四轮独立转向-独立驱动车辆转向模式动态切换原理与方法研究

The four wheel independent steering and independent drive (4WIS-4WID) vehicle have higher maneuverability and redundancy control degrees of freedom, besides the advantages of distributed drive electric vehicle. The 4WIS-4WID vehicle can steer in several modes, such as straight moving, oblique moving, front wheel steering, rear wheel steering, four wheel steering, point-turn motion, so it have vast application field and prospect. However, the vehicle must be completely still when the steering mode switching, a lot of problems such as driving safety and moving mobility are more and more serious, especially in the environment of high speed and intensive. In view of this, this project put forward the scientific ideas that can be expressed as “using the redundant control of the vehicle fully, planning and optimizing the trajectory of each wheel, realizing the steering mode dynamic switching in no parking condition”. Steering mode dynamic switching mathematical model will be established based on vehicle kinematics and dynamics，combined with the vehicle pose model, dynamic switching principle will be described; Several typical objective functions (e.g. energy optimization, time optimization, etc.), dynamic constraints and boundary condition are built, then the optimal trajectory of each wheel will be solved respectively in these optimization objectives when each steering mode dynamic switching, and simulation and dynamic evaluation will be done, the dynamic switching process and method will be explored later. A composite control strategy called “vehicle coordinated motion control and wheels trajectory tracking” will be designed. Through theoretical analysis, simulation and experimental research, a new method of steering mode dynamic switching base on vehicle optimal motion planning and control is built. The purpose of this project is to improve the driving safety, mobility and intelligence of 4WIS-4WID vehicle, and the research achievements provide a solid theoretical and technical foundation for the engineering application and the actual road running.

四轮独立转向-独立驱动车辆除了继承分布式驱动电动车辆的优点外，机动性及冗余控制自由度更高，具备直行、斜行、前轮/后轮/四轮/原地转向等多种转向模式，应用领域与前景广阔。目前该车辆转向模式切换是在停车后进行，严重影响行驶安全性、机动性及智能性。鉴于此本项目提出“充分利用车辆冗余控制自由度，科学规划及控制各车轮的运动轨迹，实现转向模式不停车动态切换”的科学设想。据车辆运动/动力学建立转向模式动态切换数学模型，结合车辆位姿模型分析动态切换原理；构建优化目标泛函(如能量最优、时间最优等)、约束条件及边界条件，分别求解各转向模式动态切换时车辆及各车轮最优运动轨迹，并对切换过程进行仿真及动力学评价，探索动态切换过程与方法；设计车辆运动协调控制与车轮轨迹跟踪相结合的控制策略，并通过实车实验验证研究结论的有效性。本项目旨在提高该车辆行驶安全性、机动性及智能性，为其工程应用及实际道路行驶提供理论与技术基础。

四轮独立转向-独立驱动（4WIS-4WID）车辆作为一种新型的分布式驱动电动汽车具有高度的机动性及控制冗余度，应用领域与前景广阔。针对目前4WIS-4WID车辆转向模式切换是在停车后进行的现状，本项目以“充分利用车辆冗余控制自由度，科学规划及控制各车轮的运动轨迹，实现转向模式不停车动态切换”为研究目标，对该车辆的运动规划与控制、能量管理与控制、实验样车的研发等方面进行了持续研究。本项目的研究有助于提高4WIS-4WID车辆的安全性、机动性及智能性，为其工程应用及实际道路行驶提供理论与技术基础。.经过了三年的研究与探索，在以下几个方面取得了突破：（1）建立了4WIS-4WID车辆转向模式不停车动态切换过程及车辆位姿的数学模型，包括前轮转向、后轮转向、四轮转向、原地转向、斜行等几种典型转向模式动态切换数学模型，并建构了基于瞬时转向中心的车辆运动学与动力学模型；（2）提出了三种转向模式动态切换方法：基于分段线性函数的车轮轨迹规划方法、基于车辆转弯半径不变的车轮轨迹规划方法、基于基于B样条曲线的的车轮轨迹规划方法,对这些方法进行了理论推导与仿真研究。结果表明基于B样条曲线的方法具有较好的平滑性与跟踪性；（3）针对4WIS-4WID车辆车轮独立控制的特点，应用瞬时转向中心建立各车轮之间的虚拟连接，提出基于“动力学+运动学”的转向控制策略与滑模变控制器的控制算法，仿真结果验证了我们提出控制策略与算法的有效性；（4）研发了4WIS-4WID实验样车，对其能量管理系统就行了设计与实现。以该实验车为平台，对所提出的车轮轨迹规划方法及控制策略、能量管理方法及控制等方面进行了实验验证。 .在本项目的资助下，项目负责人以第1作者共发表标注有项目号的SCI国际期刊论文11篇（其中中科院1区论文4篇，影响因子均大于5，3区论文5篇，1篇入选ESI高倍引论文）、国内中文核心期刊论文7篇。申请发明专利35项（其中第一发明人11项，已经授权2项），第一权利人申请软件著作权4项（已授权2项）。培养硕士研究生8人（已毕业2人）。