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东南大学硕士学位论文 4 w s 车辆直接横摆力矩控制与硬件在环仿真系统 研究生姓名：祁永宁导师：陈南教授 ( 东南大学) 捅要 汽车四轮转向( f o u rw h e e ls t e e r i n g ，4 w s ) 技术是改善汽车转向操纵性能的手段之一，车辆稳定性 系统( v e h i c l es t a b i l i t yc o n t r o ls y s t e m ，v s c ) 是先进的主动安全技术，作为v s c 系统的重要组成部分， 直接横摆力矩控制( d i r e c ty a wm o m e n tc o n t r o l ，d y c ) 能更好地提高操纵稳定性，进而增加车辆行驶的主 动安全性。本文研究四轮转向和直接横摆力矩相结合，设计基于状态量反馈控制器，并利崩 m a t l a b s i m u l i n k 工具进行仿真研究。此外将软硬件结合，进行车辆四轮转向控制器硬件在环试验。主要 内容包括： 1 ，建立了前轮转向( f r o n ti h e e ls t e e r i n g ，f w s ) + 横摆力矩( f w s + d y c ) 两自由度车辆模型，分别根据 最优控制和h 一控制理论方法设计基于状态量反馈的控制器，并在此基础上利用m a t l a b s i m u l i n k 工具进行仿真，结果表明转向效果优于f w s 车辆。 2 建立四轮转向+ 横摆力矩( 4 w s + d y c ) 两自由度车辆模型，根据最优控制理论，采用前馈加反馈的方 法设计控制器，并进行仿真，结果表明，4 w s + d y c 控制方法不仅优于f w s 车辆，而且优于f w s 十d y c 控制方法，各参考指标均有较好的效果。 3 综合分析了硬件在环仿真的各种方法。构建4 w s 车辆试验平台，利用d s p a c e 仿真硬件系统，结合 四轮转向控制策略，开发出基于d s p a c e 的硬件在环仿真系统。利用m a t l a b s i m u l i n k 实现软件模 块，利用c o n t r o l d e s k 实现仿真参数的实时调节，得到了硬件在环仿真的结果。 4 利用t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 作为中央处理单元，实现e c u ( e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ) 硬件在环仿真， 设计四轮转向控制的硬件在环流程，开发四轮转向系统e c u 模块。介绍了相关硬件资源，开发软 件c c s ( c o d ec o m p o s es t u d i o ) 等，编写、调试系统程序，重点介绍四轮转向中断子程序。 通过建立数学模型及数字仿真，可以看出四轮转向与直接横摆力矩相结合的控制策略，各评价指标 均有较大幅度改善，能有效地提高车辆操纵稳定性。通过四轮转向控制的硬件在环仿真试验，将软硬件系 统结合，不仅可以实时调整各参数，重复试验性好，而且经济性有很大提高。开发四轮转向e c u 模块提高 四轮转向系统的电控性能，降低成本，有利于四轮转向车辆的产品化和规模化。 关键词：四轮转向，操纵稳定性，直接横摆力矩，硬件在环，数字信号处理器 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t f o u rw h e e ls t e e r i n gt e c h n o l o g yi sa ni m p o r t a n tm e t h o dt oi m p r o v ev e h i c l es t e e r i n gp e r f o r m a n c e v e h i c l es t 曲i l i t yc o n t r o ls y s t e mi sal e a d i n gt e c h n o l o g yi na c t i v es a f e t y a sa ni m p o r t a n tp a r t o fv s cs y s t e m ，d i r e c ty a w - m o m e n tc o n t r o li m p r o v e st h ep e r f o r m a n c eo fh a n d l i n gs t a b i l i t ym u c h b e t t e r ，t h e ni n c r e a s e st h ea c t i v es a f e t yp e r f o r m a n c e t h i sd is s e r t a t i o nc o n n e c t sf o u rw h e e l s t e e r i n gc o n t r o i a n d d i r e c ty a w - m o m e n tc o n t r o l ，d e s i g n st h ec o n t r o l l e rb a s e do nt h ef e e d b a c k o fs t a t u s p a r a m e t 8 r ，d o e sm u c h w o r ko i l t h es i m u l a t i o nw j t h t h e t o o lo f m a t l a b s i m u l i n k ，i na d d i t i o n t h ea u t h o rh a sf i n i s h e dt h ew o r ko fh a r d w a r ei nl o o pe x p e r i m e n to ff o u rw h e e ls t e e r i n gs y s t e m t h em a i nc o n t e n tc o n t a i n s ： 1a u t h o rs e t su pt h ev e h i c l em o d e lo ff r o n tw h e e ls t e e r i n gw i t hd i r e c ty a wm o m e n tc o n t r o l ， d e s i g n st h ec o n t r o l l e rb a s e do nt h ef e e d b a c ko fs t a t u sp a r a m e t e rw i t ht o o l so fo p t i m i z a t i o nt h e o r y a n dh c o n t r o 】t h e o r ys e p a r a t e l y ，g i v e s t h es i m u l a t i o nr e s u l t s w i t ht b e t o o t so f 凇t l a b s i m u l i n k a n dt h er e s u l t ss h o wt h a tt h ec o n t r o l l e rh a sag o o de f f e c ta n dt h ev e h i c l eh a sab e t t m p e r f o r m a n c e t h a nf r o n t w h e e ls t e e r i n gv e h i c l e 2a u t h o rs e t su pt h ev e h i c l em o d e lo ff o u rw h e e ls t e e r i n gw i t hd i r e c ty a w - m o m e n tc o n t r o l ， b a s e do nt h eo p t i m i z a t i o nt h e o r y ，u s e st h em e t h o do fb o t hf o r w a r df e e da n db a c kf e e dt od e s i g n t h ec o n t r o l l e r ，s i m u l a t e st h eb e h a v i o rw i t ht h ec o n t r o l l e ra n dt h er e s u l t ss h o wt h a tt h i ss y s t e m h a sb e t t e rp e r f o r m a n c et h a nn o to r a l yf r o n tw h e e ls t e e r i n gs y s t e mb u ta l s of r o n tw h e e ls t e e r i n g p l u sd i r e c ty a wm o m e n ts y s t e m 3a u t h o ra n a l y z e ss y n t h e t i c a ll ym e t h o d so fh a r d w a r ei nl o o ps i m u l a t i o n ，s e t su paf o u rw h e e l s t e e r i n ge x p e r i m e n tp l a t f o r m ，c o n n e c t i n gw i t hf o u rw h e e ls t e e r i n gc o n t r o ls t r a t e g y ，u s e sd s p a c e s y s t o1item d e s i g nt h eh a r d w a r ei nl o o pf o u rw h e e ls t e e r i n gs y s t e mu s e sm a t l a b s i m ui n kt or e a lz e s o f t w a r ep a r ta n dc o n t r o l d e s kt or e a l i z et h er e a l t i m ea d j u s t m e n to fp a r a m e t e r s ，a n da c h i e v e s t h es i m u l a t i o nr e s u l t s 4a u t h o ru s e s 阿s 3 2 0 f 2 8 1 2d s pa se l e c t r o n i cc o n t r o lu n i tt or e a l i z eh a r d w a r ei nl o o p s i m u l a t i o n ，r e a l i z e st h es t a t ef l o wo ff o u r w h e e ls t e e r i n gh a r d w a r ei nl 0 0 1 ) s y s t e m ，d e v e l o p s e c um o d u l ef o rf o u rw h e e ls t e e r i n gs y s t e m ，i n t r o d u c e sh a r d w a r er e s o u r c e s ，d e v e l o p m e n ts o f t w a r e c c se t c ，d e v e l o p sa n dd e b u g sp r o g r a m so ft h ew h o l es y s t e m ，g i v e sad e t a i l e di n t r o d u c t i o no ff o u r w h e e ls t e e r i n gi n t e r r u p t i o ns u b p r o g r a m t h r o u g h s e t t i n gu pt h em a t h e m a t i cm o d e la n dd i g i t a ls i m u l a t i o n s i tc a nb es e e nt h a ti h e s t r a t e g yo fc o n n e c t i n gf o u rw h e e ls t e e r i n ga n dd i r e c ty a wm o m e n tc o n t r o lt a k e sag o o de f f e c t t h a ta l le v a t u a t i n gp a r a m e t e r sh a v eam u c hb e t t e rp e r f o r m a n c ea n dv e h i c l eb e h a v i o ri m p r o v e s g r e a t l y t h r o u g ht h eh a r d w a r ei nl o o pe x p e r i m e n t ，c o n n e c t i n gh a r d w a r ea n ds o f t w a r es y s t e m ，y o a c a ne a s t l ya d j u s tt h o s ec o n t r o lp a r a m e t e r s i th a sg o o dm e r i to fm u l t i p l ee x p e r i m e n t s ，g r e a t l y i m p r o v e st h ep e r f o r m a n c ei ne c o n o m i c s d e v e l o p i n ge c um o d u l ef o rf o u rw h e e ls t e e r i n gs y s t e md o e s m u c hg o o df o rt h ei m p r o v e m e n to fe l e c t r i cc o n t r o la n dd e c r e a s eo fc o s t ，w h i c hi sv e r yg o o df o r t h em a n u f a c t u r ei nl a r g es c a l eo ff o u rw h e e ls t e e r i n gv e h i c l e k e yw o r d s ：f o u rw h e e ls t e e r i n gs y s t e m ，s t a b i l i t yc o n t r o ls y s t e m ，d i r e c ty a wm o m e n t ，h a r d w a r e i nl o o ps y s t e m ，d s p 学位论文独创- 陛声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 御毒岁日期：。岁4 f 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊 登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 戳：即形摊各酶沁 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 我国是世界上交通事故最为严重的国家之一，严峻的现实使人们不能不正视汽车安全性问题。尽管被 动安全技术( 如安全气囊、安全带等) 可以有效地减轻事故灾害，但主动安全技术更为重要，它可以避免 人员及车辆的损伤，尤其是可以避免事后由于交通堵塞引起的可观的间接经济损失，因此日益受到重视。 主动安全技术指改善车辆操纵灵活性和稳定性的技术，主要包括：4 w s ( f o u rw h e e ls t e e r i n g ，四轮 转向) 、4 w d ( f o u rw h e e ld r i v i n g ，四轮驱动) 、e c s ( e l e c t r i cc o n t r o ls u s p e n s i o n ，主动悬挂) 、a b s ( a n t i l o c kb r a k i n gs y s t e m ，防抱死系统) 、a s r ( a n t is l i pr e g u l a t i o n ，防滑驱动系统) 、v s c ( v e h i c l e s t a b i l i t yc o n t r o l ，车辆操纵稳定性系统) 、c c s ( c r u i s ec o n t r o ls y s t e m ，巡航控制系统) 、d y c ( d i r e c t y a w - m o m e n tc o n t r o l ，直接横摆力矩控制) 等的综合控制系统。 传统的前轮转向( f r o n t 骱e e ls t e e r i n g ， 轮作一定的转向运动。这种转向系统结构简单， 硎s ) 汽车行驶过程中，驾驶员通过操纵方向盘使汽车前 是目前车辆操纵技术的主流，经多年发展已达到其控制能 力的极限。 四轮转向是指车辆在转向过程中，前后两组四个车轮都能够根据需要起转向作用，以改善车辆的上述 性能。与f w s 汽车相比，4 w s 汽车在低速转弯时，前后车轮逆相位转向，可以减小车辆的转弯半径；在高 速转弯时，前后轮主要作同相位转向，能够减少车辆质心侧偏角b ；减少车辆横摆角速度与横向加速度之 间的相差；增加轮胎横向力的裕度，使其远离饱和状态。 从驾驶的观点看，钾s 车辆低速时有较小的转弯半径，这增强了车辆的低速性能，比如更加灵活和方 便于泊车；高速时4 w s 车辆由于有较小的6 角和相差，高速变道将更加平滑，操纵控制更加容易，乘客感 觉更加舒适；高速紧急避让时，车体较少甩尾，减小了车体扫过的包线面积，从而减少了碰撞的可能性。 车辆操纵稳定性控制系统( v s c ) 是利用车辆动力学状态变量反馈来调节车轮纵向力大小及匹配，使车 辆在各种路面和各种工况下都获得良好的操纵稳定性和方向性的一种新型主动安全控制技术。 作为车辆的主动安全控制技术，y s c 、a b s 、a s r 有各自的应用范围和控制方法。但也存在一定的联系。 与a b s 、a s r 相比，v s c 具有以下特点：i ) v s c 虽然也调节纵向力，但a b s a s r 只把车轮作为控制系统，而它 是把整个车辆作为一个控制系统来调节各个车轮的纵向力大小及匹配；2 ) 在汽车处于侧向临界状态时，能够 主动辅助驾驶员操纵车辆：3 ) 汽车在任何行驶状态下，如紧急制动、部分制动、滑行、加速和轴荷转移等 均可使汽车的稳定性和按预定轨迹行驶的能力提高；4 ) 当驾驶员由于惊慌而过度转向或过多制动时该系统 能有效地阻止汽车急转：5 ) 汽车轮胎与路面附着系数得到更有效的利用；6 ) m 于汽车在极限行驶状态时易 于操作，驾驶员可将注意力集中到处理可能出现的交通事故上；7 ) 车辆的动态特性一般在较高速度下才发 生变化，所以v s c 一股在较高速度下才能启动。以上是v s c 的主要特点，尽管如此，v s c 与a b s a s r 也有许多 共同点，它们之间也是相互联系的，v s c 有些功能需要由a b s a s r 来完成，所以有很多v s c 系统是在a b s a s r 的基础上开发的。 i 2 四轮转向与v s c 技术发展的历史及现状 l 。2 1 四轮转向技术的历史与发展 4 w s 系统按其发展可以大致分# j - 个阶段“。4 东南大学硕士学位论文 1 2 0 世纪初至2 0 世纪八十年代中期 这一阶段主要是4 w s 系统的萌芽和初步应用。在上世纪初，人们就设想通过采用前后轮同时转向的办 法来减小汽车转弯时的转弯半径。1 9 0 7 年日本政府颁发了一个关于四轮转向系统的专和，这种结构通 过一根轴将前后轮的转向机构连接起来。当车辆低速行驶转向时，后轮与前转向轮反相转向来获得较小的 转弯半径，以提高车辆的机动灵活性，故这种结构最初应用于对车辆的机动性要求高的军用车辆和工程车 辆。 2 2 0 世纪八十年代后期至2 0 世纪9 0 年代后期 这一阶段主要是纯4 w s 系统的快速发展及应用。随着对车辆动力学的研究的深入，尤其是认识到4 w s 系统对提高车辆高速的操纵稳定性有重要意义，世界各大汽车公司加大了对该项技术的研究与开发，尤以 日本的研发引人瞩目，m a z d a 公司丁二1 9 8 7 年率先研制出车速感应式4 w s 系统并装备轿车。之后各大汽车 公司和科研院所依据当时的科技水平，就结构形式和控制策略研究出形式各异的4 w s 系统。4 w s 系统类型 的划分也主要依据这一阶段的有关产品。 3 2 0 世纪9 0 年代末期至今 这一阶段主要是底盘综台控制的研究。由于近年来欧美和日本等国家对自动商速公路系统( a u t o m a t e d h i g h w a ys y s t e m ，简称a i s ) 及智能汽车系统( i n t e l l i g e m tv e h i c l es y s t e m ，简称i v s ) 等重大项目的 重视，各国科研人员从驾驶员车辆环境闭环系统出发。综合研究汽车的纵向、侧向和垂向的动力 学控制，进一步发展出4 w s 、4 w i ) 、e c s 、a b s 、d y c 等的综合控制系统。研究表明，底盘综合系统能够有效 改善汽车的各项性能。当然，它还在不断发展和完善中。 目前以日本的n i s s a i l 公司为代表的西方国家的各大汽车公司都开始致力于4 w s 的研究。n i s s a n 公司 为它的n f s s a n 3 0 0 z x 和i n f i n i t i 汽车设计了s u p e rh i c a s 系统，可以根据车速和方向盘的转向条件来控 制后轮的转向。n i s s a n 公司的f u k u n a g a 发表的论文研究了三种不同的控制方式下，汽车的动态响应特性t 并试图找出最优化的控制方法。m a z d a 公司在他的新型豪华s e n t i a 轿车上安装了电控的四轮转向系统，它 可以根据前轮转角和车速来转动后轮。m a z d a 公司的n a k a m o t o ，m a s a t o m e 和k a n e s h i n a 提出了车辆横摆中 心的概念。美国c a l i f o r n i a 大学的j o h nc w h i t e h e a d 采用转向盘的转动力矩作为系统的输入而不是传统 的转向角输入，研究了4 w s 的稳定性结果。还说明了在纵列式驻车的情形下，车辆的操纵灵活性不会得到 显著的改善，这是由于在有限的空间里转弯时，虽然转弯半径减小，但4 w s 车尾部更易于反向撞到障碍物。 现在己投入的4 w s 汽车普遍受到各界的关注和认同，但并不完全一致。 国内对于4 w s 系统的研究主要集中在几所大学里进行的，包括北京理工大学、吉林工业大学、上海交 通大学等高校，在国内的汽车行业中基本上还没有展开4 w s 的研究和开发工作。高校由于条件的限制特别 是试验条件和试验经费的限制，对于4 w s 的研究基本还处于初级阶段，其研究的重点主要是4 w s 车辆的动 力学响应和控制方法的研究。其中北京理工大学则在b j l 3 0 轻型卡车上安装了4 w s 系统，并进行了一些试 验尝试。总的说来国内对4 w s 系统的研究基本还处在理论研究阶段。 四轮转向系统按其结构大致可分为四类；机械式、液压式、电动式、复合式“1 ： 1 机械系统 本田公司最早在它们的3 代序曲版轿车上安装了该系统。它同时具有同相位和逆相位转向功能。该系 统的工程原理很容易理解，它是根据方向盘的转角进行控制的，它利用后轮齿轮转向机构中的偏心轴、行 星齿轮等部件的工作来实现同相位和逆相位的转向。后轮的转向运动只是在前轮转动时才有。后轮齿轮转 向机构在方向盘角度约为1 2 0 度时，同相位转角达到最大角度，然后后轮逐渐恢复育线行驶状态；当方囱 盘约为2 4 0 度时，后轮重新回到直线行驶状态。当方向盘角度继续增大，后轮就会向与前轮反方向转动。 该系统利用了随着车速的提高，驾驶员转动方向盘的角度变小的操纵特点，实现了前后轮的同时转向，结 构简单，成本低，但是它也存在不可避免的问题，就是无法根据车速进行精确的控制。 2 液压系统 液压4 w s 系统可以采用液压控制和电子控制2 种方式。转动方向盘产生的转向液压被传到控制后轮的 2 第一章绪论 控制阀上，使滑阀移动，从而控制油泵的油路把液压传至后轮转向的动力缸，实现液压推动后轮转向。j 亓 轮的转向角还可根据行驶速度产生不同的液压，当停车时，油泵不产生油压，后轮不转向，随着车速的提 高，液压升高，后轮便可转向。另外还可以根据路面的阻力大小来实现对后轮转向角的控制。电子控制式 的转向条件是由装在车上的角位移、角速度传感器来检测转向角、转向角速度等参数。液压系统4 w s 的问 题是需要专门设计一套油路及密封。 3 电动系统 电子控制电动系统的前轮就是普通的机械转向，后轮的转向是由装在后轮的电机来实现的，后轮的转 向角由计算机控制。控制后轮的计算机通过检测转向角、转向角速度、转向角加速度等参数来监视汽车的 转向状况，它根据方向盘的操作状态及车速，计算出后轮的目标转向角，向电机输入电流使后轮转向，并 且可以实时监视汽车状况来计算目标转向角与后轮的实际转向角之间的差来实时调整后轮的转角。按其控 制方法主要可分为以下几类”1 ： l - 定前后轮转向比四轮转向系统 1 9 8 5 年s a n o 等用线性模型研究四轮转向系统。他们定义k 为前后轮转向角之比。k 值为正时，表明 前后轮转动方向相同。s a n o 认为通过k 值的选择应使稳态转向时侧偏角等于零。在低速时k 值应为负，这 可以减小转弯半径，提高汽车的操纵灵活性。高速时k 值应为正。研究表明在这样的k 值下，侧向加速度 响应时间缩短，但其增益大幅度减小。 2 前后轮转向比是前轮转角函数的四轮转向系统 这是一种结构简单且效果良好的系统，9 0 年代初期一些四轮转向车中采用了这种系统。该系统同时具 有同相位及反相位转向功能。k 值变化范围从0 5 5 ( 前轮转向角较小) 一o 2 ( 前轮转向角较大) 。这种4 惦 系统在极限工况高速且前轮转角较大时，后轮转角与前轮转角方向相反，这将导致操纵稳定性极度恶 化。尽管在现实中人们很少在高速行驶中大打方向盘，但这种潜在的危险依旧存在。另外，当前轮转角较 小时前后轮转向比较大，汽车的操纵稳定性有一定程度的恶化，这种车辆在高速行驶时具有一定的危险性。 这是该系统的一个明显的缺点，也是这种系统没有得到广泛应用的原因。 3 前后轮转向比是车速函数的四轮转向系统 1 9 8 6 年s h i b a h a t a 等设计了一套实用的四轮转向系统。该系统采用微机控制。前后轮转向比为车速和 前轮转角的函数。其计算前后轮转向比的基本着眼点同s a n o 是一致的，都是使汽车稳态转向时的侧偏角 为零。t a k i g u c h 等也设计了一套类似的四轮转向系统，前后轮转向比也是车速和前轮转角的函数。其设计 的着眼点在于使侧向加速度相位滞后同横摆角速度相位滞后相等，这同零侧偏角原则本质上是一致的。他 们这样计算是因为在主观评价中大多数最优的正的前后轮转向比都发生在二者相位滞后差别最小的时 候。试验表明，通过这种方法选择的k 能够基本在所有车速范围内，改善汽车的方向响应。其优于前述方 法的明显优点是可以在高速时，把侧向加速度增益保持在一个驾驶员可以接受的幅度上。 4 具有一阶滞后的四轮转向系统 f u k u n a g a 等在试验的基础上，设计了具有一阶滞后的四轮转向系统。前j l 种4 w s 系统可以有效地改善 汽车转向的稳态特性，但却使横摆角速度和侧向加速度到达稳态值的时间有所延长。具有一阶滞后的四轮 转向系统设计的着眼点是既改善汽车的稳态特性，又不牺牲瞬态响应时间特性。当汽车高速转向时后轮的 转动比前轮转动延迟一定的时间，当横摆角速度或侧向加速度到达稳态值，后轮才开始转动。后轮转动时 汽车的稳态侧偏角减小，并对其超调量等瞬态特性也有一定程度的改善。尼桑( n i s s a n ) 装备了第一代 h i c a s ( h i g hc a p a c i t ya c t i v e l yc o n t r o ls u s p e n s i o n 高效主动控制悬架) 的地平线牌车即属于这种。 5 具有反相特性的四轮转向系统 n is s a n 公司的t a k a a k i 、e g u c h i 等在设计超h i c a s 系统时对具有反相特性的四轮转向系统进行了研究。 当汽车高速转向时，后轮先向与前轮转向方向相反的方向转动，这样横摆角速度和侧向加速度动态响应加 快，二者很快到达稳态值，这时后轮再向相反方向转动，以改善车辆的稳态响应特性，改善汽车的方向特 性。 3 、 东南大学硕士学位论文 6 。具有最优控制特性的四轮转向系统 上述5 种控制方法明显的缺点在于当附加了后轮转角之后，车辆本身的横摆角速度稳态增益和侧向加 速度增益，随车速和前轮转角发生了较大幅度的变化( 前后轮转向角同相时，横摆角速度稳态增益和侧向 加速度稳态增益减小，前后轮转向角反相时，横摆角速度稳态增益和侧向加速度稳态增益增大) ，这就增 加了驾驶的难度，同时在高速时也增加了驾驶员的疲劳程度。于是研究人员开始着眼于横摆角速度稳态增 益和侧向加速度稳态增益与f w s 系统相同的4 w s 系统的研究。 7 具有自学习、自适应能力的四轮转向系统 前面介绍的6 种4 w s 系统，都是采用古典控制理论，其局限性在于这些系统不能较好地适应汽车本身 特性的非线性或随机性变化( 如轮胎侧偏特性的非线性，前后轮载荷变化的随机性等) ，不能适应车辆一道 路系统特性的非线性或随机性变化( 如轮胎一路丽附着系数的变化等) 。要在这样的条件下实现更为有效的 控制，控制系统应具有自学习、自适应能力，即随着被控对象的变化而改变控制器的结构或参数，改变控 制规律。通常采用的控制方法有自适应控制、鲁棒控制、h 一控制、综合控制和基于神经网络的控制等 几种控制方法。 i 2 2v s c 技术的历史与发展 梅赛德斯一奔驰公司从1 9 9 4 年开始对v s c 系统进行了全面的实用性和可靠性测试。并于1 9 9 5 年首先 生产配备v s c 系统的s 级轿车，该车在冰冻湖面上行驶时表现了惊人的稳定性，为汽车提供了紧急情况下 的安全保障，大大降低了各种路况下转弯发生翻转的可能性，另外，还加强了弯道时汽车线内行驶的能力。 1 9 9 7 年1 0 月，梅赛德斯奔驰公司邀请欧洲汽车媒体记者们试驾新型a 级车，一位记者在迅速躲避撞车的 急转弯中翻车了这样的急转弯操作便称作“麇鹿试验”。该试验极大地损坏了a 级车的形象，为此对该 车做了改进，就是将v s c 作为标准设备用到了车上。该事件的发生，对其在欧洲的迅速发展也起到了很大 的作用。1 9 9 8 年，梅赛德斯一奔驰公司成功在a 级车中安装v s c 系统。今天，v s c 系统已经是该公司s - 6 0 0 、 c l 6 0 0 等高性能车上的标准配置了。 目前，v s c 已不是豪华车的奢侈品。到2 0 0 4 年，占欧洲轻型车销量i 3 的车( 5 0 0 万辆) 已装上v s c 。 2 0 0 0 年年底，北美汽车市场的普通型汽车己开始逐步考虑v s c 的市场效应。v s c 的价格约5 0 0 美元，随着 v s c 的产量增加，其价格会进一步下降。目前，北美对v s c 的使用刚刚起步，但美国汽车上的安装数量已 超过了欧洲，预计在6 年内，9 0 的轻型车和6 5 的轿车将配置v s c l ”。 现代汽车的动力学控制系统对于横向动力学也要加以控制，并有效地防止诸如侧滑之类的失稳现象。 为了实现这一目标，除了汽车的纵向动力学状态外，该系统还必须能进一步掌握横向动力学状态。为此奔 驰公司作了广泛的试验研究，并取得了重要的成果。它选取了如下几个最少但必要的信息输入单元：轮速 传感器、前轮转角传感器和横摆角速度传感器等。当汽车的行驶状态通过这些参量得到了精确的反映后， 就不必在行驶稳定性和牵引性能上作较大妥协了，而可以依据不同状态对两者进行最佳的调节和控制。 v s c 系统构成如图卜i 所示，主要包括：传感装置检测车辆动作和驾驶员操作情况：数据处理装 置对测得的数据进行计算处理，推测出车辆出现横向侧偏状态，并给出恢复车辆行驶稳定性所必需的 转向力矩和减速力；调节器根据计算结果，调节控制车轮制动力和发动机输出功率；信息检测装置一 一检测出车辆处于不稳定状态的情报信息，并通知驾驶员采取必要的措施。 目前，v s c 有3 种类型：i ，4 通道或4 轮系统。能自动地向4 个车轮独立施加制动力。2 2 通道系 统。只能对2 个前轮独立施加制动力。3 3 通道系统。能对2 个前轮施加制动力，而对后轮只能一同施加 制动力。 4 第一章绪论 节气门i 立置传感器 e c u 图i - iv s c 系统构成 v s c 运作通常包括以下步骤：1 检测车辆状况和驾驶员的操作情况：2 推断车辆的不稳定程度； 3 计算出恢复车辆行驶稳定性所必需的转向力矩、减速力、控制各车轮的制动力和发动机的输出功率，如图 卜2 所示。 c 1 ) 过度转向( 2 ) 不足转向 图卜2v s c 运作流程图卜3v s c 对不足转向和过度转向的纠正 汽车与路面之间力的作用全靠轮胎，轮胎通过纵向、横向滑转来传递地面施加的纵向及侧向力。轮胎 力和其他外力决定了汽车的运动，也由此决定了其稳定性。根据附着椭圆我们知道轮胎的纵向附着力和侧 向附着力是此消彼长的关系。v s c 通过对每个车轮滑动率的精确控制，使各个车轮的纵向分力和侧向分力 迅速改变，从而在所有工况下均能获得所期望的操纵稳定性。 一旦出现过度转向，驱动力分配系统就会降低驱动力矩，以提高后轴的侧向附着力。地面作用于后轴 的侧向力相应会提高，从而产生一个与过度转向相反的横摆力矩。位于弯道外侧的非驱动前轮开始时几乎 不滑动，若仅依靠动力分配系统还不能制l e 开始发生的不稳定状态，控制系统将自动对该前轮实施瞬时制 动，使它产生较高的滑动率，导致该车轮受到的侧向力迅速减少而纵向制动力迅速增大，于是也产生一个 与横摆方向相反的横摆力矩。由于对一个前轮制动，车速也会降低，从而获得了一个附带产生的有利丁稳 定性的因素。 一旦v s c 判定汽车具有较大的不足转向倾向，控制系统会自动对位于弯道内侧的后轮实施瞬时制动， 以产生预定的滑动率，导致该车轮受到的侧向力迅速减少而纵向制动力迅速增人，于是产生了一个与横摆 方向相同的横摆力矩。此外还获得了两个附带的减少不足转向倾向的因素。首先，由于制动而使车速降低； 其次，由于差速器的作用，对内侧后轮制动从而导致外侧后轮被加速，即外侧厉轮受到的驱动力增加而侧 5 东南大学硕士学位论文 向力减少，于是产生了又一个所期望的横摆力矩。 v s c 的设计思想始终强调车人环境的系统工程，运用车辆的主体是人，特别是驾驶员，因此， 让人事先感知车辆的不稳定预兆是十分必要的，视觉和听觉传感器的功能就是在车辆临近转向侧偏极限的 时候，将情况及时告知驾驶员，以采取必要的措施保证汽车安全、平稳地运行“”1 。 v s c 系统通过直接横摆力矩防止不足和过度转向，提高车辆操纵稳定性，因而对于直接横摆力矩的研 究得到了广泛的重视。m a s a on a g a i 等人提出了跟踪理想模型的横摆力矩控制策略，该策略使稳态侧偏角 达到零，但该方法使得稳态横摆角速度显著降低，使得驾驶员路感降低。t o h r uy o s h i o k a 等人则采用滑模 控制的横摆力矩控制，来达到转向时的操纵稳定性。而基于四轮转向跟踪理想模型的横摆力矩控制则能实 现对侧偏角和横摆角速度的多目标控制，但在实际的实现较为复杂。j o n gh y e o np a r k 等人采用h o 。跟踪 控制方法对车辆操纵稳定性进行了分析。国内进行此项研究则刚刚开始，西北工业大学赵治国博j 一采用滑 模变结构的方法对车辆稳定性进行了研究1 。吉林大学郭孔辉院士等对车辆动力学稳定性控制策略进行了 研究，提出了基于横摆角速度门限值控制策略，并在吉林大学动态模拟国家重点试验室的驾驶模拟器上对 车辆动力学稳定性控制进行了研究“”。 1 3 本文研究意义 本文课题来源于：i 江苏省十五科技攻关项目：先进车辆稳定性控制系统和e c u 快速仿真开发平台开 发及应用示范( n o ：b e 2 0 0 3 1 3 ) 2 福特基金项目：f o r d 一中国研究与发展基金项目“基于综合鲁棒控制 的四轮转向汽车的瞬态操纵稳定性”( n 0 ：5 0 1 2 2 1 2 2 ) 。 1 四轮转向研究的意义： 在传统的汽车结构中，除了专用汽车之外，一般的汽车均使用前轮转向的方式。在转向时，驾驶员转 动方向盘，前轮进行转动，从而带动车身转向。在汽车的行驶过程中，驾驶员根据需要操纵方向盘使汽车 作一定的转向运动。在前轮转动后，车身方向跟着改变，无转向的后轮随着车身方向的改变与车身方向产 生偏离。这种传统的转向系统布置结构及方式具有结构简单成本低廉的特点，但是在车辆转向的过程中汽 车的动力学响应特性却受到汽车本身结构布置和外界条件的影响程度较大，汽车的机动性和操纵稳定性都 不是很理想。 汽车4 w s 技术的主要优点是：提高高速行驶时的操纵稳定性。在汽车高速行驶时，四轮转向技术可以 大大地改善横摆角速度和侧向加速度的瞬态响应的性能指标；提高低速时汽车转向的机动灵活性。在汽车 转弯时，4 w s 技术能够减小转弯半径，使汽车在低速行驶时更加灵活。 2v s c 系统及直接横摆力矩控制研究意义： v s c 系统的功能在于，当行驶的轿车由于人为或环境的干扰而进入不稳定状态时，它的计算机控制系 统将传感器测量的相关数据与标准技术数据进行比较，确定轿车行驶状态不稳定的程度及原因以后，自动 地通过计算机控制系统向制动装置和发动机上的执行机构发出指令，采取最有利的安全措施，使汽车保持 安全稳定的行驶状态。v s c 系统是汽车主动安全性技术发展的一个巨大突破，它可以在极其恶劣的行车环 境中提高汽车的稳定性。 3 四轮转向硬件在环仿真的意义： 在许多实际应用中，不可能准确获得系统的数学模型，有时因为实际模型的复杂性，建立起来的模型 也不准确，所以需要将实际系统模型放置在仿真系统中进行仿真研究。这样的仿真称为硬件在环回路仿真 ( h a r d w a r ei nl o o ps i m u l a t i o n ，h i l s ) ，又常称为半实物实时仿真或混合仿真。 四轮转向硬件在环仿真可以提供试验系统实时监测数据，监控试验对象、执行器、传感器等的动态特 性。可以进行在实际中不可能或不易进行的试验，如故障模拟、故障诊断软件测试及紧急状况的处理等。 可以研究不同控制算法对控制器品质的影响，且试验重复性好，可以分别研究每个参数变化对性能的影响。 6 第一章绪论 4 四轮转向e c u 开发的意义： 汽车电子产品具有质量轻、占用空间小、处理速度快、传感精度高、信息容量大等特点，明显提高丁 汽车的动力性、舒适性、安全性和燃油经济性，改善了汽车生态环保性能。汽车的电子化程度已成为衡量 汽车技术水平高低的重要标志，电子数字化已成为提升汽车传统产业技术升级的根本途径。单一集成可编 程数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，d s p ) ，具有集成度高、高速的运算能力、网络通讯接口 和成本较低等结构特点，d s p 在汽车中的应用越来越广泛。利用d s p 作为e c u 实现四轮转向系统及v s c 系 统控制，还有剥于提高车辆先进底盘控制系统的关键单元技术的运用和配套水平，提高如v s c 系统开发等 技术应用的国产化水平，具有重要的现实意义“1 。 l - 4 本文研究内容 本文主要研究车辆四轮转向及横摆力矩控制系统的控制算法，四轮转向硬什在环系统仿真，以及四轮 转向系统e c u 开发。主要内容包括： 第一章介绍4 w s 、v s c 以及d y c 技术国内外发展状况、工作原理及研究情况，课题研究意义及论文主要内 容。 第二章建立前轮转向与横摆力矩控制系统数学模型，运用线性二次形最优控制算法以及h 一控制理论设 计基于状态量跟踪反馈的控制器，并利用m a t l a b s i m u l i n k 软件进行仿真分析。 第三章建立四轮转向与横摆力矩控制系统数学模型，利用最优控制理论进行控制器设计，进行数学仿真 分析，并将结果与前轮转向模型、前轮转向+ 横摆力矩模型相比较；构建驾驶员汽车道路 闭环系统，模拟各种控制策略下的单移线道路实验。 第四章介绍键件在环仿真的意义和基本方法；建立硬件在环仿真系统，以d s p a c e 作为中央处理单元。建 立对应s i m u l i n k 系统，与车辆实际硬件相联结，实时调节各种参数进行硬件在环仿真。 第五章基于t i 公司t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 型d s p 构建四轮转向系统原型，四轮转向e c u 开发平台；设计四轮转向 e c u 开发流程，完成四轮转向系统软件编写与调试，进行四轮转向系统的硬件在环仿真和台架试验。 第六章t 作总结与展望，总结全文的工作，提出进步研究的问题。 东南大学硕士学位论文 2 1 概述 第二章汽车前轮转向d y c 控制 车辆在行驶过程中，作为刚体它具有六个自由度( d e g r e eo ff r e e d o m ，d o f ) 。但是根据不同的研究 目标，车辆动力学模型