我的四輪轉(zhuǎn)向

1、4WS概述及其二自由線性數(shù)學(xué)模型建立車輛系統(tǒng)動力學(xué)內(nèi)容簡介：1、4WS概念，發(fā)展歷程，優(yōu)缺點，應(yīng)用情況；2、4WS轉(zhuǎn)向特性，轉(zhuǎn)型類型，常用控制方式及機(jī)械實現(xiàn)；3、4WS的線性二自由度建模（重點）；4、4WS的控制策略；5、4WS的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、目前存在的問題及發(fā)展趨勢。第一節(jié)4WS概念 發(fā)展歷程優(yōu)缺點 應(yīng)用情況1.1 什么是4WS？ 汽車的四輪轉(zhuǎn)向(Four - wheel Steering 4WS) 是指后輪也和前輪相似，具有一定的轉(zhuǎn)向功能，不僅可以與前輪同方向轉(zhuǎn)向，也可以與前輪反方向轉(zhuǎn)向。其主要目的是增強(qiáng)轎車在高速行駛或者在側(cè)向風(fēng)力作用下的操縱穩(wěn)定性，改善低速時的操縱輕便性，在轎車高速行

2、駛時便于由一個車道向另一個車道的移動調(diào)整，以及減少調(diào)頭時的轉(zhuǎn)彎半徑。進(jìn)口雷諾拉古那古貝4WS試駕 1.2 出現(xiàn)背景及發(fā)展歷程背景：l 傳統(tǒng)2WS轉(zhuǎn)向過程中汽車的動力學(xué)響應(yīng)特性卻受到汽車本身結(jié)構(gòu)布置和外界條件的影響程度較大，汽車的機(jī)動性和操縱穩(wěn)定性都不是很理想；l 隨著現(xiàn)代道路交通系統(tǒng)的發(fā)展，現(xiàn)代汽車的速度也越來越高，高速時汽車的操縱穩(wěn)定性直接關(guān)系著乘員的人身安全；l 采用兩輪轉(zhuǎn)向方式時轉(zhuǎn)彎半徑較大，汽車的機(jī)動靈活性不高。 客觀要求汽車具有快速跟隨駕駛員指令的反應(yīng)能力，于是4WS技術(shù)便應(yīng)運(yùn)而生！發(fā)展歷程：4WS系統(tǒng)按其發(fā)展歷程可以大致分為3個階段：1. 20世紀(jì)初至20世紀(jì)80年代-4WS系統(tǒng)的

3、萌芽和初步應(yīng)用l 1907年，日本政府頒發(fā)了第一個關(guān)于四輪轉(zhuǎn)向的專利證書；l 二戰(zhàn)期間，美國的一些軍用和工程車輛采用了這種前、后輪逆相位偏轉(zhuǎn)的簡單機(jī)械式4WS系統(tǒng)；l 1962年，在日本汽車工程協(xié)會的技術(shù)會議上，提出了后輪主動轉(zhuǎn)向的4WS技術(shù)；l 在70年代末，本田和馬自達(dá)公司也積極投入4WS的開發(fā)。2 20世紀(jì)80年代后期至20世紀(jì)90年代-快速發(fā)展及應(yīng)用時期l 1985年，日本的尼桑公司在客車上應(yīng)用了世界上第一例實用的4WS系統(tǒng)(HICAS)，采用一個電子控制液壓系統(tǒng)來主動控制后車輪的轉(zhuǎn)向角度，因而比較明顯地改善了車輛在中高速范周內(nèi)的操縱性和穩(wěn)定性。l 1987年，Nissan公司又推出了

4、HICAS的二代產(chǎn)品，進(jìn)一步提高了它的性能。 I989年，該公司設(shè)計出SUPER HICAS系統(tǒng)，主要為了獲得對后輪反相轉(zhuǎn)向角度的主動控制，除了使用液壓系統(tǒng)外還使用了轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向角度傳感器和車速傳感器。l Mazda公司也于1987年研制出車速感應(yīng)式4WS系統(tǒng)并裝備轎車。l 各大汽車公司和科研院所，就結(jié)構(gòu)形式和控制策略提出了形式各異的4WS系統(tǒng)。3. 20世紀(jì)90年代至今 主要是底盤集成控制的研究 科研人員從“人一車一路”閉環(huán)系統(tǒng)出發(fā)，綜合研究汽車的縱向、側(cè)向和垂向的動力學(xué)控制，其核心技術(shù)即為四輪轉(zhuǎn)向、主動懸掛、驅(qū)動防滑和車輛穩(wěn)定性等車輛動力學(xué)控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)與集成控制。1.3 4WS優(yōu)缺點l 優(yōu)

5、點： 1）4WS汽車低速時減小了轉(zhuǎn)彎半徑，增強(qiáng)了機(jī)動靈活性；2）中高速時由于汽車有較小的質(zhì)心側(cè)偏角和相差，移線變道將更加平滑，操作更容易，乘客感覺更舒適；3）高速緊急避讓時，車體較少甩尾，車體掃過的包絡(luò)面積減少，發(fā)生碰撞的可能性減少。缺點： 1） 低速轉(zhuǎn)向時,汽車尾部容易碰到障礙物。 2） 實現(xiàn)理想控制的技術(shù)難度大。 3）轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高。 4）轉(zhuǎn)向過程中,阿克曼定理難保證。1.4 4WS系統(tǒng)的應(yīng)用 94款本田Prelude 97款三菱3000GT 最新配備4ws的汽車 新一代保時捷911turbo（配四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)）最新效果圖 將會在2014月的底特律車展上首發(fā)亮相 2014謳歌RLX

6、AWS(全輪精準(zhǔn)轉(zhuǎn)向技術(shù))：PAWS(全輪精準(zhǔn)轉(zhuǎn)向技術(shù))英文全稱為“Precision All Wheel Steer”，該系統(tǒng)在左右后懸掛中配置電控執(zhí)行器，與動力總成系統(tǒng)、EPS、VSA等的行駛信息進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。全輪轉(zhuǎn)向主要是指后輪轉(zhuǎn)向，PAWS(全輪精準(zhǔn)轉(zhuǎn)向技術(shù))最大的突破是可隨意獨立控制后輪束角(后輪左右輪轉(zhuǎn)向角)的變化。第二節(jié)4WS轉(zhuǎn)向特性 轉(zhuǎn)向類型常用控制方式 機(jī)械實現(xiàn) 4WS 汽車通常是在前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，在汽車的后懸架上安裝一套后輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，并采用適當(dāng)?shù)目刂撇呗裕沟闷囋谇拜嗈D(zhuǎn)向的同時，后輪也參與轉(zhuǎn)向，達(dá)到提高汽車機(jī)動性和操穩(wěn)性的目的。 2.1 基本組成： 液壓式4WS 系

7、統(tǒng)2.2工作原理典型液壓式4WS 系統(tǒng)主要由前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、傳感器(如轉(zhuǎn)向角度傳感器、車速傳感器、橫擺角速度傳感器等) 、ECU、后輪轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)和后輪轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)等組成。3.1四輪轉(zhuǎn)向汽車的后輪轉(zhuǎn)向主要有三種方式： 1.同相位方式：在高速行駛時，后輪與前輪同向偏轉(zhuǎn)。 2.反相位方式：在低速行駛時，后輪與前輪反向偏轉(zhuǎn) 3.同相位與反相位轉(zhuǎn)換方式：在低速或急轉(zhuǎn)彎行駛時，后輪先反向偏轉(zhuǎn)，再同向偏轉(zhuǎn)。 3.2轉(zhuǎn)向特性分析3.2.1低速行駛的轉(zhuǎn)向特性l2WS汽車的情況是后輪不轉(zhuǎn)向，所以轉(zhuǎn)向中心大致在后軸的延長線上。l4WS汽車的情況是對后輪進(jìn)行逆向操縱，轉(zhuǎn)向中心比2WS汽車靠近車體處。在低速轉(zhuǎn)向時，若兩

8、前輪轉(zhuǎn)向角相同，則4WS汽車的轉(zhuǎn)向半徑更小，內(nèi)輪差也小，轉(zhuǎn)向性能好。對小轎車而言，如果后輪逆向轉(zhuǎn)向5度，則可以減少最小轉(zhuǎn)向半徑0.5米，內(nèi)輪差約0.1米。3.2.2 2WS汽車高速轉(zhuǎn)向特性 高速轉(zhuǎn)向時，要使車體的傾向和前進(jìn)方向一致，從而使后輪產(chǎn)生足夠的旋轉(zhuǎn)向心力。在4WS汽車通過對后輪同向轉(zhuǎn)向操縱，使后輪也產(chǎn)生側(cè)偏角，使得與前輪的旋轉(zhuǎn)向心力相平衡，從而抑制自轉(zhuǎn)運(yùn)動，得到車體方向和車輛前進(jìn)方向一致的穩(wěn)定轉(zhuǎn)向狀態(tài)。4.14WS 汽車后輪轉(zhuǎn)向裝置的類型4.1. 1 轉(zhuǎn)角隨動型 后輪偏轉(zhuǎn)受前輪偏轉(zhuǎn)控制,作被動轉(zhuǎn)向,即后輪偏轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)角大小受方向盤轉(zhuǎn)動的方向和轉(zhuǎn)角大小的控制4. 1. 2 車速感應(yīng)型 車

9、速感應(yīng)型四輪轉(zhuǎn)向裝置的工作特點是后輪偏轉(zhuǎn)的方向和轉(zhuǎn)角大小主要受車速高低的控制例：電控4WS系統(tǒng)常采用兩種控制方式1、轉(zhuǎn)向角的比例控制所謂轉(zhuǎn)向角的比例控制，就是后輪的轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)角成比例變化，并讓其在低速轉(zhuǎn)向時，使后輪與前輪反向轉(zhuǎn)動。在中高速行駛時，與前輪同向轉(zhuǎn)向。 這種控制方式可以使汽車在中、高速轉(zhuǎn)向行駛時，前后輪保持相對穩(wěn)定的平衡。讓汽車的前進(jìn)方向與其車身的方向保持一致，獲得穩(wěn)定的轉(zhuǎn)向特性。在轉(zhuǎn)向初期的過渡階段，由于從一開始，前、后輪都會產(chǎn)生側(cè)偏力，使車身的公轉(zhuǎn)運(yùn)動早于其自轉(zhuǎn)的橫擺運(yùn)動，與2WS汽車的轉(zhuǎn)向相比，其轉(zhuǎn)向的偏差要小的多。2、橫擺角速度比例控制方式橫擺角速度比例控制，是一種根據(jù)

10、檢測的車身橫擺角速度來控制后輪轉(zhuǎn)向量的控制方法。因為通過橫擺角速度可以直接檢測出車身的自轉(zhuǎn)運(yùn)動。因此，根據(jù)檢測出的數(shù)值，對后輪的轉(zhuǎn)角也做相應(yīng)的增減，就可能從轉(zhuǎn)向初期開始，使車身方向與前進(jìn)方向之間的誤差非常小，又由于它能直接感知車輛的自轉(zhuǎn)運(yùn)動，因此，即使有轉(zhuǎn)向以外的力（如橫向風(fēng)等）引起車身的自轉(zhuǎn)，也能馬上感知到，并可以迅速通過對后輪的轉(zhuǎn)向控制來抑制自轉(zhuǎn)運(yùn)動。四輪轉(zhuǎn)向驅(qū)動方式分類:4WS后輪轉(zhuǎn)向控制轉(zhuǎn)向能量傳遞執(zhí)行機(jī)構(gòu)主動后輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)全主動后輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)集中驅(qū)動四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)分散驅(qū)動四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)機(jī)械式四輪轉(zhuǎn)向液壓式四輪轉(zhuǎn)向電控液壓四輪轉(zhuǎn)向電控四輪轉(zhuǎn)向前饋式反饋式1、機(jī)械式四輪轉(zhuǎn)向四輪轉(zhuǎn)向汽車在后懸架上

11、安裝了一套轉(zhuǎn)向裝置，稱為后輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。 機(jī)械式四輪轉(zhuǎn)向系的組成：1-后輪轉(zhuǎn)向取力齒輪箱、2-轉(zhuǎn)向盤、3-后輪轉(zhuǎn)向傳動軸、4-后輪轉(zhuǎn)向器2、液壓式四輪轉(zhuǎn)向1儲油罐2轉(zhuǎn)向油泵 3前輪動力轉(zhuǎn)向器 4轉(zhuǎn)向盤 5后輪轉(zhuǎn)向控制閥 6后輪轉(zhuǎn)向動力缸 7鉸接頭 8從動臂 9后輪轉(zhuǎn)向?qū)Ｓ糜捅?、電控液壓式四輪轉(zhuǎn)向在前兩種四輪轉(zhuǎn)向系中，由于采用機(jī)械和隨車速變化的油壓控制，使后輪偏轉(zhuǎn)角的控制不夠精確。在電子控制液壓式四輪轉(zhuǎn)向系中，由于采用了電子相位控制系統(tǒng)，使后輪偏轉(zhuǎn)角度控制更精確。1-轉(zhuǎn)向盤 2-后輪轉(zhuǎn)向系 3-后輪轉(zhuǎn)向傳動軸4-電子控制單元 5-車速傳感器 6-前動力轉(zhuǎn)向器 7-轉(zhuǎn)向油泵4、電控式四輪轉(zhuǎn)向電動四

12、輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有控制自由度高、機(jī)構(gòu)簡單等優(yōu)點。電控單元根據(jù)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角、前輪偏轉(zhuǎn)角和車速等信號通過與機(jī)械液壓四輪轉(zhuǎn)向系相似的算法確定后輪的偏轉(zhuǎn)角，然后控制后輪偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中的電動機(jī)驅(qū)動球形滾道螺母轉(zhuǎn)動，推動球形滾道螺桿移動，使后輪發(fā)生偏轉(zhuǎn)，電控單元再根據(jù)后輪偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中的主、副偏轉(zhuǎn)角傳感器反饋信號，對后輪的偏轉(zhuǎn)角進(jìn)行修正。第三節(jié)4WS線性二自由度建模 及操縱穩(wěn)定性分析7、1車輛動力學(xué)建模方法及指導(dǎo)原則目前汽車動力學(xué)模擬的方法主要有3種：人工建模、計算機(jī)自動建模和圖形建模。l人工建模通常通過對汽車的力學(xué)分析來建立汽車運(yùn)動的微分方程組，然后采用差分方法和相應(yīng)的數(shù)值積分方法將連續(xù)方程變?yōu)闀r間離散的差分方程，并

13、通過計算機(jī)語言變?yōu)橄鄳?yīng)的程序進(jìn)行方程組的解算。l計算機(jī)建模利用專業(yè)的車輛動力學(xué)仿真軟件自動完成系統(tǒng)建模與計算工作，如著名的ADAMS軟件近年來被證明是一種能比較真實反映汽車動力學(xué)特性的仿真工具，但是ADAMS控制系統(tǒng)工具箱不夠豐富，很多控制系統(tǒng)不容易在上面實施。l 圖形建模是一種混合建模方法，它首先對車輛進(jìn)行力學(xué)分析，通過力學(xué)原理推導(dǎo)出汽車運(yùn)動方程，而計算則采用專業(yè)的軟件包(如MatlabSimulink等)。在Simulink中的各種線性和非線性模塊既可用于動力學(xué)系統(tǒng)，又可用于控制系統(tǒng)，因此較適合于汽車動力學(xué)分析及控制系統(tǒng)的研究。7.2建立二自由度模型的意義一般在良好路面情況下，車輛大多數(shù)時

14、刻都運(yùn)行于側(cè)偏角較小的線性工作區(qū)域，駕駛員對此區(qū)域的操縱也非常熟悉，這時汽車操縱穩(wěn)定性按線性規(guī)律研究所得到的結(jié)論，經(jīng)過試驗并修正完全可以滿足實際使用要求，因此車輛的線性特性一方面是駕駛員所期望的理想轉(zhuǎn)向特性，另一方面也是控制系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)。在進(jìn)行側(cè)向動力學(xué)線性特性研究時，通常會把汽車看作一個線性的開環(huán)控制系統(tǒng)，然后建立一個能表征車輛側(cè)向運(yùn)動和橫擺運(yùn)動特性2DOF微分方程進(jìn)行運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)理論分析。研究也表明，當(dāng)汽車滿足：1)車輛速度小于lOOkmh，2)車輛側(cè)向加速度小于049，3)正常轉(zhuǎn)向等行駛條件時，可以用一個線性2DOF模型來預(yù)測車輛的動態(tài)行為。汽車線性2DOF動力學(xué)模型集中了車輛的主要

15、性能，把影響汽車性能的參數(shù)減至最少，從本質(zhì)上反映了汽車操縱動力學(xué)特性，利用它從理論上對車輛操縱性能進(jìn)行分析，可得出普遍適用的具有指導(dǎo)性的結(jié)論。但是，2DOF車輛動力學(xué)模型的推導(dǎo)前提是做了很多假設(shè)，并且模型也僅適用于輪胎側(cè)偏力的線性工作區(qū)域，若考慮在大側(cè)向加速度情況下，輪胎側(cè)偏力達(dá)到飽和時的非線性特性，考慮懸架非線性、車身側(cè)傾引起的輪荷橫向轉(zhuǎn)移、側(cè)向風(fēng)、縱向力等其他影響因素時，車輛便明顯具有非線性特征，則簡單的基于集中質(zhì)點的2DOF車輛動力學(xué)模型便明顯不能滿足實際問題的研究需要，因此需要建立具有更多自由度數(shù)目的非線性車輛動力學(xué)模型，以滿足分析精度的需要。7.3汽車轉(zhuǎn)向基本要求 為使汽車實現(xiàn)車輪無

16、側(cè)滑的轉(zhuǎn)向，車輪的偏轉(zhuǎn)必須滿足阿克曼特性，即在汽車前輪定位角都等于零、行走系統(tǒng)為剛性、汽車行駛過程中無側(cè)向力的前提下，整個轉(zhuǎn)向過程中全部車輪必須圍繞同一瞬時中心相對于地面作圓周滾動，例如對于圖1所示兩輪轉(zhuǎn)向情況，前內(nèi)輪轉(zhuǎn)角b與前外輪轉(zhuǎn)角a之間應(yīng)滿足如下阿克曼轉(zhuǎn)向特性公式：LB/)cot()cot(7.4 二自由度四輪轉(zhuǎn)向車輛動力學(xué)模型的建立7.4.1使用SAE汽車運(yùn)動標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系7.4.2線性二自由度汽車模型的運(yùn)動微分方程為了便于建立運(yùn)動方程，做以下簡化：（1）忽略轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的影響，直接以前輪轉(zhuǎn)角作為輸入；（2）忽略懸架的作用；車身只作平行于地面的平面運(yùn)動，沿z 軸的位移、繞 y軸的俯仰角和繞 x

17、 軸的側(cè)傾角均為零，且；（3）汽車前進(jìn)速度u視為不變；（4）側(cè)向加速度限定在0.4g一下，確保輪胎側(cè)偏特性處于線性范圍； （5）驅(qū)動力不大，不考慮地面切向力對輪胎側(cè)偏特性的影響，沒有空氣動力的作用。在上述假設(shè)下，汽車被簡化為只有側(cè)向和橫擺兩個自由度的兩輪摩托車模型。分析時，令車輛坐標(biāo)系原點與汽車質(zhì)心重合。首先確定汽車質(zhì)心的（絕對）加速度在車輛坐標(biāo)系中的分量。參看圖5-23 ，與為車輛坐標(biāo)系的縱軸和橫軸。質(zhì)心速度于時刻在軸上的分量為 ，在軸上的分量為 。uv由于汽車轉(zhuǎn)向行駛時伴有平移和轉(zhuǎn)動，在 時刻，車輛坐標(biāo)系中質(zhì)心速度的大小與方向均發(fā)生變化，而車輛坐標(biāo)系中的縱軸和橫軸亦發(fā)生變化，所以沿 軸速度

18、分量變化為：ttox考慮到 很小并忽略二階微量，上式變成：除以 并取極限，便是汽車質(zhì)心絕對加速度在車輛坐標(biāo)系 上的分量：toxrddddvutvtuax同理得：yravu圖中：、 分別為前、后車輪的側(cè)向力； 為汽車橫擺角速度； 為質(zhì)心側(cè)偏角； 為質(zhì)心前進(jìn)速度； 為質(zhì)心側(cè)向速度；V、 分別為汽車質(zhì)心、前輪、后輪速度； 、 分別為前、后車輪側(cè)偏角；、分別為前、后輪轉(zhuǎn)向角；a、b分別為前軸、后軸到質(zhì)心距離；l為汽車軸距，l=a+b.、1YF、2YF1V2V1212可以建立如下二自由度動力學(xué)方程zYYZyYYYIbFaFMaFFF22112211coscosmcoscos考慮到輪胎的側(cè)偏特性在線性范圍

19、，設(shè) 、分別為兩前輪、兩后輪側(cè)偏剛度之和， 、 均為負(fù)值由于 、 、 較小，有 、 ， ， ；在小轉(zhuǎn)角情況下 ，有 從而有22112211bkakMkkFZY1k2k12121cos11cos211tan22tan/1cos111kFY222kFY汽車前后輪側(cè)偏角與其運(yùn)動參數(shù)有關(guān)。 tan對于前輪 是 與x軸的夾角，后輪 是 與x軸的夾角11V22Vaaa1b-b-b-2根據(jù)坐標(biāo)系的關(guān)系，前后輪側(cè)偏角為 、 表示如下：121111-a-2222-b-從而，有yYYaFF）（）（2222211111-b-kk-akk所以，二自由度汽車的運(yùn)動微分方程為）（）（）（）（221122112211221

20、1-b-k-aakm-b-k-akbbkakMkkFZY式中， 為汽車?yán)@z軸的轉(zhuǎn)動慣量； 為橫擺角加速度。整理后得二自由度汽車運(yùn)動微分方程為：ZIrZIakbabkmbkak221122122122112121bkkk1ak)(kkk1k四輪轉(zhuǎn)向的控制方法有很多，本文主要對前后輪轉(zhuǎn)角比例控制的四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行動力學(xué)分析取K= ，K為后輪與前輪轉(zhuǎn)角比例系數(shù)由Sano分析可知，可以保證汽車在穩(wěn)態(tài)時質(zhì)心側(cè)偏角恒等于零，它是關(guān)于車速的函數(shù)汽車在低速轉(zhuǎn)向時，后輪與前輪為逆相位轉(zhuǎn)向，可以有效減小轉(zhuǎn)彎半徑，提高車輛的機(jī)動性；高速轉(zhuǎn)向時，后輪與前輪為同相位轉(zhuǎn)向，提高了車輛的操縱穩(wěn)定性21/2122ab-ulk

21、mbulkmaK后輪與前輪轉(zhuǎn)角比例系數(shù)7.4.3汽車橫擺角速度對前輪轉(zhuǎn)角的傳遞函數(shù)由(3)式第2式得akbkakbkbkakIz1211222221)(u-求導(dǎo)得akbkakbkbkakuIz1211222221)(- 又 求導(dǎo)得 ， ， 帶入（3）式中可得以 為變量的形式如下/ 1011bbchm 式中：zmuIm)()(h212212kkIkbkamzukklbkakmuc21221)()(b211bKkakmu）Kklk1 (b210對(5)式進(jìn)行拉普拉斯變換，得到汽車橫擺角速度與前輪轉(zhuǎn)角的傳遞函數(shù)chssmbsbG201s）（根據(jù)此傳遞函數(shù)，可以分析前輪轉(zhuǎn)角輸入時，四輪轉(zhuǎn)向汽車的橫擺角

22、速度的變化情況7.4.4汽車質(zhì)心側(cè)偏角對前輪轉(zhuǎn)角的傳遞函數(shù)同上類似，可得101aa CHM式中：umIuMz2mhuukkIkbkamHz)()( -212212cukklbkakmuC212212)(uKkkIaz)(21212210)()(klkaKbmubKkaka(7)對(7)式進(jìn)行拉普拉斯變換，可得汽車質(zhì)心側(cè)偏角與前輪轉(zhuǎn)角的傳遞函數(shù) ）（8 sas201CHssMaG根據(jù)此傳遞函數(shù)，可以分析前輪轉(zhuǎn)角輸入時，四輪轉(zhuǎn)向汽車的質(zhì)心側(cè)偏角的變化情況7.4.5汽車側(cè)向加速度對前輪轉(zhuǎn)角的傳遞函數(shù)對于側(cè)向加速度，有uuudtavay進(jìn)行拉普拉斯變換)()()(asusussy除以 可得到）（s1)

23、()()()()()()(111assussusssasGyy)()(suGsusGw可以得到汽車側(cè)向加速度與前輪轉(zhuǎn)角的傳遞函數(shù)為：chssmubsklkbKasG202121a)(asy）（根據(jù)此傳遞函數(shù)，可以分析前輪轉(zhuǎn)角輸入時，四輪轉(zhuǎn)向汽車的側(cè)向加速度的變化情況在上述各傳遞函數(shù)中，當(dāng)K=0時，可以表示兩輪轉(zhuǎn)向汽車對應(yīng)的運(yùn)動參數(shù)；當(dāng)K0時，表示為四輪轉(zhuǎn)向汽車對應(yīng)的運(yùn)動參數(shù)，因此可以方便地進(jìn)行兩輪轉(zhuǎn)向與四輪轉(zhuǎn)向汽車動力學(xué)的對比仿真分析。第四節(jié)4WS的控制策略8、四輪轉(zhuǎn)向汽車的控制8. 1 控制目標(biāo)減小側(cè)向加速度響應(yīng)和橫擺角速度響應(yīng)的相位滯后減小汽車的側(cè)偏角增強(qiáng)汽車穩(wěn)定性改善低速范圍汽車的操縱性

24、改善汽車的轉(zhuǎn)向響應(yīng)性能 保持所期望的汽車轉(zhuǎn)向響應(yīng)特性改善輪胎附著力極限附近的響應(yīng)8. 2 控制策略的模型基礎(chǔ)一般情況下進(jìn)行的4WS 系統(tǒng)的研究都是基于一個簡單的二自由度線性車輛模型。這只是一種理想化的數(shù)學(xué)模型,在建模時忽略了汽車的一些動力學(xué)參數(shù)的變化,沒有考慮汽車行駛過程中產(chǎn)生的許多隨機(jī)的、不確定因素,因而不是非常精確的。早期的4WS 控制器設(shè)計都是基于跟隨線性動力學(xué)方程的假設(shè),但由于上述原因,使得所設(shè)計的控制系統(tǒng)不一定滿足實際的需要,無法保證汽車轉(zhuǎn)向時的操縱穩(wěn)定性?？刂撇呗?(1) 比例控制：前饋控制（前后輪轉(zhuǎn)向角與車速依存式）和反饋控制（將車輛的運(yùn)行狀態(tài)反饋到控制系統(tǒng)，自動調(diào)節(jié)后輪轉(zhuǎn)向角）

25、動態(tài)補(bǔ)償控制：前饋控制（轉(zhuǎn)向角動態(tài)補(bǔ)償）和反饋控制（轉(zhuǎn)向力矩動態(tài)補(bǔ)償） 主動控制：要求橫擺速率中、高速時提高穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向響應(yīng)性，低速時提高小轉(zhuǎn)彎大轉(zhuǎn)向角轉(zhuǎn)向操縱性 8 3 控制方法(a) . 定前、后輪轉(zhuǎn)向比的4WS 系統(tǒng)。(b) . 前、后輪轉(zhuǎn)向比是前輪轉(zhuǎn)角函數(shù)的4WS 系統(tǒng)。(c) . 前、后輪轉(zhuǎn)向比是車速函數(shù)的4WS 系統(tǒng)。(d) . 具有一階滯后的4WS 系統(tǒng)。(e) . 具有反相特性的4WS 系統(tǒng)。(f) . 具有最優(yōu)控制特性的4WS 系統(tǒng)。(g) . 具有自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)能力的4WS 系統(tǒng)。 前五種控制系統(tǒng)屬于古典控制理論范疇,只能滿足汽車在某些特定條件下的需要,還不能適應(yīng)汽車運(yùn)動的

26、隨機(jī)變化,隨著計算機(jī)技術(shù)和一些先進(jìn)控制理論的發(fā)展,4WS 系統(tǒng)將朝著自適應(yīng)、智能化的方向發(fā)展。目前控制方法的種類目前4WS 控制器設(shè)計都是基于跟隨線性動力學(xué)方程的假設(shè)，建立簡單的二自由度線性車輛模型,采用PID 控制策略，對于輪胎處于非線性狀態(tài)適應(yīng)性很差。隨著控制技術(shù)的不斷發(fā)展,一些先進(jìn)的現(xiàn)代控制方法已經(jīng)被應(yīng)用于4WS 系統(tǒng)的控制研究中,如最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、滑?？刂啤Ⅳ敯艨刂频?近年來,又出現(xiàn)了模糊控制、基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論的控制方法等。對4WS 控制系統(tǒng)的研究逐漸從線性領(lǐng)域向非線性領(lǐng)域過渡,一些多自由度的4WS 汽車動力學(xué)模型已有提出。自4WS技術(shù)出現(xiàn)以來，有不少控制方法應(yīng)用于4WS控制

27、，但這些控制大多是針對后輪轉(zhuǎn)向控制，由于僅有一個控制量(后輪轉(zhuǎn)角)，被控量一般是車身質(zhì)心側(cè)偏角或者橫擺率，屬于單輸入單輸出(SISO)系統(tǒng)，僅能提高車輛的部分操縱性能。近年來，車輛操縱機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)沒有機(jī)械聯(lián)結(jié)和能量傳遞，操縱指令由傳感元件感知，以電信號的形式由網(wǎng)絡(luò)傳遞給電子控制器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的線控轉(zhuǎn)向(Steer-ByWire，SBW)技術(shù)進(jìn)步迅速，線控操縱車輛的前、后輪都可作為主動控制輸入，這使得采用基于模型跟蹤的控制策略以保證被控車輛同時具有駕駛員期望的理想側(cè)偏角和橫擺率將成為可能，屬于雙輸入雙輸出控制系統(tǒng)(MIMO)，這既減小了車輛在轉(zhuǎn)彎過程中側(cè)滑失穩(wěn)發(fā)生的可能，又能保證車輛精確跟蹤行駛

28、路徑；此外在大側(cè)向加速度下通過前、后輪轉(zhuǎn)角的主動調(diào)整，也能有效預(yù)防車輛發(fā)生側(cè)翻。因此，針對四輪主動轉(zhuǎn)向汽車，采用先進(jìn)控制方法進(jìn)行基于線控轉(zhuǎn)向技術(shù)的控制策略及控制算法研究，對改善車輛操縱穩(wěn)定性，提高車輛主動安全性有著重要的深遠(yuǎn)意義。第五節(jié)4WS目前存在的問題及發(fā)展趨勢。10、四輪轉(zhuǎn)向研究目前存在問題1 汽車操縱穩(wěn)定性評價指標(biāo)不明確、不統(tǒng)一l沒有一個成熟的理論對汽車四輪轉(zhuǎn)向運(yùn)動機(jī)理進(jìn)行更深刻的闡述l沒有明確的或統(tǒng)一的能夠充分表達(dá)4WS車輛最佳操縱性能的指標(biāo)l駕駛員因素引入車輛模型而形成“人一車一路閉環(huán)系統(tǒng)，在閉環(huán)系統(tǒng)內(nèi)綜合考慮車輛的各項特性來研究4WS系統(tǒng)l最佳的要跟蹤的模型也沒有統(tǒng)一的概念。2 傳統(tǒng)后輪轉(zhuǎn)向4WS系統(tǒng)對改善車輛操縱穩(wěn)定性的功能有限l傳統(tǒng)4WS基于主動后輪轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)，后輪轉(zhuǎn)角是控制器唯一輸出，但它僅能控制一個汽車運(yùn)動變量。車其他的運(yùn)動狀態(tài)仍需依靠駕駛員來進(jìn)行反饋控制。l全主動4WS型式，但由于傳動機(jī)構(gòu)復(fù)雜，空間布置困難、算法理論不完善等技術(shù)上的限制，使得全主動4WS控制系統(tǒng)的實現(xiàn)在以往比較困難，因而在控制策略方面的研究也較少。l線控轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展，這一情況