基于橫擺率反饋的四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的仿真研究

編號(hào)無(wú)錫太湖學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目： 基于橫擺率反饋的四輪 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的仿真研究 信機(jī) 系 機(jī)械工程及自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)學(xué) 號(hào)： 0923201學(xué)生姓名： 孫建國(guó) 指導(dǎo)教師： 陳炎冬 （職稱(chēng)：講師 ） （職稱(chēng)： ）2013年5月25日XXVIII無(wú)錫太湖學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）誠(chéng) 信 承 諾 書(shū)本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 基于橫擺率反饋的四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的仿真研究 是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的成果，其內(nèi)容除了在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中特別加以標(biāo)注引用，表示致謝的內(nèi)容外，本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）不包含任何其他個(gè)人、集體已發(fā)表或撰寫(xiě)的成果作品。 班 級(jí)： 機(jī)械94 學(xué) 號(hào)： 0923201 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日無(wú)錫太湖學(xué)院信 機(jī)系 機(jī)械工程及自動(dòng)化 專(zhuān)業(yè)畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)論 文 任 務(wù) 書(shū)一、題目及專(zhuān)題：1、題目 基于橫擺率反饋的四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的仿真研究 2、專(zhuān)題 二、課題來(lái)源及選題依據(jù) 本課題來(lái)源于實(shí)際應(yīng)用，隨著越來(lái)越多的汽車(chē)走進(jìn)千家萬(wàn)戶，交通事故頻繁發(fā)生，汽車(chē)的安全性越來(lái)越受到人們的關(guān)注，與汽車(chē)安全性密切相關(guān)的汽車(chē)操縱穩(wěn)定性由此成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的好壞對(duì)汽車(chē)的操縱穩(wěn)定性有著直接的影響，如何設(shè)計(jì)高效的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是汽車(chē)設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，也是汽車(chē)安全性的一大研究主題傳統(tǒng)的前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由于存在低速轉(zhuǎn)向時(shí)轉(zhuǎn)彎半徑大!機(jī)動(dòng)性差，高速轉(zhuǎn)向時(shí)操縱穩(wěn)定性不好等缺點(diǎn)越來(lái)越不能滿足人們對(duì)汽車(chē)性能的要求隨著對(duì)汽車(chē)動(dòng)力學(xué)的深入研究，人們開(kāi)始認(rèn)識(shí)到，四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以有效地提高汽車(chē)低速轉(zhuǎn)向時(shí)的機(jī)動(dòng)性及高速轉(zhuǎn)向時(shí)的操縱穩(wěn)定性，因此四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在沉寂了多年之后目前又成為底盤(pán)控制技術(shù)的研究熱點(diǎn)。 三、本設(shè)計(jì)（論文或其他）應(yīng)達(dá)到的要求： 熟悉4WS技術(shù)的發(fā)展歷程，特別是近十年來(lái)的發(fā)展； 熟練掌握4WS汽車(chē)動(dòng)力學(xué)的原理以及其模型建立的分析； 熟練掌握前輪轉(zhuǎn)角前饋汽車(chē)的研究的傳遞函數(shù)的推導(dǎo)以及動(dòng)態(tài)、穩(wěn)態(tài)。瞬態(tài)分析； 掌握前輪轉(zhuǎn)向角比例反饋加橫擺角速度比例反饋的4WS系統(tǒng)模型分析； 能夠熟練使用MATLAB仿真。針對(duì)三幅典型的灰度圖像，對(duì)4WS系統(tǒng)進(jìn)行編碼，用客觀標(biāo)準(zhǔn)和主觀標(biāo)準(zhǔn)綜合評(píng)價(jià)重建圖像的質(zhì)量； 熟練使用MATLAB提供的圖形用戶界面Simulink工具 ； 四、接受任務(wù)學(xué)生： 機(jī)械94 班 姓名 孫建國(guó) 五、開(kāi)始及完成日期：自2012年11月12日 至2013年5月25日六、設(shè)計(jì)（論文）指導(dǎo)（或顧問(wèn)）：指導(dǎo)教師簽名 簽名 簽名教研室主任學(xué)科組組長(zhǎng)研究所所長(zhǎng)簽名 系主任 簽2012年11月12日III本人畢業(yè)（論文）設(shè)計(jì)題目 摘 要 車(chē)輛的四輪轉(zhuǎn)向作為提高車(chē)輛操縱穩(wěn)定性的有效手段已得到廣泛認(rèn)可，許多新的有關(guān)四輪轉(zhuǎn)向的觀點(diǎn)被不斷提出，運(yùn)用4WS技術(shù)可以有效地減小低速行駛時(shí)車(chē)輛的轉(zhuǎn)彎半徑，使車(chē)輛在低速行駛時(shí)更加靈活。另外，該技術(shù)還可以改善車(chē)輛在高速行駛時(shí)橫擺角速度和側(cè)向加速度等瞬態(tài)響應(yīng)指標(biāo)，提高高速行駛時(shí)的操縱穩(wěn)定性，從而提高車(chē)輛的主動(dòng)安全性。隨著對(duì)汽車(chē)動(dòng)力學(xué)的深入研究，人們開(kāi)始認(rèn)識(shí)到，四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以有效地提高汽車(chē)低速轉(zhuǎn)向時(shí)的機(jī)動(dòng)性及高速轉(zhuǎn)向時(shí)的操縱穩(wěn)定性，因此四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在沉寂了多年之后目前又成為底盤(pán)控制技術(shù)的研究熱點(diǎn)。本文根據(jù)牛頓矢量力學(xué)體系的動(dòng)量定理、動(dòng)量矩定理及牛頓第二定律，推導(dǎo)出二自由度四輪轉(zhuǎn)向汽車(chē)動(dòng)力學(xué)模型，以二自由度四輪轉(zhuǎn)向動(dòng)力學(xué)模型為例，對(duì)兩種經(jīng)典的四輪轉(zhuǎn)向控制方法進(jìn)行研究，仿真結(jié)果表明這兩種控制方法均在一定程度上改善了汽車(chē)低速時(shí)的機(jī)動(dòng)性及中高速時(shí)的操縱穩(wěn)定性。 關(guān)鍵詞：汽車(chē)；四輪轉(zhuǎn)向；操縱穩(wěn)定性；仿真分析Abstract The concept of 4WS can improve handing stability which has been accepted widely.Many theories and technologies have been advanced nowadays.The 4WS Call reduce turning radius and increase mobility in low speed.Also 4WS can improve transient respone of yawing rate in high speed and hip speed handing stability.In this way，4WS can get better active safety. As the thorough researeh onear dynamies,PeoP leare beginning to realize that four- wheelsteering system can effectively improve them obility of car when low-speed steering and the manipulation stability When high-speed steering,therefore,four-wheel steering system now has beeome chassis control technology researeh hotspot againafter silence for many years.According to momentum theorem and moment of momentum theorem of Newton vector mechanies system,and Newton,5secondlaw,this Paper deduee two degrees four-wheel steering dynamics model. Key words:Car; Four-Wheelsteering;ManiPulationstability;Simulationanalysis 目 錄摘 要IIIAbstractIV目 錄V1 緒論1 1.1 四輪轉(zhuǎn)向汽車(chē)的發(fā)展歷史及國(guó)內(nèi)外研究概況1 1.1.1發(fā)展歷史1 1.1.2 國(guó)內(nèi)外狀況2 1.2本章研究的背景和意義.3 1.3 四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制方法簡(jiǎn)介5 1.4 本課題研究?jī)?nèi)容72 四輪轉(zhuǎn)向車(chē)輛的側(cè)向動(dòng)力學(xué)模型9 2.1 輪胎模型9 2.1.1 Fiala 輪胎模型9 2.1.2 G.Gim 輪胎模型10 2.1.3 Pacejka的“魔術(shù)公式11 2.1.4 郭孔輝的輪胎穩(wěn)態(tài)指數(shù)統(tǒng)一模型12 2.2 4 WS模型車(chē)輛動(dòng)力學(xué)分析13 2.2.1 三自由度汽車(chē)的動(dòng)力學(xué)模型13 2.2.2 二自由度汽車(chē)的動(dòng)力學(xué)模型15 2.3 本章小結(jié)203 四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不同控制方法的建模21 3.1 前后輪轉(zhuǎn)角定比例控制的4WS模型21 3.1.1 前后輪定比例控制的方法研究21 3.1.2 錢(qián)后輪轉(zhuǎn)角定比例4WS系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型22 3.2 加入橫擺率反饋控制的4WS模型的建立24 3.2.1橫擺率反饋的控制方法研究24 3.2.2 橫擺率反饋的動(dòng)力學(xué)模型.253.2.3 橫擺率反饋的4WS汽車(chē)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性273.2.4 基于傳遞函數(shù)的橫擺率反饋的4WS汽車(chē)控制29 3.3 本章小結(jié)304 二自由度4WS控制仿真分析31 4.1 仿真環(huán)境31 4.2 二輪轉(zhuǎn)向與前輪轉(zhuǎn)角比例前饋控制的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的仿真分析31 4.2.1 仿真所用的參數(shù)31 4.2.2 時(shí)域特性仿真32 4.3 加橫擺角速度比例反饋的4WS系統(tǒng)汽車(chē)控制35 4.4 定比例反饋4WS系統(tǒng)與加橫擺角速度比例反饋的4WS系統(tǒng)比較39 4.5 加橫擺率反饋控制的4WS車(chē)輛的參數(shù)研究41 4.6 本章小結(jié)445 結(jié)論和展望455.1 結(jié)論455.2 展望45致 謝47參考文獻(xiàn)48附 錄49VI基于橫擺率反饋的四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的仿真研究 11 緒論 1.1 四輪轉(zhuǎn)向汽車(chē)的發(fā)展歷史及國(guó)內(nèi)外研究概況 傳統(tǒng)汽車(chē)裝備構(gòu)造中，除了專(zhuān)用的汽車(chē)外，兩輪轉(zhuǎn)向(2-WheelSteering，2WS)尤其是前輪轉(zhuǎn)向一直是汽車(chē)轉(zhuǎn)向的主要方式。對(duì)于傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向系布置裝配構(gòu)造及布置方法擁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本便宜的特點(diǎn)。然而，前輪轉(zhuǎn)向汽車(chē)的低速時(shí)轉(zhuǎn)向響應(yīng)慢回轉(zhuǎn)半徑大，轉(zhuǎn)向不靈活，高速時(shí)方向穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)帶來(lái)了諸多不便。現(xiàn)代道路交通系統(tǒng)不斷發(fā)展，汽車(chē)速度必然也隨之越來(lái)越高，高速時(shí)汽車(chē)的操縱穩(wěn)定性不僅影響到汽車(chē)駕駛的操縱輕便程度，而且也是保證高速行駛汽車(chē)安全的一個(gè)主要性能。因此，人們把它叫做“高速車(chē)輛的生命線”。汽車(chē)具有更快的跟隨駕駛員指令的反應(yīng)能力瞬時(shí)成為了客觀上要求。各大汽車(chē)公司對(duì)由于四輪轉(zhuǎn)向（4WS）系統(tǒng)能夠有效的改善汽車(chē)的機(jī)動(dòng)靈活性和操縱穩(wěn)定性非常青睞。首先在中高速范圍內(nèi)，通過(guò)適當(dāng)控制后輪轉(zhuǎn)角，能夠從根本上避免由于輪胎側(cè)偏特性而產(chǎn)生的過(guò)度轉(zhuǎn)向現(xiàn)象的發(fā)生，因此提高了汽車(chē)高速行駛的安全性能。另外，運(yùn)用4WS技術(shù)，還可以有效地減小低速行駛時(shí)汽車(chē)的轉(zhuǎn)彎半徑，使汽車(chē)在低速行駛時(shí)更加靈活性。再者，后輪以相同的方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，汽車(chē)能夠產(chǎn)生后輪滑動(dòng)角但不需要汽車(chē)側(cè)偏角，這樣就能夠消除轉(zhuǎn)向輸入與后輪側(cè)向力之間的時(shí)間滯后，因此有效地減少汽車(chē)到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向所需的時(shí)間，大大地改善了汽車(chē)轉(zhuǎn)向的瞬態(tài)響應(yīng)，便于由一個(gè)車(chē)道向另一個(gè)車(chē)道調(diào)整。 1.1.1發(fā)展歷史 從20世紀(jì)初四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)開(kāi)始萌芽，一直發(fā)展到今天，已經(jīng)成為較為成熟的技術(shù)，它的發(fā)展經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的過(guò)程。1907年，日本政府頒發(fā)了第一個(gè)關(guān)于四輪轉(zhuǎn)向?qū)＠C書(shū)，它有效地利用了一根軸將前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和后輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)直接連接，從而實(shí)現(xiàn)后輪轉(zhuǎn)向。當(dāng)汽車(chē)低速行駛時(shí)，通過(guò)后輪相對(duì)于前輪的反向轉(zhuǎn)向，能夠有效地減小低速時(shí)汽車(chē)的轉(zhuǎn)彎半徑，使其具有更好的機(jī)動(dòng)性，這就是是四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)最初的應(yīng)用實(shí)例。 直到1962年，后輪主動(dòng)轉(zhuǎn)向的概念在日本汽車(chē)工程協(xié)會(huì)(JSAE)的技術(shù)會(huì)議上提出，研究人員開(kāi)始了四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的汽車(chē)動(dòng)力學(xué)研究。這一階段：四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)對(duì)于提高汽車(chē)高速時(shí)的操縱穩(wěn)定性具有重要意義，研究人員開(kāi)始認(rèn)識(shí)到此意義的重要性。日本學(xué)者Furukawa通過(guò)一系列研究得出重要結(jié)論：在高車(chē)速范圍內(nèi)，應(yīng)用后輪與前輪的同向轉(zhuǎn)向能夠有效地減小汽車(chē)質(zhì)心側(cè)偏角，進(jìn)而有效地減小側(cè)向加速度響應(yīng)的相位滯后，這樣表明主動(dòng)控制后輪轉(zhuǎn)向能夠在很大程度上改善汽車(chē)的操縱穩(wěn)定性。隨著對(duì)四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)研究的深入，Nissan、Mazda、Toyota和GM等汽車(chē)廠商紛紛推出了各自的四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，并嘗試把一些成熟的四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)應(yīng)用到商用車(chē)型上。 1985年，Nissan公司在實(shí)車(chē)上應(yīng)用了世界上第一套四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，應(yīng)用在該公司開(kāi)發(fā)的一種高性能主動(dòng)控制懸架上(High CapacityActivelycontrolled Suspenslon，HICAS)，并于1987年和1989年相繼開(kāi)發(fā)出HICAS II和SUPER HICAS。其后輪轉(zhuǎn)向作用機(jī)理都是采用一套液壓泵和液壓系統(tǒng)來(lái)主動(dòng)控制后輪的轉(zhuǎn)向角度，比較明顯地改善了汽車(chē)在高車(chē)速范圍內(nèi)的操縱穩(wěn)定性。 目前隨著電子技術(shù)的發(fā)展，汽車(chē)上也越來(lái)越廣泛地應(yīng)用了各種電子設(shè)備。4WS開(kāi)始與4WD、ABS等共同應(yīng)用，從而改普汽車(chē)的操縱穩(wěn)定性、動(dòng)力性、制動(dòng)性等汽車(chē)的綜合性能，來(lái)滿足人們對(duì)汽車(chē)越來(lái)越高的要求。美國(guó)伽公司在其很多車(chē)型上應(yīng)用了Delphi公司研發(fā)的1QuadraSteerTM的四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)，其后輪電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)包括了車(chē)輪定位傳感器、車(chē)速傳感器和中央電子控制模塊。系統(tǒng)以電子控制的形式對(duì)后輪轉(zhuǎn)向進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，根據(jù)車(chē)速裝備QuadraSteerTM的車(chē)輛的不同對(duì)后輪轉(zhuǎn)向進(jìn)行控制以達(dá)到低速時(shí)反向轉(zhuǎn)向和高速時(shí)同向轉(zhuǎn)向，并與汽車(chē)的底盤(pán)控制系統(tǒng)一體化，可以在控制面板上選擇開(kāi)啟或者關(guān)閉四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。 1.1.2 國(guó)內(nèi)外狀況 傳統(tǒng)的2WS汽車(chē)只有前輪作主動(dòng)轉(zhuǎn)向動(dòng)作，后輪只作隨動(dòng)運(yùn)動(dòng)，根據(jù)阿克曼轉(zhuǎn)向幾何學(xué)原理，這樣將使汽車(chē)的轉(zhuǎn)彎半徑很大！轉(zhuǎn)向不靈活；此外，隨著車(chē)速的增加，汽車(chē)由于受到輪胎側(cè)偏角的影響而使汽車(chē)的質(zhì)心側(cè)偏角增大，導(dǎo)致汽車(chē)高速行駛時(shí)循跡能力降低，行駛穩(wěn)定性也將變差，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)蛊?chē)發(fā)生側(cè)翻而4WS汽車(chē)由于具有低速時(shí)轉(zhuǎn)向靈活！中高速轉(zhuǎn)向時(shí)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)而越來(lái)越受到人們的關(guān)注為了更為深入地了解4WS汽車(chē)的優(yōu)勢(shì)，本章將對(duì)4WS汽車(chē)的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行理論分析圖3.1(a)四輪轉(zhuǎn)向汽車(chē)的轉(zhuǎn)向特性分析四輪轉(zhuǎn)向的目的于使汽車(chē)低速轉(zhuǎn)向行駛時(shí)前后輪作逆向轉(zhuǎn)動(dòng)，根據(jù)阿克曼轉(zhuǎn)向原 圖(a) 2WS低速轉(zhuǎn)向汽車(chē) 圖(c) 2WS高速轉(zhuǎn)向汽車(chē) 圖(b) 4WS低速轉(zhuǎn)向汽車(chē) 圖(d) 4WS高速轉(zhuǎn)向汽車(chē)圖1.1 2WS和4WS在低速和高速下轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)理，這樣可以減小汽車(chē)的轉(zhuǎn)彎半徑，從而獲得良好的機(jī)動(dòng)性；中高速轉(zhuǎn)向行駛時(shí)使前后輪作同向轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣就可以減小車(chē)輛的質(zhì)心側(cè)偏角，提高了汽車(chē)的循跡能力,從而獲得較好的操縱穩(wěn)定性。 阿克曼的主要觀點(diǎn)是：要使汽車(chē)在行駛（直線行駛或轉(zhuǎn)向行駛）過(guò)程中地面與輪胎之間不出現(xiàn)滑移現(xiàn)象而是處于純滾動(dòng)狀態(tài)，則要求汽車(chē)的每個(gè)車(chē)輪的運(yùn)動(dòng)軌跡都必須完全符合它的自然運(yùn)動(dòng)軌跡。根據(jù)以上原理，傳統(tǒng)2WS汽車(chē)在低速轉(zhuǎn)向時(shí)其瞬時(shí)轉(zhuǎn)向中心應(yīng)該在它的后軸延長(zhǎng)線上，如圖(a)所示；而4WS汽車(chē)低速轉(zhuǎn)向時(shí)前后輪作逆向轉(zhuǎn)動(dòng),其瞬時(shí)轉(zhuǎn)向中心比2WS汽車(chē)的瞬時(shí)中心更加靠近車(chē)體，且位于后軸的前方，如圖(b)所示；根據(jù)圖(a)(b)可知，相比2WS汽車(chē)，4WS汽車(chē)能夠獲得更小的轉(zhuǎn)向半徑，且內(nèi)輪差也更小，因此提高了汽車(chē)低速轉(zhuǎn)向時(shí)的機(jī)動(dòng)性，即獲得了更好的低速轉(zhuǎn)向特性。圖(a) 2WS車(chē)輛低速轉(zhuǎn)向軌跡圖1.1 4WS車(chē)輛低速轉(zhuǎn)向軌跡。 傳統(tǒng)的前輪轉(zhuǎn)向車(chē)輛在方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)之后，前輪開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，然后依靠前輪的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)車(chē)身轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)汽車(chē)的轉(zhuǎn)向，后輪只作隨動(dòng)動(dòng)作。在轉(zhuǎn)向過(guò)程中，車(chē)輛將產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)向心力，為了平衡該力，車(chē)輪將產(chǎn)生側(cè)偏角，從而產(chǎn)生側(cè)向力與之相平衡，此時(shí)，車(chē)輛的質(zhì)心側(cè)偏角和后輪的側(cè)偏角也隨之產(chǎn)生，從而產(chǎn)生側(cè)向力來(lái)共同平衡車(chē)輛所產(chǎn)生的向心力。由向心力公式F=mvZ/R可知，隨著車(chē)速的增大,車(chē)輛產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)向心力越大，為了平衡此力，前輪的側(cè)偏角將會(huì)增大，而與前輪側(cè)偏角密切相關(guān)的質(zhì)心側(cè)偏角及后輪側(cè)偏角也將增大，這樣就會(huì)使得汽車(chē)的循跡能力變差，容易引起汽車(chē)的側(cè)滑甚至側(cè)翻，而4WS汽車(chē)在中高速轉(zhuǎn)向時(shí)前后輪作同向轉(zhuǎn)動(dòng)，使車(chē)體方向能夠很好地跟蹤車(chē)輛的行駛方向，從而減少了質(zhì)心側(cè)偏角，提高了汽車(chē)的循跡能力。此外，同向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)汽車(chē)的轉(zhuǎn)彎半徑將增大，使汽車(chē)所受到的向心力減小，這樣就在很大程度上減少了汽車(chē)發(fā)生側(cè)翻的可能性，提高了汽車(chē)的主動(dòng)安全性，2WS及4WS汽車(chē)在中高速時(shí)的轉(zhuǎn)向軌跡如圖(a)、圖(b)所示。 國(guó)內(nèi)對(duì)于4WS系統(tǒng)的研究主要集中在幾所大學(xué)里進(jìn)行的，象北京理工大學(xué)、吉林工業(yè)大學(xué)、上海交通大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、武漢理工大學(xué)、天津大學(xué)等高校，在國(guó)內(nèi)的汽車(chē)行業(yè)中基本上還沒(méi)有展開(kāi)4WS的研究和開(kāi)發(fā)工作。高校由于條件的限制特別是試驗(yàn)條件和試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)的限制，對(duì)于4WS的研究基本還處于初級(jí)階段，其研究的重點(diǎn)主要是4WS汽車(chē)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)和控制方法的研究。吉林工業(yè)大學(xué)基于二自由度模型對(duì)四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制方法進(jìn)行了探討，研究了輪胎側(cè)偏特性對(duì)于四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的影響，對(duì)四輪轉(zhuǎn)向汽車(chē)的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。天津大學(xué)對(duì)四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的非線性控制進(jìn)行了研究，探討了四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)生隨機(jī)Hopf分岔的參數(shù)區(qū)域。北京理工大學(xué)則在BJl30輕型卡車(chē)上安裝了4WS系統(tǒng)，并進(jìn)行了一些試驗(yàn)嘗試。總的說(shuō)來(lái)國(guó)內(nèi)對(duì)4WS系統(tǒng)的研究基本還處在理論研究階段。 國(guó)外現(xiàn)階段的4WS系統(tǒng)設(shè)計(jì)，力圖達(dá)到以下目的： 1) 對(duì)沿行駛路線行駛的汽車(chē)車(chē)身姿勢(shì)進(jìn)行控制，減小汽車(chē)的質(zhì)心側(cè)偏角，盡量控制汽車(chē)的質(zhì)心側(cè)偏角經(jīng)常保持為零； 2) 減少汽車(chē)橫擺角速度與側(cè)向加速度之間的相位差以及各自相位； 3) 增強(qiáng)汽車(chē)行駛的穩(wěn)定性； 4) 低速行駛時(shí)具備良好的機(jī)動(dòng)性，改善低速范圍汽車(chē)的操縱性； 5) 改善汽車(chē)的轉(zhuǎn)向響應(yīng)性能； 6) 抵制由汽車(chē)自身參數(shù)變化因素對(duì)汽車(chē)轉(zhuǎn)向響應(yīng)特性的影響，并保持所期望的汽車(chē)轉(zhuǎn)向響應(yīng)特性； 7) 增加對(duì)外界環(huán)境變化的抗干擾能力； 8) 改善輪胎附著力極限附近的響應(yīng)。 這些設(shè)計(jì)目標(biāo)與動(dòng)力系統(tǒng)密切相關(guān)，隨著汽車(chē)動(dòng)力學(xué)和控制理論的發(fā)展，各種現(xiàn)代控制理論開(kāi)始被逐漸應(yīng)用于四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究中，國(guó)外具有代表性的一些研究進(jìn)展如下： Ossama Mokhiamar，Masato Abenll研究了四輪轉(zhuǎn)向時(shí)的輪胎側(cè)向力與縱向力的最優(yōu)合力分布，以改善汽車(chē)的側(cè)向加速度響應(yīng)和橫擺角速度響應(yīng)，并分析了性能加權(quán)函數(shù)對(duì)于汽車(chē)操縱穩(wěn)定性的影響。Allan YLeen21對(duì)四輪轉(zhuǎn)向汽車(chē)在高速時(shí)的換道行駛進(jìn)行了分析，對(duì)比了在換道行駛過(guò)程中，有經(jīng)驗(yàn)駕駛員的操縱轉(zhuǎn)向和四輪轉(zhuǎn)向汽車(chē)的最優(yōu)化控制轉(zhuǎn)向，研究了駕駛員操縱四輪轉(zhuǎn)向汽車(chē)的主觀感受。HInoue和FSugasawan31提出了一種綜合前饋和反饋控制的四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，選擇最優(yōu)的控制系統(tǒng)常量，把對(duì)轉(zhuǎn)向輸入響應(yīng)的控制和對(duì)抗外部干擾的穩(wěn)定性控制分開(kāi)，實(shí)現(xiàn)了兩者的相互獨(dú)立。 Laszlo Palkovicsn鍆文章中研究通過(guò)前輪和后輪的轉(zhuǎn)向反饋補(bǔ)償自動(dòng)控制來(lái)提高汽車(chē)高速時(shí)的轉(zhuǎn)向性能和在側(cè)風(fēng)干擾下的轉(zhuǎn)向性能，提出了在參數(shù)變化下的系統(tǒng)響應(yīng)問(wèn)題。分析了在后輪胎壓低于正常情況下，汽車(chē)的過(guò)度轉(zhuǎn)向以及控制系統(tǒng)如何穩(wěn)定汽車(chē)的運(yùn)動(dòng)。 Higuchin司應(yīng)用最優(yōu)控制理論提出了一種以減小質(zhì)心側(cè)偏角為目標(biāo)的方向盤(pán)前饋加51狀態(tài)反饋的四輪主動(dòng)轉(zhuǎn)向控制律。目前，國(guó)內(nèi)外已有至少7種不同的4WS系統(tǒng)在處于不同的投產(chǎn)和研制階段。這些系統(tǒng)由于驅(qū)動(dòng)后輪轉(zhuǎn)向的控制器的控制策略和控制方式的不同而不同。這些4WS系統(tǒng)的研究基本是基于一個(gè)簡(jiǎn)單的兩自由度的汽車(chē)模型。本課題亦是基于二自由度汽車(chē)模型的研究。1.2 論文研究的背景和意義 近幾十年來(lái),我們國(guó)家的經(jīng)濟(jì)得到了迅猛的發(fā)展,在此期間，汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展也進(jìn)入了快速道，已經(jīng)成為我國(guó)的支柱產(chǎn)業(yè)之一，然而，隨著越來(lái)越多的汽車(chē)走進(jìn)千家萬(wàn)戶，交通事故頻繁發(fā)生，汽車(chē)的安全性越來(lái)越受到人們的關(guān)注，與汽車(chē)的安全性密切相關(guān)的汽車(chē)操縱穩(wěn)定性由此成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，而汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的好壞對(duì)汽車(chē)的操縱穩(wěn)定性有著重大的影響，如何設(shè)計(jì)高效的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是汽車(chē)設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，也是汽車(chē)行駛安全性的一大研究主題。電子技術(shù)在汽車(chē)上的應(yīng)用已經(jīng)有很長(zhǎng)一段歷史，但長(zhǎng)期以來(lái)主要集中在汽車(chē)電器方面。近年來(lái)，“機(jī)電一體化（Mechatronics）1技術(shù)，將微電子技術(shù)產(chǎn)品代替和完善機(jī)械產(chǎn)品中部份裝置，使產(chǎn)品在性能上和功能上發(fā)生了質(zhì)的飛躍。汽車(chē)工業(yè)也正在采用先進(jìn)的“機(jī)電一體化”技術(shù)，其中的“線傳”(X-By-Wire)技術(shù)2、3、4即轉(zhuǎn)向（Steer）、驅(qū)動(dòng)(Drive)和制動(dòng)(Brake)等的線傳控制，通過(guò)伺服動(dòng)力裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的直接連接，減少了中間傳動(dòng)裝置，減輕了汽車(chē)整車(chē)的重量，使汽車(chē)在性能、功能、效率、節(jié)能等方面向更高水平發(fā)展。 汽車(chē)從誕生的那天起，一直以來(lái)都采用只有前輪轉(zhuǎn)向的傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，這種轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要通過(guò)方向盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)帶動(dòng)兩前輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)汽車(chē)的轉(zhuǎn)向行駛,后輪只作隨動(dòng)運(yùn)動(dòng)，為了減輕輪胎的磨損和避免滑移現(xiàn)象的出現(xiàn)，汽車(chē)在轉(zhuǎn)向過(guò)程中輪胎與地面應(yīng)處于純滾動(dòng)狀態(tài)，根據(jù)阿克曼幾何學(xué)轉(zhuǎn)向原理，要達(dá)到這樣的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)則要求汽車(chē)的所有車(chē)輪都必須繞著同一個(gè)瞬時(shí)中心做圓周運(yùn)動(dòng)，這一點(diǎn)對(duì)于傳統(tǒng)的二輪轉(zhuǎn)向汽車(chē)來(lái)說(shuō)，則要求它的兩個(gè)前輪的旋轉(zhuǎn)軸延長(zhǎng)線的相交的位置必須處在兩個(gè)后輪的旋轉(zhuǎn)軸延長(zhǎng)線上，這就意味著汽車(chē)的轉(zhuǎn)彎半徑很大!機(jī)動(dòng)性不好；此外，傳統(tǒng)的二輪轉(zhuǎn)向汽車(chē)由于在轉(zhuǎn)向過(guò)程中只有兩輪作主動(dòng)轉(zhuǎn)向,后輪只作隨動(dòng)運(yùn)動(dòng)，這就使得車(chē)體方向無(wú)法很好地跟蹤汽車(chē)的行進(jìn)方向，導(dǎo)致了汽車(chē)在轉(zhuǎn)向過(guò)程中質(zhì)心側(cè)偏角很大,方向穩(wěn)定性不好；并且隨著車(chē)速的增加,汽車(chē)由于受到輪胎側(cè)偏角的影響其質(zhì)心側(cè)偏角會(huì)越來(lái)越大，這不僅很大程度上降低了汽車(chē)的循跡能力，甚至?xí)蛊?chē)發(fā)生側(cè)滑和側(cè)翻。 隨著汽車(chē)技術(shù)的發(fā)展及現(xiàn)代生活節(jié)奏的變快，人們對(duì)汽車(chē)的速度及安全性提出了更高的要求，不僅追求駕駛高速汽車(chē)的快感還追求高速駕駛的安全性。傳統(tǒng)的前輪轉(zhuǎn)向汽車(chē)由于存在各種缺陷而越來(lái)越不能滿足人們對(duì)汽車(chē)的性能要求，為了提高汽車(chē)低速轉(zhuǎn)向的機(jī)動(dòng)性及高速轉(zhuǎn)向的穩(wěn)定性，進(jìn)而提高汽車(chē)的主動(dòng)安全性，需要設(shè)計(jì)出更為高效的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，因此對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究是十分必要也是非常急迫的。 輪轉(zhuǎn)向（FourWhedSteer，簡(jiǎn)稱(chēng)4WS）汽車(chē)能根據(jù)汽車(chē)當(dāng)前的車(chē)速或橫擺角速度等運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息來(lái)控制前后輪的同向或逆向轉(zhuǎn)動(dòng)，低速轉(zhuǎn)向時(shí)前后輪作逆向轉(zhuǎn)動(dòng)，這將使得汽車(chē)的轉(zhuǎn)彎半徑減小，汽車(chē)的機(jī)動(dòng)性得到提高；中高速轉(zhuǎn)向時(shí)前后輪作同向轉(zhuǎn)動(dòng)，這將使車(chē)體的方向能夠很好地跟蹤車(chē)輛的行進(jìn)方向，質(zhì)心側(cè)偏角得到減小，從而提高了汽車(chē)的循跡能力。此外，前后輪作同向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)汽車(chē)的轉(zhuǎn)彎半徑將增大，使汽車(chē)所受到的離心力減小，這樣就在很大程度上減少了汽車(chē)發(fā)生側(cè)翻的可能性，提高了汽車(chē)的主動(dòng)安全性。 綜上所述，4WS汽車(chē)可以很好地解決傳統(tǒng)2WS汽車(chē)所存在的問(wèn)題。雖然4WS汽車(chē)也存在某些缺點(diǎn)，比如需要對(duì)后軸進(jìn)行過(guò)大改動(dòng)！制造成本高等，但是隨著汽車(chē)技術(shù)的發(fā)展及人們生活水平的提高，這些都將不成為問(wèn)題。從人們對(duì)汽車(chē)低速轉(zhuǎn)向行駛時(shí)的機(jī)動(dòng)性及高速轉(zhuǎn)向行駛時(shí)的穩(wěn)定性！安全性要求出發(fā),4WS技術(shù)有著光明的前景，4WS系統(tǒng)己經(jīng)成為現(xiàn)代轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)。在不久的將來(lái)，4WS系統(tǒng)必將代替?zhèn)鹘y(tǒng)的2WS系統(tǒng)而成為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主流。因此對(duì)4WS系統(tǒng)的研究是十分必要的，也是非常有價(jià)值的。1.3 四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制方法簡(jiǎn)介 幾十年來(lái)，人們把4WS系統(tǒng)作為改善汽車(chē)操縱穩(wěn)定性的一個(gè)新方法進(jìn)行了深入的研究。各大公司已經(jīng)有了不少成熟的4WS機(jī)構(gòu)，它們的控制方式及工作原理各異，例如有以同相位轉(zhuǎn)向方式為主要目的的4WS，還有同時(shí)可控制同相位和逆相位轉(zhuǎn)向的4WS。而各公司研制出的4WS系統(tǒng)的種類(lèi)也很多。但在目前4WS還是一種新的結(jié)構(gòu)，人們對(duì)它的研究途徑很多，這將會(huì)使4WS系統(tǒng)日臻完善。四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)按其結(jié)構(gòu)大致可分為四類(lèi)：機(jī)械式、液壓式、電動(dòng)式、復(fù)合式5、6；按其控制方法分類(lèi)可分為七類(lèi)：定前后輪轉(zhuǎn)向比四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng);前后輪轉(zhuǎn)向比是車(chē)速函數(shù)的四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；具有一階滯后的四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng);前后輪轉(zhuǎn)向比是前輪轉(zhuǎn)角函數(shù)的四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；具有反相特性的四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；前輪轉(zhuǎn)向角比例前饋加橫擺角速度比例反饋具有自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)能力的四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。 1) 定前后輪轉(zhuǎn)向比四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 1985年Sano等用線性模型研究四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。他們定義K為前后輪轉(zhuǎn)向角之比。K值為正時(shí)，表明前后輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同。Sano認(rèn)為通過(guò)K值的選擇應(yīng)使穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向時(shí)側(cè)偏角等于零。在低速時(shí)值應(yīng)K為負(fù)，這可以減小轉(zhuǎn)彎半徑，提高汽車(chē)的操縱靈活性。高速時(shí)K值應(yīng)為正。研究表明在這樣的K值下，側(cè)向加速度響應(yīng)時(shí)間縮短，但其增益大幅度減小。 2) 前后輪轉(zhuǎn)向比是車(chē)速函數(shù)的四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 1986年Shibahata等設(shè)計(jì)了一套實(shí)用的四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用微機(jī)控制。前后輪轉(zhuǎn)向比為車(chē)速和前輪轉(zhuǎn)角的函數(shù)。其計(jì)算前后輪轉(zhuǎn)向比的基本著眼點(diǎn)同Sano是一致的，都是使汽車(chē)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向時(shí)的側(cè)偏角為零。Takiguch等也設(shè)計(jì)了一套類(lèi)似的四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，前后輪轉(zhuǎn)向比也是車(chē)速和前輪轉(zhuǎn)角的函數(shù)。其設(shè)計(jì)的著眼點(diǎn)在于使側(cè)向加速度相位滯后同橫擺角速度相位滯后相等，這同零側(cè)偏角原則本質(zhì)上是一致的。他們這樣計(jì)算是因?yàn)樵谥饔^評(píng)價(jià)中，大多數(shù)最優(yōu)的正的前后輪轉(zhuǎn)向比都發(fā)生在二者相位滯后差別最小的時(shí)候。試驗(yàn)表明，通過(guò)這種方法選擇的K能夠基本在所有車(chē)速范圍內(nèi)，改善汽車(chē)的方向響應(yīng)。其優(yōu)于前述方法的明顯優(yōu)點(diǎn)是可以在高速時(shí)，把側(cè)向加速度增益保持在一個(gè)駕駛員可以接受的幅度上。 3) 具有一階滯后的四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng) Fukunaga等在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了具有一階滯后的四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。前幾種4WS系統(tǒng)可以有效地改善汽車(chē)轉(zhuǎn)向的穩(wěn)態(tài)特性，但卻使橫擺角速度和側(cè)向加速度到達(dá)穩(wěn)態(tài)值的時(shí)間有所延長(zhǎng)。具有一階滯后的四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)的著眼點(diǎn)是既改善汽車(chē)的穩(wěn)態(tài)特性，又不犧牲瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間特性。當(dāng)汽車(chē)高速轉(zhuǎn)向時(shí)后輪的轉(zhuǎn)動(dòng)比前輪轉(zhuǎn)動(dòng)延遲一定的時(shí)間，當(dāng)橫擺角速度或側(cè)向加速度到達(dá)穩(wěn)態(tài)值，后輪才開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)。后輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)汽車(chē)的穩(wěn)態(tài)側(cè)偏角減小，并對(duì)其超調(diào)量等瞬態(tài)特性也有一定程度的改善。尼桑(Nissan)裝備了第一代HICAS(Hight CapacityActively Control Suspension高效主動(dòng)控制懸架)的地平線牌車(chē)即屬于這種。 4) 前后輪轉(zhuǎn)向比是前輪轉(zhuǎn)角函數(shù)的四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 這是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且效果良好的系統(tǒng)，90年代初期一些四輪轉(zhuǎn)向汽車(chē)中采用了這種系統(tǒng)。該系統(tǒng)同時(shí)具有同相位及反相位轉(zhuǎn)向功能。其前后輪轉(zhuǎn)角關(guān)系見(jiàn)圖1.2。K值變化范圍從055(前輪轉(zhuǎn)向角較小)-0.2(前輪轉(zhuǎn)向角較大)。這種4WS系統(tǒng)在極限工況一高速且前 圖1.2 前后輪轉(zhuǎn)角關(guān)系輪轉(zhuǎn)角較大時(shí)，后輪轉(zhuǎn)角與前輪轉(zhuǎn)角方向相反，這將導(dǎo)致操縱穩(wěn)定性極度惡化。盡管在現(xiàn)實(shí)中人們很少在高速行駛中大打方向盤(pán)，但這種潛在的危險(xiǎn)依舊存在。另外，當(dāng)前輪轉(zhuǎn)角較小時(shí)前后輪轉(zhuǎn)向比較大，汽車(chē)的操縱穩(wěn)定性有一定程度的惡化，這種汽車(chē)在高速行駛時(shí)具有一定的危險(xiǎn)性。這是該系統(tǒng)的一個(gè)明顯的缺點(diǎn)，也是這種系統(tǒng)沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用的原因。 5) 具有反相特性的四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。 Nissdn公司的TakaakiEguchi等在設(shè)計(jì)Super HICA系統(tǒng)心時(shí)對(duì)具有反相特性的四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行了研究。其設(shè)計(jì)的著眼點(diǎn)在于同時(shí)改善汽車(chē)轉(zhuǎn)向的穩(wěn)態(tài)特性和瞬態(tài)特性當(dāng)汽車(chē)高速轉(zhuǎn)向時(shí)，后輪先向與前輪轉(zhuǎn)向相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣橫擺角速度和側(cè)向加速度動(dòng)態(tài)響應(yīng)加快，二者很快達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，這時(shí)，后輪再向相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，以改善汽車(chē)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)特性。 6) 前輪轉(zhuǎn)向角比例反饋加橫擺角速度比例反饋 前輪轉(zhuǎn)向角比例前饋能使車(chē)身的側(cè)偏角為零，橫擺角速度比例反饋既能提高汽車(chē)轉(zhuǎn)向的固有特性，又能改善汽車(chē)轉(zhuǎn)向的頻率響應(yīng)特性。另外，采用橫擺角速度比例反饋控制的汽車(chē)在汽車(chē)受到側(cè)向風(fēng)等外力作用時(shí)，由于后輪的主動(dòng)控制，使汽車(chē)有一定的自律機(jī)制。將兩種控制分式組合起來(lái)使用能極大提高汽車(chē)的轉(zhuǎn)向特性。這是目前四輪轉(zhuǎn)向汽車(chē)最好的控制方式，也稱(chēng)為后輪主動(dòng)控制。Sato等人使用了前饋加反饋來(lái)控制后輪轉(zhuǎn)角，其控制原則是：在車(chē)速極低時(shí)，后輪與前輪反向轉(zhuǎn)動(dòng)，且比例為1：1，這樣可使得前后輪的運(yùn)動(dòng)軌跡相同。隨著車(chē)速的提高，通過(guò)橫擺角速度的反饋，補(bǔ)償后輪的附加轉(zhuǎn)角，其控制規(guī)律可表達(dá)為：隨著車(chē)速的提高，通過(guò)橫擺角速度的反饋，補(bǔ)償后輪的附加轉(zhuǎn)角，其控制規(guī)律可表達(dá)為：;其中、分別為汽車(chē)的前后輪轉(zhuǎn)向角，且分別為汽車(chē)質(zhì)心至前后軸的距離，c為前饋比例系數(shù)；d為反饋比例系數(shù)。 7) 具有自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)能力的四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)前5種4WS系統(tǒng)都是采用古典控制理論，其局限性在于這些系統(tǒng)不能較好地適應(yīng)汽車(chē)本身特性的非線性或隨機(jī)性變化(如輪胎側(cè)偏特性的非線性，前后輪載荷變化的隨機(jī)性)，不能適應(yīng)汽車(chē)一道路系統(tǒng)特性的非線性或隨機(jī)性變化（如輪胎一路面附著系數(shù)的變化等）。要在這樣的條件下實(shí)現(xiàn)更為有效的控制，控制系統(tǒng)應(yīng)具有自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)能力，即隨著被控對(duì)象的變化而改變控制器的結(jié)構(gòu)或參數(shù)，改變控制規(guī)律。 1.4 本課題研究?jī)?nèi)容 本課題主要研究以下內(nèi)容： 1) 闡述了課題提出的背景及意義，并簡(jiǎn)單介紹了4WS技術(shù)的發(fā)展史及國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀。 2) 建立4WS汽車(chē)的動(dòng)力學(xué)模型，為后續(xù)的理論分析及仿真研究做好準(zhǔn)備，利用牛頓矢量力學(xué)體系及牛頓第二定律，推導(dǎo)出二自由度4WS汽車(chē)動(dòng)力學(xué)模型，該模型雖然簡(jiǎn)單，但是可以通過(guò)對(duì)它的控制研究來(lái)獲得4WS汽車(chē)的基本轉(zhuǎn)向特性。 3) 基于4WS二自由度基本操縱模型，對(duì)4WS汽車(chē)的側(cè)向動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行理論分析，以更加深入了解4WS汽車(chē)的優(yōu)勢(shì)。主要分析了4WS汽車(chē)低速時(shí)的轉(zhuǎn)向特性。中高速時(shí)的轉(zhuǎn)向特性，并將其與2WS汽車(chē)進(jìn)行比較，驗(yàn)證了4WS汽車(chē)具有更好的側(cè)向動(dòng)力學(xué)特性；并對(duì)前輪角階躍輸入下的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)和瞬態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了理論推導(dǎo)和定性分析，證明了4WS汽車(chē)具有更加良好的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)及瞬態(tài)響應(yīng)特性。 4) 基于二自由度4WS基本操縱模型，對(duì)兩種控制方法進(jìn)行了研究。 2 四輪轉(zhuǎn)向車(chē)輛的側(cè)向動(dòng)力學(xué)模型2.1 輪胎模型 輪胎的力學(xué)模型是車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型中的一個(gè)重要組成部分，也是汽車(chē)操縱穩(wěn)定性研究的基礎(chǔ)。輪胎模型一般分為兩種，一種是理論模型，即通過(guò)對(duì)輪胎結(jié)構(gòu)和形變機(jī)制的數(shù)學(xué)描述，建立剪切力和回正力矩與相應(yīng)參數(shù)的函數(shù)關(guān)系。與之對(duì)應(yīng)的是經(jīng)驗(yàn)公式或半經(jīng)驗(yàn)公式，它是通過(guò)對(duì)大量的輪胎力特性的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，將輪胎力特性通過(guò)含有擬合參數(shù)的公式有效地表達(dá)出來(lái)。本節(jié)將主要介紹一些穩(wěn)態(tài)非線性輪胎模型。 2.1.1 Fiala 輪胎模型7、8 1954 年，德國(guó)學(xué)者 E. Fiala 提出了行駛帶理論，并由此導(dǎo)出了著名的輪胎彈性梁模型。這是最早能夠描述輪胎側(cè)偏特性的模型。輪胎構(gòu)造的模型如圖 2.1 所示。A 相當(dāng)于輪輞，可視為剛體，B 為眾多的等效彈簧，用于等效替代徑向及側(cè)向可作彈性變形的充氣內(nèi)胎和輪胎側(cè)壁等，C 相當(dāng)于薄壁的輪胎胎面基底，它連接輪胎兩側(cè)壁。D 相當(dāng)于輪胎胎面橡膠，但它不是環(huán)狀的連續(xù)體，而被視為沿輪胎周向獨(dú)立的無(wú)數(shù)彈性體。 圖 2.1 輪胎構(gòu)造的模型化 圖 2.2 輪胎變形的模型當(dāng)側(cè)向力作用于輪胎接地面時(shí)，輪胎產(chǎn)生側(cè)向變形。因?yàn)檩嗇y是剛體，不發(fā)生變形，所以首先是輪胎胎面基底產(chǎn)生側(cè)向彎曲變形。進(jìn)而，附著于輪胎胎面基底的無(wú)數(shù)的胎面橡膠在輪胎胎面基底和地面之間產(chǎn)生剪切變形，上述輪胎側(cè)向變形的情形如圖 2.2 所示。其中，將地面前后端的輪胎胎面基底的側(cè)向變形視為相等，并取連結(jié)接地面前后端輪胎胎面基底中心位置的直線為 x 軸，接地面前端垂直于 x 軸的方向?yàn)?y 鈾。因此，x 軸平行于輪胎的輪輞中心線或變形前的輪胎胎面基底中心線。這樣，x 表示沿 x 軸方向輪胎接地面與前端的距離，y 表示輪胎胎面基底偏離 x 軸的側(cè)向位移，y1表示在 0xl1范圍內(nèi)接地面中心線偏離 x 軸的側(cè)向位移，是輪胎和地面間不產(chǎn)生側(cè)向滑動(dòng)的區(qū)域；y2表示在 l1xl 范圍內(nèi)接地面中心線偏離 x 軸的側(cè)向位移，是產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)的區(qū)域。l 為接地面的長(zhǎng)度，b 為接地面的寬度。 (2.1) 定義無(wú)量綱滑移率： 為輪胎側(cè)偏角（在其余章節(jié)中表示汽車(chē)重心側(cè)滑角），K 為0 時(shí)的側(cè)偏剛度，為地面附著系數(shù)，F(xiàn)z為垂直載荷。輪胎側(cè)向力 Fy、回正力矩 M 可由下式得到： (2.2) (2.3)在實(shí)際的模擬和計(jì)算中，F(xiàn)iala 輪胎模型存在著模擬精度不高的情況，但作為輪胎模型建立的一個(gè)理論根據(jù)，F(xiàn)iala 理論是建立其它輪胎模型的基礎(chǔ)。 圖2.3 Gim 簡(jiǎn)化輪胎模型 2.1.2 G.Gim 輪胎模型9、10 19901991 年，美國(guó) Arizona 大學(xué)的韓國(guó)學(xué)者 GGim 和 P. E. Nikravesh 提出了外傾斜、側(cè)偏、縱滑同時(shí)作用下的輪胎理論模型，又稱(chēng) UA（University of Arizona）模型。這一模型主要描述單獨(dú)縱向力、橫向力以及它們之間的聯(lián)合作用力。Gim 輪胎模型是以“相互作用彈簧”概念為基礎(chǔ)，充氣輪胎本身被認(rèn)為是由一系列在半徑方向、橫向、以及縱向傳遞力的 3 維彈性元件組成,見(jiàn)圖 2.3所示。其中每個(gè) 3 維彈性元件又由 3 個(gè)中心軸線相互正交、相互作用、相互約束的彈簧組成。 這里給出純滾動(dòng)狀態(tài)下的 G . Gim 輪胎模型，首先定義縱、橫向滑（轉(zhuǎn)）移率為：定義滑移參數(shù)： (2.4) (2.5) 式(2-4)與(2-5)中的參數(shù)與 Fiala 模型類(lèi)似，只是 K 為相應(yīng)與 Fz 下的綜合側(cè)偏剛度，不再限于0 時(shí)的取值。當(dāng)時(shí)，輪胎處于滾動(dòng)狀態(tài)，其其側(cè)偏力 Fy 與回正力矩Mz為： (2.6) (2.7) G. Gim 輪胎模型的特點(diǎn)可歸結(jié)為： (1) 所需要的參數(shù)都有明確物理意義，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得，而不需要大量的力特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合； (2) 模型對(duì)橫向力和縱向力的擬合精度較高，但由于輪胎物理機(jī)制的建立過(guò)于簡(jiǎn)化，使回正力矩的計(jì)算與實(shí)驗(yàn)誤差較大。 2.1.3 Pacejka的“魔術(shù)公式”11、12 “魔術(shù)公式”是由荷蘭 Delft 工業(yè)大學(xué) H. B. Pacejka 教授提出，又稱(chēng) Delft 模型，用三角函數(shù)的組合公式擬合試驗(yàn)輪胎數(shù)據(jù)，得出了一套形式相同可完整表達(dá)縱向力、橫向力及回正力矩的輪胎模型公式。其廣義力 Y (輪胎側(cè)向力 Fy、縱向力 Fx 和回正力矩 M)的一般表達(dá)式為: (2.8) (2.9)式中：X 為廣義位移(縱向滑移率或側(cè)偏角)；D：峰值因子，表示曲線的最大值；B：剛度因子；E 表示曲線最大值附近的形狀；C：曲線形狀因子，即曲線代表的是橫向力、縱向力還是回正力矩；Sh：輪胎初始側(cè)偏角的水平方向漂移；Sv：曲線輪胎初始側(cè)偏角的垂直方向漂移。僅曲線的形狀因子 C 與載荷無(wú)關(guān)外（對(duì)于側(cè)偏力，C1.30；對(duì)于縱向力，C1.65；對(duì)于回正力矩，C2.40），其余參數(shù)都與載荷有關(guān)，可表示為： (2.10) (2.11) 橫向力零點(diǎn)處的剛度為 (2.12) 剛度因子 (2.13) 對(duì)縱向力和回正力矩則有 (2.14) 側(cè)傾角僅與曲線零點(diǎn)的水平、垂直漂移和剛度因子有關(guān)，所以?xún)H對(duì)這三個(gè)因子進(jìn)行修正，即： (2.15) (2.16) 計(jì)算側(cè)向力和回正力矩時(shí)，對(duì)剛度的修正用（1a12|）；計(jì)算回正力矩時(shí)，對(duì) E 修正用（1a13|）。 這樣，用根據(jù)數(shù)據(jù)擬合的參數(shù) ai（i1,13）就可以表達(dá)輪胎的主要力分量。H.B.Pacejka 的“魔術(shù)公式”模型有下述特點(diǎn)： 用一套公式可以表達(dá)出輪胎的力特型，統(tǒng)一性強(qiáng)，編程方便，需擬合參數(shù)較少，且各個(gè)參數(shù)都有明確物理意義，容易確定其初值； 無(wú)論對(duì)橫向力、縱向力還是自回正力矩，擬合精度都比較高； 該公式是非線性特殊函數(shù)，參數(shù)的擬合較困難，有的參數(shù)與垂直載荷的關(guān)系也是非線性的，因此計(jì)算量較大； C 值的變化對(duì)擬合的殘差影響較大。 2.1.4 郭孔輝的輪胎穩(wěn)態(tài)指數(shù)統(tǒng)一模型13 1984 年，我國(guó)一汽研究所的郭孔輝同志以 Fiala 的理論為基礎(chǔ)通過(guò)試驗(yàn)建立了側(cè)向力和回正力矩的半經(jīng)驗(yàn)“指數(shù)公式”輪胎模型，并于 1986 年根據(jù)新的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了改進(jìn)。輪胎的穩(wěn)態(tài)側(cè)向力 Fy、縱向力 Fx與回正力矩 M 可以用以下形為： (2.17) 其中:, ,。 式中：vr=|R|，為輪胎轉(zhuǎn)速，R 為輪胎的滾動(dòng)半徑，x為縱向摩擦系數(shù)，y為側(cè)向摩擦系數(shù)，Kcy為側(cè)向剛度，Ky為側(cè)偏剛度，vxy為側(cè)向滑移速度，E1為轉(zhuǎn)折系數(shù)，Dx為回正力臂， Dy為輪胎的橫向偏距，Dx0、De、D1和 D2。為于垂直載荷有關(guān)的參數(shù)，； 郭孔輝穩(wěn)態(tài)指數(shù)統(tǒng)一模型的特點(diǎn)為： 1） 模型采用無(wú)量綱的表達(dá)式，其優(yōu)點(diǎn)是由一