基于Matlab的四輪主動轉向系統(tǒng)設計與仿真

1、基于 Matlab 的四輪主動轉向系統(tǒng)設計與仿真摘 要四輪轉向系統(tǒng)的主要功能是提高汽車在高速行駛時或者在側向風力干擾下的操縱穩(wěn)定性，改善低速時的轉向輕便性，以及減少調頭時的轉彎半徑。本文利用三維軟件，建立了四輪轉向汽車三維模型。根據(jù)二自由度四輪轉向汽車模型的運動方程，給出橫擺角速度、側向加速度與前輪轉角的傳遞函數(shù)，并根據(jù)四輪轉向車輛的控制策略進行運動學仿真。仿真結果表明，與 2WS 車輛相比，無論是使用哪種控制方式的 4WS 車輛的各狀態(tài)量的時域瞬態(tài)性能指標都得到很大改善， 超調量降低， 振蕩減緩， 反應加快；在頻域響應方面，4WS 車輛各相位的超前和滯后均有不同程度緩和， 這方面定前后輪轉向

2、比控制的 4WS 車輛的表現(xiàn)更好。而幅頻響應，總體上橫擺率跟蹤控制的 4WS 車輛的諧振峰更小，失真降低。關鍵詞：四輪主動轉向；操縱穩(wěn)定性；建模仿真；Matlab- I -Design and Simulation of Four-wheel Steering System Based on MatlabAbstractThe main function of the four-wheel steering is to enhance the handling stability when the vehicle is at a high speed or against the wind.

3、And the handling light-performance at a low speed can being improved by it，which can reduce the steering radii and make the vehicle safer too.In this paper, three-dimensional model of 4WS is built. According to the equations of 2DOF four-wheel steering vehicle model，when lateral acceleration and yaw

4、 rate to the front wheel steering angle are given , the dynamics simulation can be accomplished according to the control strategies of 4ws. The results of simulation show that the 4WS performance in the time domain is better than the 2WS.The maximum overshoot of the4WS is lower, and the response tim

5、e and steady state time of the 4WS are shorter. On the other hand, in the frequency domain the leading or lagging of each phase position get mitigated .The harmonic peak and the distortion of the 4ws with following yaw rate algorithm are smaller than the 2WS.Key Words: four-wheel steering system; ha

6、ndling and stability; modeling and simulation; Matlab- II -目錄- IV -摘 要IAbstractII第 1 章 緒論11.1 研究意義和背景11.2 國內外研究現(xiàn)狀概述21.2.1 歷史與現(xiàn)狀21.2.2 發(fā)展趨勢51.2.3 四輪轉向的特點51.3 本論文主要研究內容8第 2 章 四輪轉向系統(tǒng)結構設計92.1 四輪轉向系統(tǒng)分類92.2 系統(tǒng)設計102.2.1 方向盤122.2.2 前輪轉向器122.2.3 連接軸132.2.4 后輪轉向器142.2.5 轉向樞軸152.2.6 轉換器162.2.7 橫拉桿172.2.8 轉向節(jié)18

7、2.2.9車輪192.2.10總裝192.3 本章小結20第 3 章 四輪轉向系統(tǒng)的控制方式223.1 常見控制方式223.1.1 定前后輪轉向比四輪轉向系統(tǒng)223.1.2 前后輪轉向比是前輪轉角函數(shù)的四輪轉向系統(tǒng)233.1.3 前后輪轉向比是車速函數(shù)的四輪轉向系統(tǒng)233.1.4 具有一階滯后的四輪轉向系統(tǒng)243.1.5 具有反相特性的四輪轉向系統(tǒng)243.1.6 具有最優(yōu)控制特性的四輪轉向系統(tǒng)243.1.7 具有自學習、自適應能力的四輪轉向系統(tǒng)253.2 控制方式的選取273.3 本章小結28第 4 章 數(shù)學模型的建立294.1 前輪轉向汽車的兩自由度模型294.1.1 車輛固定坐標系的建立2

8、94.1.2 前輪轉向汽車兩自由度模型314.2 4WS 車輛的二自由度模型324.3 四輪轉向系統(tǒng)的模型分析364.4 本章小結38第 5 章 仿真及分析395.1 Matlab 及 Simulink 軟件介紹395.1.1 1Matlab 簡介395.1.2 Simulink 簡介405.2 4WS 車輛的 Simulink 建模405.3 仿真及結果分析435.3.1 前后輪轉角435.3.2 瞬態(tài)響應445.3.3 頻率響應485.4 本章小結50結論51致謝52參考文獻53第 1 章 緒論1.1 研究意義和背景隨著現(xiàn)代道路交通系統(tǒng)的發(fā)展，現(xiàn)代汽車的速度也越來越高，客觀上要求汽車具有更

9、快的跟隨駕駛員指令的反應能力，而四輪轉向技術正在被作為一種有效手段應用于改善汽車的操縱穩(wěn)定性，尤其是在中高速范圍內，通過適當控制后輪轉角，可以從根木上避免由于輪胎側偏特性而產(chǎn)生的過多轉向現(xiàn)象的發(fā)生，提高了汽車高速行駛的安全性，另外，以相同的方向轉動后輪，車輛能夠產(chǎn)生后輪滑動角而不需要車輛側偏角，這樣就可以消除轉向輸入與后輪側向力之間的時間滯后，從而減少車輛達到穩(wěn)態(tài)轉向所需的時間，改善了汽車轉向的瞬態(tài)響應。由于采用四輪轉向技術有著良好的前景，在國外四輪轉向技術用于高速車輛己成為一種趨勢，國內汽車行業(yè)對高速車輛的四輪轉向技術已作了多年研究，然而至今沒有一臺定型轎車采用這一技術。轉向系統(tǒng)的好壞直接影

10、響到汽車的操縱穩(wěn)定性、轉向輕便性和工作效率，因此轉向系統(tǒng)的設計是汽車設計中很重要的一個部分。常見四輪汽車的轉向都是控制器輸入轉向力矩，從而帶動前輪的轉動來實現(xiàn)，前輪肯定是轉向輪。前輪轉動后，車身方向跟著改變，無轉向的后輪與車身的行進方向產(chǎn)生差距，產(chǎn)生偏離角，從而發(fā)生轉彎力，產(chǎn)生轉向。因此，前輪轉動動作開始后，后輪才開始轉向，車身轉動方向變大，穩(wěn)定性差。由于現(xiàn)代工作環(huán)境的要求，汽車的速度越來越高，車身的操縱穩(wěn)定性直接關系著整個系統(tǒng)的安全性，客觀上要求汽車具有更快的跟隨控制器指令的反應能力，因此，四輪轉向(4WS)技術應運而生，正在被作為一種有效手段應用于改善汽車的操縱穩(wěn)定性。首先在中高速范圍內，

11、通過適當控制后輪轉角，可以從根本上避免由于輪胎側偏特性而產(chǎn)生的過度轉向現(xiàn)象的發(fā)生，提高了汽車高速行駛的安全性;其次，運用 4WS 技術，還可以有效地減小低速行駛時汽車的轉彎半徑，使汽車在低速行駛時更加靈活;另外，以相同的方向轉動后輪，汽車能夠產(chǎn)生后輪滑動角而不需要側偏角，這樣就可以消除轉向輸入與后輪側向力之間的時間滯后，從而有效減少車身到達穩(wěn)態(tài)轉向所需的時間，大大地改善了轉向的瞬態(tài)響應。- 54 -進入二十一世紀，正在開展新一輪的開發(fā)經(jīng)濟實用四輪轉向系統(tǒng)的熱潮。例如美國 Ford 公司正在開發(fā)用于前、后軸距較長的家庭轎車的四輪轉向系統(tǒng)以提高其機動性和操縱穩(wěn)定性。傳統(tǒng)的二輪轉向汽車有低速時轉向響

12、應慢，轉向不靈活，高速時方向穩(wěn)定性差等缺點。相比之下，四輪轉向汽車的主要優(yōu)點在于，在轉向時能夠基本保持重心側偏角為零，且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向加速度的瞬態(tài)性能指標，在高速行駛時能迅速改變車道，車身又不致產(chǎn)生大的擺動，減少了產(chǎn)生擺尾的可能性，使司機更容易控制汽車的姿態(tài)。另外在低速時能夠減小汽車的轉彎半徑，使汽車在低速時更加靈活。1.2 國內外研究現(xiàn)狀概述1.2.1 歷史與現(xiàn)狀其實四輪轉向技術并不是新近興起的最新技術，在上世紀八十年代的馬自達 602 轎車及 GM Blazer XT 一 1 概念車都曾經(jīng)采用。4WS 系統(tǒng)按其發(fā)展可以大致分為

13、以下三個階段:1) 20 世紀初至 20 世紀 80 年代中期這一階段主要是 4WS 系統(tǒng)的萌芽和初步應用。在上世紀初，人們就設想通過采用前后輪同時轉向的辦法來減小汽車轉彎時的轉彎半徑。1907 年，日本政府頒發(fā)了一個關于四輪轉向系統(tǒng)的專利，這種結構通過一根軸將前后輪的轉向機構連接起來。當車輛低速行駛轉向時，后輪與前轉向輪反相轉向來獲得較小的轉彎半徑，以提高車輛的機動靈活性，故這種結構最初應適用于對車輛的機動性要求高的軍用車輛和工程車輛。2) 20 世紀 80 年代后期至 20 世紀 90 年代后期這一階段主要是純 4WS 系統(tǒng)的快速發(fā)展及應用。隨著對車輛動力學研究的深入，尤其是認識到 4WS

14、 系統(tǒng)對提高車輛高速行駛的操縱穩(wěn)定性有重要意義，世界各大汽車公司加大了對該項技術的研究與開發(fā)，尤以日本的研發(fā)引人矚目。Mazda 公司于 1987 年率先研制出車速感應式 4WS 系統(tǒng)并裝備轎車。之后，各大汽車公司和科研院所依據(jù)當時的科技水平，就結構形式和控制策略研究出形式各異的 4ws 系統(tǒng)。4ws 系統(tǒng)類型的劃分也主要依據(jù)這一階段的有關產(chǎn)品。3) 20 世紀 90 年代末期至今從 90 年代末，隨著控制技術的發(fā)展，又展開了新一輪四輪轉向汽車的熱潮。國外一些大汽車制造商已經(jīng)在一些汽車上應用了原型轉向系統(tǒng)。雖然大公司的四輪轉向系統(tǒng)的控制方式及工作原理各異并各有所長，但其中由美國通用汽車公司與德

15、爾福公司聯(lián)合開發(fā) QUADRASTEER 四輪轉向系統(tǒng)為汽車生產(chǎn)商使用的經(jīng)驗證的可靠技術提供了更高價值的改進方案。QUADRASTEERTM 四輪轉向系統(tǒng)，是通過安裝在后軸殼體內的電控電機驅動執(zhí)行器(類似轉向齒條)來控制后輪的轉向動作，其控制指令的生成源自傳感器與復雜的電子控制單元 ECU。QUADRASTEERTM 系統(tǒng)的后輪轉向應用最新的汽車電子技術一線控技術(Steer by Wire)，與機械式拉桿操縱方式不同，從而它大大地增強轎車在高速行駛或者在側向風力作用下的操縱穩(wěn)定性，改善了低速時的操縱輕便性，以及減少調頭時的轉彎半徑。該系統(tǒng)低成本、輕重量和模塊驅動的特點使得它可以靈活地和各種不

16、同的懸掛配置結合運用。運用 QUADRASTEERTM 四輪轉向系統(tǒng)的動態(tài)運算法，可幫助用戶實現(xiàn)許多具體操縱性能。例如:實現(xiàn)駕駛性能和操縱性能的平衡QUADRASTEER 能運用改進的車輛動力學來平衡駕駛性能和操縱性能。使汽車操縱在保證安全的同時仍能提供更優(yōu)的駕駛和操縱性能。四輪轉向使車輛的偏航和單邊動力相分離，這給底盤設計專家們提供了更大的空間來更好地控制車輛狀態(tài)。QUADRASTEER 能夠與最先進的運算系統(tǒng)結合在一起，通過主動后輪轉向(即直接根據(jù)方向盤操舵角控制后輪主銷傾角以更有效控制車輛轉向的系統(tǒng))來增加動態(tài)安全。德爾福的 QUADRASTEER 四輪轉向系統(tǒng)可以在不同速度、各種復雜的

17、路況下，都能夠幫助車輛避免過度轉向或是轉向不足，但又不會使車輛減速。即使是緊急路況改變或模擬機動實驗，后輪轉向都能使這些情況變得更易于預見，更易于處理，從而使駕駛員能夠應付自如。實現(xiàn)主動安全主動安全技術指能改善車輛操縱靈活性和穩(wěn)定性的技術。主要包括: 4ws(Four wheel steering ，四輪轉向)、4WD(Four Wheel Driving，四輪驅動) 、 ECS(Electric Control Suspension ， 主動懸掛) 、 ABS(Anti-lock Braking System ， 防抱死系統(tǒng))、ASR(Anti-slip Regulation ， 防滑驅動系

18、統(tǒng))、VSC(Vehicle Stability Control ， 車輛操縱穩(wěn)定性系統(tǒng))、CCS(Cruise Control System ，巡航控制系統(tǒng))、DYE(Direct Yaw-moment control，直接橫擺力矩控制)等的綜合控制系統(tǒng)。其中，汽車四輪轉向技術是改善汽車轉向操縱性能的手段之一，是目前車輛穩(wěn)定性主動安全技術中最先進的技術之一。QUADRASTEER 可以和受控制動整合在一起， 與單獨的剎車系統(tǒng)相比，它能為車輛穩(wěn)定性提供更加有效的系統(tǒng)解決方案。通過整合，這些系統(tǒng)可在車輛緊急剎車時提供其所需的即時后輪轉向控制和混合制動，這就使車輛減速減少到最小，從而使駕駛員更易于

19、處理路面事件。此外，因為是由轉向系統(tǒng)直接控制方向而一讓制動系統(tǒng)來控制車輛減速，所以在打滑或是混合路面(如冰雪)上行駛時，就能穩(wěn)定地縮短剎車停止距離。通過改進操縱性和偏航的穩(wěn)定性，QUADRASTEER 彌補并擴大了剎車穩(wěn)定性控制對車輛動力學的影響，就使得駕駛者在享受舒適駕駛和優(yōu)越操縱性能的同時，保證了主動安全性。保持傳統(tǒng)的優(yōu)點傳統(tǒng)的四輪轉向系統(tǒng)的優(yōu)點在轎車的應用上也同樣得以保留。在城市中駕駛或是泊車時，QUADRASTEER 可以有效減少車輛的轉彎半徑，而當牽引或是拖拉其它車輛時，QUADRASTEER 亦可以和專門的運算系統(tǒng)相結合，提供更佳的操縱性和安全性。QUADRASTEER 系統(tǒng)主要由

20、四大部件組成，其中包括:轉向角度傳感器、一可轉向后軸、電控電機驅動執(zhí)行器及控制單元 ECU。QUADRASTEER 系統(tǒng)配備了兩個傳感器，其中一個安裝在轉向柱上， 用以檢測轉向盤的轉向角度;另一個安裝在變速器上， 用一于提供車速信號。這兩個傳感器的信號都能及時傳遞至 ECU。ECU 是包含兩個具有10MHz 運行速度及 128k 內存的微處理器的集成單元。每個微處理器根據(jù)轉向及車速傳感器的輸入信息進行獨立運算，同時激活系統(tǒng)自檢功能以確定系統(tǒng)的自身功能是否正?？谌缓?，ECU 通過比較微處理器的計算數(shù)據(jù)，來確定轉向指令是否正確地執(zhí)行。根據(jù)不同的車速，QUADRASTEER 系統(tǒng)轉向后輪具有三種轉向

21、動作:異相(Out of Phase/Negative phase) 、中立(Neutral) 和同相(In Phase/Positive Phase)。當車速低于 64km/h 時，系統(tǒng)進行異相動作，即前輪與后輪的轉向相反，異相角度最大可達 12。，隨著車速不斷提高，后輪轉向的角度逐漸減少。當車速達到 64km/h 時，后輪轉向角度為 O，即系統(tǒng)達到了后輪轉向的轉換點(Crossover Point)。當車速超過 64km/h 時，系統(tǒng)進行同相動作，即后輪與前輪的轉向相同即。1.2.2 發(fā)展趨勢目前，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。盡管科研人員從結構到控制原理上對四輪

22、轉向進行了大量的研究，4WS 技術己取得不少進展。但是，在運用現(xiàn)代控制理論進行汽車轉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 技術沒有真正步入普及應用階段，尤其在商用汽車、重型運輸汽車上還沒有得到廣泛應用。但通過各方面資料及有關數(shù)據(jù)顯示四輪轉向憑借它自身的優(yōu)勢，在不久的將來定會有長足的發(fā)展，逐步取代二輪轉向，使汽車工業(yè)向前邁出堅實的一步。未來對 4ws 系統(tǒng)的研究發(fā)展趨勢主要集中為:1) 進一步研究、開發(fā)新型的后輪轉向執(zhí)行機構和后輪轉向傳動機構，提高轉向時的操縱輕便性、靈活性和轉向角度的準確性。2) 針對 4ws 系統(tǒng)，進一步開發(fā)、設計高性能、高精度、

23、高靈敏度的傳感器，以便正確地檢測汽車的運動信號。3) 深入研究轉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。4) 將先進的控制理論與控制方法應用于 4WS 控制器的研究中。5) 從主觀評價出發(fā)，考慮閉環(huán)綜合性能指標，將“人一車一路”看成一個系統(tǒng)。6) 基于新控制理論的全主動 4WS(四個車輪根據(jù)駕駛員操縱信息和車輛行駛信息分別獨立進行轉向動作)系統(tǒng)。7) 把 4ws 技術與其它主動安全技術(如 4WD、ABS、ASR、VSE、DYC 等相結合，實現(xiàn)汽車主動底盤技術的綜合控制，這是主動控制 4WS 系統(tǒng)研究的長期1.2.3 四輪轉向的特點四輪轉向汽車與二輪轉向汽車相

24、比，四輪轉向汽車有如下優(yōu)點: 1)低速轉彎性能四輪轉向汽車在低速轉彎時， 轉向半徑小， 汽車的靈活性高。低速時，在后輪上附加一個與前輪轉角方向相反的轉角，可以減小車輛的轉彎半徑。這就是說，4WS 車輛可以很輕松地通過 2WS 車輛需多次反復倒車才能通過的地方。汽車在低速旋轉時，車輛行進方向與輪胎方向大概可視為一致，在各輪大部份不會產(chǎn)生旋轉向心力。四輪行進方向的垂直線會交于一點，車輛就以該點為中心(旋轉中心)旋轉。請參閱圖 1-1 低速旋轉時之行車軌跡，二輪轉向汽車前輪轉向時，因為后輪不轉向，旋轉中心差不多在后軸的延長線上。圖 1-1 汽車轉向中心4WS 車的情形，是把后輪逆相轉向，旋轉中心比

25、2WS 車更靠近車輛， 亦即回轉半徑較小。在低速旋轉，前輪轉向角若相同，則 4WS 車的回轉半徑可較小，低速轉彎性能良好，內輪差也可縮小。2)中高速旋轉性能四輪轉向汽車在高速行駛時，能迅速改變車道，而車身又不致產(chǎn)生大的擺動，減少了擺尾產(chǎn)生的可能性，使駕駛者更容易控制汽車的姿態(tài)。直線行駛的汽車轉彎時，由車輛的質心點變化行進方向的公轉，與該質心點周圍的車輛自轉兩種運動合成來進行。圖 1-2 表示 2WS 車高速旋轉時的車輛狀況。首先，若前輪進行轉向，前輪胎就產(chǎn)生側偏角a ，并產(chǎn)生旋轉向心力，車身開始自轉。結果，使車身偏向后輪也產(chǎn)生滑動角 b ，后輪也產(chǎn)生旋轉向心力，四輪的力量就分擔自轉與公轉力，隨

26、著取得平衡進行旋轉?？墒撬俣扔呦蛐牧υ龃?，因此取得平衡之旋轉向心力也不得不增大， 給予前輪更大的側偏角不得不產(chǎn)生更大的旋轉向心力，而且，因為后輪也會給與相似的側偏角，就發(fā)生使車身產(chǎn)生更大的自轉運動的必要性。可是，速度愈高更增加車身自轉運動的不穩(wěn)定性，容易產(chǎn)生車輛旋轉或側滑。圖 1-2 2WS 車高速轉彎時的行駛狀況圖 1-3 4WS 車高速旋轉時與 2WS 車對比理想的高速度旋轉運動，應使車身方向與車輛行進方向盡量一致，以抑制多余的自轉運動，使前后輪能產(chǎn)生充分的旋轉向心力。如圖 1-3 所示， 在 4WS 車中，使后輪同相轉向后輪也產(chǎn)生滑動角a ，使與前輪的旋轉向心力平衡以抑制自轉運動。結果

27、，使車身方向與車輛行進方向一致就可期待穩(wěn)定的旋轉。1.3 本論文主要研究內容本文主要內容是利用 Matlab 對四輪主動轉向系統(tǒng)進行建模及放真，在次之前要對四輪主動轉向系統(tǒng)進行基本的結構設計，并利用三維建模軟件進行基本建模。具體工作內容如下：(1) 進行四輪主動轉向系統(tǒng)基本結構設計，并利用 Catia 軟件進行基本建模，體現(xiàn)其主要結構組成。(2) 建立了 4WS 的車輛二自由度模型，分析了線性二自由度汽車模型對前輪角輸入的響應，推導出了前后輪前饋和反饋組合控制方式的 4WS 車輛的傳遞函數(shù)和狀態(tài)空間方程。(3) 確定控制策略，利用 Matlab 中 Simulink 工具進行仿真，對前輪轉向和

28、四輪轉向的仿真結果進行對比研究。第 2 章 四輪轉向系統(tǒng)結構設計本設計主要考慮四輪轉向系統(tǒng)的結構組成，在三維建模中使用的具體尺寸等參數(shù)可根據(jù)實際情況當量確定。2.1 四輪轉向系統(tǒng)分類目前四輪轉向裝置己將機械、液壓、電子、傳感器及微處理機控制技術緊密結合在一起，在很大程度上改善轎車的轉向特性，提高操縱穩(wěn)定性。四輪轉向系統(tǒng)按其結構大致可分為:機械式、液壓式、電動式等:l)機械系統(tǒng)本田公司最早在它們的第 3 代 4WS 轎車上安裝了該系統(tǒng)。它同時具有同相位和逆相位轉向功能。該系統(tǒng)的工作原理很容易理解，它是根據(jù)方向盤的轉角進行控制的，利用后輪齒輪轉向機構中的偏心軸、行星齒輪等部件的工作來實現(xiàn)同相位和逆

29、相位的轉向。后輪的轉向運動只是在前輪轉動時才有。后輪齒輪轉向機構在方向盤角度約為 120 度時，同相位轉角達到最大角度，然后后輪逐漸恢復直線行駛狀態(tài);當方向盤約為 240 度時，后輪重新回到直線行駛狀態(tài)。當方向盤角度繼續(xù)增大，后輪就會向與前輪反方向轉動。該系統(tǒng)利用了隨著車速的提高，駕駛員轉動方向盤的角度變小的操縱特點， 實現(xiàn)了前后輪的同時轉向，結構簡單，成本低，但是它也存在不可避免的問題，就是無法根據(jù)車速進行精確的控制。2) 液壓系統(tǒng)液壓 4WS 系統(tǒng)可以采用液壓控制和電子控制 2 種方式。轉動方向盤產(chǎn)生的轉向液壓被傳到控制后輪的控制閥上，使滑閥移動，從而控制油泵的油路把液壓傳至后輪轉向的動力

30、缸，實現(xiàn)液壓推動后輪轉向。后輪的轉向角還可根據(jù)行駛速度產(chǎn)生不同的液壓，當停車時，油泵不產(chǎn)生油壓，后輪不轉向; 隨著車速的提高，液壓升高，后輪便可轉向。另外還可以根據(jù)路面的阻力大小來實現(xiàn)對后輪轉向角的控制。電子控制式的轉向條件是由裝在車上的角位移、角速度傳感器來檢測轉向角、轉向角速度等參數(shù)。液壓系統(tǒng) 4WS 的問題是需要專門設計一套油路及密封。3) 電動系統(tǒng)電子控制電動系統(tǒng)的前輪就是普通的機械轉向，后輪的轉向是由裝在后輪的電機來實現(xiàn)的，后輪的轉向角由計算機控制?？刂坪筝喌挠嬎銠C通過檢測轉向角、轉向角速度、轉向角加速度等參數(shù)來監(jiān)視汽車的轉向狀況，它根據(jù)方向盤的操作狀態(tài)及車速，計算出后輪的目標轉向角

31、，向電機輸入電流使后輪轉向，并且可以實時監(jiān)視汽車狀況來計算目標轉向角與后輪的實際轉向角之間的差來實時調整后輪的轉角。2.2 系統(tǒng)設計圖 2-1 為電控 4WS 系統(tǒng)圖。前后的轉向機構是機械方式連接,轉向盤的轉動通過前轉向齒輪箱(齒輪齒條式)中的齒條帶動轉向橫拉桿左右移動,使前輪產(chǎn)生轉向,同時小齒輪的旋轉輸出通過通過連接軸由輸入小齒輪傳給后轉向齒輪箱,經(jīng)過轉向樞軸和 4WS 轉換器實現(xiàn)后輪轉向.圖 2-1電控 4WS 系統(tǒng)圖本系統(tǒng)主要由方向盤、前輪轉向機構、連接軸、后輪轉向機構以及電氣設備組成。圖 2-2 為電控四輪轉向系統(tǒng)裝配圖(a) 側視圖(b) 俯視圖圖 2-2 電控四輪轉向系統(tǒng)裝配圖2.

32、2.1 方向盤選擇轉向盤直徑時，應考慮與汽車類型和大小相適應。乘用車的轉向盤參考直徑為 400mm，所以本次設計采用 400mm 直徑的方向盤。如圖 2-3。圖 2-3 方向盤2.2.2 前輪轉向器根據(jù)設計要求，前輪可采用齒輪齒條式轉向器。與普通齒輪齒條轉向器相比，多了一條向后傳動的連接軸。如圖 2-4 所示。(a) 裝配圖(b) 透視圖圖 2-4 前輪齒輪齒條式轉向器2.2.3 連接軸所示。前后的轉向機構之間是以連接軸相連接。連接軸前端齒輪與齒條相嚙合，后端齒輪與轉向樞軸的齒輪扇相嚙合，而連接軸本身用十字軸式萬向節(jié)連接。如圖 2-5、2-6圖 2-5 十字軸式萬向節(jié)圖 2-6 連接軸2.2.

33、4 后輪轉向器后輪轉向器主要由轉向樞軸和 4WS 轉換器組成。電腦根據(jù)車速、橫擺角速度控制 4WS 轉換器，連接軸與轉向樞軸相配合，最終實現(xiàn)后輪轉向。如圖 2-7 所示。圖 2-7 后輪轉向器1-4WS 轉換器2-轉向樞軸2.2.5 轉向樞軸如圖 2-8 所示，后轉向齒輪箱的轉向樞軸是一個大軸承，其外圈與扇形齒輪為一體，圍繞樞軸可左右轉動；其內圈與連桿突出的偏心軸相連，連桿通過 4WS 轉換器的電機連桿繞旋轉中心作正反旋轉。偏心軸在轉向樞軸機構內可上下回轉約 55 度。(a) 三維模型(b) 構造圖圖 2-8 偏置軸和轉向樞軸構造(a)三維模型 (b)構造圖1-傳動軸回轉中心 2-偏置軸運動軌

34、跡 3-偏置軸4- 連接軸 5-扇形齒輪 6-轉向樞軸 7-從動桿 8-轉向樞軸左右回轉中心 9-外套 10-內套通過連接軸的輸入使小齒輪向左或向右旋轉時，旋轉力傳遞到扇形齒輪，再由轉向樞軸通過偏心軸使連桿左右移動。連桿帶動后轉向橫拉桿和后轉向節(jié)臂實現(xiàn)后輪的轉向。圖 2-9 所示為由于樞軸和偏心軸的運動，形成后輪的同相位和逆相位的轉向原理。偏心軸的前端與樞軸左右旋轉中心重合時，即使轉向樞軸左右轉動，連桿也完全不動，后輪處于中立狀態(tài)。隨著偏心軸前端位置與樞軸旋轉中心上下方向的偏離，樞軸左右轉動時連桿的移動量變大。偏心軸與后輪轉向之間的動態(tài)關系是偏心軸前端位置在轉向樞軸的上側時為逆相位，下側時為同

35、相位。圖 2-9 偏置軸與轉向樞軸原理(a) 中立狀態(tài) (b)反向運動 (c)同向運動1-轉向樞軸 2-從動軸 3-扇形齒輪 4-偏置軸2.2.6 轉換器4WS 轉換器主要由主電動機、副電動機的驅動部分、行星齒輪的減速部分和旋轉連桿的蝸桿組成。通常主電動機轉動，副電動機處于停止狀態(tài)副電動機的輸出軸與行星齒輪的中心齒輪相連，齒圈就是 4WS 轉換器的輸出軸。通常中心齒輪固定不動，而與主電動機相連的小齒輪旋轉。小齒輪圍繞中心輪進行公轉和自轉，以此帶動 4WS 轉換器的輸出齒圈。當主電動機不工作時，小齒輪就變成空轉齒輪，并將副電動機的旋轉傳遞到齒圈，使連桿以同相位方向旋轉。如圖 2-10 所示。圖

36、2-10 4WS 轉換器2.2.7 橫拉桿橫拉桿與齒條和轉向節(jié)相連，傳遞力，通過轉向節(jié)帶動輪胎轉動。如圖2-11、2-12。圖 2-11 前橫拉桿圖 2-12 后橫拉桿2.2.8 轉向節(jié)轉向節(jié)用與傳遞轉向力，還用于支撐懸掛系統(tǒng)。如圖 2-13 所示。(a) (b)圖 2-13 轉向節(jié)(a) 正視圖(b)側視圖2.2.9 車輪車輪，支撐汽車的質量，傳遞驅動力、制動力矩和側向力矩。如圖 2-14所示。圖 2-14 車輪2.2.10 總裝下面是各主要部件的裝配圖。如圖 2-15、2-16 所示。圖 2-15 前輪轉向系統(tǒng)裝配圖圖 2-16 后輪轉向系統(tǒng)裝配圖在總裝配圖中并沒有電器設備，是主要機械部件

37、的裝配圖。如圖 2-17 所示。圖 2-17 總裝配圖2.3 本章小結本章簡單介紹了四輪主動轉向系統(tǒng)的基本類型，主要有:機械式、液壓式、電動式等。本設計采用電子控制電動式，前后的轉向機構是機械方式連接,轉向盤的轉動通過前轉向齒輪箱(齒輪齒條式)中的齒條帶動轉向橫拉桿左右移動,使前輪產(chǎn)生轉向,同時小齒輪的旋轉輸出通過連接軸由輸入小齒輪傳給后轉向齒輪箱,經(jīng)過轉向樞軸和 4WS 轉換器實現(xiàn)后輪轉向。重點分析了重要部件轉向樞軸和 4WS 轉換器的構造。第 3 章 四輪轉向系統(tǒng)的控制方式3.1 常見控制方式電控四輪主動轉向系統(tǒng)其控制方法主要可分為以下七類: (a)定前后輪轉向比四輪轉向系統(tǒng)(a) 前后輪

38、轉向比是前輪轉角函數(shù)的四輪轉向系統(tǒng)(c)前后輪轉向比是車速函數(shù)的四輪轉向系統(tǒng)(d)具有一階滯后的四輪轉向系統(tǒng)(e)具有反相特性的四輪轉向系統(tǒng)(f) 具有最優(yōu)控制特性的四輪轉向系統(tǒng)(g) 具有自學習、自適應能力的四輪轉向系統(tǒng)現(xiàn)分別介紹以上七種控制方法3.1.1 定前后輪轉向比四輪轉向系統(tǒng)結合圖 3-1 所示的單軌四輪轉向車輛示意圖，具有定前后輪轉向比的四輪轉向系統(tǒng)可由如下公式表示：圖 3-1 四輪轉向車輛示意圖rl = -b + ( ma / k l ) v2 /a+(m b/ k l ) v2 f式中， l 為前、后輪轉向角之比;m 為整車質量;l 為軸距;a 為質心至前軸的距離; b 為質心

39、至后軸的距離; v 為車速;k f 為前輪側偏剛度;kr 為后輪側偏剛度。 l 值的選擇應使穩(wěn)態(tài)轉向時質心側偏角等于零，在低速時入值應為負(前后輪轉動方向相反)，這可以減小轉彎半徑提高汽車的操縱靈活性。高速時 l值應為正(前后輪轉動方向相同)。研究表明在這樣的入值下，側向加速度響應時間縮短，但其增益大幅度減小。3.1.2 前后輪轉向比是前輪轉角函數(shù)的四輪轉向系統(tǒng)該系統(tǒng)結構簡單且效果良好的系統(tǒng)，90 年代初期一些四輪轉向車中采用了這種系統(tǒng)。該系統(tǒng)同時具有同相位轉向功能。其前后輪轉角關系如圖3-2 所示:圖 3-2 前后輪轉角關系該系統(tǒng)前后輪轉角比值人變化范圍從 0.55(前輪轉向角較小)到-0.

40、2(前輪轉向角較大)。該系統(tǒng)結構簡單且效果良好，同時具有同相位及反相位轉向功能。但是根據(jù)圖 3-2 所示，這種 4WS 系統(tǒng)在極限工況時，后輪轉角與前輪轉角方向相反，這將導致操縱穩(wěn)定性極度惡化。因此這種車輛在高速行駛時具有一定的危險性。3.1.3 前后輪轉向比是車速函數(shù)的四輪轉向系統(tǒng)這類系統(tǒng)前后輪轉向比為車速和前輪轉角的函數(shù)。其計算前后輪轉向比的基本著眼點與定前后輪轉向比四輪轉向系統(tǒng)是一致的，都是使汽車穩(wěn)態(tài)轉向時的側偏角為零。在這類系統(tǒng)中還有一種類似的四輪轉向系統(tǒng)，前后輪轉向比也是車速和前輪轉角的函數(shù)。其設計的著眼點在于使側向加速度相位滯后同橫擺角速度相位滯后相等，這同零側偏角原則本質上是一致

41、的。他們這樣計算是因為在主觀評價中，大多數(shù)最優(yōu)的正的前后輪轉向比都發(fā)生在二者相位滯后差別最小的時候。實驗表明，通過這種方法選擇的前后輪轉角比值能夠基本在所有車速范圍內，改善汽車的方向響應。其優(yōu)于前述方法的明顯優(yōu)點是可以在高速時，把側向加速度增益保持在一個駕駛員可以接受的幅度上。3.1.4 具有一階滯后的四輪轉向系統(tǒng)前幾類四輪轉向系統(tǒng)可以有效地改善汽車轉向的穩(wěn)態(tài)特性，但使橫擺角速度和側向加速度到達穩(wěn)態(tài)值的時間有所延長。具有一階滯后的四輪轉向系統(tǒng)設計的著眼點是既改善汽車的穩(wěn)態(tài)特性又不犧牲瞬態(tài)響應的時間特性，其原理是當汽車高速轉向時后輪的轉動比前輪轉動遲延一定的時間，當橫擺角速度或側向加速度到達穩(wěn)態(tài)

42、值，后輪才開始轉動，后輪轉動時汽車的穩(wěn)態(tài)側偏角減小，并對其超調量等瞬態(tài)特性也有一定程度的改善。3.1.5 具有反相特性的四輪轉向系統(tǒng)具有反相特性的四輪轉向系統(tǒng)的前后輪轉向關系采用如K+ t s + t s 2 + t s 3(3-1)G 0 ( s ) = 01231 + T s + T s 2 + T s 3123式中， K0 、t1 、t 2 、t 3 、 T1 、 T2 、 T3 為控制參數(shù)， 其值根據(jù)汽車參數(shù)，懸架特性及車速確定。具有反相特性的四輪轉向系統(tǒng)的原理是當汽車高速轉向時，后輪先向與前輪轉向方向相反的方向轉動，這樣橫擺角速度和側向加速度動態(tài)響應加快，二者很快到達穩(wěn)態(tài)值，這時后輪

43、再向相同方向轉動，以改善車輛的穩(wěn)態(tài)響應特性，改善汽車的方向特性。3.1.6 具有最優(yōu)控制特性的四輪轉向系統(tǒng)上述五種控制方法有一個明顯的缺點，即當附加后輪轉角之后，車輛本身的橫擺角速度穩(wěn)態(tài)增益和側向加速度增益將隨車速和前輪轉角發(fā)生較大變化(前后輪轉向角同相時橫擺角速度穩(wěn)態(tài)增益和側向加速度穩(wěn)態(tài)增益減小， 前后輪轉向角反相時橫擺角速度穩(wěn)態(tài)增益和側向加速度穩(wěn)態(tài)增益增加)，這導致駕駛難度加大了，同時在中等車速時也增加了駕駛員的疲勞程度。于是研究人員開始著眼于橫擺角速度穩(wěn)態(tài)增益和側向加速度穩(wěn)態(tài)增益與 2WS 系統(tǒng)相同的 4WS 系統(tǒng)的研究。其中較為典型的是具有最優(yōu)控制特性的四輪轉向系統(tǒng)。其原理如圖 3-3

44、所示。圖 3-3 具有最優(yōu)控制特性的四輪轉向控制系統(tǒng)原理圖式中， A1(s) 為前輪轉角控制函數(shù);A2 (s) 為后輪轉角控制函數(shù);G1 (s) 為前輪轉角到側向加速度的傳遞函數(shù);G2 (s) 為后輪轉角到側向加速度的傳遞函數(shù);H1 (s) 為前輪轉角到橫擺角速度的傳遞函數(shù);H2 (s) 為后輪轉角到橫擺角速度的傳遞函數(shù)。該系統(tǒng)采用最優(yōu)控制原則對前后輪同時控制，其目標函數(shù)為車輛轉向的理想狀態(tài)，即橫擺角速度的穩(wěn)態(tài)增益和側向加速度的穩(wěn)態(tài)增益與傳統(tǒng)的前輪轉向車相同，也就是要保持駕駛員的駕駛感覺不發(fā)生較大的變化。同時使橫擺角速度和側向加速度的相位滯后為零，且使二者的幅頻特性在相當大的范圍內保持恒定。但

45、這種控制方法使車輛的轉向特性隨著車速的變化而發(fā)生了較明顯的變化，這就對該系統(tǒng)的應用造成了一定的困難。3.1.7 具有自學習、自適應能力的四輪轉向系統(tǒng)前面介紹的 4WS 系統(tǒng)，都是采用經(jīng)典控制理論，其局限性在于這些系統(tǒng)不能較好地適應汽車本身特性的非線性或隨機性變化(如輪胎側偏特性的非線性，前后輪載荷變化的隨機性等等)，不能適應車輛一道路系統(tǒng)特性的非線性或隨機性變化(如輪胎一路面附著系數(shù)的變化等)。要在這樣的條件下實現(xiàn)更為有效的控制，控制系統(tǒng)應具有自學習、自適應的能力，即隨著被控對象的變化而改變控制器的結構或參數(shù)，改變控制規(guī)律。通常采用的控制方法有自適應控制，魯棒控制， H¥ 控制， m

46、 綜合控制和神經(jīng)網(wǎng)絡控制等幾種控制方法。從 80 年代末開始，在自適應控制方面，出現(xiàn)了模型跟蹤控制方法，以便使橫擺角速度或側向加速度或兩個運動的線性組合跟蹤期望的車輛運動性能。這是一種采用模型匹配和最優(yōu)控制理論的設計方法，構成后輪轉向的前饋控制結構。之后， 在此方法基礎上加入了參數(shù)辨識功能， 構成自適應4WS 控制系統(tǒng)。通過在線辨識側偏剛性參數(shù)，使 4WS 的效果明顯提高。在魯棒控制方面，利用 H¥ 控制理論實現(xiàn)轉向和懸架系的綜合控制的方法，以解決因輪胎非線性引起的轉向系和懸架系相互干涉的問題。之后，又出現(xiàn)了基于刀綜合的轉向系和驅動系的綜合控制方法，以解決極限狀態(tài)下控制性能惡化的問題

47、。對于這一問題，還有一種基于 H¥ 控制理論的 4和4D 綜合控制系統(tǒng)。對于不能建模的車輛運動極限時的輪胎非線性變化， 額外追加了一個自適應機構。但對于參數(shù)變動的魯棒性能沒有得到保證。為此，又提出了一個利用 m 綜合的 4WS 和 4WD 綜合控制系統(tǒng)。從實車試驗結果看，在極限條件下也能獲得良好的控制性能。另外，小野提出了一個利用非線性 H¥ 控制理論的 4WS 控制系統(tǒng)，以解決附著系數(shù)過低時的滑移。在神經(jīng)網(wǎng)絡方面，出現(xiàn)了根據(jù)實車行駛數(shù)據(jù)辨識車輛的動力學特性，然后利用辨識的車輛模型綜合 4WS 控制器。從仿真和實車試驗結果看，利用神經(jīng)網(wǎng)絡的系統(tǒng)辨識方法能夠在大范圍的速度域內

48、辨識車輛的動力學特性， 控制器的設計可使車體側偏角接近零，在不同的行駛速度和路面條件下都能獲得良好的控制性能。另外，還有采用神經(jīng)網(wǎng)絡和線性控制律相結合的方法構成 4WS 控制系統(tǒng)。盡管目前科研人員從結構到控制原理上對四輪轉向進行了大量的研究， 但都沒有取得突破性進展，四輪轉向技術也沒有真正地步入實用階段。其主要原因在于盡管四輪轉向車輛的一些開環(huán)指標(如穩(wěn)態(tài)側偏角，橫擺角速度和側向加速度的幅相頻特性等)有較大程度的改善，但是對其進行主觀評價的效果并不理想。這就要求我們從主觀評價出發(fā)，考慮閉環(huán)綜合性能指標， 即將人一車-路看成一個系統(tǒng)，綜合考慮車輛的各項特性來研究四輪轉向系統(tǒng)。這樣就能保持主觀評價

49、與客觀評價的統(tǒng)一性。另外，還要把四輪轉向技術與其他主動安全技術(如 ABS、ASR、VSC 等)相結合，才能真正實現(xiàn)車輛的主動安全性。3.2 控制方式的選取為了與 2WS 汽車做更詳細的比較，本文采用 2 種 4WS 系統(tǒng)的控制方式。其一是較基本的定前后輪轉向比控制方式，另一種是橫擺率跟隨控制方式.由于質心側偏角不可直接測量導致算法復雜，要求測量的物理量增加，帶來由硬軟件成本上升導致的經(jīng)濟性和可靠性等問題。有鑒于此本文采用了更加實用和經(jīng)濟的橫擺率跟隨控制算法其基本思路是：在有前輪轉角時通過橫擺率反饋將其與速度相關的理想橫擺率穩(wěn)態(tài)增益 G*進行比較本文中 G*取正常車輛的穩(wěn)態(tài)增益經(jīng)控制器 K 控

50、制后輪轉角實現(xiàn)四輪轉向算法要求檢測的物理量只有縱向車速和橫擺角速度及前輪轉角與目前已經(jīng)見諸實踐的一般4WS 橫擺率反饋控制算法不同的是這里在速度域和頻率/時間響應域同時綜合考慮控制的效果針對一般車輛在高速時操縱穩(wěn)定性變差及簡單前后輪比例控制的 4WS 車輛橫擺角速度穩(wěn)態(tài)增益變化相位滯后增加等問題本算法通過橫擺率反饋實現(xiàn)多個狀態(tài)量的頻率響應在速度域內跟蹤鎮(zhèn)定和保持瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)特性實現(xiàn)我們稱之為頻率/速度有限范圍增益鎮(zhèn)定橫擺率反饋 4WS 控制算法如圖 3-4 所示。G*=wr ö =u / l=u / ld ÷æö1 + Ku2øs1 + m &#

51、231; a - b ÷ u2，(3-2)l 2 è kkrf ø其中： K = m æ a - b öl2 ç kk ÷è rf ø。圖 3-4 橫擺率跟蹤控制的 4WS 車輛控制算法為了與傳統(tǒng)的 FWS 進行對比，令后前輪轉向比 l =，則可獲得二輪轉向控制方式。3.3 本章小結本章詳細介紹了定前后輪轉向比四輪轉向系統(tǒng)、前后輪轉向比是前輪轉角函數(shù)的四輪轉向系統(tǒng)、前后輪轉向比是車速函數(shù)的四輪轉向系統(tǒng)、具有一階滯后的四輪轉向系統(tǒng)、具有反相特性的四輪轉向系統(tǒng)、具有最優(yōu)控制特性的四輪轉向系統(tǒng)、具有自學習自適應

52、能力的四輪轉向系統(tǒng)等七種常見的控制方式。并在此基礎上確定了本論文采用的控制方式。第 4 章數(shù)學模型的建立4.1 前輪轉向汽車的兩自由度模型車輛在行駛過程中，作為剛體它具有六個自由度，但是根據(jù)不同的研究目標，車輛動力學模型的復雜程度也有不同。目前，為了便于掌握操縱穩(wěn)定性的基本特性，占主導地位的研究方法是把汽車看作一個線性系統(tǒng)，建立一個能表征系統(tǒng)運動特征的二自由度運動方程，在人車開環(huán)系統(tǒng)中，從如何提高汽車的固有特性方面來提高汽車的操縱穩(wěn)定性。因此，汽車的二自由度運動方程是研究汽車操縱穩(wěn)定性的基礎。在對四輪轉向車輛的轉向特性分析前，首先建立整車的二自由度模型。4.1.1 車輛固定坐標系的建立考察水平

53、面內的車輛運動，相對于地面固定直角坐標系而言，車輛的縱向、側向是在時刻變化的。而從車輛方面來看，不論車輛向著什么方向運動，約束條件基本上是相同的。因此，用固定于車輛的坐標系來描述車輛的運動比用固定于地上的坐標系來描述更加方便。如圖 4-1 所示。圖 4-1 車輛固定坐標系設固定于地面上水平面內的坐標系為 XY，并投影于運動面內的車輛質心 P 為原點，車輛的縱向為 x，與之相垂軸的方向即汽車側向為 y，取固定于車輛的坐標系為 xy，繞鉛垂直的角度均以逆時針為正。設車輛以一定行駛速度在水平面內運動，P 點的位置向量為 R，則其速度向量可表示為:.R = ui + vj(4-1)這里 i，j 分別是

54、 x，y 的單位向量，u，j 為 P 點的 x,y 方向的速度分量。由式(3-1)，可寫出 P 點的加速度向量為:.R = ui + ui+ vj + v j(4-2)x 一 y 坐標系固定于車輛上，車輛繞 P 點鉛直軸的橫擺角速度為口:， 則可得到:D = wr × Dtj, Dj = -wr × Dti×.(4-3)因此： i = wr × j, j = -wr × i所以可得出 P 點的加速度向量可以得到為:.R = (u- v ×wr )i + (v+ u × wr ) j(4-4)車輛的行駛方向和縱軸方向所成的質心

55、側偏角 b 很小， 約為 v / u ，| b |<<1，V 是汽車前進速度，則有:u = V cos b » V , v = V sin b » V b ,所以:. .u = -V sin b × b »= V b b , v = -V cos b × b(4-5)因為 b 很小，可以認為:.R = -V (b + wr )b i + V (b + wr ) j(4-6).R = V (b + wr )(4-7)這就是車輛在水平面內以一定的速度行駛時具有的加速度方向為橫向即.y 方向)，其大小為 R = V (b + wr ) 。

56、4.1.2 前輪轉向汽車兩自由度模型將實際汽車簡化成一個兩輪摩托車的模型，直接以前輪的轉角作為輸入，認為汽車只作平行于地面的平面運動，忽略轉向系統(tǒng)的影響，忽略懸架的作用，即汽車只有沿 y 軸的側向運動與繞 z 軸的橫擺運動。此外，汽車的側向加速度限定在 0.49 以下，輪胎的側偏特性處于線性范圍之內。于是作平面運動的前輪轉向汽車對車輛坐標系的運動微分方程為陣：ìY =æ .öèøïåm ç v+ uwr ÷îí(4-8)可以寫成:ïå N = I.z wrìF cosd + F= mu æ . + w ö =æ . + uw öï y