四舵轮无人驾驶底盘电子差速控制方法研究

摘  要：四舵轮无人驾驶底盘是一种车辆分布式驱动结构，可以实现四轮独立转向和驱动。稳定性高、可控性好的四舵轮底盘在工厂、机场等无人物流场所具有可观的使用前景，是纯电动无人驾驶底盘未来的主要发展方向。通过四个舵轮独立控制各车轮的速度和转角而取代了传统车辆的差速器，简化了车辆底盘结构。基于阿克曼转向原理研究前后异向转向的车辆模型电子差速控制方法，并给出四轮转角和速度的控制算法。通过给出的四轮转角和速度的控制算法搭建Simulink电子差速仿真模型。根据模型进行分析、验证阿克曼转向原理在四舵轮无人驾驶底盘转向和驱动控制的可行性，最后讨论该模型的适用场景。

关键词：阿克曼原理；电子差速；四轮转向和驱动；

中图分类号：U463.42.02     文献标识码：A

0  引言

四舵轮无人驾驶底盘采用四舵轮实现转向和驱动，是一种典型的分布式驱动电动底盘。相较于传统底盘在稳定性、主动安全及节能等方面具有显著的控制优势[1]。

四舵轮无人驾驶底盘共有8个电机，包括4个转向电机和4个驱动电机，其驱动和转向独立可控，具有更多自由度，在底盘控制方面具有良好优势[2，3]。四轮转向控制能够有效减小汽车的转向半径[4，5]，使车辆机动性和可操纵性更强[6]。

本文根据四舵轮无人驾驶底盘独立转向和驱动的特点，构建前后异向转向模型。前后异向转向依据阿克曼转向原理推导相应的计算公式。通过Simulink建立前后异向转向模式的仿真模型，分析阿克曼转向模型，最后讨论阿克曼转向原理的适用场景。

1  纯跟踪算法

纯跟踪算法是一种无人驾驶控制模块的算法，被广泛应用在机器人路径跟踪上。该算法是把无人底盘简化为自行车模型，如图1所示。其原理是以后轴中心为切点，纵向车身为切线，通过控制前轮转角使车辆可以沿着一条经过预瞄点的圆弧行驶[7]。

其中θ、V为无人驾驶工控机计算出的前轮转向角以及后轴中心速度，L为轴距，R为转弯时的瞬心半径。

2  前后异向转向模型

四轮前后异向转向底盘相对于传统前轮转向车辆能够改善车辆的转向机动性、操作稳定性和行驶安全性[8]。四舵轮无人驾驶底盘能够实现前后异向转向功能。

四舵轮无人驾驶底盘前后异向转向模型如下图所示，其同侧车轮速度大小相同，转向角大小相同，方向相反。

通过计算可得出前后轴左右车轮的转角以及四个车轮的车速。设定向左转向为正，向右转向为负。

3  仿真分析

本文采用的一款四轮独立转向和驱动无人驾驶底盘的进行仿真分析，具体参数如表1所示。

常规转向时前轴两轮转角、及四轮速度与转向角的关系如下图所示。

前后异向转向时四轮转向角及四轮车速与转向角的关系如图所示。

图3中，图4中可以看出，前后异向转向时同侧前后两个车轮转向角方向相反，速度大小相同。

4  阿克曼转向适用场景

常规转向的条件下，仍然取车速为3m/s当在0到80°范围取值时，底盘处于左转状态，底盘四轮速度与转向角的关系如图5所示。从图5中可以看到在约为1.2 rad的位置时，底盘左后轮速度变为0。此时底盘的运动情况是以左后轮为中心原地转向，整个底盘虽然有速度，但是位置还是在原地，并没有改变自身位置，而单车模型在这个状态下是正常转弯行驶的。从图中还可以看到，当转向角逐渐增大时，车速保持不变的情况下，在大于0.6rad后，底盘除左后轮外，其他车轮车速急剧增加，为1.2rad时，车轮最大的车速已达到车速的3倍，这种情况与底盘实际转向有很大差别。因此，阿克曼转向模型具有一定的限制，适用于转向角较小的情况，一般为-30～30°。

5 结论

本文根据四舵轮无人驾驶底盘的特性，推导基于阿克曼原理的四轮转向公式，并通过Simulink建立了底盘的三种转向模型：常规转向、前后异向、前后同向。而后对仿真模型进行分析，结果表明，阿克曼转向原理在四舵轮无人驾驶底盘转向和驱动控制中的可行性。最后，在底盘0～80°转角时，分析四轮车速的仿真结果，说明阿克曼转向具有一定的适用场景，在小转角范围内它能够很好地满足要求。

参考文献

[1] 余卓平，冯源，熊璐.分布式驱动电动汽车动力学控制发展现状综述[J].机械工程学报，2013，49（08）： 105-114.

[2] 王庆年，张缓缓，靳立强.四轮独立驱动电动车转向驱动的转矩协调控制[J].吉林大学学报（工学版），2007，37（05）：985-989.

[3] 李刚，宗长富，陈国迎等.线控四轮独立驱动轮毂电机电动车集成控制[J].吉林大学学报（工学版），2012，42（04）：796-802.

[4] Namio I， Junsuke K. 4WS technology and the prospect for improvement of vehicle dynamics [J]， SAE paper， 901167， 1990.

[5] 刘奋.四轮转向汽车侧向动力学特性及其控制研究[D].上海交通大学， 2003．

[6] 来鑫，陈辛波，方淑德，谢万军.四轮独立驱动-独立转向电动车辆动力学控制现状[J].河北科技大学学报（4 期）：322-328.

[7] 田大新，段续庭，郑坤贤，等.Autoware与自动驾驶技术[M].北京：科学出版社，2020.

[8]郭孔辉，轧浩.四轮转向的控制方法的发展[J]. 中国机械工程，1998（05）：79-81.