基于橫向位移控制4WS車輛操縱穩定性仿真研究

尤 永 黃俊杰 王 浩 鄺坤陽

1.安徽江淮汽車股份有限公司,合肥,230601 2.合肥工業大學,合肥,230009

基于橫向位移控制4WS車輛操縱穩定性仿真研究

尤 永1黃俊杰2王 浩2鄺坤陽2

1.安徽江淮汽車股份有限公司,合肥,230601 2.合肥工業大學,合肥,230009

建立了一種基于橫向位移偏差控制的4WS汽車閉環控制系統,控制目標是減小橫向位移偏差,提高軌跡跟蹤性能和操縱穩定性。系統中的駕駛員模型是一個基于橫向位移偏差控制,包括預瞄、積分和高頻補償的多路閉環控制系統。后輪轉角采用前饋和反饋控制結合的方法。對兩種汽車運行軌跡進行了仿真研究,結果表明4WS汽車比2WS汽車有更好的橫向位移跟蹤性能和操縱穩定性。

4WS汽車;駕駛員模型;橫向位移偏差控制;操縱穩定性;閉環控制

0 引言

四輪轉向系統(4WS)是主動底盤技術的重要組成部分,其原理是前后輪同時參與汽車轉向運動,以改善汽車橫擺和橫向運動,更好地控制汽車運動姿態和運動軌跡,提高汽車的操縱穩定性。四輪轉向控制是汽車控制領域內的一個熱點,國內外相關研究已取得了一定的成果。文獻[1]建立了四輪轉向非線性方程和模型,但是模型過于簡化,參數難以獲取;文獻[2]提出了一種基于模型跟蹤控制系統,但系統未考慮駕駛員的作用;文獻[3]介紹了關于最優預瞄駕駛員模型,但沒有提供相應的仿真結果。本文參考文獻[4]中的駕駛員模型,建立了一種基于橫向位移偏差控制的4WS汽車閉環控制系統,目標是減小橫向位移跟蹤誤差,提高汽車軌跡跟蹤性能,改善汽車操縱穩定性。

1 汽車動力學和運動學模型

建立模型的條件如下:x軸于汽車縱向對稱平面內,指向汽車前進方向;y軸指向汽車的左側;z軸指向汽車上方。汽車由簧上質量和簧下質量兩部分質量系統組成,忽略空氣阻力、滾動阻力及輪胎側傾效應,車輛對稱部分具有相同的特性。動力學和運動學模型示意圖見圖1。根據上述條件和圖1建立模型如下:

圖1 車輛模型示意圖

縱向運動方程:橫向運動方程:

式中,m為整車整備質量;ms為簧上質量;hs為質心到簧載質量側傾中心的高度;h為側傾力臂;φ為側傾角;p為側傾角速度;ωγ為橫擺角速度;Cφ為懸架側傾角剛度;Bφ為懸架側傾角阻尼;v為橫向速度;a、b為前軸、后軸到質心的距離;k1、k2為前輪、后輪側偏剛度;δf、δr為前輪、后輪轉角;Fyf、Fyr為前軸、后軸車輪側向力;Ef、Er為前輪、后輪側傾轉向系數;Iz為繞z軸慣性矩;Ix為繞x軸慣性矩;Ixz為xz面慣性矩;g為重力加速度。

2 駕駛員模型[4]

圖2 駕駛員模型

駕駛員模型示意圖見圖2,此模型是一個基于橫向位移偏差控制的模型,包括預瞄、積分和高頻補償的多路閉環控制系統。其中,τp為駕駛員預瞄時間;K y為側向位移跟蹤偏差增益;K fi為航向角偏差增益;Ki為積分增益;Tl為微分增益(Ky、K f i取決于車輛特性和駕駛狀態);τp、K i、T l是取決于駕駛員駕駛能力的參數;延遲時間τ包括駕駛員反映時間和操縱動作執行延誤時間;D(s)為高頻動態干擾;s為拉普拉斯變換變量。仿真中采用的駕駛員模型參數(典型的統計值)如表1所列。

表1 駕駛員參數

3 控制系統

后輪轉角采用前饋控制和反饋控制結合的方法,控制目標是使穩態和瞬態質心側偏角為零。控制系統方程為

4WS汽車控制系統如圖3所示。

圖3 汽車控制系統

4WS汽車整車控制向量為

4 道路軌跡模型

本文對圖4所示的兩種道路模型進行了仿真研究。圖4a中,汽車目標運動軌跡是半徑為R的圓;圖4b中,汽車在直線行駛的同時,在一定的時間(一定的縱向位移)內的橫向位移為 y的側移運動。

5 計算機仿真模型及仿真分析

5.1 計算仿真模型

本文基于MATLAB/Sim link軟件建立2WS和4WS汽車操縱穩定性模型。對上述兩種典型道路進行仿真,比較性地研究4WS汽車對軌跡跟蹤和操縱穩定性的改善。4WS汽車計算機仿真模型如圖5所示。仿真所用汽車主要參數為:g=9.81m/s2;a=1.163m;b=1.402m;h s=0.49m;m=1484.8kg;m s=1200kg;k1=-39036N/rad;k2=-42309N/rad;Iz=1333.6 kg?m2;Ix=500 kg?m2;Ixz=100 kg?m2;E f=0.17;E r=0.15;Cφ=30900N/rad;Bφ=2100N ?s/m;u=25m/s。

5.2 仿真結果分析[5-7]

5.2.1 圓形軌跡跟蹤仿真分析(R=50m)

如圖6a所示,圓形軌道上2WS汽車軌跡脫離預定軌道,形成一個橢圓形;而4WS汽車能較好地跟蹤預定軌跡,其運動軌跡和預定軌道較為一致;圖6b清楚表明4WS汽車側向位移偏差比2WS汽車顯著下降;圖6c中,4WS汽車瞬態橫擺角速度比2WS明顯減小,并且以較快的速度達到穩態;圖6d中,4WS車輛側傾角速度瞬態峰值和2WS相差不大,但以較快的速度收斂。

圖5 4WS汽車計算機仿真模型

圖6 圓形軌跡跟蹤仿真

5.2.2 側移運動跟蹤仿真分析(y max=5m)

圖7a、圖7b所示是汽車行駛軌跡和橫向位移偏差,側移運動仿真表明,2WS汽車和4WS汽車都能較好地跟蹤橫向位移,但是,瞬態時4WS車輛橫向位移偏差顯著減小,軌跡跟蹤能力明顯提高;圖7c中,4WS汽車瞬態的橫擺角速度峰值比2WS汽車瞬態的橫擺角速度峰值減小不明顯,但4WS汽車以更快的速度達到穩態,操縱穩定性提高;圖7d中,4WS車輛的側傾角速度瞬態性能有所變差,這是因為4WS汽車為了在橫向位移急劇變化的狀態下迅速跟蹤橫向位移,前后車輪以較大轉向角進行轉向,故而造成瞬態車身側傾角速度出現急劇變化的現象[8-10]。

圖7 側向運動跟蹤仿真

6 結論

(1)本文建立了人-車-路閉環控制4WS汽車模型,并對兩種道路線型進行了仿真分析。仿真結果表明,4WS汽車比2WS汽車能更好地跟蹤橫向位移,并在一定程度上改善了高速行駛車輛操縱穩定性的瞬態性能。

(2)4WS汽車在提高橫向位移跟蹤性能的同時,可能使其他性能(如簧上質量側傾)變差,因此,可以采用4WS車輛控制技術與主動懸架控制技術結合的集成控制,在改善橫向位移跟蹤和操縱穩定性的同時,其他性能指標也能得到提高,這是車輛主動控制技術發展方向。

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Simu lation Research of Steering Stability of 4WSVehicle Based on Latera l Disp lacement Error Control

You Yong1H uang Jun jie2Wang Hao2Kuang Kunyang2
1.A nhui Jianghuai Automotive Co.Ltd.,Hefei,230601 2.H efei University o f Technology,H efei,230009

A closed-loop control system of 4WS based on the controlof lateral disp lacementerror was set up herein,which was used to decrease the lateral disp lacementerror and improve the ability of follow ing track and steering stability.The driver model,in the control system,was a closed multiloop control system,based on lateral disp lacement error control,including preview,integral and com pensation of high frequency.The combination of feedback and feed-forward controlmethod was adopted in the rearwheel steering angle control.Finally,two-type trajectory,followed by vehicle,was investigated by simulation,results show that 4WS vehicle has better ability of following track and steering stability than 2WS vehicle.

4WS(4 wheel steering)vehicle;driver model;lateral disp lacement error control;steering stability;closed-loop control

U461.6

1004—132X(2011)12—1508—04

2010—08—12

(編輯 何成根)

尤 永,1971年生。江淮汽車股份有限公司高級工程師。主要研究方向為車輛動力學。黃俊杰(通訊作者),男,1984年生。合肥工業大學機械與汽車工程學院碩士研究生。王 浩,男,1987年生。合肥工業大學機械與汽車工程學院碩士研究生。鄺坤陽,男,1985年生。合肥工業大學機械與汽車工程學院碩士研究生。