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一种节省空间的4WS4WD电动汽车的新型转向系统：设计，建模和道路试验
摘要
在本文中，我们提出了一种节省空间的四轮转向和四轮驱动（4WS4WD）电动车（EV）的转向系统，具有更高的机动性和灵活性。所提出的系统包括三个主要部分，即改进的双前轮转向（2FWS）机构，与线控转向集成的全向独立转向（OIS）机构，以及节省空间的电动汽车转向控制策略的系统。首先，所提出的4WS4WD EV的2FWS机构设计用于在车辆高速行驶时通过重新设计的转向系统控制前轮。其次，提出了一种改进的OIS机构，以实现-35~50的角度范围，这是零半径转弯（ZRT）和侧向停车（LP）运动的坚实基础。驾驶员可以控制OIS独立转动四个车轮，这是通过线控转向技术辅助的。最后，EV的节省空间的转向系统的控制策略被重新定义为集成的2FWS和OIS，其可以容易地处理用于高速驾驶或高机动性转弯的EV，例如ZRT和LP运动。该系统在国产的4WS4WD EV上进行了现场测试，最终的系统仿真和性能评估证明了所提出的转向系统对于节省空间的4WS4WD EV的有效性。
第一节介绍
电动车（EV）作为全球环境和能源问题的有力解决方案引起了人们的极大兴趣。在EV中，转向系统是控制车辆的最重要的子系统。随着城市地区车辆数量的显着增加，迫切需要在狭窄区域内转弯的能力。然而，当需要大的急转弯时，例如零半径转弯（ZRT）和横向停车（LP）运动时，在转向系统的某些方面仍然存在一些间隙。随着电动汽车的快速发展，一些创新技术已经越来越多地改进了转向机动性，如[2]~[17]。相关文献包括电动汽车的转向系统，包括四轮转向（4WS）系统[2]~[6],轮内驱动（IWD）系统[6],[7],电子线控系统[9]~[11]，动力转向系统[12],[13]，主动转向控制[14],[15]和人体工程转向[16]。
上述技术的结合最终被整合到四轮转向和四轮驱动（4WS4WD）系统中，以提高电动汽车的机动性和灵活性[1],[14],[17],[18]。4WS4WD EV，正如其名称表示的，每个车轮由独立控制，由于其卓越的灵活性，具有许多潜在的应用。4WS4WD EV不仅利用4WS结构，独立于前轮和后轮的两个转向位置，而且还受益于四轮驱动（4WD）EV，其中每个车轮的单个扭矩可以独立控制。这些方法实现了电动汽车的高机动性和灵活性，已得到广泛开发。
A. EV的转向系统
如图1所示，EV的传统转向系统由于机械限制而受到限制，这在EV的右侧和左侧区域产生了两个难以接近的圆形区域。在-35度和 35度之间的小范围转向角降低了传统转向配置的可操作性[19]。为了提高车辆的机动性，车辆行业设计了一种新型的转向配置，其名称为电动车的4WS [2]~[6]。EV的4WS系统的特点是当驾驶员转向时所有四个车轮都转动。通过使用后轮，转弯半径减小了[17]这对U型转弯有利，对大型卡车，拖拉机和带拖车的车辆也很重要。在[20]中，由克莱斯勒集团设计的Jeep Hurricane通过复杂的转向配置和动力传动机制显示出能够实现ZRT。此外，还提出了另一种有前景的技术，即电动汽车转向系统的发展，即IWD [7]，[8]。由于具有无排放，节省空间和大量非簧载质量的理想特性，许多轮内电机加速了电动汽车的繁荣[21]。许多关于控制系统的研究也改善了车辆的性能[8]，[22] - [23][24]，这导致了车辆机动性和稳定性的巨大潜力。
图1 具有机械连杆的EV的传统转向系统
随着推进技术的升级，电子线控系统在电动汽车的转向系统中受到了相当大的关注。它们在精度和响应速度方面的明显优势无疑有助于控制系统，它取代了传统的机械控制系统，实现了更平稳，更可靠的驾驶体验。在[11]中，提出了一种自适应控制，以通过线控转向系统实现理想的转向。基于对线控转向系统的进一步研究，Wang 等人 [25]通过构建用于转向的二阶系统提出了滑移控制方案。这项研究有助于更好地理解使用详细建模的线控转向系统中的组件之间的相互作用。在[13]中，Naranjo提出了一种动力转向系统，可以自动移动大规模生产的车辆的方向盘。实验结果表明，GPS与基于人工智能的技术相结合，表现得非常好。
B.电动汽车的全方位独立转向
作为集成组件，全向独立转向（OIS）系统可以应对全向车辆运动的普遍挑战。与现有的专门为OIS车辆设计的车轮相比，例如万向轮，麦克纳姆轮和球型轮[26]，具有传统车轮的OIS系统具有更大的容量和更大的地面不规则公差。在[27]，Theo 等人在控制问题的背景下提出了一种车轮模块，该车轮模块可用于工业，公共和家庭环境中的各种全向移动平台。作者在[28]展示了一种基于脚轮的创新型全方位机器人AZIMUT。他们使用车轮运动模型演示了如何计算机动性并调整机器人的可操纵性。他们提出了一种新的设计范例，该范例基于使用四个系列弹性致动器来驱动转向。为了实现基于四个脚轮的全方位移动平台的平滑定位和定位跟踪，在[29]中提出了基于差分平坦的点对点轨迹规划和控制方案。Ueno 等人提出了一种新的齿轮机构。在[30]。该方法是有效的，因为可以克服水平差异并且可以使用普通轮胎吸收振动。Wada 等人提出了一种用于全向移动机器人的主动脚轮驱动系统[31]。所提出的机构包括双球传动装置，用于传递牵引力以旋转和定向驱动轮，同时以适当的比率将速度分量分配给车轮和转向轴。由于确定的速度比，测量车轮定向的传感器和速度分解的计算完全从传统的控制系统中移除。这种方法简化了整个全方位控制系统，并且易于控制。汽车工业，研究机构和大学大胆尝试提高基于机器人技术的电动汽车的可操作性，如Pivo2 [32]，Hiriko [33]，[34]和OK-1 [35]。
在开放获取资源中，关于OIS电动汽车控制的研究很少。在[36]，Lam 等人提出了一种用于4WIS车辆的全方位线控转向系统，该系统具有扩展的转向接口和基于行为的转向控制器，无需轨迹规划即可改善车辆操控性。请注意，系统中包含两个额外的转向输入，这有助于驾驶员在四轮独立转向（4WIS）模式下通过快速和高机动性更好地处理驾驶体验。
对于移动车辆，保持纯滚动是必不可少的，因为车轮打滑可能会在车轮上产生横向力，降低稳定性并消耗额外的驱动能量[37]，[38]。大多数机械转向装置使用手动方向盘转动前轮，手动方向盘通过转向柱，万向节，齿条和小齿轮以及转向拉杆定位在驾驶员前方。车轮之间存在机械连接，可确保运动约束最小化传统电动车中的车轮滑移，如图1所示。然而，轮子之间的机械连杆的移除允许每个车轮独立地移动，这意味着在4WIS EV中转向控制更加困难。
尽管现有的4WS4WD EV转向系统方法/系统取得了成功，但各种因素仍然对研究人员构成挑战。对节省空间的4WS4WD EV的转向系统进行了大量研究，该系统主要关注以下两个主要问题：1）如何将两个前轮转向（2FWS）和OIS集成在一起，以便在两者中都能轻松处理电动车速度驱动和高机动性转向，如ZRT和LP运动？2）如何实现4WS4WD EV节省空间的转向系统的控制策略，具有更高的机动性和灵活性？
为了解决这些问题，最关键的问题是如何实现4WS4WD EV的OIS设计。在本文中，我们介绍了OIS EV的设计和控制策略，该解决方案采用改装的转向系统。我们的4WS4WD EV的2FWS机构设计用于通过重新设计的转向系统控制前轮，以便车辆高速行驶。另外，提出了一种新颖的OIS机构来实现角度范围- 35度〜 90度。当在有限的停车场或拥挤的城市中拥挤的街道行驶时，特别是对于图2所示的停车场景，驾驶员可以控制OIS以实现ZRT和LP运动以简化狭窄空间中的停车过程。最后，EV的节省空间的转向系统的控制策略被重新定义为集成的2FWS和OIS，它可以轻松处理高速行驶或高机动性转向的EV。
图2 需要在有限的区域或拥挤的街道停车。（a）倒车停车时 零半径转弯的进展。（b）侧向停车处横向运动的进展。
本文的其余部分安排如下。在第二节中，描述了用于节省空间的4WS4WD EV的新型转向系统的一般系统架构，并描述了其主要部件。第三部分重点介绍节省空间的4WS4WD EV的OIS系统的集成设计。控制策略和相关电气设计在第四节中制定。所提出的系统的建模和分析在第五节中给出。系统模拟和验证在第六节中报告。最后，第七节提供了若干结论。
第二节系统架构
我们系统的总体结构如图3所示，它展示了集成线控转向的OIS机制和EV节省空间的转向系统的控制策略。
在第一部分中，当车辆高速行驶时，重新设计的2FWS机构控制前轮以实现传统的转向运动。由于重新设计的转向拉杆，两个前轮可成对并独立转向。驾驶员可以通过方向盘通过转向柱，万向节，齿条和小齿轮以及重新设计的转向拉杆以传统方式控制前轮。
第二部分是集成线控转向的OIS机制。当车辆在有限的停车位或拥挤的街道中行驶时，需要高机动性，驾驶员可以通过建议的OIS机制控制4WS4WD EV。全向运动的实现取决于OIS机制的设计。车轮由无刷永磁直流轮内电机独立驱动，由中央控制器控制。因此，所有车轮都可以独立转向并通过电线独立驱动。驾驶员可以通过线控转向技术控制OIS独立转动四个车轮。我们的OIS机制可以实现一个角度范围- 35∘〜 90∘，这是ZRT和LP运动的坚实基础。
最后一部分是EV节省空间转向系统的控制策略，可以轻松处理高速行驶或高机动性转向的EV，如ZRT和LP运动。中央控制器从转向按钮获得全方位运动控制命令，中央控制器将通过转向马达，重建齿条和小齿轮以及转向臂的独立地转动四个车轮。如图3的中间图所示，控制策略可以选择高速传统转向的转向模型或ZRT或LP的OIS模型。在实施控制策略之后，可以实现所提出的节省空间的转向系统4WS4WD EV的可操作性和灵活性。
第三节4WS4WD EV新型全方位转向系统的设计
拟订的OIS系统的目的是获得更好的机动性和灵活性。如上所述，传统的机械转向系统是一项广泛研究的技术，深深植入控制系统中。然而，OIS系统改善了转向角和范围。考虑到传统机械转向在稳定性方面的优势以及4WIS和电子线控的灵活性，我们充分利用传统的机械转向技术和OIS技术，为节省空间的4WS4WD EV构建集成OIS系统。
A. CAD建模
传统机械转向技术的优点在于通过两个前轮之间的机械连杆保持运动约束。传统车辆的稳定性良好，是全方位车辆的保障。在四轮独立转向车辆中，每个车轮独立转向，这使得转向控制非常困难。虽然每个车轮可以使用典型的位置控制器独立地在稳态下实现运动约束，但是在瞬态状态下不能保证运动约束。
我们提出了一种重新设计的2FWS机制来应对车轮未对准问题，如图4所示。该机构包括方向盘，转向柱，万向节，齿条和小齿轮以及转向拉杆。转向柱由人类驾驶员通过方向盘提供动力。万向节用于连接转向柱与小齿轮轴，齿条和小齿轮，以及重新设计的转向拉杆。重新设计的转向拉杆允许两个前轮连接，以获得更好的稳定性，并通过电磁阀独立实现更好的机动性，如图5所示。。转向拉杆的两个部分在电磁阀锁定时作为一个部件工作，而在电磁阀释放时它们分开。当电磁阀锁定时，转向电机用作动力转向辅助。电磁阀设计为在电源关闭时锁定。
图3
图4 重新设计的2FWS机制的结构。
图5 电磁阀的设计和原理图。（a）关闭电源。（b）通电。
如图6所示，在2FWS模式中，驾驶员操纵方向盘和两个前OIS机构用作动力辅助转向。当转向柱在保持刚性时，电磁阀被锁定。当驾驶员在2FWS模式下转向时，系统获得转向角信号，然后控制转动车轮的转向马达。
图6 转向系统概述集成了2FWS模式和OIS模式。
所提出的OIS系统由四组新型OIS机制组成，这些机制依赖于线控转向和线控驱动技术。图7示出了所提出的OIS系统的概况，其中每组OIS机构安装在底盘上并通过接触地面来支撑车身。
图7 四组OIS机构连接到底盘，传统的机械转向系统位于底盘前部的OIS机构的侧面。
全向运动的实现取决于OIS机制，如图8所示。每套OIS机构都包括一个用于转向的直流减速电机，一个由直流减速电机输出轴驱动的驱动小齿轮，一个用于将旋转运动转换成直线运动的重新设计的齿条和一个转向臂，开发用于将重新设计的机架与车轮耦合。车轮由无刷永磁直流轮内电机独立驱动，由中央控制器控制。因此，所有车轮都可以独立转向并通过电线独立驱动。通过四个转向电机和四个轮内电机的配合，可以实现全方位运动，例如ZRT和LP。
图8 OIS的特定CAD配置。
OIS机制旨在实现角度范围 - 35∘〜 90∘，这是ZRT和LP运动的坚实基础。如图8所示的重新设计的齿条和车轮通过转向臂连杆与万向节连接。这是一种吸收车轮垂直倾卸运动的新方法，可减少道路干扰，实现额外控制。此外，安装在齿条和车轮上的转向臂使转动角度范围最大化，并简化了对齿条的一个线性运动的控制。机械连杆耦合在两个方向盘之间，当车辆行驶时可以实现运动学约束。相比之下，线控转向车辆通过精确的转向马达控制来保持约束。请注意，当车辆穿越复杂地形时，难以实现精确控制。如果车辆经历强烈的随机和不可预测的冲击，那么线控转向系统就更难以发挥作用。
B.拟议的原型车
基于CAD设计，我们制造了所有零件，包括重新设计的2FWS机构，OIS机构和座椅配置。然后，我们组装了一个全尺寸的原型车，如图9所示。原型装配有一个用于驱动器的座椅，并包含功能齐全的部件，如图所示。测量结果也显示在图中。详细测量结果如表I所示。图
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