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六轮分布式转向系统的运动特性分析与主动转向控制方法
近年来随着汽车行业的发展，车辆在各行各业得到了广泛应用。越野车因为其良好的通过性也被应用到更多的场景，越野车的主要工作环境为非铺装路面等恶劣工况。在越野车中，多轴车辆的通过性较好，一般车轴在三轴及以上车辆被称为多轴车辆。多轴车辆具有轴距长、质量大、质心高等特点。这就会导致车辆存在低速转向时转向半径大、灵活性差、轮胎磨损严重等问题。
基于多轴车辆存在的问题，全轮转向技术应运而生。全轮转向即车辆所有车轮均参与转向，为保证更佳的转向性能其一般拥有多种转向模式。分布式的线控全轮转向系统（6WS）能够实现六个车轮独立转向，使全轮转向的功能变得更丰富，本文针对6轮独立全轮转向车辆的转向运动特性进行简要分析，并介绍全轮主动转向的控制方法。
01车辆二自由度模型车辆在该模式下能够完成绝大多数转向任务，采用车辆单轨模型进行车辆动力学建模和全轮转角计算。
图1 车辆二自由度模型
使用如下车辆二自由度模型：
对于三轴车辆，在假设第一轴转角已知的情况下，第二、三轴转角应满足以下关系：
令角传动比系数：
（1）
（2）
式中
表示转向中心到第
轴到的距离；
表示第二轴到第一轴的距离；
表示第三轴到第一轴的距离。
由第二、三轴与第一轴的转角比例系数表达式可知，若计算、
，首先得到转向中心
到前轴距离
的表达式，令车辆的质心侧偏角
，质心侧偏角速度
，车辆在稳态转向时横摆角加速度满足
。由多轴车辆在转向时的平衡态可得如下条件：
（3）
（4）
将式(5)、(6)代入车辆的二自由度动力学模型中可解得：
在各转角比例系数确定的情况下，每个前轮转角都对应一个转弯半径，由图1中几何关系可得知转弯半径与前轮转角有如下关系：
在求解出
后，代入（1）、（2）式解得、，进一步的，根据式（4）求出
和
。根据阿克曼转向几何解耦到每个车轮的转角，运动学关系如下：
其中，tw表示轮距。在求解出
后，可得L2和L3为
考虑不同速度下的前轮转角值最大值，方向盘转角与前轮转角对应关系满足：
（5）
其中，
是方向盘转角（定义为-1到1的百分比范围），是前轮转角，Df是模拟的由变角传动比系数和车辆安全性决定的极限前轮转角，做成S曲线的形式可兼顾低速中心区性能与高速稳定性能。
根据车辆稳定性，纵向速度与横摆角速度需满足以下约束条件：
进一步简写成前轮转角大小和纵向速度的约束关系：
做近似取值，上式可写为：
令不同速度下的极限转角为：
其中，
表示在某个速度下方向盘打满时前轮能转动的最大角度；是安全系数；
是冗余因数，可构造一个极限角度的软保护功能，以防止该转角Df达到其物理极限值。
同理针对倒挡时，还可推得以后轴车轮转角作为输入时转角约束条件：
令极限转角为：
则方向盘转角与后轮转角对应关系满足：
在人工驾驶的情况下，只要输入方向盘转角，由式（5）即可求得当前方向盘转角对应下的前轴车轮转角值，再由式（1）和式（2）即可求得后两轴车轮转角。
04最小转弯半径模式4.1最小转弯半径
对于常规模式下，设车辆前轮的最大转角为45°，由转向几何关系
，可得此时的转弯半径
=旋转中心到前轴的距离
。车辆最小转弯半径与车速的关系如下图所示，横坐标表示车辆纵向速度，纵坐标表示转弯半径。
图2 不同车速下的最小转弯半径
通常过弯时的速度都比较小，以5m/s为例，常规转向模式下车辆的转弯半径在2.1m-2.2m左右。若以车辆几何中心为转向时的旋转中心，则前后轮可同时达到极限值，并且此时中轴保持0转角，如下图所示。此模式下前轮跟后轮同时达到最大转角45°，根据几何关系可得：
此时最小转弯半径即为
。
图3 最小转弯半径模式
规定当转弯半径处于1.58m-2.1m之间时，转向模式切换为最小转弯模式，且切换时机只能是在低速行驶阶段，不能在车辆高速行驶途中切换至最小转弯模式，其余场景下均使用常规转向模式。
4.2自动驾驶方案
在最小转弯模式下，由于中轴转角保持为零，车辆的旋转中心位于中轴延长线上，此时前轮转角与转弯半径有如下关系：
因为等轴距的设计方案，后轮转角与前轮转角相等方向相反，可表示为，而中轴不作转角控制，保持在零位，即。但是需要注意，中轴左右的轮速需要做电子差速控制。
4.3人工驾驶方案
人工驾驶方案较自动驾驶方案的不同在于，输入变为方向盘转角，前轮转角的值由方向盘转角映射得到，前轮转角满足：
经过计算得到前轮转角后，采用与前文一样的方法便可求得后轮转角。
05稳态转向增益分析
根据车辆二自由度动力学模型中、，则三轴二自由度全轴转向模型的平衡点满足如下表达式：
将式（4）代入得：
进一步解得车辆稳态横摆增益
为:
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