基于Matlab/simulink的四輪轉向汽車操縱穩定性仿真

朱亞偉，尉慶國

（中北大學機械與動力工程學院，山西 太原 030051）

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基于Matlab/simulink的四輪轉向汽車操縱穩定性仿真

朱亞偉，尉慶國

（中北大學機械與動力工程學院，山西 太原 030051）

摘 要：車輛的穩定性和安全性是人們衡量一輛汽車性能最基本的指標,通過在matlab/simulink中建立汽車動力性模型，對汽車的操縱穩定性進行仿真，對比前輪轉向和四輪轉向系統，四輪轉向系統對于提升汽車的操縱穩定性，具有十分顯著的作用。低速時轉向半徑較小，轉向更加靈活；高速時，能夠很快的根據情況改變車道，確保側偏角始終接近于零，提高循跡跟蹤能力，減少側滑和甩尾現象的出現。

關鍵詞：兩輪轉向；四輪轉向；MATLAB/Simulink；操縱穩定性

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.02.023

CLC NO.: U463.33 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2016)02-67-03

前言

隨著汽車產業的競爭越來越激烈, 人們對汽車的要求從最初具有良好的動力性和經濟性逐步發展到具有良好的行駛平順性和操縱穩定性。為了滿足人們對汽車性能日益苛刻的要求，優異的操縱穩定性和平順性已經成為各汽車制造者共同追求的目標。本文以某型汽車為例，分析四輪轉向技術對汽車操縱穩定性的影響。[1]

1、兩輪轉向和四輪轉向汽車數學模型的建立

為了分析影響操縱穩定性的主要因素，將汽車簡化為線性二自由度模型進行研究。分析中忽略轉向系統的影響，直接以前輪轉角作為輸入；忽略懸架的作用，認為汽車車廂只作平行于地面的平面運動，即汽車沿z軸的位移，繞y軸的俯仰角與繞x軸的側傾角均為零。另外，汽車沿x軸的前進速度u視為不變。因此，汽車只有沿y軸的側向運動與繞z軸的橫擺運動這樣兩個自由度。如此，實際中汽車簡化為具有側向及橫擺運動的兩輪摩托車的二自由度模型。

兩輪轉向汽車運動微分方程式為：

對于四輪轉向系統操縱穩定性的研究，常把汽車當做一個開環控制系統，建立表征系統運動特性的二自由度模型。

四輪轉向汽車運動微分方程式為：

則傳遞函數為：

2、前輪轉向和四輪轉向汽車simulink模型的建立

汽車模型仿真的基本參數：

表1

2.1 2WS轉向與4WS轉向對比

前輪轉角在0秒處輸入角度，幅值為0.1rad，前后轉角的比例為0.1krad，則后轉角輸入的角度為5k°，對前輪轉向汽車和四輪轉向汽車進行對比，為了探究四輪轉向汽車在低速和高速時的操縱穩定性，分別在車速為20Km/h和60Km/h的情況下進行仿真模擬。

角階躍輸入情況下，前輪轉向汽車的側偏角在20Km/h時大于零，方向相同；在60Km/h時則小于零，方向相反。由于慣性，車速越大時，趨于穩定的過程越長，質心的側片角響應的則偏大，因而增加了汽車甩尾、側滑的幾率，不利于汽車的安全性。四輪轉向則很好地避免了這些麻煩，低速時質心側偏角趨于零，高速時經過短暫的振蕩，最后也是趨近于零，處于穩定的工作狀態。由此能夠知道，四輪轉向汽車在控制車身姿態，改善操縱穩定性等方面具有前輪轉向汽車無可比擬的優勢。

角階躍輸入下，高速時，四輪轉向汽車的橫擺角速度增益大于前輪轉向汽車，低速時則相反。這也就是說，在高速的時候，駕駛人員要對轉向盤旋轉較多的角度，才能實現等效于前輪轉向車輛的轉向效果，但反過來講，此舉則有利于避免高速時急打轉向盤造成汽車失控的危險。低速時，駕駛員旋轉較小的轉向盤角度即可實現轉向，更有利于提升汽車的操縱性。我們可以看到，四輪轉向和前輪轉向車輛達到穩態經過的時間基本相同，相對來說，隨著車速的增加，達到穩態的時間也在不斷增加。

在角階躍輸入下，高速時，四輪轉向的側向加速度增益小于前輪轉向汽車，低速時則相反。高速時，側向加速度增益較小，有利于提升汽車的轉向時的操縱性，低速時較大則有利于提升汽車的轉向能力。

2.2 橫擺率跟蹤控制的4WS車輛控制算法

由于質心側偏角在實際控制中不能通過傳感器直接測量獲得，因此導致運算的算法更加繁瑣，而且相應需要測量出來的物理量也隨之增加，無論從成本上，還是從穩定性來說，都造成了不利的影響。

基于此，本文對更加方便和成本較低的4WS控制算法進行研究，本算法的基本過程如下：在前輪輸入轉角時，通過橫擺率反饋，將其與在相應速度條件下理想的橫擺率穩態增益進行對比，經過控制器K控制后輪的轉角，實現車輛進行四輪轉向。

該WS算法需要測量的物理量：前輪轉角、橫向車速和橫擺角速度。與目前已經運用于實踐的一般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域同時綜合考慮控制的效果。對于四輪轉向控制中常見的問題，如相位增加比較滯后，車輛在高速工況時操縱穩定性不佳、前輪轉向角比例較為簡單等等，該算法通過橫擺率反饋能較好的解決。

3、汽車操縱穩定性仿真模型及結果

該仿真是在車輛速度為30m/s時，在前輪角階躍輸入5°情況下，通過對比一般4WS橫擺率反饋控制與該控制算法四輪轉向各狀態量的時域瞬態響應，來說明該控制算法下四輪轉向相比前輪轉向車輛所具有的優勢。基于橫擺率跟蹤控制的4WS車輛的simulink模型如圖1所示：

圖1 4WS汽車simulink模型

衡量汽車操縱穩定的指標：質心側偏角、側向加速度和橫擺率仿真結果分別如圖2-a、2-b和2-c所示。

圖2 操縱穩定性仿真結果

與一般4WS橫擺率反饋控制算法相比，本文提出的4WS控制算法使汽車在高速行駛時，各狀態量的時域性能得到極大的改善。振蕩相對減緩，反應時間減少，上升時間基本不變，穩態時各穩態值基本不變。因而保持了汽車的操縱靈敏度，一致又不過度，既降低了駕駛員的操縱難度，又較為顯著的提升汽車的操縱穩定性。

4、結論

通過對操縱穩定性評價指標的討論，并對影響操縱穩定性的主要指標質心側偏角、橫擺角速度、側向加速度與前輪轉角的關系進行仿真對比。

仿真的結果表明，采用本文提出的橫擺率跟蹤控制的4WS車輛控制算法的四輪轉向汽車，在轉向過程中，可以較大的較少汽車的質心側偏角，在各種車速下轉向時，車偏角保持為零。低速時，則減小了汽車的轉向半徑，提高了汽車的機動性。在車速較高時，4WS轉向汽車改善了前輪轉向汽車的轉向滯后，可以更好遵從駕駛員發生的操縱指令，具有良好的路徑跟蹤能力和優異的操縱穩定性。

參考文獻

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[2] 趙秋芳.基于ADAMS的汽車操縱穩定性仿真試驗初步研究[D].大連理工大學,2006.

[3] 周宇奎. 側風影響下高速汽車響應特性的分析與控制研究[D].湖南大學,2005.

[4] 尹念東. 模糊神經技術及其在汽車操縱穩定性研究中的應用現狀[J]. 湖北汽車工業學院學報,2003,02:1-5.

[5] Hatwal H, Mikulcik E C. Some Inverse Solutions to an Automobile Path-Tracking Problem with Input Control of Steering and Brakes [J]. Vehicle System Dynamics, 1986, 15(2)：61-71.

[6] Whitecomb D W, Miliken W. F. Design Implication of a General Theory of Automobile Stability and control [J]. Proc. Auto. DivInstn. Mech. Eng, 1956,(7).

The Study of Four-Wheel Steering Simulink Based on Matlab/Simulink

Zhu Yawei, Wei Qingguo
( School of Mechanical Engineering&Automation, North University, Shanxi Taiyuan 030051 )

Abstract:With the development of vehicle technology and the remarkable improvement of People’s living standard, People’s requirements of vehicle stability are also increasing, and making the vehicle hand ling and stability as an important direction of the car. Compared with the Front-Wheel Steering system, Four Wheel Steering system has the following advantages:.At the low speed, the 4WS can reduce the turning radius, improve the mobility, and make it easier to access to parking lots or maneuver in narrow. At the high speed, the 4WS can change lanes quickly, ensure that the sideslip angle is busily zero, improve the tracking capacity and reduce the skid and drift Phenomena, so as to improve vehicle handling and stability and enhance security.

Keywords:Two-Wheel steering; Four-Wheel steering; MATLAB/Simulink; Handing and stability

作者簡介：朱亞偉，在讀碩士研究生，就讀于中北大學機械與動力工程學院。主要研究方向：汽車振動噪聲以及主動噪聲控制。

中圖分類號：U463.33

文獻標志碼：A

文章編號：1671-7988(2016)02-67-03