四輪轉(zhuǎn)向汽車的轉(zhuǎn)向特性及控制技術(shù)

1、四輪轉(zhuǎn)向汽車的轉(zhuǎn)向特性及控制技術(shù)steering behavior and control technology of four-wheel steering automobile摘要：本文分析比較了四輪轉(zhuǎn)向汽車的轉(zhuǎn)向特點，概述了電控四輪轉(zhuǎn)向汽車的結(jié)構(gòu)原理，介紹了四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制策略，指出了四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制技術(shù)所面臨的困難，并展望其發(fā)展趨勢。關鍵詞：四輪轉(zhuǎn)向；轉(zhuǎn)向特點；工作原理；控制；發(fā)展。abstract： the steering features of four-wheel steering automobile are comparatively analyzed in this p

2、aper. the structure and working principle of electronic-controlled four-wheel steering automobile are described. the control tactics of four-wheel steering system are introduced. the difficulty confronted by four-wheel steering system control technology is pointed out and its developing trend is pro

3、spected.key words： four-wheel steering; steering feature; working principle; control; development、 引言隨著現(xiàn)代道路交通系統(tǒng)和現(xiàn)代汽車技術(shù)的發(fā)展，人們對汽車的轉(zhuǎn)向操縱性能和行駛穩(wěn)定性的要求日益提高。作為改善汽車操縱性能最有效的一種主動底盤控制技術(shù)四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)，于二十世紀80年代中期開始在汽車上得到應用，并伴隨著現(xiàn)代汽車工業(yè)的發(fā)展而不斷發(fā)展。汽車的四輪轉(zhuǎn)向（four-wheel steering 4ws）是指汽車在轉(zhuǎn)向時，后輪可相對于車身主動轉(zhuǎn)向，使汽車的四個車輪都能起轉(zhuǎn)向作用。以改善汽車的轉(zhuǎn)向機動

4、性、操縱穩(wěn)定性和行駛安全性。、 四輪轉(zhuǎn)向汽車的轉(zhuǎn)向特性4ws汽車與2ws汽車轉(zhuǎn)向過程分析普通兩輪轉(zhuǎn)向汽車（2ws汽車）的前輪既可繞自身的輪軸自轉(zhuǎn)又可繞主銷相對于車身偏轉(zhuǎn)，而后輪只能自轉(zhuǎn)而不偏轉(zhuǎn)。當駕駛員轉(zhuǎn)動方向盤后，前輪轉(zhuǎn)向，改變了行駛方向，地面對前輪胎產(chǎn)生一個橫向力，通過前輪作用于車身，使車身橫擺，產(chǎn)生離心力，使后輪產(chǎn)生側(cè)偏，改變前進方向，參與汽車的轉(zhuǎn)向運動。而4ws汽車的后輪與前輪一樣，既可自轉(zhuǎn)也能偏轉(zhuǎn)。當駕駛員轉(zhuǎn)動方向盤后，前、后輪幾乎同時轉(zhuǎn)向，使汽車改變前進方向，實現(xiàn)轉(zhuǎn)向運動。2ws汽車在轉(zhuǎn)向時，前輪作主動轉(zhuǎn)向，后輪只是作被動轉(zhuǎn)向。顯然，2ws汽車在轉(zhuǎn)向過程中，從方向盤轉(zhuǎn)動到后輪參與轉(zhuǎn)

5、向運動之間存在一定的滯后時間。2ws汽車的這種相位滯后特性使汽車轉(zhuǎn)向的隨動性變差，并使汽車的轉(zhuǎn)向半徑增大。另外，2ws汽車在高速行駛時，相對于一定的方向盤轉(zhuǎn)角增量、車身的橫擺角速度和橫向加速度的增量增大，使汽車在高速行駛時的操縱性和穩(wěn)定性變差。而4ws汽車在轉(zhuǎn)向時，前、后輪都作主動轉(zhuǎn)向，在轉(zhuǎn)向過程中，靈敏度高，響應快，有效地克服了上述缺點。 4ws汽車的轉(zhuǎn)向方式 根據(jù)理論分析研究和大量路試表明，四輪轉(zhuǎn)向能夠提高汽車轉(zhuǎn)向的的機動靈活性和高速行駛時的操縱穩(wěn)定性，現(xiàn)代4ws汽車就是根據(jù)這一指導思想研制的。一般來說，4ws汽車在轉(zhuǎn)向過程中，根據(jù)不同的行駛條件，前、后輪轉(zhuǎn)向角之間應遵循一定的規(guī)律。目前，

6、典型4ws汽車前、后輪的偏轉(zhuǎn)規(guī)律一般是這樣的：（） 逆相位轉(zhuǎn)向如圖1（a）所示，在低速行駛或者方向盤轉(zhuǎn)角較大時，前、后輪實現(xiàn)逆相位轉(zhuǎn)向，即后輪的偏轉(zhuǎn)方向與前輪的偏轉(zhuǎn)方向相反，且偏轉(zhuǎn)角度隨方向盤轉(zhuǎn)角增大而在一定范圍內(nèi)增大（后輪最大轉(zhuǎn)向角一般為5左右）。這種轉(zhuǎn)向方式可改善汽車低速時的操縱輕便性，減小汽車的轉(zhuǎn)彎半徑，提高汽車的機動靈活性。便于汽車掉頭轉(zhuǎn)彎、避障行駛、進出車庫和停車場。對轎車而言，若后輪逆相位轉(zhuǎn)向5，則可減少最小轉(zhuǎn)向半徑約0.5m。（） 同相位轉(zhuǎn)向如圖1（b）所示，在中、高速行駛或方向盤轉(zhuǎn)角較小時，前、后輪實現(xiàn)同相位轉(zhuǎn)向，即后輪的偏轉(zhuǎn)方向與前輪的偏轉(zhuǎn)方向相同（后輪最大轉(zhuǎn)角一般為1左右）

7、。使汽車車身的橫擺角速度大大減小，可減小汽車車身發(fā)生動態(tài)側(cè)偏的傾向，保證汽車在高速超車、進出高速公路、高架引橋及立交橋時，處于不足轉(zhuǎn)向狀態(tài)?，F(xiàn)在，有許多4ws汽車把改善汽車操縱性能的重點放在提高汽車高速行駛的操縱穩(wěn)定性上，而不過分要求汽車在低速行駛的轉(zhuǎn)向機動靈活性。其工作特點是低速時汽車只采用前輪轉(zhuǎn)向，只在汽車行駛速度達到一定數(shù)值后（如50km/h），后輪才參與轉(zhuǎn)向，進行同相位四輪轉(zhuǎn)向。 （b）同相位轉(zhuǎn)向（a）逆相位轉(zhuǎn)向圖1 四輪轉(zhuǎn)向汽車的前、后輪偏轉(zhuǎn)規(guī)律4ws汽車的轉(zhuǎn)向特點與普通的2ws汽車相比，4ws汽車具有如下特點：優(yōu)越性： （）轉(zhuǎn)向操作的響應加快，準確性提高。（）轉(zhuǎn)向操作的輕便性和行駛

8、穩(wěn)定性提高。 （）低速時，轉(zhuǎn)彎半徑小，轉(zhuǎn)向操作的機動靈活性提高。（如圖2所示）（）超車時，變換車道更容易，減小了汽車產(chǎn)生擺尾和側(cè)滑的可能性。（）抗側(cè)向干擾的穩(wěn)定性效果好。不足性： （）低速轉(zhuǎn)向時，汽車尾部容易碰到障礙物。 （）實現(xiàn)理想控制的技術(shù)難度大。 （）轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜、成本高。 （）轉(zhuǎn)向過程中，阿克曼定理難保證。 轉(zhuǎn)彎半徑轉(zhuǎn)彎半徑（a） 2ws汽車（b） 4ws汽車圖2 低速轉(zhuǎn)向時的轉(zhuǎn)向性能比較、 四輪轉(zhuǎn)向汽車的組成及工作特性現(xiàn)代4ws汽車的基本組成及工作原理4ws汽車是在前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎上，在汽車的后懸架上安裝一套后輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，兩者之間通過一定的方式聯(lián)系，使得汽車在前輪轉(zhuǎn)向的同時，后

9、輪也參與轉(zhuǎn)向。經(jīng)過幾十年的研究與開發(fā)，已經(jīng)成型的4ws汽車類型有多種，組成、結(jié)構(gòu)不同，控制方式及工作原理也各異。典型的電控4ws系統(tǒng)主要由前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、傳感器（如轉(zhuǎn)向角度傳感器、車速傳感器、橫擺角速度傳感器等）、ecu、后輪轉(zhuǎn)向執(zhí)行機構(gòu)和后輪轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)等組成。如圖3所示，轉(zhuǎn)向時，傳感器將前輪轉(zhuǎn)向的信號和汽車運動的信號送入ecu，ecu進行分析計算，將處理后的驅(qū)動信號傳給后輪轉(zhuǎn)向執(zhí)行機構(gòu)，后輪轉(zhuǎn)向執(zhí)行機構(gòu)動作，通過后輪轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)，驅(qū)動后輪偏轉(zhuǎn)。同時，ecu進行實時監(jiān)控汽車運行狀況，計算目標轉(zhuǎn)向角與后輪實時轉(zhuǎn)向角之間的差值，來實時調(diào)整后輪的轉(zhuǎn)角。這樣，可以根據(jù)汽車的實際運動狀態(tài)，實現(xiàn)汽車的四輪

10、轉(zhuǎn)向。一般的4ws汽車設有兩種轉(zhuǎn)向模式，既可進入4ws狀態(tài)，也可保持傳統(tǒng)的2ws狀態(tài)，駕駛員可通過駕駛室內(nèi)的轉(zhuǎn)向模式開關進行選擇。當4ws汽車在行駛過程中電子控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，后輪自動回到中間位置，汽車自動進入前輪轉(zhuǎn)向狀態(tài)，保證汽車像普通前輪轉(zhuǎn)向汽車一樣安全地行駛。同時，儀表板上的“4ws”指示燈亮，警告駕駛員，故障情況被存儲在ecu中，以便于維修時檢碼。 轉(zhuǎn)向模式開關前輪轉(zhuǎn)角傳感器后輪轉(zhuǎn)角傳感器車速傳感器橫擺角速度傳感器ecu后輪轉(zhuǎn)向執(zhí)行機構(gòu)后輪轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)后輪后輪轉(zhuǎn)角 圖3 4ws控制系統(tǒng)工作原理圖轉(zhuǎn)向模式指示燈4ws汽車后輪轉(zhuǎn)向裝置的類型隨著對4ws這一領域研究的不斷進展，出現(xiàn)了多種不

11、同轉(zhuǎn)向要求、不同結(jié)構(gòu)型式和不同控制策略的實用4ws系統(tǒng)。按控制后輪轉(zhuǎn)向的方法，后輪轉(zhuǎn)向裝置主要可分為轉(zhuǎn)角隨動型和車速感應型兩種。轉(zhuǎn)角隨動型轉(zhuǎn)角隨動型四輪轉(zhuǎn)向裝置的工作特點是后輪偏轉(zhuǎn)受前輪偏轉(zhuǎn)控制，作被動轉(zhuǎn)向，即后輪偏轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)角大小受方向盤轉(zhuǎn)動的方向和轉(zhuǎn)角大小的控制（如圖4所示）。結(jié)構(gòu)上通過一根后輪轉(zhuǎn)向傳動軸將前、后輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)相連，一般都采用機械式傳動和人力直接控制。早期應用在軍用車輛、工程車輛上的4ws系統(tǒng)、裝于本田prelude轎車上的4ws系統(tǒng)就是采用全機械式的轉(zhuǎn)角隨動型四輪轉(zhuǎn)向裝置。這種4ws系統(tǒng)存在一定的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和動態(tài)控制的局限性，尤其在高速急轉(zhuǎn)彎時，使汽車的操縱穩(wěn)定性惡化，在現(xiàn)代的

12、4ws系統(tǒng)中已很少采用。 圖4 一種4ws汽車前、后輪轉(zhuǎn)角之間的關系前輪后輪方向盤轉(zhuǎn)角（）3020100-10200400車輪轉(zhuǎn)角（）車速感應型車速感應型四輪轉(zhuǎn)向裝置的工作特點是后輪偏轉(zhuǎn)的方向和轉(zhuǎn)角大小主要受車速高低的控制（如圖5所示），在轉(zhuǎn)向過程中，同時還受前輪轉(zhuǎn)角、側(cè)向加速度、橫擺角速度等動態(tài)參數(shù)的綜合控制作用。結(jié)構(gòu)上有全液壓式、電控液壓式、電控機械液壓式和電控電動式等幾種類型。這種4ws系統(tǒng)綜合考慮了汽車的各種動態(tài)參數(shù)對汽車轉(zhuǎn)向行駛過程中的操縱穩(wěn)定性的影響，動態(tài)模擬控制效果好，是目前4ws汽車上主要采用的四輪轉(zhuǎn)向裝置。圖5 一種4ws汽車后輪轉(zhuǎn)角與車速之間的關系后輪轉(zhuǎn)角（）車速（km/h

13、）逆相位同相位-55010050、 四輪轉(zhuǎn)向汽車的控制4ws系統(tǒng)既要實現(xiàn)汽車轉(zhuǎn)向時所需的運動，又要保證汽車轉(zhuǎn)向時的行駛穩(wěn)定性。目前，在4ws汽車的研究和開發(fā)方面，主要是以改善汽車的瞬態(tài)操縱穩(wěn)定性為出發(fā)點，探索由于后輪參與轉(zhuǎn)向而帶來的汽車響應變化，以及采用各種后輪控制策略而產(chǎn)生的不同效果。汽車四輪轉(zhuǎn)向的控制依賴于輪胎所受的側(cè)向力，四輪轉(zhuǎn)向能使汽車在轉(zhuǎn)向時，后輪直接參與對汽車橫擺運動和側(cè)向運動的控制。通過適時、精確地控制后輪的轉(zhuǎn)向角度，不僅可縮短轉(zhuǎn)向過程的瞬態(tài)響應，而且能主動地控制汽車的運動軌跡和姿態(tài)。在轉(zhuǎn)向過程中，使汽車的前進方向與其縱向中心線的方向一致，即使得汽車的方向角與姿態(tài)角重合，減小轉(zhuǎn)向

14、時車體的側(cè)偏，提高了汽車的側(cè)向穩(wěn)定性。 控制目標使汽車在轉(zhuǎn)向時能夠基本保持汽車重心側(cè)偏角為零。這樣能夠大幅度提高汽車對方向盤輸入的動態(tài)響應特性，很大程度上改善了橫擺角速度和側(cè)向加速度的瞬態(tài)性能指標，降低車身姿態(tài)的變化。從側(cè)偏角為零的目標出發(fā)，按照一定的控制程序?qū)С龊筝嗈D(zhuǎn)向函數(shù)是實現(xiàn)四輪轉(zhuǎn)向的基礎。當然，現(xiàn)代的4ws汽車也有一些其它控制目標的要求。 控制策略的模型基礎一般情況下進行的4ws系統(tǒng)的研究都是基于一個簡單的二自由度線性車輛模型。這只是一種理想化的數(shù)學模型，在建模時忽略了汽車的一些動力學參數(shù)的變化，沒有考慮汽車行駛過程中產(chǎn)生的許多隨機的、不確定因素，因而不是非常精確的。早期的4ws控制器

15、設計都是基于跟隨線性動力學方程的假設，但由于上述原因，使得所設計的控制系統(tǒng)不一定滿足實際的需要，無法保證汽車轉(zhuǎn)向時的操縱穩(wěn)定性。 控制方法不同的汽車對轉(zhuǎn)向行駛性能的要求不同，不同車型的4ws汽車的車輪偏轉(zhuǎn)規(guī)律也不一樣。因此，不同的4ws汽車所采用的控制方法不盡相同，各種控制方法分別有其側(cè)重點。目前，一用在一些成型的4ws汽車上的控制方法主要有：（）定前、后輪轉(zhuǎn)向比的4ws系統(tǒng)。（）前、后輪轉(zhuǎn)向比是前輪轉(zhuǎn)角函數(shù)的4ws系統(tǒng)。（）前、后輪轉(zhuǎn)向比是車速函數(shù)的4ws系統(tǒng)。（）具有一階滯后的4ws系統(tǒng)。（）具有反相特性的4ws系統(tǒng)。（）具有最優(yōu)控制特性的4ws系統(tǒng)。（）具有自學習、自適應能力的4ws系統(tǒng)

16、。前五種控制系統(tǒng)屬于古典控制理論范疇，只能滿足汽車在某些特定條件下的需要，還不能適應汽車運動的隨機變化，隨著計算機技術(shù)和一些先進控制理論的發(fā)展，4ws系統(tǒng)將朝著自適應、智能化的方向發(fā)展。4ws系統(tǒng)控制技術(shù)的發(fā)展目前，對于4ws汽車的研究和開發(fā)仍處于不斷發(fā)展和完善階段。盡管科研人員從結(jié)構(gòu)到控制原理上對四輪轉(zhuǎn)向進行了大量的研究，4ws技術(shù)已取得不少進展。但是，在運用現(xiàn)代控制理論進行汽車轉(zhuǎn)向控制策略的確定和控制方法的選擇時，主要是依靠經(jīng)驗，相應的理論依據(jù)還很缺乏，4ws技術(shù)沒有真正步入普及應用階段，在商用汽車上沒有得到廣泛應用。在技術(shù)相對成熟的4ws汽車中，大多數(shù)采用電控液壓動力4ws系統(tǒng)。隨著電子

17、技術(shù)的飛速發(fā)展，計算機技術(shù)在汽車中的廣泛應用，電控電動4ws系統(tǒng)將是4ws汽車的發(fā)展趨勢。雖然在4ws系統(tǒng)的研究和開發(fā)方面已經(jīng)取得了很大的發(fā)展，但是，作為4ws系統(tǒng)的核心技術(shù)問題4ws系統(tǒng)控制器的設計，究竟以什么作為最佳的控制目標？采用什么樣的控制方法？在該研究領域仍然沒有較為一致的看法。前已述及，早期進行的4ws系統(tǒng)的研究都是基于一個簡單的二自由度線性車輛模型，4ws控制器設計都是基于跟隨線性動力學方程的假設，采用pid控制策略。我們知道，4ws系統(tǒng)的控制主要依賴于輪胎所受的橫向力。早期的研究是將汽車輪胎看成線性進行建模的，一般的4ws控制也就基于輪胎所受的橫向力比例于車輪側(cè)偏角的假設，這種

18、假設只是在橫向加速度較小的范圍內(nèi)有效。當在橫向加速度較大的范圍內(nèi)時，輪胎的側(cè)偏特性將進入非線性區(qū)域，輪胎側(cè)偏角對輪胎所受橫向力的響應不再呈比例關系，與輪胎所受的縱向力、垂直載荷等都有關系。實際上，汽車在轉(zhuǎn)彎行駛時，輪胎基本上都工作在非線性區(qū)域。此時，再用線性控制理論來進行研究，就顯得勉為其難。4ws汽車操縱動力學問題是非常復雜的非線性多體動力學問題，對于4ws控制系統(tǒng)的研究應綜合考慮汽車的運動情況，深入研究影響其狀態(tài)響應的各種動力學參數(shù)，建立模擬汽車實際運動情況的數(shù)學模型，采取更有效的控制策略。隨著控制技術(shù)的不斷發(fā)展，一些先進的現(xiàn)代控制方法已經(jīng)被應用于4ws系統(tǒng)的控制研究中，如最優(yōu)控制、自適應

19、控制、滑?？刂?、魯棒控制等，近年來，又出現(xiàn)了模糊控制、基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡理論的控制方法等。對4ws控制系統(tǒng)的研究逐漸從線性領域向非線性領域過渡，一些多自由度的4ws汽車動力學模型已有提出，但大多處于研究的初級階段，尚不成熟。未來對4ws系統(tǒng)的研究的發(fā)展趨勢主要集中為：（）進一步研究、開發(fā)新型的后輪轉(zhuǎn)向執(zhí)行機構(gòu)和后輪轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)，提高轉(zhuǎn)向時的操縱輕便性、靈活性和轉(zhuǎn)向角度的準確性。（）針對4ws系統(tǒng)，進一步開發(fā)、設計高性能、高精度、高靈敏度的傳感器，以便于正確地檢測汽車的運動信號。（）深入研究轉(zhuǎn)向過程中輪胎的瞬態(tài)特性，將其作為主要因素加入到4ws系統(tǒng)的數(shù)學模型中。（）將先進的控制理論與控制方法應用于4w