引用論文

Yan, Y., Zhang, C., Xue, P. et al. Research on Hierarchical Motion Control of Corner Module Configuration Intelligent Electric Vehicle. Chin. J. Mech. Eng. 38, 23 (2025). https://doi.org/10.1186/s10033-025-01190-1

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01

研究背景及目的

電動(dòng)化和智能化的技術(shù)演進(jìn)提升了車(chē)輛的安全性和運(yùn)輸效率，也對(duì)車(chē)輛本體的技術(shù)升級(jí)和智能化賦能提出了更迫切的需求。將四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)、獨(dú)立轉(zhuǎn)向、獨(dú)立制動(dòng)、主動(dòng)懸架集成于一體的智能車(chē)輛角模塊系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。角模塊取消了機(jī)械連接，減少了大量的機(jī)械傳動(dòng)部件，優(yōu)化整車(chē)布置空間，支持車(chē)輛各動(dòng)力單元獨(dú)立控制，具有驅(qū)動(dòng)力大、動(dòng)力響應(yīng)快、傳動(dòng)效率高、便于軟件定義與冗余可靠設(shè)計(jì)等顯著優(yōu)勢(shì)，極大提升車(chē)輛了的安全性、舒適性和操縱性能。充分利角模塊構(gòu)型車(chē)輛的附加自由度，獨(dú)立控制每個(gè)車(chē)輪的轉(zhuǎn)角，可以提高車(chē)輛航向變化的響應(yīng)性，使車(chē)輛具有更加良好的路徑跟蹤性能和操縱穩(wěn)定性。

智能車(chē)輛運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主要包括環(huán)境感知模塊、軌跡規(guī)劃模塊和跟蹤控制模塊，軌跡規(guī)劃模塊用來(lái)為車(chē)輛規(guī)劃合理的路徑，跟蹤控制模塊用來(lái)控制車(chē)輛的四輪轉(zhuǎn)向來(lái)消除車(chē)輛與目標(biāo)路徑之間的跟蹤偏差。自動(dòng)駕駛汽車(chē)進(jìn)入極端工況時(shí)，輪胎將無(wú)法為汽車(chē)穩(wěn)定性提供更多的力，容易導(dǎo)致車(chē)輛失穩(wěn)，造成事故。如何保證此時(shí)車(chē)輛的穩(wěn)定性同時(shí)滿(mǎn)足控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，是目前軌跡規(guī)劃和路徑跟蹤控制的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

Figure 1 Hierarchical motion control system framework of four-wheel steering intelligent vehicle with configuration of corner module

02

試驗(yàn)方法

本文提出了一種適用于角模塊構(gòu)型四輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向智能車(chē)輛的分層實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。其中軌跡規(guī)劃包括改進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)的建立、目標(biāo)函數(shù)求解以及局部軌跡擬合：改進(jìn)的風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)包括障礙物風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)與道路風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)兩部分，依此建立目標(biāo)函數(shù)，采用運(yùn)動(dòng)學(xué)車(chē)輛道路模型，結(jié)合模型預(yù)測(cè)控制方法，建立軌跡規(guī)劃控制器，求解計(jì)算得到預(yù)測(cè)的局部軌跡，最后將擬合后光滑的軌跡曲線發(fā)送給底層控制器。四輪轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)包括路徑跟蹤控制器以及四輪轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)角分配控制器，用來(lái)控制四輪轉(zhuǎn)角，跟蹤規(guī)劃的避障軌跡：首先路徑跟蹤控制器跟蹤目標(biāo)軌跡，得到最優(yōu)轉(zhuǎn)角控制量，然后通過(guò)比例反饋控制分配前/后轉(zhuǎn)角，再根據(jù)阿克曼轉(zhuǎn)角原理將前后轉(zhuǎn)角分配為四輪轉(zhuǎn)角。最后，通過(guò)軟件聯(lián)合仿真和人在環(huán)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了控制系統(tǒng)在提升車(chē)輛行駛穩(wěn)定性、安全性和控制實(shí)時(shí)性方面的效果。

Figure 2 Ackerman steering principle of the vehicle with the corner module configuration

Figure 3 Corner module configuration vehicle low-level controller

03

結(jié)果

將角模塊構(gòu)型車(chē)輛與傳統(tǒng)的前輪轉(zhuǎn)向車(chē)輛進(jìn)行對(duì)比，在相同的雙移線工況下對(duì)比兩種構(gòu)型的路徑跟蹤準(zhǔn)確性與高速行駛下的穩(wěn)定性。根據(jù)仿真的結(jié)果可以看出，角模塊構(gòu)型四輪轉(zhuǎn)向車(chē)輛具有更好的路徑跟蹤性能和行駛穩(wěn)定性。

基于改進(jìn)的駕駛風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)，構(gòu)建了智能車(chē)輛軌跡規(guī)劃控制器，然后將其與傳統(tǒng)的駕駛風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)方法進(jìn)行對(duì)比。根據(jù)聯(lián)合仿真和人在環(huán)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可以看出，搭載基于本文設(shè)計(jì)的改進(jìn)行車(chē)風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)的控制系統(tǒng)的車(chē)輛，在面對(duì)障礙物時(shí)能夠提前進(jìn)行轉(zhuǎn)向，比傳統(tǒng)的方法安全性更強(qiáng)。

與傳統(tǒng)的耦合求解控制框架相比，本文所設(shè)計(jì)的分層運(yùn)動(dòng)控制框架求解時(shí)間更短，實(shí)時(shí)性更強(qiáng)。本文軌跡規(guī)劃控制器的平均求解器運(yùn)行時(shí)間約為0.00266 s，路徑跟蹤控制器的平均求解器運(yùn)行時(shí)間為0.00234 s。與Chu等(平均求解時(shí)間為0.0835 s)設(shè)計(jì)的路徑跟蹤控制方法相比，求解速度有較大提高。

04

結(jié)論

改進(jìn)的風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)可以讓車(chē)輛盡早識(shí)別碰撞風(fēng)險(xiǎn)，降低車(chē)輛在避障時(shí)的橫擺角速度，提高車(chē)輛的避障安全性；采用四輪轉(zhuǎn)向的方式可以讓車(chē)輛盡快進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，減少車(chē)輛橫擺角速度，提高乘客的舒適性；分層控制架構(gòu)可以有效地提高控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

05

前景與應(yīng)用

傳統(tǒng)的車(chē)輛構(gòu)型在高速工況下穩(wěn)定性差，在低速工況下靈活性差，無(wú)法滿(mǎn)足車(chē)輛智能化的發(fā)展需求。角模塊系統(tǒng)集成了驅(qū)-制-轉(zhuǎn)-懸，能夠提高車(chē)輛行駛的穩(wěn)定性和靈活性。然而，對(duì)于角模塊智能車(chē)輛來(lái)說(shuō)，過(guò)多的轉(zhuǎn)角/轉(zhuǎn)矩控制輸入增加了整車(chē)控制難度，導(dǎo)致控制系統(tǒng)計(jì)算量大，降低了控制實(shí)時(shí)性，無(wú)法保證自動(dòng)駕駛的安全，制約了角模塊技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。研究面向角模塊構(gòu)型四輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向智能車(chē)輛的安全高效運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，能夠?yàn)橥苿?dòng)角模塊智能車(chē)輛的發(fā)展與應(yīng)用發(fā)揮重要作用。

06

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作者介紹

皮大偉(主創(chuàng)作者)，南京理工大學(xué)教授，博導(dǎo)，入選國(guó)家“萬(wàn)人計(jì)劃”青年拔尖人才，江蘇省“333工程”第三層次，江蘇省“六大人才高峰”高層次人才，先進(jìn)越野系統(tǒng)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室青年學(xué)術(shù)帶頭人，江蘇省商用車(chē)智能底盤(pán)研究中心常務(wù)副主任。擔(dān)任美國(guó)汽車(chē)工程師學(xué)會(huì)（SAE）新能源汽車(chē)技術(shù)委員會(huì)委員，SAE智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)技術(shù)委員會(huì)委員，中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)青年委員會(huì)副主任委員，《Automotive Innovation》副主編。長(zhǎng)期從事車(chē)輛動(dòng)力學(xué)與智能控制、特種車(chē)輛底盤(pán)設(shè)計(jì)與主動(dòng)安全技術(shù)等研究工作，獲得教育部科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)一項(xiàng)，中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)一項(xiàng)，其他省部級(jí)科技獎(jiǎng)勵(lì)多項(xiàng)。

嚴(yán)永俊(第一作者)，南京理工大學(xué)講師。分別于2020年和2024年獲得東南大學(xué)車(chē)輛工程碩士和博士學(xué)位。主要研究方向?yàn)檐?chē)輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)，特種車(chē)輛環(huán)境感知與運(yùn)動(dòng)控制等。近三年，以第一作者在IEEE TITS，IEEE TIV，IEEE/ASME TMECH，IEEE TVT，機(jī)械工程學(xué)報(bào)、中國(guó)公路學(xué)報(bào)等期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文10余篇，受理/公開(kāi)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利20余項(xiàng)，授權(quán)10余項(xiàng)。

張宸碩(第二作者)，南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院2023級(jí)碩士生，于2023年在江蘇大學(xué)汽車(chē)與交通工程學(xué)院獲得學(xué)士學(xué)位，研究方向包括車(chē)輛動(dòng)力學(xué)與控制，智能車(chē)決策與控制等。

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作 者：嚴(yán)永俊

責(zé)任編輯：謝雅潔

責(zé)任校對(duì)： 向映姣

審 核：張 強(qiáng)

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