四輪轉向汽車最優轉向控制研究

摘要： 為了充分發揮四輪轉向技術在改善汽車操縱穩定性方面的優勢， 對汽車轉向的理想狀態進行了分析， 構建了理想轉向模型。依據具有二次型性能指標的最優控制理論， 以汽車轉向理想模型作為跟蹤目標， 采用基于狀態反饋和前輪前饋的控制策略， 對四輪轉向汽車后輪轉向控制規律進行了研究。利用Matlab工具， 對所提出的后輪轉向最優控制方法進行了仿真。仿真結果表明： 所設計的后輪轉角最優控制器改善了汽車轉向的瞬態與穩態響應特性， 其瞬態響應的超調量減少， 穩定時間縮短； 側向滑移的穩態值有所降低， 從而提高了汽車轉向的操縱穩定性。

關鍵詞： 汽車； 四輪轉向（ 4WS） ； 最優控制； 仿真； 操縱穩定性

中國分類號：U273 文獻標志碼：A

1 引言

隨著現代道路交通系統和汽車技術的發展，汽車行駛的速度不斷提高，高速行駛的安全問題日益突出。汽車在高速行駛下進行車道變換、超車、彎道行駛時，減少車身側偏，提高汽車安全性成為現代汽車亟待解決的問題。 四輪轉向 （4WS）作為一項有效的汽車主動安全技術近年來已有了很大的發展， 一些成熟技術在高檔車上已得到應用。4WS汽車通過后輪直接參與對汽車側向及橫擺運動的控制， 不僅減少了轉向力產生的滯后， 而且能獨立地控制汽車的運動軌跡與姿態， 使汽車的方向角與姿態角重合， 改善了汽車高速時的操縱穩定性和低速時的機動靈活性[1]。 本文根據具有二次型性能指標的線性跟蹤問題最優控制理論，基于汽車狀態反饋和前輪前饋，簡單介紹4WS汽車轉向控制規律[2-3]。

2 4WS汽車動力學模型的建立

目前有關4WS汽車的研究大部分使用包含橫擺角速度和質心側偏角的線性二自由度單軌自行車模型。理論和試驗都證明，在正常車速范圍的非緊急狀態（低側向 加速度）和小轉向角的情況下，該模型能以較好的精度表征車輛轉向的實際物理過程， 基于它們設計的控制器能夠正常工作[4]。 建模時作如下假設：忽略懸架系統和轉向機構的影響，直接以前輪轉角作為輸入；不考慮加減速過渡工況，認為轉向時汽車行駛速度u大小保持不變；忽略汽車的側傾與俯仰運動，認為汽車只作平行于地面的平面運動，則汽車只有沿Y軸的側向運動與繞Z軸的橫擺運動兩個自由度[5-6]。

從圖2可看出，最優控制汽車質心側偏角穩態值為 （約為-3.4°），相對于前輪轉向汽車穩態值（-5°）減小，且無瞬態振蕩超調；對于橫擺角速度，最優控制汽車穩態值為 ，接近前輪轉向汽車穩態值（ ），且超調量減少，上升時間及穩定時間縮短，瞬態振蕩減弱。仿真結果表明：相對于前輪轉向汽車，最優控制4WS汽車在保證駕駛人駕駛感覺變化不大的情況下，減少了汽車側滑，改善了汽車瞬態響應，轉向運動更加平穩，提高了汽車的操縱穩定性。

5 結束語

建立了二自由度的四輪轉向汽車的數學模型，并在MATLAB/Simulink環境下搭建了仿真模型，同時求得了基于最優控制的四輪轉向汽車的狀態變量反饋增益矩陣和前輪轉角前饋增益矩陣。通過仿真實驗驗證了四輪轉向汽車最優轉向控制策略能夠很好的改善汽車側向動力學特性，減少了轉向時瞬態響應的超調量，縮短了穩定時間，使汽車轉向更加平穩。相對于前輪轉向汽車，基于最優控制的四輪轉向汽車在保持轉向靈敏度（橫擺角速度穩態增益）變化不大的情況下，減小了汽車側滑，糾正了車身姿態，并保證了轉向靈敏度的一致性，而且在根本上提高了汽車操縱穩定性。

參考文獻

[1] 游學兵，楊峰，黃紅霞.汽車四輪轉向操縱穩定性的研究及發展[J ] .農機化研究 ，2005（3）.

[2] 胡壽松.自動控制原理[M] .北京 ，科學出版社 ，2001 ：77 - 33.

[3] 施陽. MATLAB語言精要及動態仿真工具 SIMULINK[ M] .西安 ：西北工業大學出版社，1999. 4.

[4] 李普， 陳南， 孫慶鴻. 4輪轉向車輛主動魯棒抗側傾操縱研究 [ J]. 汽車工程， 2004， 26（ 5）： 560～ 563.

[5] 袁忠誠. 輪胎穩態側向半經驗模型的研究 [ D ]. 長春： 吉林大學， 2003.

[6] 屈求真， 劉延柱， 張建武. 四輪轉向汽車自適應模型跟蹤控制研究[ J] . 汽車工程， 2002， 22（ 2） ： 73- 76.

[7] 呂彭民， 和麗梅， 尤晉閩. 基于舒適性和輪胎動載的車輛懸架參數優化 [ J] . 中國公路學報， 2007， 20 （ 1） ：112- 117.

[8] 何仁， 李強. 汽車線控轉向技術的現狀與發展趨勢[ J] . 交通運輸工程學報， 2005， 5（ 2）.

[9] 陳燕， 劉晶郁， 陳少華等.橫擺角速度反饋對車輛操縱穩定性的影響[ J] . 長安大學學報： 自然科學版，2006， 26（ 6） ： 99- 101.

[10] 舒進， 陳思忠. 四輪轉向車輛運動計算分析[ J] . 湖北汽車工業學院學報， 2002， 16（ 3） ： 1- 5.