接，轮毂电机控制器(13)通过 信号线与轮毂电机(6)连接，所述显示器(16)与工控机(14)通过串口线 连接，实现串口通信，用于显示工控机运行的结果，工控机(14)与接线端 子板(15)通过串口线连接，其扩展槽中内嵌数据采集卡(21)。
一种主动后轮转向的快速控制原型实现方法，其特征在于：转向盘转角 传感器(7)采集转向盘转角δ，进而转化为前轮转角δf，后轮转向电机位移 传感器(10)采集后轮转角δr，轮速传感器(11)采集车轮的轮速，经换算 得到当前的车速u，驾驶员操纵转向盘(1)，根据δf，δr是否变化切换转向 模式：当δf不变化，前轮转向系统失效，即前轮转角处于一个非零转角的工 况下，为后轮转向模式，运用车辆横向运动控制计算当前使车辆运行在理想 的车道上所需要的后轮转角，运用模型预测控制理论跟踪后轮转角，使误差 最小化，以保证行驶至所需的路径或者停止到一个安全的地方；当δf，δr均 发生变化时，为主动后轮转向模式，根据δf，δr，u计算出理想的横摆角速度 ωr，横摆角速度传感器(8)采集实际的横摆角速度ω，利用鲁棒控制理论对 横摆角速度的差值Δω(Δω＝ω-ωr)进行控制，输出一个附加的后轮转角δsr反 馈给汽车，从而实现对后轮主动转向汽车横摆角速度的控制。
1、本发明应用于后轮采用轮毂电机驱动的电动汽车上，能够提高车辆的 转向稳定性，改善车辆系统的动态性能，并能在前轮转向失效情况下保证车 辆的操纵稳定性。
2、本发明能够快速验证主动后轮转向控制算法与策略的正确性与可行 性，能够使设计的错误与缺陷在产品开发前解决，降低了开发成本，提高了 开发效率，缩短了开发周期。
3、本发明可以通过使用MATLAB/Simulink等相关软件转化为C代码移植 到真实控制器中，降低了控制器开发难度与成本，提高了开发速度。
附图说明
图1一种主动后轮转向的快速控制原型实现方法的结构示意图。
具体实施方式
下面参考附图详细描述本发明的示例性实施例。
如图1所示，一种主动后轮转向的快速控制原型实现方法的结构示意图。 首先，对主动后轮转向系统进行动力学分析，建立其数学模型，根据已建立 的数学模型，在工控机(14)中MATLAB/Simulink软件平台建立控制器模型 (18)、后轮主动转向系统的车辆动力学模型(17)、输入信号处理模块(19)、 输出信号处理模块(20)。利用仿真工具对主动后轮转向系统进行离线数字 仿真验证控制器的有效性。其次，转向盘转角传感器(7)、横摆角速度传感 器(8)、侧向加速度传感器(9)、后轮转向电机位移传感器(10)、轮速 传感器(11)、后轮转向电机控制器(12)、轮毂电机控制器(13)直接连 接接线端子板(15)，为输入信号；接线端子板(15)经后轮转向电机控制 器(12)与后轮转向电机(5)连接，接线端子板(15)经轮毂电机控制器(13) 与轮毂电机(6)连接，为输出信号；工控机(14)与显示器(16)串口线连 接，用于监视运行结果。其中的输入信号均是模拟量，输出信号均是数字量。 最后，运行MATLAB/Simulink软件平台，控制器模型(18)接收输入信号， 进行数据处理后再输出信号给上述被控对象，实现闭环控制。
具体步骤如下：
1)建立相应的数学模型和控制方法。转向盘转角传感器(7)采集转向盘转 角δ，进而转化为前轮转角δf，后轮转向电机位移传感器(10)采集后轮转角 δr，轮速传感器(11)采集车轮的轮速，经换算得到当前的车速u，驾驶员操 纵转向盘(1)，根据δf，δr是否变化切换转向模式，当δf不变化，前轮转向 系统失效，即前轮转角处于一个非零转角的工况下，为后轮转向模式，运用 车辆横向运动控制计算当前使车辆运行在理想的车道上所需要的后轮转角， 运用模型预测控制理论跟踪后轮转角，使误差最小化，以保证行驶至所需的 路径或者停止到一个安全的地方；当δf，δr均发生变化时，为主动后轮转向 模式，理想参考模型根据δf，δr，u计算出理想的横摆角速度ωr，横摆角速度 传感器(8)采集实际的横摆角速度ω，利用鲁棒控制理论对横摆角速度的差 值Δω(Δω＝ω-ωr)进行控制，输出一个附加的后轮转角δsr反馈给汽车，从 而实现对后轮主动转向汽车横摆角速度的控制，达到横摆角速度可以很好地 对理想参考模型进行跟踪的目的，提高汽车的操纵稳定性。
2)数据采集卡(21)插到工控机(14)的卡槽中，同时与MTALAB/Simulink 软件进行配置，通过实时数据端口相连，创建软件系统和数据采集板卡(21) 之间的实时通讯环境；接线端子板(15)和数据采集卡(21)通过电缆连接；
3)在主机中建立MATLAB/Simulink模型，进行纯数字仿真，分析并验证模 型和控制方法的正确性；
4)根据图1，连接显示器(16)、工控机(14)、转向盘转角传感器(7)、 横摆角速度传感器(8)、侧向加速度传感器(9)、后轮转向电机位移传感 器(10)、轮速传感器(11)、后轮转向电机控制器(12)、轮毂电机控制 器(13)，实现软硬件之间的通讯。运行MATLAB/Simulink程序并通过数据 采集板卡(21)输出数字量信号给后轮转向电机控制器(12)、轮毂电机控 制器(13)，进而控制后轮转向电机和轮毂电机工作。
5)显示器(16)与工控机(14)串口通讯，可以观察所设计的快速控制原 型的控制效果，根据主动后轮转向系统的动态性能和操纵稳定性要求对步骤 1)中模型和控制算法在步骤4)中进行在线自改，直至达到控制效果符合车 辆操纵稳定性的要求为止。
