阿克曼转向和现代电子差动技术在电驱动汽车系统的应用
摘要：由于全球的石油价格的急剧上升，混合动力和电动汽车正在成为内燃机车更可行的替代品。本文探讨了使用阿克曼转向系统的可行性。阿克曼转向系统是电动驱动、每轮使用一个马达，轮毂电机允许电动驱动单元位于需要扭矩的地方即在车轮上，它们也可以当作刹车。在结合新的系统架构后，这些马达不仅提高了效率和安全性，而且通过软件升级打开了个性化汽车的大门。该系统的一个优点是可扩展性，这意味着它也可以适应四轮驱动车轮和安排允许纳入每一种可能类型的电子辅助系统。因此，建立了一个试验台，以检查系统的性能。
关键词：转向机构、差动、电驱动、轮毂电机。
1.介绍
目前汽车工业在电动汽车方面的发展趋势是将内燃机从现有型号改为电动汽车，虽然这是一个便宜的解决方案，但它并不是最好的，也没有充分利用电力驱动系统的全部功能。
技术方案的成功必须遵循一些基本规则：
- 简单
- 低成本
- 模块化解决方案
- 结构坚固
- 简单和便宜的维护
- 减少对环境的影响。
许多私营公司正在投资该领域的研究，作为该市场的领导者之一，Protean Electric Inc.已经证明其原型车具有使用轮毂电机的许多好处。 虽然在这种配置下，车辆的动力传动系的质量会从底盘移动到轮毂，并且这会在车辆动力学中通过增加非悬挂质量在引起不必要的问题，Lotus Engineering与Protean Electric一起在研究中证明了“轮毂电机对车辆动力学的影响”，大多数问题“大部分的问题能够在很大程度上通过设计变更遵守暂停衬套、顶架，PAS和阻尼特性，所有典型的新车辆调整计划的一部分来恢复”。（Lotus Engineering 和Protean Electric Inc. 2013）。
每一个轮子使用单独的电动机是一个可以考虑的解决方案，因为它的控制水平更高，与单一电动机配置相比所实现更高的扭矩值而且通过软件升级使添加新安全层变的简单。
随着大公司推动这一方向的研究，它开辟了一个新的研究领域。这里所研究的转向系统是以学士学位项目为基础的，它只是一个更广泛研究的开始。我们的目标是建立一个平台，在这个平台上可以进一步研究不同的软件算法。
2．型号
考虑一个向右转的前轮转向车辆，如图1所示。“当车辆行驶非常缓慢时，内轮和外轮之间存在运动状态，允许它们转向无滑动。条件称为阿克曼条件和表达公式：(Jazar 2008).
（1）
其中，是内轮的转向角，而是外轮的转向角。内外轮是根据车削中心O定义的。
可转向轮的转向轴之间的距离称为轨道，并由e表示。前轴和后轴之间的距离称为轴距，用a表示。 轨道e和轴距a被视为车辆的运动宽度和长度。
图1 阿克曼转向几何
阿克曼转向和电子差速器的应用：
为了使所有的轮子在弯曲的道路上自由转动，每一个轮胎平面的中心线必须在一个公共点相交。这是阿克曼的条件。（Jazar 2008）。
正如（亚历山德鲁和亚历山德鲁2010）提示的那样，方程（1）可以修改，以考虑弹性轮胎的横向偏差。 尽管在某些情况下，这些力量可能很重要，但其影响在这里被忽略，并留待进一步研究，包括来自TPMS（轮胎压力监测系统）（Dielacher et al。2013）和X和Y轴加速度计的反馈。
作为研究的基础，记录了真实世界车辆的车轮速度。在这种情况下，使用Ford Sierra 1989读取ABS传感器，并在不同条件下绘制车轮速度，如图2所示。数据是使用一个Arduino Duemilanove开发板收集。
图2 a从直立静止直线加速到制动，b左转360°
正如预期的那样，即使在车辆低速行驶时，内外车轮速度（图2b）之间的差异也可以在转弯时观察到。另外，在正常行驶条件下，路面颠簸会引起系统的扰动。这一信息可用于设计未来的控制和安全算法，将真实世界的车轮反馈与来自实验站的反馈相结合。
为了检查电动车是否能够再现相同的效果，建立了实验台。该支架模拟由直接驱动电力系统驱动的前轮驱动车辆。在没有机械差速器的情况下，为了在转弯时获得不同的车轮速度，需要通过软件来实现该效果。作为输入，已经考虑了方向盘的角度和车轮速度，忽略了系统中的摩擦或轮胎压力在所有轮胎中不相等或者一个轮子失去附着力的情况。在这种情况下，系统的功能受到很大影响。这些情况可以通过在软件中增加一个安全层来避免，这个软件可以持续监测每个车轮的扭矩。
转向系统遵循阿克曼的条件，并设计了200毫米的轨道和400毫米的理论轴距。从这些限制出发，计算了转向臂的角度和转向齿条的长度。
在图3中，绘制了连接转向枢轴、前轮转动中心和后轴中心的理论线后，获得了以下理论值：
bull;转向杆（a）的长度：30.92mm
bull;转向架总长度（Btimes;2）：185mm
bull;转向杆（c）的角度：14.04L
bull;阿克曼角（c * 2）：28.08L。
图3 实验台阿克曼转向的几何演算
A点的放大图描述了在实验台中使用的定制几何结构，其中由轮支撑件的安装孔施加一些限制。
前轮瞬时圆半径的微积分：
右轮描述的圆的半径： （2）
R （3）
左轮描述的圆的半径： （4）
（5）
右轮速度： （6）
图4 a ProEngineer模拟的顶视图 b实验台的顶视图
bull;左轮速度：
（7）
（8）
在公式 （8）中，代表运动平面中的车辆速度。
为了验证图3中计算的几何结构，使用ProEngineer软件包对转向机构进行了运动学仿真（图4a）。 通过该模拟，可以确定转向机构的最大转向角并将其用作转向算法中的限制。
该实验使用来自Parrallax Inc.的现成部件来构建。该微控制器是PIC16C56。它将PWM信号发送到控制转向的伺服电机以及电机驱动器（图5）。 使用的电机是两个7.2 V直流电机与两个正交编码器相连，转向机构采用有机玻璃激光切割，精确匹配。作为系统的输入，记录了2个可变电阻的阻值，它们代表方向盘和加速踏板。
图5 控制系统框图 lC微控制器
3结论
本实验台证明，这种基于阿克曼原理的各驱动轮单独驱动装置和机械转向系统是可行的解决方案。直接驱动通过机械传动的摩擦消除能量损失，而由电动机辅助的机械转向系统在断电时提供了一种安全的方法来控制车辆。该系统还具有可扩展性，实验台可用于研究其他主动安全特性。实验站开启了未来的研究方向，通过添加一个轮胎压力监测系统和加速度计的反馈和跟踪考虑正向和侧向力和轮胎均匀变形采用改进的Pacejka方程改进控制算法（Soudbakhsh和伊斯坎达里安2012）。
狭小环境下自主微型车辆的程序设计
摘要：为了使微型车辆即使在避开障碍物的情况下也能够以恒定的速度准确地沿着轨迹行驶，在行驶过程中，沿着一个旋转的弧线行驶，就可以实现转弯和转弯之间的过渡。在狭窄的环境中，产生的轨迹需要更多的自动调节，以避免在行驶过程中出现障碍物。本文介绍了一种带有两个电动伺服电动机的微型车辆的硬件结构以及为实现一个自主微型车辆而开发的一种算法，能够准确确定汽车要行驶的速度，计算特定点之间的距离的轨迹和达到过渡或最终目标所需的时间。
关键词：自动驾驶、轨迹跟踪、回旋曲线、狭窄的空间
1.引言
目前，自主车辆的发展已成为一个重要的研究领域，尤其是因为它在解决有关轨迹跟踪问题方面的优先地位。一般路径规划方法已经被许多学者详细研究，以至于它们已成为计算机科学、人工智能和自治系统领域的主流知识。 路径规划中的经典问题表述是找到两点之间的最佳路径。 最佳轨迹可以是最大限度避免障碍物的路径、车辆转弯次数最少的路径。
一个经常被分析的问题是产生停车自主车辆的安全路径，其具有共同的特征，即在狭窄的环境中产生最佳路径，这是由于为了达到目标而需要执行大量的操作。有人提出了一种利用贝塞尔曲线平滑阿克曼转向车辆安全泊车路径的方法。阿克曼转向车辆的路径规划算法可以由两部分组成：根据规划转弯和距离计算的方法。除了自主车辆停放的路径规划之外，另一个引起重视并需要应用该算法来解决的问题是在交叉口中获得最优路径。此外，规划一个车辆的轨道，需要改变车道。有人设计了一条平滑路径，适用于基于使用回旋曲线的变道。规划越野路径的方法是使用预定义的地标，以生成一组可选路径，从中选择最优路径。
本文的目的是对Traxxas Rustler VXL模型的硬件结构进行必要的更改，以便遵循专用的Arduino命令函数在狭窄环境(室内)的预定义轨迹。
2材料和方法
2.1自主微型汽车的硬件和软件体系结构。
微型车辆的硬件结构包括两台伺服电机，一台用于推进，另一台用于转向，它是基于Traxxas Rustler VXL无线电控制自动模型制作的。 该硬件对车辆的推进引擎进行了修改，以使车辆以较慢的速度行驶，以验证其跟踪轨迹的准确性，它通过Arduino单片机的硬件连接和在C 编程语言，随后传递给编译器转换成可执行代码来遵循一个强加的轨迹。对于车辆的处理器，开发一套新的功能，方便的使用实现了以微型汽车控制。
开发的自主微型车辆（图1）的主要部件是：Traxxas Rustler VXL RC车辆，其基于伺服电机的转向和基于常规直流电机的推进装置，用于控制整个电路的Arduino mega2560微控制器板 ，SD读卡器，SD卡，L298 M电机驱动器，12 V可充电电池和一对跳线。 汽车必须遵循的轨迹以字符串命令的形式存储在SD卡上，文件命名为“pathdatta .txt”字符串命令。
图1.设计的微型车
图2是表示车辆硬件的示意图。电流源来自12V锂电池，为包括电机和微控制器在内的所有设备提供连续电流。伺服电机只有三个引脚，VCC，GND和PULSE。伺服器的接地引脚连接到电路的公共地，VCC引脚连接到Arduino 5 V，脉冲信号连接到Arduino板的引脚2。
图2. 硬件连接图
为了控制推进电机，需要一个驱动程序。该硬件驱动器首先直接连接到电源（12v电池），并将PWM信号提供给连接到输出3的直流电机。为了控制这个驱动器，必须建立3个连接：来自L298 N驱动器的芯片使能引脚，连接到Arduino的引脚号9,两个方向引脚（en3和en4）连接到引脚数8和引脚数7来自微控制器板。当en3启用且en4不启用时，电机的旋转方向是顺时针的。当en4启用且en3不启用时，电机的旋转方向为逆时针方向。当两个使能引脚都未使能或使能时，电机将立即停止。从图中可以看出，SD读卡器模块的实现是电路中最复杂的。它的工作原理是主从式技术，该技术是一种通信模型，其中一个设备或进程单向控制一个或多个其他设备。用于SD卡的连接如下：VCC到Arduino 5V，GND到电路的公共地，MISO到Arduino 50，MOSI到Arduino 51，SCK到Arduino引脚数52和CS（芯片选择）Arduino引脚数53。此连接允许Atmega2560微控制器和SD车载读取器模块之间的串行通信以及计算机和SD卡之间的通信提供的所有功能，例如读取文件，写入文件，创建或删除文件，读取卡信息和一些格式选项。
2.2轨迹规划算法与程序设计
为了获得平滑的路径，在障碍物周围行驶的转弯包括：进入转弯的回旋拱，避开障碍物的圆弧和离开转弯的回旋拱（图3）。 路径由开始和结束点以及在开始和到达目的地时汽车的方向来确定。为了避免在狭窄环境中放置障碍物，用于进入和退出转弯的回旋体的角度（phi;c）和长度（Lc）必须是由微型车辆的特性提供的最大值。参数Lc 和phi;c是从实验中获得的。
图3.路径规划几何
定义路径特征的变量是：P是起点; Lp是第一条直线的长度; uc是的切线之间的角度
回旋曲线和拉长的Lc; h是圆弧的角度; Rmin是圆弧的半径; S是终点; Ls是最后一条直线的长度; a是曲线的切线长度。
为了确定圆拱的角度，知道何时进入和退出转弯的回旋的角度参数是车辆提供的最大值，与图3相关，有以下关系：
BE;EO ； （1）
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