四轮转向汽车的转向特性及控制技术-Read

四轮转向汽车的转向特性及控制技术东南大学机械工程系汪东明摘要：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。引言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（Four-wheelSteering——4WS）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。四轮转向汽车的转向特性２·１4WS汽车与2WS汽车转向过程分析普通两轮转向汽车（2WS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4WS汽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。2WS汽车在转向时，前轮作主动转向，后轮只是作被动转向。显然，2WS汽车在转向过程中，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。2WS汽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，2WS汽车在高速行驶时，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4WS汽车在转向时，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。２·２4WS汽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的机动灵活性和高速行驶时的操纵稳定性，现代4WS汽车就是根据这一指导思想研制的。一般来说，4WS汽车在转向过程中，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4WS汽车前、后轮的偏转规律一般是这样的：逆相位转向如图1（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（后轮最大转向角一般为5°左右）。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。同相位转向如图1（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（后轮最大转角一般为1°左右）。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4WS汽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（如50Km/h），后轮才参与转向，进行同相位四轮转向。（b）同相位转向（b）同相位转向（a）逆相位转向图1四轮转向汽车的前、后轮偏转规律２·３4WS汽车的转向特点与普通的2WS汽车相比，4WS汽车具有如下特点：优越性：（１）转向操作的响应加快，准确性提高。（２）转向操作的轻便性和行驶稳定性提高。（３）低速时，转弯半径小，转向操作的机动灵活性提高。（如图2所示）（４）超车时，变换车道更容易，减小了汽车产生摆尾和侧滑的可能性。（５）抗侧向干扰的稳定性效果好。不足性：（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。转弯半径转弯半径转弯半径（a）2WS汽车（b）4WS汽车图2低速转向时的转向性能比较四轮转向汽车的组成及工作特性３·１现代4WS汽车的基本组成及工作原理4WS汽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，两者之间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4WS汽车类型有多种，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。如图3所示，转向时，传感器将前轮转向的信号和汽车运动的信号送入ECU，ECU进行分析计算，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，驱动后轮偏转。同时，ECU进行实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4WS汽车设有两种转向模式，既可进入4WS状态，也可保持传统的2WS状态，驾驶员可通过驾驶室内的转向模式开关进行选择。当4WS汽车在行驶过程中电子控制系统出现故障时，后轮自动回到目前，对于4WS汽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，4WS技术已取得不少进展。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，4WS技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4WS汽车中，大多数采用电控液压动力4WS系统。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4WS系统将是4WS汽车的发展趋势。虽然在4WS系统的研究和开发方面已经取得了很大的发展，但是，作为4WS系统的核心技术问题——4WS系统控制器的设计，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，4WS控制器设计都是基于跟随线性动力学方程的假设，采用PID控制策略。我们知道，4WS系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4WS控制也就基于轮胎所受的横向力比例于车轮侧偏角的假设，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入非线性区域，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。4WS汽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4WS控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，但大多处于研究的初级阶段，尚不成熟。未来对4WS系统的研究的发展趋势主要集中为：（１）进一步研究、开发新型的后轮转向执行机构和后轮转向传动机构，提高转向时的操纵轻便性、灵活性和转向角度的准确性。（２）针对4WS系统，进一步开发、设计高性能、高精度、高灵敏度的传感器，以便于正确地检测汽车的运动信号。（３）深入研究转向过程中轮胎的瞬态特性，将其作为主要因素加入到4WS系统的数学模型中。（４）将先进的控制理论与控制方法应用于4WS控制器的研究中。（５）从主观评价出发，考虑闭环综合性能指标，将“人—车—路”看成一个系统。（６）基于新控制理论的全主动4WS系统。（７）把4WS技术与其它主动安全技术（如4WD、ABS、ASR、ASC、DYC等）相结合，实现汽车主动底盘技术的综合控制，这是主动控制4WS系统研究的长期目标。参考文献：郭孔辉，汽车操纵动力学，吉林科学技术出版社，1991张洪欣，汽车系统动力学，同济大学出版社，1996余志生，汽车理论，机械工业出版社，2002庄继德，汽车电子控制系统工程，北京理工大学出版社，1998（加）唐·诺里斯、（美）杰克·尔贾维克，悬架系统及转向系统，吉林科学技术出版社，2000李栓成等，汽车转向系统的结构与维修，国防工业出版社，1998郭孔辉、轧浩，四轮转向的控制方法的发展，中国机械工程，1998年第9卷第5期屈求真、刘延柱，四轮转向汽车的控制策略，汽车技术，1998年第2期杜宇，四轮转向控制系统的设计与实现，北京理工大学硕士学位论文，2000WhiteheadJC，Four-Wheel-SteeringManeuverabilityandHighSpeedStabilization，SAE880642ShibahataY、IrleN、ItohH，TheDevelopmentofanExperimentalFour-Wheel-SteeringVehicle，SAE860623附：1、英文摘要：SteeringBehaviorandControlTechnologyofFour-wheelSteeringAutomobileAbstract：Thesteeringfeaturesoffour-wheelsteeringautomobilearecomparativelyanalyzedinthispaper.Thestructureandworkingprincipleofelectronic-controlledfour-wheelsteeringautomobilearedescribed.Thecontroltacticsoffour-wheelsteeringsystemareintroduced.Thedifficultyconfrontedbyfour-wheelsteeringsystemcontroltechnologyispointedoutanditsdevelopingtrendisprospected.Keywords：Four-wheel