文献翻译—四轮转向汽车的转向特性及控制技术

附 录 附录 A f of of of 1. of on s is by As of a of In 980s in as in be to be up to To to 2. s ws ws to a on in ws at to In ws 2ws in to in of ws In 2ws at a to at a in ws in of ws to a of ws is to in of to At ws (a) As in 1 (a) at or in a of As if , (b) As in 1 (b) in a or is of in in ws on on in is by in up to a in （ a） a （ b） a 1 of . 4ws is in on of in on a of of in in of ws a is ws by CU to in to to to ws ws ws ws in of as 4CU of so by 4. of 4ws to At in of ws on as a to in to on in in of of In of of of 4.1 in to So to of to is to to is Of ws 4.2 of ws on a of is a of in of of in of of ws on to of t is no 4.3 of of ws is ws is At in ws on (a). (b). ws (c)j ws (d). ws (e)ws (f). ws (g). to ws of to to t to of of of 4ws ws At of ws to of on a of 4ws in of of of of on is 4ws in on no In in ws ws of in of ws be of of ws as ws 4ws on as of no in is of ws on a ws We 4ws on is as ws is on by in to in in of go to of by in of of no by In in in At 4ws is of ws be in of of of ws as in on ws to in is of of is ws (a). of of of (b). ws in to (c). as to in of (d). is to ws 附录 B 四轮转向汽车的转向特性及控制技术 摘要 本文分析比较了四轮转向汽车的转向特点，概述了电控四轮转向汽车的结构原理。介绍了四轮转向系统的控制策略。指出了四轮转向系统控制技术所面临的困难，并展望其发展趋势。 关键词：四轮转向；转向特点；工作原理；控制；发展； 随着现代道路交通系统和现代汽车技术的发展，人们对汽车的转向操纵性能和行驶稳定性的要求日益提高。作为改 善汽车操纵性能最有效的一种主动底盘控制技术 四轮转向技术。于二十世纪 80 年代中期开始在汽车上得到应用，并伴随着现代汽车工业的发展而不断发展。汽车的四轮转向是指汽车在转向时，后轮可相对于车身主动转向，使汽车的四个车轮都能起转向作用。以改善汽车的转向机动性、操纵稳定性和行驶安全性 。 车与 2车转向过程分析 普通两轮转向汽车的前轮既可绕自身的轮轴自转又可绕主销相对于车身偏转，而后轮只能自转而不偏转。当驾驶员转动方向盘后，前轮转向，改变了行驶方向，地面对前轮胎产生一 个横向力，通过前轮作用于车身，使车身横摆，产生离心力，使后轮产生侧偏，改变前进方向，参与汽车的转向运动。而 4车的后轮与前轮一样，既可自转也能偏转。当驾驶员转动方向盘后，前、后轮几乎同时转向，使汽车改变前进方向，实现转向运动。 2车在转向时，前轮作主动转向 ， 后轮只是作被动转向。显然， 2车在转向过程中，从方向盘转动到后轮参与转向运动之 间 存在一定的滞后时间。 2车的这种相位滞后特性使汽车转向的随动性变差，并使汽车的转向半径增大。另外， 2 相对于一定的方向盘转角增量、车身的 横摆角速度和横向加速度的增量增大，使汽车在高速行驶时的操纵性和稳定性变差。而 4车在转向时，前、后轮都作主动转向，在转向过程中，灵敏度高，响应快，有效地克服了上述缺点。 车的转向方式 根据理论分析研究和大量路试表明，四轮转向能够提高汽车转向的机动灵活性和高速行驶时的操纵稳定性，现代 4车就是根据这一指导思想研制的。一般来说，4车在转向过程中，根据不同的行驶条件，前、后轮转向角之间应遵循一定的规律。目前，典型 4车前、后轮的偏转规律一般如下所述。 (a)逆相位转向 如 图 a)所示，在低速行驶或者方向盘转角较大时，前、后轮实现逆相位转向，即后轮的偏转方向与前轮的偏转方向相反，且偏转角度随方向盘转角增大而在一定范围内增大。这种转向方式可改善汽车低速时的操纵轻便性，减小汽车的转弯半径，提高汽车的机动灵活性。便于汽车掉头转弯、避障行驶、进出车库和停车场。对轿车而言，若后轮逆相位转向 5， 则可减少最小转向半径约 0 5m。 (b)同相位转向 如 图 B1(b)所示，在中、高速行驶或方向盘转角较小时，前、后轮实现同相位转向，即后轮的偏转方向与前轮的偏转方向相同。使汽车车身的横摆角速度大大减 小，可减小汽车车身发生动态侧偏的倾向，保证汽车在高速超车、进出高速公路、高架引桥及立交桥时，处于不足转向状态。现在，有许多 4车把改善汽车操纵性能的重点放在提高汽车高速行驶的操纵稳定性上，而不过分要求汽车在低速行驶的转向机动灵活性。其工作特点是低速时汽车只采用前轮转向，只在汽车行驶速度达到一定数值后，后轮才参与转向，进行同相位四轮转向。 （ a）逆向位转向 （ b）同向位转向 图 四轮转向汽车的前、后轮偏转规律 3. 四轮转向汽车的组成及工作特性 4车是在前轮转向系统的基础上，在汽车 的后悬架上安装一套后轮转向系统，两者之问通过一定的方式联系，使得汽车在前轮转向的同时，后轮也参与转向。经过几十年的研究与开发，已经成型的 4车类型有多种，组成、结构不同，控制方式及工作原理也各 异 。典型的电控 4统主要由前轮转向系统、传感器、 后 轮转向执行机构和后轮转向传动机构等组成。如 图 示，转向时，传感器将前轮转向的信号和汽车运动的信号送 入 行分析计算，将处理后的驱动信号传给后轮转向执行机构，后轮转向执行机构动作，通过后轮转向传动机构 , 后轮偏转。同时， 行 时监控汽车运行状况 ，计算目标转向角与后轮实时转向角之间的差值，来实时调整后轮的转角。这样，可以根据汽车的实际运动状态，实现汽车的四轮转向。一般的 4可进入 4态 ， 也可保持传统的 2态，驾驶员可通过驾驶室内的转向模式开关进行选择。当 4车在行驶过程中电子控制系统出现故障时，后轮自动回到中间位置，汽车自动进入前轮转向状态 ， 保证汽车像普通前轮转向汽车一样安全地行驶。同时，仪表板上的“ 4示灯亮，警告驾驶员，故障情况被存储在 ，以 便于维修时检码。 图 4制工作原理图 4 四轮 转向汽车的控制 4统既要实现汽车转向时所需的运动，又要保证汽车转向时的行驶稳定性。目前，在 4车的研究和开发方面，主要是以改善汽车的瞬态操纵稳定性为出发点，探索由于后轮参与转向而带来的汽车响应变化，以及采用各种后轮控制策略而产生的不同效果。汽车四轮转向的控制依赖于轮胎所受的侧向力，四轮转向能使汽车在转向时，后轮直接参与对汽车横摆运动和侧向运动的控制。通过适时、精确地控制后轮的转向角度，不仅可缩短转向过程的瞬态响应，而且能主动地控制汽车的运动轨迹和姿态。在转向过程中，使汽车的前进方向与其纵向 中心线的方向一致，即使得汽车的方向角与姿态角重合，减小转向时车体的侧偏，提高了汽车的侧向稳定性。 制目标 使汽车在转向时能够基本保持汽车重心侧偏角为零。这样能够大幅度提高汽车对方向盘输人的动态响应特性，很大程度上改善了横摆角速度和侧向加速度的瞬态性能指标，降低车身姿态的变化。从侧偏角为零的目标出发。按照一定的控制程序导出后轮转向函数是实现四轮转向的基础。当然，现代的 4车也有一些其它控制目标的要求。 制策略的模型基础 一般情况下进行的 4统的研究都是基于一个简单的二自由度线性车辆模型 。这只是一种理想化的数学模型，在建模时忽略了汽车的一些动力学参数的变化，没有考虑汽车行驶过程中产生的许多随机的、不确定因素 ， 因而不是非常精确的。早期的4制器设计都是基于跟随线性动力学方程的假设 ， 但由于上述原因，使得所设计的控制系统不一定满足实际的需要，无法保证汽车转向时的操纵稳定性。 制方法 不同的汽车对转向行驶性能的要求不同，不同车型的 4车的车轮偏转规律也不一样。因此，不同的 4车所采用的控制方法不尽相同，各种控制方法分别有其侧重点。目前，用在一些成型的 4车上的控制方法主要有 ： (a). 定前后 轮转向比的 4统。 (b)前、后轮转向比是前轮转角函数的 4统。 (c). 前 、后轮转向比是车速函数的 4统。 (d)具有一阶滞后的 4统。 (e)具有反相特性的 4统。 (f). 具有最优控制特性的 4统。 (g). 具有自学习、白适应能力的 4统。 前五种控制系统属于古典控制理论范畴，只能满足汽车在某些特定条件下的需要，还不能适应汽车运动的随机变化，随着计算机技术和一些先进控制理论的发展， 4能化的方向发展。 统控制技术的发展 目前，对于 4车的研究和开发仍处于不断发展和完善阶段。尽管科研人员从结构到控制原理上对四轮转向进行了大量的研究 , 4术已取得不少进展。但是，在运用现代控制理论进行汽车转向控制策略的确定和控制方法的选择时，主要是依靠经验，相应的理论依据还很缺乏， 4术没有真正步入普及应用阶段，在商用汽车上没有得到广泛应用。 在技术相对成熟的 4车中 , 大多 数采 用 电控液压动力 4统。随着电子技术的飞速发展，计算机技术在汽车中的广泛应用，电控电动 4统将是 4车的发展趋势。虽然在 4统的研究和开发方面已经取得了很大的发展，但是，作为 4 4统控制器的设计，究竟以什么作为最佳的控制目标 ?采用什么样的控制方法 ?在该研究领域仍然没有较为一致的看法。前已述及，早期进行的4统的研究都是基于一个简单的二自由度线性车辆模型， 4制器设计都是基于跟随线性动力学方程的假设，采用 制策略。我们知道， 4统的控制主要依赖于轮胎所受的横向力。早期的研究是将汽车轮胎看成线性进行建模的 , 一 般的 4侧偏角的假设，这种假设只是在横向加速度较小的范围内有效。当在横向加速度较大的范围内时，轮胎的侧偏特性将进人非线性区域，轮胎侧偏角对轮胎所受横向力的响应不再呈比例关系，与轮胎所受的纵向力、垂直载荷等都有关系。实际上，汽车在转弯行驶时，轮胎基本上都工作在非线性区域。此时，再用线性控制理论来进行研究，就显得勉为其难。 4车操纵动力学问题是非常复杂的非线性多体动力学问题，对于 4制系统的研究应综合考虑汽车的运动情况，深入研究影响其状态响应的各种动力学参数，建立模拟汽车实际运动情况的数学模型，采取更有效的控 制策略。随着控制技术的不断发展，一些先进的现代控制方法已经被应用于 4统的控制研究中，如最优控制、自适应控制、滑模控制、鲁棒控制等，近年来，又出现