用于电传动履带车辆控制的驾驶员信号解析方法与流程

本发明属于电传动履带车辆控制技术领域，具体涉及一种用于电传动履带车辆控制的驾驶员信号解析方法。

背景技术：

电传动在履带车辆的应用上越来越广泛，双侧电机驱动是其中一种典型的传动形式。当整车采用车速、转向半径闭环的控制时，履带车辆的主动轮转速即直接受控，车辆的运动状态较为稳定，因此车速、转向半径闭环模式是合适的控制方法，控制的难点在于对驾驶意图的正确解析。

但是若将加速踏板信号直接对应控制车速时，其转矩并不是目标受控量，因而驱动电机的输出功率也就不受控制，带来了系统供电和用电功率较难平衡的问题。尤其是驾驶员减小或完全松释油门踏板时，若单纯按照车速模式控制电机减速，极易使驱动电机进入功率未知的发电工况，强行给动力源反馈电能，带来母线电压急剧上升、电网稳定性被破坏等故障。因此，需要对驾驶员信号进行合理的解析，设计专门的整车控制方法，一方面使得车辆能够正常完成收油时减速直驶或转向的功能，另一方面又要避免驱动电机进入功率不可控的再生制动工况。

相较于轮式车辆的随动式转向，履带车辆需要通过控制动力传动系统实现主动式转向。因此，在转向过程当中，需要制定高效的能够用于实时控制的转向控制策略，以求针对加速踏板开度、制动踏板开度、方向盘转角这三组驾驶员的输入，合理确定两侧驱动电机的目标控制值。一方面使得车辆能够顺利完成转向功能，实现驾驶意图，另一方向又必须保证车辆的转向半径不会过小而导致车辆发生侧滑失控危险。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：对于双侧电机驱动的履带车辆，当驱动电机采用转矩控制模式时，如何提供一种车速、转向半径闭环的实时控制方法，以有效执行驾驶员的行驶意图，并避免车辆行驶中的侧滑危险。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供一种用于电传动履带车辆控制的驾驶员信号解析方法，所述控制方法基于双电机驱动的履带车辆动力传动系统来实施，所述动力传动系统包括：动力辅助单元1、左电机控制器2、左侧电机3、左侧变速机构及侧传动装置4、左侧主动轮5、右电机控制器6、右侧电机7、右侧变速机构及侧传动装置8、油门踏板9、整车控制器10、方向盘11、制动踏板12、右侧主动轮13；

所述动力辅助单元1用于提供两路用于驱动两侧电机的电能至左电机控制器2和右电机控制器6，并在制动工况下能够进行能量回收；

所述左电机控制器2用于将来自动力辅助单元1的直流电的电能转换为三相交流电的电能，并根据整车控制器10的指令控制左侧电机3工作；所述右电机控制器6用于将来自动力辅助单元1的直流电的电能转换为三相交流电的电能，并根据整车控制器10的指令控制左侧电机7工作；

所述左侧电机3及右侧电机7分别用于将所述三相交流电的电能转换为机械能，输出机械功率；

所述左侧电机3输出的机械功率经左侧变速机构及侧传动4传递至左侧主动轮5，右侧电机7输出的机械功率经右侧变速机构及侧传动装置8传递至右侧主动轮13，从而驱动车辆行驶；

系统工作时，由整车控制器10采集油门踏板9的开度、制动踏板12的开度及方向盘11的转角信号，以解释驾驶意图，并发送左侧电机3的目标驱动转矩指令给左电机控制器2，发送右侧电机7的目标驱动转矩指令给右电机控制器6，由左电机控制器2和右电机控制器6来分别各自对应侧的电机输出相应的驱动转矩，带动对应的变速机构及侧传动、主动轮旋转；

当两侧电机的转速相等时，履带车辆执行直驶；当两侧电机出现转速差时，履带车辆执行转向；

所述驾驶员信号解析方法包括如下步骤：

步骤S1：整车控制器10进行初始化，读入包括路面行驶阻力系数f、最大转向阻力系数μ_max、路面附着系数变速器传动比i_b、侧传动比i_c、车辆中心距B、车长L、车重m、主动轮半径r在内的整车的预置参数，读入包括允许的最大车速Vmax、增速率最大值ΔVref_max在内的预置控制参数，读入固有的转向安全系数δ随车速V变化的离散化曲线图，读入固有的两侧电机的T-n特性曲线；然后转入步骤S2；

步骤S2：计算最小相对转向半径ρ_min与车速V之间的对应关系，并制成二维表格；根据预置参数，计算车速V对应的最小相对转向半径ρ，有判别式如下：

其中，g是重力加速度；V(k)是当前步长的车速；k是步长；

第一式是离心力不超过地面附着极限的判别式，第二式是外侧履带牵引力不超过附着极限的判别式，ρ_min为满足该组判别式的最小ρ值；由此即可获得最小相对转向半径曲线并离散化为映射关系：

ρ_min＝map(V)

然后转入步骤S3；

步骤S3：整车控制器10接收油门踏板信号a(k)、制动踏板信号b(k)、方向盘转角信号s(k)，并且分别对其进行归一化处理，得到归一化的油门踏板信号Sa(k)、归一化的制动踏板信号Sb(k)、归一化的方向盘转角信号Ss(k)；然后转入步骤S4；

步骤S4：整车控制器10接收当前的反馈车速Vfbk(k)、左电机反馈转速NLfbk(k)、右电机反馈转速NRfbk(k)；然后同时执行步骤S5及步骤S12；

步骤S5：根据归一化的油门踏板信号Sa(k)、归一化的制动踏板信号Sb(k)、当前允许的最大车速Vmax(k)计算驾驶员的期望车速Vref(k)；

Vref(k)＝(Sa(k)-Sb(k))*Vmax(k)

然后转入步骤S6；

步骤S6：根据驾驶员的期望车速Vref(k)、当前的反馈车速Vfbk(k)，计算履带车辆的目标车速差ΔVref(k)；

ΔVref(k)＝Vref(k)-Vfbk(k)

然后转入步骤S7；

步骤S7：根据归一化的制动踏板信号Sb(k)计算履带车辆目标车速减速率的最小值ΔVref_min(k)；

ΔVref_min(k)＝(1+K_b·Sb(k))ΔV_min

其中，ΔV_min为当履带车辆自由滑行时的减速率，ΔV_min<0；K_b是制动踏板的增益系数；

然后转入步骤S8；

步骤S8：判断目标车速差ΔVref(k)与增速率最大值ΔVref_max的关系，如果ΔVref(k)<ΔVref_max，说明目标车速差未超出增速率最大值，目标车速差在可调节的范围之内，转至步骤S9；反之则可判定目标车速差过大，可能会导致后续调节不稳定等情况，需要对其进行限制，转至步骤S10；

步骤S9：判断目标车速差ΔVref(k)与减速率最小值ΔVref_min(k)的关系，若ΔVref(k)>ΔVref_min(k)，说明目标车速差在合理范围，不需要对其进行限制，转至步骤S15；反之则可判定目标车速差过小，会导致电动机发电电流过大的情况，需要对其进行限制，转至步骤S11；

步骤S10：由于目标车速差过大，因此将其限制为增速率最大值ΔVref_max；

ΔVref(k)＝ΔVref_max

然后转入步骤S15；

步骤S11：由于目标车速差过小，因此将其限制为减速率最小值ΔVref_min(k)；

ΔVref(k)＝ΔVref_min(k)

然后转入步骤S15；

步骤S12：根据履带车辆的行驶速度Vfbk(k)、转向安全系数δ[Vfbk(k)]、以及离散化的最小相对转向半径曲线，确定当前车速下履带车辆不发生侧滑所能实现的最小相对转向半径ρ_min(k)；

ρ_min(k)＝δ[Vfbk(k)]·map[Vfbk(k)]

然后转入步骤S13；

步骤S13：根据最小相对转向半径ρ_min(k)将归一化的方向盘转角信号Ss(k)修正为Ss’(k)，保证履带车辆实现安全转向；修正式为：

式中，K_s是转向修正系数；

然后转入步骤S14；

步骤S14：根据最小相对转向半径ρ_min(k)、左右电机的反馈转速NLfbk(k)、NRfbk(k)以及修正后的方向盘转角信号Ss’(k)计算两侧电机目标转速差ΔNref(k)，然后转至步骤15；

式中，K_n为转速差修正系数，该系数与变速机构传动比有关。

步骤S15：根据目标车速差ΔVref(k)和两侧电机目标转速差ΔNref(k)分别确定左右两侧电机各自的目标转速差，即左侧电机的目标转速差ΔNLref(k)、右侧电机的目标转速差ΔNRref(k)，转至步骤S16；

步骤S16：将上一步得到的左侧电机的目标转速差ΔNLref(k)、右侧电机的目标转速差ΔNRref(k)分别经过PI调节器处理，分别得到左侧电机的目标驱动转矩TLref(k)和右侧电机的目标驱动转矩TRref(k)；然后转入步骤S17；

步骤S17：整车控制器将左侧电机目标驱动转矩TLref(k)和右侧电机目标驱动转矩TRref(k)发送两侧电机控制器，控制两侧电机输出相应的驱动转矩，使车辆完成直驶或转向；跳转至步骤S3，进行k+1控制周期内的实时控制。

(三)有益效果

本发明技术方案对双侧电机驱动履带车辆的转速控制策略进行了重新设计，根据归一化的油门踏板信号、方向盘转角信号、挡位信号、路面附着系数、转向安全系数、最小转向半径曲线等，对车辆转向半径是否过小进行判断，解算出目标车速差和两侧驱动电机目标转速差，然后转换为两侧电机各自的目标转速差，再分别经过左右侧的PI调节器处理，得到左右两侧的目标驱动转矩。两侧电机控制器接收整车控制器发出的指令，实现履带车辆的直驶和转向控制。

与现有技术相比较，本发明具备如下有益效果：

(1)本发明方案能够大幅减少传统车速控制中由于驾驶员操作导致的发电电流过大的情况，并使车辆有效执行驾驶员的行驶意图。

(2)本发明技术方案需要标定的控制参数少，便于实际应用。

(3)本发明技术方案能够有效避免车辆行驶中的侧滑危险；

(4)本发明技术方案应用场合灵活，电机底层控制采用转矩模式或转速模式均能适用。

附图说明

图1为本发明技术方案实施所基于的双侧电机驱动的履带车辆动力传动系统的结构示意图。

图2为本发明技术方案实施例1的方法流程图。

图3为本发明技术方案实施例2的方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

为解决上述技术问题，本发明提供一种用于双侧电机驱动的履带车辆的驾驶员信号解析方法，所述控制方法基于双电机驱动的履带车辆动力传动系统来实施，所述动力传动系统包括：动力辅助单元1、左电机控制器2、左侧电机3、左侧变速机构及侧传动装置4、左侧主动轮5、右电机控制器6、右侧电机7、右侧变速机构及侧传动装置8、油门踏板9、整车控制器10、方向盘11、制动踏板12、右侧主动轮13；

所述动力辅助单元1用于提供两路用于驱动两侧电机的电能至左电机控制器2和右电机控制器6，并在制动工况下能够进行能量回收；

所述左电机控制器2用于将来自动力辅助单元1的直流电的电能转换为三相交流电的电能，并根据整车控制器10的指令控制左侧电机3工作；所述右电机控制器6用于将来自动力辅助单元1的直流电的电能转换为三相交流电的电能，并根据整车控制器10的指令控制左侧电机7工作；

所述左侧电机3及右侧电机7分别用于将所述三相交流电的电能转换为机械能，输出机械功率；

所述左侧电机3输出的机械功率经左侧变速机构及侧传动4传递至左侧主动轮5，右侧电机7输出的机械功率经右侧变速机构及侧传动装置8传递至右侧主动轮13，从而驱动车辆行驶；

系统工作时，由整车控制器10采集油门踏板9的开度、制动踏板12的开度及方向盘11的转角信号，以解释驾驶意图，并发送左侧电机3的目标驱动转矩指令给左电机控制器2，发送右侧电机7的目标驱动转矩指令给右电机控制器6，由左电机控制器2和右电机控制器6来分别各自对应侧的电机输出相应的驱动转矩，带动对应的变速机构及侧传动、主动轮旋转；

当两侧电机的转速相等时，履带车辆执行直驶；当两侧电机出现转速差时，履带车辆执行转向；

下面结合具体实施例来详细描述本发明。

实施例1：

本实施例适用于电机控制为转矩模式的情况，所述的驾驶员信号解析方法包括如下步骤：

所述驾驶员信号解析方法包括如下步骤：

步骤S1：整车控制器10进行初始化，读入包括路面行驶阻力系数f、最大转向阻力系数μ_max、路面附着系数变速器传动比i_b、侧传动比i_c、车辆中心距B、车长L、车重m、主动轮半径r在内的整车的预置参数，读入包括允许的最大车速Vmax、增速率最大值ΔVref_max在内的预置控制参数，读入固有的转向安全系数δ随车速V变化的离散化曲线图，读入固有的两侧电机的T-n特性曲线；然后转入步骤S2；

步骤S2：计算最小相对转向半径ρ_min与车速V之间的对应关系，并制成二维表格；根据预置参数，计算车速V对应的最小相对转向半径ρ，有判别式如下：

其中，g是重力加速度；V(k)是当前步长的车速；k是步长；

第一式是离心力不超过地面附着极限的判别式，第二式是外侧履带牵引力不超过附着极限的判别式，ρ_min为满足该组判别式的最小ρ值；由此即可获得最小相对转向半径曲线并离散化为映射关系：

ρ_min＝map(V)

步骤S1和步骤S2只在初始控制周期内进行，随后进入步骤S3。后续的步骤是周期性的实时控制步骤。

然后转入步骤S3；

步骤S3：整车控制器10接收油门踏板信号a(k)、制动踏板信号b(k)、方向盘转角信号s(k)，并且分别对其进行归一化处理，得到归一化的油门踏板信号Sa(k)、归一化的制动踏板信号Sb(k)、归一化的方向盘转角信号Ss(k)；然后转入步骤S4；

步骤S4：整车控制器10接收当前的反馈车速Vfbk(k)、左电机反馈转速NLfbk(k)、右电机反馈转速NRfbk(k)；然后同时执行步骤S5及步骤S12；

步骤S5：根据归一化的油门踏板信号Sa(k)、归一化的制动踏板信号Sb(k)、当前允许的最大车速Vmax(k)计算驾驶员的期望车速Vref(k)；

Vref(k)＝(Sa(k)-Sb(k))*Vmax(k)

然后转入步骤S6；

步骤S6：根据驾驶员的期望车速Vref(k)、当前的反馈车速Vfbk(k)，计算履带车辆的目标车速差ΔVref(k)；

ΔVref(k)＝Vref(k)-Vfbk(k)

然后转入步骤S7；

步骤S7：根据归一化的制动踏板信号Sb(k)计算履带车辆目标车速减速率的最小值ΔVref_min(k)；

ΔVref_min(k)＝(1+K_b·Sb(k))ΔV_min

其中，ΔV_min为当履带车辆自由滑行时的减速率，ΔV_min<0；K_b是制动踏板的增益系数；

然后转入步骤S8；

步骤S8：判断目标车速差ΔVref(k)与增速率最大值ΔVref_max的关系，如果ΔVref(k)<ΔVref_max，说明目标车速差未超出增速率最大值，目标车速差在可调节的范围之内，转至步骤S9；反之则可判定目标车速差过大，可能会导致后续调节不稳定等情况，需要对其进行限制，转至步骤S10；

步骤S9：判断目标车速差ΔVref(k)与减速率最小值ΔVref_min(k)的关系，若ΔVref(k)>ΔVref_min(k)，说明目标车速差在合理范围，不需要对其进行限制，转至步骤S15；反之则可判定目标车速差过小，会导致电动机发电电流过大的情况，需要对其进行限制，转至步骤S11；

步骤S10：由于目标车速差过大，因此将其限制为增速率最大值ΔVref_max；

ΔVref(k)＝ΔVref_max

然后转入步骤S15；

步骤S11：由于目标车速差过小，因此将其限制为减速率最小值ΔVref_min(k)；

ΔVref(k)＝ΔVref_min(k)

然后转入步骤S15；

步骤S12：根据履带车辆的行驶速度Vfbk(k)、转向安全系数δ[Vfbk(k)]、以及离散化的最小相对转向半径曲线，确定当前车速下履带车辆不发生侧滑所能实现的最小相对转向半径ρ_min(k)；

ρ_min(k)＝δ[Vfbk(k)]·map[Vfbk(k)]

然后转入步骤S13；

步骤S13：根据最小相对转向半径ρ_min(k)将归一化的方向盘转角信号Ss(k)修正为Ss’(k)，保证履带车辆实现安全转向；修正式为：

式中，K_s是转向修正系数；

然后转入步骤S14；

步骤S14：根据最小相对转向半径ρ_min(k)、左右电机的反馈转速NLfbk(k)、NRfbk(k)以及修正后的方向盘转角信号Ss’(k)计算两侧电机目标转速差ΔNref(k)，然后转至步骤15；

式中，K_n为转速差修正系数，该系数与变速机构传动比有关。

步骤S15：根据目标车速差ΔVref(k)和两侧电机目标转速差ΔNref(k)分别确定左右两侧电机各自的目标转速差，即左侧电机的目标转速差ΔNLref(k)、右侧电机的目标转速差ΔNRref(k)，转至步骤S16；

步骤S16：将上一步得到的左侧电机的目标转速差ΔNLref(k)、右侧电机的目标转速差ΔNRref(k)分别经过PI调节器处理，分别得到左侧电机的目标驱动转矩TLref(k)和右侧电机的目标驱动转矩TRref(k)；然后转入步骤S17；

步骤S17：整车控制器将左侧电机目标驱动转矩TLref(k)和右侧电机目标驱动转矩TRref(k)发送两侧电机控制器，控制两侧电机输出相应的驱动转矩，使车辆完成直驶或转向；跳转至步骤S3，进行k+1 控制周期内的实时控制。

实施例2：

本实施例适用于电机控制为转速模式的情况，所述的驾驶员信号解析方法从步骤S1到步骤S15均与实施例1相同，不同之处在于：

步骤S16：根据上一步得到的左侧电机的目标转速差ΔNLref(k)、右侧电机的目标转速差ΔNRref(k)以及左侧电机的反馈转速NLfbk(k)、右侧电机的反馈转速NRfbk(k)，分别计算左侧电机的目标转速NLref(k)、右侧电机的目标转速NRref(k)：

步骤S17：将两侧电机的目标转速发送给相应的电机控制器，控制两侧电机输出相应的转速，使车辆完成直驶或转向功能。跳转至步骤S3，进行k+1控制周期内的实时控制。

综上，本发明利用加速踏板开度与制动踏板开度之差确定目标车速，通过限制目标车速和实际车速的差值来实现加减速斜率控制；利用方向盘转角、侧滑极限转向半径确定双侧电机目标转速之差，从而确定双侧电机各自目标转速与实际转速之差，通过PI调节器得到各自驱动转矩，使得车辆完成直驶和转向功能，并且不会出现转向半径过小而发生侧滑的控制方法。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。