我的四轮转向

1、4WS概述及其二自由线性数学模型建立车辆系统动力学内容简介：1、4WS概念，发展历程，优缺点，应用情况；2、4WS转向特性，转型类型，常用控制方式及机械实现；3、4WS的线性二自由度建模（重点）；4、4WS的控制策略；5、4WS的国内外研究现状、目前存在的问题及发展趋势。第一节4WS概念 发展历程优缺点 应用情况1.1 什么是4WS？ 汽车的四轮转向(Four - wheel Steering 4WS) 是指后轮也和前轮相似，具有一定的转向功能，不仅可以与前轮同方向转向，也可以与前轮反方向转向。其主要目的是增强轿车在高速行驶或者在侧向风力作用下的操纵稳定性，改善低速时的操纵轻便性，在轿车高速行

2、驶时便于由一个车道向另一个车道的移动调整，以及减少调头时的转弯半径。进口雷诺拉古那古贝4WS试驾 1.2 出现背景及发展历程背景：l 传统2WS转向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；l 随着现代道路交通系统的发展，现代汽车的速度也越来越高，高速时汽车的操纵稳定性直接关系着乘员的人身安全；l 采用两轮转向方式时转弯半径较大，汽车的机动灵活性不高。 客观要求汽车具有快速跟随驾驶员指令的反应能力，于是4WS技术便应运而生！发展历程：4WS系统按其发展历程可以大致分为3个阶段：1. 20世纪初至20世纪80年代-4WS系统的

3、萌芽和初步应用l 1907年，日本政府颁发了第一个关于四轮转向的专利证书；l 二战期间，美国的一些军用和工程车辆采用了这种前、后轮逆相位偏转的简单机械式4WS系统；l 1962年，在日本汽车工程协会的技术会议上，提出了后轮主动转向的4WS技术；l 在70年代末，本田和马自达公司也积极投入4WS的开发。2 20世纪80年代后期至20世纪90年代-快速发展及应用时期l 1985年，日本的尼桑公司在客车上应用了世界上第一例实用的4WS系统(HICAS)，采用一个电子控制液压系统来主动控制后车轮的转向角度，因而比较明显地改善了车辆在中高速范周内的操纵性和稳定性。l 1987年，Nissan公司又推出了

4、HICAS的二代产品，进一步提高了它的性能。 I989年，该公司设计出SUPER HICAS系统，主要为了获得对后轮反相转向角度的主动控制，除了使用液压系统外还使用了转向轮转向角度传感器和车速传感器。l Mazda公司也于1987年研制出车速感应式4WS系统并装备轿车。l 各大汽车公司和科研院所，就结构形式和控制策略提出了形式各异的4WS系统。3. 20世纪90年代至今 主要是底盘集成控制的研究 科研人员从“人一车一路”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，其核心技术即为四轮转向、主动悬挂、驱动防滑和车辆稳定性等车辆动力学控制系统的协调与集成控制。1.3 4WS优缺点l 优

5、点： 1）4WS汽车低速时减小了转弯半径，增强了机动灵活性；2）中高速时由于汽车有较小的质心侧偏角和相差，移线变道将更加平滑，操作更容易，乘客感觉更舒适；3）高速紧急避让时，车体较少甩尾，车体扫过的包络面积减少，发生碰撞的可能性减少。缺点： 1） 低速转向时,汽车尾部容易碰到障碍物。 2） 实现理想控制的技术难度大。 3）转向系统结构复杂、成本高。 4）转向过程中,阿克曼定理难保证。1.4 4WS系统的应用 94款本田Prelude 97款三菱3000GT 最新配备4ws的汽车 新一代保时捷911turbo（配四轮转向系统）最新效果图 将会在2014月的底特律车展上首发亮相 2014讴歌RLX

6、AWS(全轮精准转向技术)：PAWS(全轮精准转向技术)英文全称为“Precision All Wheel Steer”，该系统在左右后悬挂中配置电控执行器，与动力总成系统、EPS、VSA等的行驶信息进行协调控制。全轮转向主要是指后轮转向，PAWS(全轮精准转向技术)最大的突破是可随意独立控制后轮束角(后轮左右轮转向角)的变化。第二节4WS转向特性 转向类型常用控制方式 机械实现 4WS 汽车通常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，并采用适当的控制策略，使得汽车在前轮转向的同时，后轮也参与转向，达到提高汽车机动性和操稳性的目的。 2.1 基本组成： 液压式4WS 系

7、统2.2工作原理典型液压式4WS 系统主要由前轮转向系统、传感器(如转向角度传感器、车速传感器、横摆角速度传感器等) 、ECU、后轮转向执行机构和后轮转向传动机构等组成。3.1四轮转向汽车的后轮转向主要有三种方式： 1.同相位方式：在高速行驶时，后轮与前轮同向偏转。 2.反相位方式：在低速行驶时，后轮与前轮反向偏转 3.同相位与反相位转换方式：在低速或急转弯行驶时，后轮先反向偏转，再同向偏转。 3.2转向特性分析3.2.1低速行驶的转向特性l2WS汽车的情况是后轮不转向，所以转向中心大致在后轴的延长线上。l4WS汽车的情况是对后轮进行逆向操纵，转向中心比2WS汽车靠近车体处。在低速转向时，若两

8、前轮转向角相同，则4WS汽车的转向半径更小，内轮差也小，转向性能好。对小轿车而言，如果后轮逆向转向5度，则可以减少最小转向半径0.5米，内轮差约0.1米。3.2.2 2WS汽车高速转向特性 高速转向时，要使车体的倾向和前进方向一致，从而使后轮产生足够的旋转向心力。在4WS汽车通过对后轮同向转向操纵，使后轮也产生侧偏角，使得与前轮的旋转向心力相平衡，从而抑制自转运动，得到车体方向和车辆前进方向一致的稳定转向状态。4.14WS 汽车后轮转向装置的类型4.1. 1 转角随动型 后轮偏转受前轮偏转控制,作被动转向,即后轮偏转方向和转角大小受方向盘转动的方向和转角大小的控制4. 1. 2 车速感应型 车

9、速感应型四轮转向装置的工作特点是后轮偏转的方向和转角大小主要受车速高低的控制例：电控4WS系统常采用两种控制方式1、转向角的比例控制所谓转向角的比例控制，就是后轮的转角与转向盘的转角成比例变化，并让其在低速转向时，使后轮与前轮反向转动。在中高速行驶时，与前轮同向转向。 这种控制方式可以使汽车在中、高速转向行驶时，前后轮保持相对稳定的平衡。让汽车的前进方向与其车身的方向保持一致，获得稳定的转向特性。在转向初期的过渡阶段，由于从一开始，前、后轮都会产生侧偏力，使车身的公转运动早于其自转的横摆运动，与2WS汽车的转向相比，其转向的偏差要小的多。2、横摆角速度比例控制方式横摆角速度比例控制，是一种根据

10、检测的车身横摆角速度来控制后轮转向量的控制方法。因为通过横摆角速度可以直接检测出车身的自转运动。因此，根据检测出的数值，对后轮的转角也做相应的增减，就可能从转向初期开始，使车身方向与前进方向之间的误差非常小，又由于它能直接感知车辆的自转运动，因此，即使有转向以外的力（如横向风等）引起车身的自转，也能马上感知到，并可以迅速通过对后轮的转向控制来抑制自转运动。四轮转向驱动方式分类:4WS后轮转向控制转向能量传递执行机构主动后轮转向系统全主动后轮转向系统集中驱动四轮转向系统分散驱动四轮转向系统机械式四轮转向液压式四轮转向电控液压四轮转向电控四轮转向前馈式反馈式1、机械式四轮转向四轮转向汽车在后悬架上

11、安装了一套转向装置，称为后轮转向机构。 机械式四轮转向系的组成：1-后轮转向取力齿轮箱、2-转向盘、3-后轮转向传动轴、4-后轮转向器2、液压式四轮转向1储油罐2转向油泵 3前轮动力转向器 4转向盘 5后轮转向控制阀 6后轮转向动力缸 7铰接头 8从动臂 9后轮转向专用油泵3、电控液压式四轮转向在前两种四轮转向系中，由于采用机械和随车速变化的油压控制，使后轮偏转角的控制不够精确。在电子控制液压式四轮转向系中，由于采用了电子相位控制系统，使后轮偏转角度控制更精确。1-转向盘 2-后轮转向系 3-后轮转向传动轴4-电子控制单元 5-车速传感器 6-前动力转向器 7-转向油泵4、电控式四轮转向电动四

12、轮转向系统具有控制自由度高、机构简单等优点。电控单元根据转向盘转角、前轮偏转角和车速等信号通过与机械液压四轮转向系相似的算法确定后轮的偏转角，然后控制后轮偏转机构中的电动机驱动球形滚道螺母转动，推动球形滚道螺杆移动，使后轮发生偏转，电控单元再根据后轮偏转机构中的主、副偏转角传感器反馈信号，对后轮的偏转角进行修正。第三节4WS线性二自由度建模 及操纵稳定性分析7、1车辆动力学建模方法及指导原则目前汽车动力学模拟的方法主要有3种：人工建模、计算机自动建模和图形建模。l人工建模通常通过对汽车的力学分析来建立汽车运动的微分方程组，然后采用差分方法和相应的数值积分方法将连续方程变为时间离散的差分方程，并

13、通过计算机语言变为相应的程序进行方程组的解算。l计算机建模利用专业的车辆动力学仿真软件自动完成系统建模与计算工作，如著名的ADAMS软件近年来被证明是一种能比较真实反映汽车动力学特性的仿真工具，但是ADAMS控制系统工具箱不够丰富，很多控制系统不容易在上面实施。l 图形建模是一种混合建模方法，它首先对车辆进行力学分析，通过力学原理推导出汽车运动方程，而计算则采用专业的软件包(如MatlabSimulink等)。在Simulink中的各种线性和非线性模块既可用于动力学系统，又可用于控制系统，因此较适合于汽车动力学分析及控制系统的研究。7.2建立二自由度模型的意义一般在良好路面情况下，车辆大多数时

14、刻都运行于侧偏角较小的线性工作区域，驾驶员对此区域的操纵也非常熟悉，这时汽车操纵稳定性按线性规律研究所得到的结论，经过试验并修正完全可以满足实际使用要求，因此车辆的线性特性一方面是驾驶员所期望的理想转向特性，另一方面也是控制系统研究的基础。在进行侧向动力学线性特性研究时，通常会把汽车看作一个线性的开环控制系统，然后建立一个能表征车辆侧向运动和横摆运动特性2DOF微分方程进行运动学、动力学理论分析。研究也表明，当汽车满足：1)车辆速度小于lOOkmh，2)车辆侧向加速度小于049，3)正常转向等行驶条件时，可以用一个线性2DOF模型来预测车辆的动态行为。汽车线性2DOF动力学模型集中了车辆的主要

15、性能，把影响汽车性能的参数减至最少，从本质上反映了汽车操纵动力学特性，利用它从理论上对车辆操纵性能进行分析，可得出普遍适用的具有指导性的结论。但是，2DOF车辆动力学模型的推导前提是做了很多假设，并且模型也仅适用于轮胎侧偏力的线性工作区域，若考虑在大侧向加速度情况下，轮胎侧偏力达到饱和时的非线性特性，考虑悬架非线性、车身侧倾引起的轮荷横向转移、侧向风、纵向力等其他影响因素时，车辆便明显具有非线性特征，则简单的基于集中质点的2DOF车辆动力学模型便明显不能满足实际问题的研究需要，因此需要建立具有更多自由度数目的非线性车辆动力学模型，以满足分析精度的需要。7.3汽车转向基本要求 为使汽车实现车轮无

16、侧滑的转向，车轮的偏转必须满足阿克曼特性，即在汽车前轮定位角都等于零、行走系统为刚性、汽车行驶过程中无侧向力的前提下，整个转向过程中全部车轮必须围绕同一瞬时中心相对于地面作圆周滚动，例如对于图1所示两轮转向情况，前内轮转角b与前外轮转角a之间应满足如下阿克曼转向特性公式：LB/)cot()cot(7.4 二自由度四轮转向车辆动力学模型的建立7.4.1使用SAE汽车运动标准坐标系7.4.2线性二自由度汽车模型的运动微分方程为了便于建立运动方程，做以下简化：（1）忽略转向系统的影响，直接以前轮转角作为输入；（2）忽略悬架的作用；车身只作平行于地面的平面运动，沿z 轴的位移、绕 y轴的俯仰角和绕 x

17、 轴的侧倾角均为零，且；（3）汽车前进速度u视为不变；（4）侧向加速度限定在0.4g一下，确保轮胎侧偏特性处于线性范围； （5）驱动力不大，不考虑地面切向力对轮胎侧偏特性的影响，没有空气动力的作用。在上述假设下，汽车被简化为只有侧向和横摆两个自由度的两轮摩托车模型。分析时，令车辆坐标系原点与汽车质心重合。首先确定汽车质心的（绝对）加速度在车辆坐标系中的分量。参看图5-23 ，与为车辆坐标系的纵轴和横轴。质心速度于时刻在轴上的分量为 ，在轴上的分量为 。uv由于汽车转向行驶时伴有平移和转动，在 时刻，车辆坐标系中质心速度的大小与方向均发生变化，而车辆坐标系中的纵轴和横轴亦发生变化，所以沿 轴速度

18、分量变化为：ttox考虑到 很小并忽略二阶微量，上式变成：除以 并取极限，便是汽车质心绝对加速度在车辆坐标系 上的分量：toxrddddvutvtuax同理得：yravu图中：、 分别为前、后车轮的侧向力； 为汽车横摆角速度； 为质心侧偏角； 为质心前进速度； 为质心侧向速度；V、 分别为汽车质心、前轮、后轮速度； 、 分别为前、后车轮侧偏角；、分别为前、后轮转向角；a、b分别为前轴、后轴到质心距离；l为汽车轴距，l=a+b.、1YF、2YF1V2V1212可以建立如下二自由度动力学方程zYYZyYYYIbFaFMaFFF22112211coscosmcoscos考虑到轮胎的侧偏特性在线性范围

19、，设 、分别为两前轮、两后轮侧偏刚度之和， 、 均为负值由于 、 、 较小，有 、 ， ， ；在小转角情况下 ，有 从而有22112211bkakMkkFZY1k2k12121cos11cos211tan22tan/1cos111kFY222kFY汽车前后轮侧偏角与其运动参数有关。 tan对于前轮 是 与x轴的夹角，后轮 是 与x轴的夹角11V22Vaaa1b-b-b-2根据坐标系的关系，前后轮侧偏角为 、 表示如下：121111-a-2222-b-从而，有yYYaFF）（）（2222211111-b-kk-akk所以，二自由度汽车的运动微分方程为）（）（）（）（221122112211221

20、1-b-k-aakm-b-k-akbbkakMkkFZY式中， 为汽车绕z轴的转动惯量； 为横摆角加速度。整理后得二自由度汽车运动微分方程为：ZIrZIakbabkmbkak221122122122112121bkkk1ak)(kkk1k四轮转向的控制方法有很多，本文主要对前后轮转角比例控制的四轮转向系统进行动力学分析取K= ，K为后轮与前轮转角比例系数由Sano分析可知，可以保证汽车在稳态时质心侧偏角恒等于零，它是关于车速的函数汽车在低速转向时，后轮与前轮为逆相位转向，可以有效减小转弯半径，提高车辆的机动性；高速转向时，后轮与前轮为同相位转向，提高了车辆的操纵稳定性21/2122ab-ulk

21、mbulkmaK后轮与前轮转角比例系数7.4.3汽车横摆角速度对前轮转角的传递函数由(3)式第2式得akbkakbkbkakIz1211222221)(u-求导得akbkakbkbkakuIz1211222221)(- 又 求导得 ， ， 带入（3）式中可得以 为变量的形式如下/ 1011bbchm 式中：zmuIm)()(h212212kkIkbkamzukklbkakmuc21221)()(b211bKkakmu）Kklk1 (b210对(5)式进行拉普拉斯变换，得到汽车横摆角速度与前轮转角的传递函数chssmbsbG201s）（根据此传递函数，可以分析前轮转角输入时，四轮转向汽车的横摆角

22、速度的变化情况7.4.4汽车质心侧偏角对前轮转角的传递函数同上类似，可得101aa CHM式中：umIuMz2mhuukkIkbkamHz)()( -212212cukklbkakmuC212212)(uKkkIaz)(21212210)()(klkaKbmubKkaka(7)对(7)式进行拉普拉斯变换，可得汽车质心侧偏角与前轮转角的传递函数 ）（8 sas201CHssMaG根据此传递函数，可以分析前轮转角输入时，四轮转向汽车的质心侧偏角的变化情况7.4.5汽车侧向加速度对前轮转角的传递函数对于侧向加速度，有uuudtavay进行拉普拉斯变换)()()(asusussy除以 可得到）（s1)

23、()()()()()()(111assussusssasGyy)()(suGsusGw可以得到汽车侧向加速度与前轮转角的传递函数为：chssmubsklkbKasG202121a)(asy）（根据此传递函数，可以分析前轮转角输入时，四轮转向汽车的侧向加速度的变化情况在上述各传递函数中，当K=0时，可以表示两轮转向汽车对应的运动参数；当K0时，表示为四轮转向汽车对应的运动参数，因此可以方便地进行两轮转向与四轮转向汽车动力学的对比仿真分析。第四节4WS的控制策略8、四轮转向汽车的控制8. 1 控制目标减小侧向加速度响应和横摆角速度响应的相位滞后减小汽车的侧偏角增强汽车稳定性改善低速范围汽车的操纵性

24、改善汽车的转向响应性能 保持所期望的汽车转向响应特性改善轮胎附着力极限附近的响应8. 2 控制策略的模型基础一般情况下进行的4WS 系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4WS 控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。控制策略 (1) 比例控制：前馈控制（前后轮转向角与车速依存式）和反馈控制（将车辆的运行状态反馈到控制系统，自动调节后轮转向角）

25、动态补偿控制：前馈控制（转向角动态补偿）和反馈控制（转向力矩动态补偿） 主动控制：要求横摆速率中、高速时提高稳定性和转向响应性，低速时提高小转弯大转向角转向操纵性 8 3 控制方法(a) . 定前、后轮转向比的4WS 系统。(b) . 前、后轮转向比是前轮转角函数的4WS 系统。(c) . 前、后轮转向比是车速函数的4WS 系统。(d) . 具有一阶滞后的4WS 系统。(e) . 具有反相特性的4WS 系统。(f) . 具有最优控制特性的4WS 系统。(g) . 具有自学习、自适应能力的4WS 系统。 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

26、随机变化,随着计算机技术和一些先进控制理论的发展,4WS 系统将朝着自适应、智能化的方向发展。目前控制方法的种类目前4WS 控制器设计都是基于跟随线性动力学方程的假设，建立简单的二自由度线性车辆模型,采用PID 控制策略，对于轮胎处于非线性状态适应性很差。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4WS 系统的控制研究中,如最优控制、自适应控制、滑模控制、鲁棒控制等,近年来,又出现了模糊控制、基于人工神经网络理论的控制方法等。对4WS 控制系统的研究逐渐从线性领域向非线性领域过渡,一些多自由度的4WS 汽车动力学模型已有提出。自4WS技术出现以来，有不少控制方法应用于4WS控制

27、，但这些控制大多是针对后轮转向控制，由于仅有一个控制量(后轮转角)，被控量一般是车身质心侧偏角或者横摆率，属于单输入单输出(SISO)系统，仅能提高车辆的部分操纵性能。近年来，车辆操纵机构和执行机构没有机械联结和能量传递，操纵指令由传感元件感知，以电信号的形式由网络传递给电子控制器及执行机构的线控转向(Steer-ByWire，SBW)技术进步迅速，线控操纵车辆的前、后轮都可作为主动控制输入，这使得采用基于模型跟踪的控制策略以保证被控车辆同时具有驾驶员期望的理想侧偏角和横摆率将成为可能，属于双输入双输出控制系统(MIMO)，这既减小了车辆在转弯过程中侧滑失稳发生的可能，又能保证车辆精确跟踪行驶

28、路径；此外在大侧向加速度下通过前、后轮转角的主动调整，也能有效预防车辆发生侧翻。因此，针对四轮主动转向汽车，采用先进控制方法进行基于线控转向技术的控制策略及控制算法研究，对改善车辆操纵稳定性，提高车辆主动安全性有着重要的深远意义。第五节4WS目前存在的问题及发展趋势。10、四轮转向研究目前存在问题1 汽车操纵稳定性评价指标不明确、不统一l没有一个成熟的理论对汽车四轮转向运动机理进行更深刻的阐述l没有明确的或统一的能够充分表达4WS车辆最佳操纵性能的指标l驾驶员因素引入车辆模型而形成“人一车一路闭环系统，在闭环系统内综合考虑车辆的各项特性来研究4WS系统l最佳的要跟踪的模型也没有统一的概念。2 传统后轮转向4WS系统对改善车辆操纵稳定性的功能有限l传统4WS基于主动后轮转向结构，后轮转角是控制器唯一输出，但它仅能控制一个汽车运动变量。车其他的运动状态仍需依靠驾驶员来进行反馈控制。l全主动4WS型式，但由于传动机构复杂，空间布置困难、算法理论不完善等技术上的限制，使得全主动4WS控制系统的实现在以往比较困难，因而在控制策略方面的研究也较少。l线控转向技术的发展，这一情况