基于CarSim的分布式驱动汽车原地掉头功能仿真

基于CarSim的分布式驱动汽车原地掉头功能仿真

分布式驱动汽车的原地掉头功能是通过两种主要机制实现的：无转向系统方式和依赖分布式转向系统的方式。本文将详细介绍这两种技术，并通过CarSim-Simulink联合仿真，展示如何实现车辆的原地掉头功能。

技术背景

分布式驱动汽车的原地掉头转向技术主要依赖于两种不同的机制：

1. 无转向系统的方式：这种方式常见于坦克等军事车辆，通过使两侧履带或车轮反向旋转来实现原地转向。比亚迪仰望U8也展示了类似的转向方式。但在高附着力路面上使用时，会对轮胎、传动系统和路面造成一定程度的磨损。

2. 依赖分布式转向系统的方式：例如独立解耦的拉杆转向或主销转向机构。JEEP的概念车Hurricane采用了前后对称的结构设计，实现了零转弯半径的原地掉头功能。这种设计需要对车辆的传动系统、悬架结构和转向机构进行复杂的调整和优化。同时，为了实现原地转向，同轴车轮需要反向转动，这就需要增加额外的离合器和差速器来控制车轮的动力传输。

针对无转向系统原地转向模式，通过分析发现，只要保证四个车轮中，左侧两车轮跟右侧两车轮的轮速相同方向相反，便可以实现汽车原地掉头。通过采用PID控制器计算扭矩的方法，使得四个车轮的扭矩不断增加，直到轮速达到参考值为止。

车辆通过常规转向模式能够完成绝大多数的转向或掉头任务，但是在实际道路的曲率半径小于车辆最小转弯半径时，由于物理运动限制，车辆无法完成这类转向任务。坦克掉头模式能够使车辆在某些道路的宽度仅支持车辆单向行驶，且该宽度必须大于前后轮轴距的道路上进行掉头转向动作。此模式下，保持每个轮的转角为零，通过控制系统控制每个车轮的扭矩，使得左侧车轮的转速与右侧车轮的转速相等，方向相反，以此实现车辆的原地掉头。

图1 原地掉头功能示意图

原地掉头控制原理

汽车实现原地掉头的机理在于对左、右两侧车轮的速度控制，控制目标是保证左、右轮轮速大小相等，方向相反。控制方法是采用控制器对每个车轮进行转速控制，进而计算出每个轮对应的扭矩控制量，单个计算周期内的扭矩计算如下：

其中
是PID控制参数，
是车轮参考速度，
是车轮实际速度。

CarSim-Simulink联合仿真步骤

本文将利用CarSim和Simulink联合仿真，对四个车轮的轮端扭矩进行独立解耦控制，进而实现车辆原地掉头功能。

1. 配置CarSim中的车辆模型
   在进入CarSim软件主页面时，操作主页的状态通常如下图所示：

图2 CarSim主页面状态示意图