四轴重载无人车辆电液全轮转向系统设计与路径跟踪方法研究

doi:10.19562/j.chinasae.qcgc.2025.08.012

摘要/Abstract

摘要：

四轴重载无人车辆是一种新型特种工程车辆，具有多轴、高承载和大转弯半径的特点，因此，全轮转向系统的研究成为一大难点。本文设计了一种新型四轴重载无人车辆的电液全轮转向系统，并开展了路径跟踪方法的研究。首先，构建了四轴重载无人车辆2自由度模型（2-DOF），基于转向阻力和车桥结构的分析，设计了一种新型电液全轮转向系统；然后，提出了一种基于预瞄控制的滑模控制器（PSMC）的路径跟踪方法，实现了对车辆四轴转角的精确控制；最后，基于不同工况，利用联合仿真模型对本文研究内容进行了验证。为验证电液转向系统的稳定性和可行性，搭建了实验平台，展现了该系统良好的动态性能。

关键词: 四轴重载车辆, 无人驾驶, 电液全轮转向系统, 路径跟踪

Abstract:

Four-axle heavy-duty unmanned vehicles （FHUVs） is a new type of special engineering vehicle characterized by multiple axles， high load bearing and large turning radii； thus， research on all-wheel steering system （AWSS） has become challenging. In this paper， an electrohydraulic AWSS for a new type of FHUV is designed， and path-tracking methods are researched. Firstly， a two-degree-of-freedom model （2-DOF） of a FHUV is constructed， and a new type of electrohydraulic AWSS is designed on the basis of analysis of the steering resistance and axle structure. Then， a path tracking method based on a preview control sliding mode controller （PSMC） is proposed to achieve precise control of the four-axle wheel angle of the vehicle. Finally， on the basis of different working conditions， the research content of this study is verified via a joint simulation model. In order to verify the stability and feasibility of the electrohydraulic steering system， an experimental platform is built， which demonstrates the good dynamic performance of the system.

Key words: four-axle heavy-duty vehicle, unmanned driving, electrohydraulic AWSS, path tracking

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图/表 41

图1

图2

表1

整车参数及仿真条件"

参数符号	参数名称	数值	单位
$m$	整机质量	20 560	$k g$
$b$	轮胎宽度	375	$m m$
$R d$	轮胎滚动半径	510	$m m$
$I z$	绕z轴转动惯量	400 000	$k g · m 2$
$C 1$	第1轴侧偏刚度	-420 000	$N / r a d$
$C 2$	第2轴侧偏刚度	-420 000	$N / r a d$
$C 3$	第3轴侧偏刚度	-450 000	$N / r a d$
$C 4$	第4轴侧偏刚度	-450 000	$N / r a d$
$h$	质心高度	1 175	$m m$
$l 1$	质心到第1轴的距离	4 600	$m m$
$l 2$	质心到第2轴的距离	2 950	$m m$
$l 3$	质心到第3轴的距离	3 050	$m m$
$l 4$	质心到第4轴的距离	4 700	$m m$
$l 12$	第1轴到第2轴的距离	1 650	$m m$
$l 23$	第2轴到第3轴的距离	6 000	$m m$
$l 34$	第3轴到第4轴的距离	1 650	$m m$

表1

图3

图4

图5

图6

表2

车桥结构数据"

参数符号	参数名称	数值	单位
$B$	轮距	2 334	$m m$
$J$	左右液压缸与车桥轴连接宽度	350	$m m$
$E$	液压缸与车桥轴连接高度	200	$m m$
$T$	左右转向力臂间距	1 676	$m m$
$Q$	转向力臂高度	250	$m m$
$S$	液压缸位于中位长度	665	$m m$

表2

图7

图8

图9

表3

液压元件参数"

参数符号	参数名称	数值	单位
$D$	双杆液压缸缸径	80	$m m$
$d$	双杆液压缸活塞杆径	50	$m m$
$L h$	双杆液压缸行程	$± 126$	$m m$
$V$	液压泵排量	39	$m L / r$
$n$	液压泵转速	2 000	r/min
$p 0$	蓄能器充气压力	12.5	$M P a$
$v$	蓄能器公称容积	10	$L$
$p e$	蓄能器额定压力	33	$M P a$
$p n$	溢流阀开口压力	25	$M P a$
$m s$	质量模块	1 060	$k g$
$k m$	机械弹簧的弹簧刚度	$5 × 105$	$N / m$
$ζ$	阻尼器的阻尼率	30 000	$N / (m · s - 1)$
$k 1$	线性弹簧的弹簧刚度	$5 × 106$	$N / m$

表3

图10

图11

图12

图13

图14

图15

表4

横向跟踪误差均方值比较"

道路名称	PSMC	预瞄控制	性能提升
Double lane change	0.107 4	0.011 86	$9.44 %$
Handing course	0.017 05	0.031 38	$45.67 %$

表4

图16

图17

表5

Double lane change工况下的PSMC转角优化"

参数名称	PSMC	预瞄控制	优化结果
最大质心侧偏角	$0.145 ? 9 °$	$0.175 ? 8 °$	$17.01 %$
第2轴最大转角	$- 3.543 °$	$- 3.816 °$	$7.15 %$
第3轴最大转角	$1.650 °$	$1.778 °$	$7.20 %$
第4轴最大转角	$3.079 °$	$3.317 °$	$7.18 %$

表5

图18

图19

图20

图21

图22

图23

图24

图25

表6

Handing course工况下的PSMC优化"

参数名称	PSMC	预瞄控制	优化结果
最大质心侧偏角	$- 0.196 ? 7 °$	$- 1.280 ? 0 °$	$84.63 %$
第2轴最大转角	$9.67 °$	$11.73 °$	$17.56 %$
第3轴最大转角	$- 4.65 °$	$- 5.65 °$	$17.70 %$
第4轴最大转角	$- 8.59 °$	$- 10.43 °$	$17.64 %$

表6

图26

图27

图28

图29

图30

图31

图32

图33

图34

图35

参考文献 20

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