主动前轮转向技术发展综述

了一种用于提高车辆转弯稳定性和侧翻稳定性的整车底盘控制器，这种 集成包括三个控制器，即：直接横摆力矩控制（DYC），主动侧倾力矩 控制（ARC）和主动前轮转向（AFS）。建立了一个具有非线性轮胎特 性的十四自由度整车模型，引入三自由度横摆滚动平面车辆参考模型来 控制横摆率，侧偏角和车身侧倾角。通过在前轮上产生差速制动力矩来 控制直接横摆力矩和主动侧倾力矩，并且通过改变方向盘角度来控制主 动转向。在MATLAB / Simulink环境中进行不同的标准转弯测试，例 如J-turn，鱼钩和车道变换机动。仿真结果表明，与单独的控制器和没 有控制的传统车辆相比，通过使用所提出的集成控制器，车辆稳定性显 着提高。
三、主动前轮转向技术的学术研究
针对主动前轮转向技术的研究可以分为 3.1 横摆稳定性控制
主动前轮转向系统的单独控制
主动前轮转向系统的集成控制
3.2 车道保持与主动避障
3.1 横摆稳定性控制研究现状
主动前轮转向系统的单独控制
① 南京航空航天大学的桑楠等采用自抗扰算法设计了主动前轮转向的自抗扰控制 器，研究了自抗扰控制转向系统的抗扰动性能、路径跟踪性能以及对参数变化 的鲁棒性。 ② 南京航空航天大学的王春燕等针对目前汽车主动前轮转向系统缺少对理想传动 比规律研究的问题，提出了主动前轮转向系统附加转角PID控制策略。 ③ 吉林大学的周兵等考虑了路面附着条件对车辆横摆响应的影响，设计了路面附 着系数修正的主动转向控制策略。在传统主动转向控制的基础上将路面附着系 数作为输入，设计了滑模控制器。 ④ 东南大学的王金湘，代蒙蒙等提出了基于静态输出反馈的前轮主动转向鲁棒控 制器，以提高汽车横摆角速度跟踪性能和横向稳定性. ⑤ 华南理工大学的黄开启等针对直驱容积式主动前轮转向位移伺服系统存在参数 时变、外界干扰以及滑模抖振问题，设计了一种汽车液压助力主动转向集成系 统，结合神经网络和自适应控制算法，提出一种活塞杆位移与电机转速双滑模 控制策略。
《Lateral Stability Enhancement of Vehicles Using Adaptive Sliding Mode Based Active Front Steering and Direct Yaw Moment Arobindra Saikia，Chitralekha Mahanta等提出了一种基于滑 Control》
如果内转子转动，太阳轮 会随之产生变形，它的椭 圆最长端位置就会产生变 化，薄壁太阳轮跟外齿圈 的啮合点就会产生变化。
动态转向系统可以根据车速实时改变传动比和助力的大小。与传感器、车 身稳定程序控制系统等相结合，在出现转向过度与转向不足的时候，或者 是单侧车轮碾压湿滑路面，导致车身即将侧滑失控的时候，动态转向系统 能自动对转向施加力矩，在一定范围内自动修正前轮方向，最大限度保证 汽车的行驶安全。
3.2 车道保持与主动避障研究现状
① 上海交通大学的曹阳，贺登博等提出了一种基于广义预测控制（GPC） 的主动转向控制器来保证车辆对于路径的跟踪能力，以增强车辆在外 界干扰存下的路径跟随性能。使用车辆路径侧向跟踪误差作为控制器 输入，方向盘附加转角作为输出，与驾驶员方向盘转角进行综合，获 得了车辆方向盘最终转角。并进行了Simulink-CarSim联合仿真，结 果表明，所设计的控制器可以在强侧向风等外界干扰情况下，跟踪路 径中心线，实现了车道保持的功能。同时，控制器具有一定的鲁棒性， 可以在车辆参数发生偏移时依然保持较好的控制效果。
⑤ 吉林大学的李静等人利用状态反馈的鲁棒 L2 L / H 控制方法 设计了车辆底盘集成控制策略，充分考虑系统多种约束条件，实 现了主动前轮转向系统和主动悬架系统的协调控制。
⑥ 湖南大学的周兵等根据主动横向稳定杆和AFS两个系统的运动耦 合关系，分别设计了主动横向稳定杆与AFS的各个子控制器，并 设计了前后主动防侧倾力矩分配模糊PID控制器，实现两个子系 统的协调控制，提高了车辆转向时的侧倾与横摆稳定性。 ⑦ 吉林大学的李静提出了一种基于状态反馈的H 鲁棒控制方法的 车辆底盘集成控制策略，协调控制主动前轮转向系统和直接横摆 力矩控制系统。
主动前轮转向系统的集成控制
① 南京航空航天大学的桑楠等基于Lyapunov理论提出了车辆主动前轮转向 与直接横摆力矩的集成控制方法，在二自由度车辆模型的基础上设计了 自适应控制器。 ② 湖南大学的周兵，徐蒙等对AFS和EPS集成控制进行了研究，把转向盘力 矩突变根源即前轮转向轮胎侧向力的突变作为突破点，提出了一种新的 解决方法。根据扩展卡尔曼滤波(Extended Kalman Filter, EKF)能够解 决非线性系统问题的特点，构造非线性轮胎侧向力观测器，根据得到的 轮胎侧向力的估计值对转向盘力矩突变进行助力修正控制，实现了车辆 状态估计与车辆控制的结合。 ③ 南京航空航天大学的桑楠提出了自抗扰控制方法对车辆主动前轮转向与 主动悬架进行集成控制，实现了对主动前轮转向与主动悬架的解耦控制。 ④ 湖南大学的袁希文，文桂林等提出了一种主动前轮转向(AFS)与电液复合 制动集成的控制策略，该控制策略针对的是分布式电驱动汽车，以实现 车辆主动安全性同时兼顾制动能量回收为目标。
二、主动前轮转向技术的商业应用
(1)宝马主动前轮转向系统
2003年德国宝马汽车公司和ZF公司研究成功了商用主动前轮转向系 统
两大核心部件: 一套双行星齿轮机构，通 过叠加转向实现变传动比 功能 电力伺服助力转向系统， 用于实现转向助力。
(2)奥迪动态转向系统
核心部件：谐波齿轮机构 谐波齿轮的结构组成： 刚性外齿圈(不可变形) 薄壁太阳轮(可变形) 薄壁球形轴承 椭圆形的内转子
主要功能：
实现转向系统的变转动比控 制和主动转向修正控制，以 提高车辆的转向操纵稳定性
主动前轮转向系统的控制目标：
主动避障(车道 保持
横摆稳定性控制
可变传动比控制
主动避障(车道保持)
主动避障是主动前轮转向系统的重要功能，也是研究的难点。主 动避障是利用传感器测得的道路、车辆位置和障碍物信息，来对车 辆的前轮转角进行控制，纠正车辆的行驶轨迹，帮助注意力分散的 驾驶员主动避开道路两侧的障碍物。 同时，主动避障的控制策略同样适用于车道保持，两者只是在对 车辆的侧向位移的约束条件上有所不同。车道保持是利用传感器测 得的道路信息、车辆位置，对车辆的前轮转角进行控制，保证车辆 行驶在安全车道内。
主动前轮转向技术发展综述
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本文的主要内容
一 二 三 四 主动前轮转向技术概述 主动前轮转向技术的商业应用 主动前轮转向技术的学术研究 总结与展望
一、 技术概述
主动前轮转向（Active Front Steering , AFS)系统是 一种介于电动助力转向和线控转向之间的转向系统。
可变传动比控制
可变传动比是主动前轮转向车辆的重要特征。可变传动比控制是 根据当前驾驶条件的改变而增加或减小前轮的转向角度。 车速较低时，主动前轮转向提供的纠正转角和转向盘的转角方 向一致，减小转向传动比，使得转向更直接，从而减少驾驶员 转动转向盘的圈数，降低驾驶员的体力负荷和精神负荷，提高 转向的灵敏性。 车速较高时，主动前轮转向提供的纠正转角和转向盘的转角方 向相反，增加转向传动比，使得转向更间接，提高车辆行驶的 稳定性。
模控制方法的直接横摆控制（DYC）和主动前轮控制（AFS）的 综合控制方法。该控制策略使用了两个结构，称为上下级控制。 在上层控制中，利用PID滑动面的自适应滑模控制方法确定了所 需的前转向角和横摆力矩，而在下层控制中，通过使用制动压力 分配策略来适当地将制动压力施加到车轮以此实现所需的前轮转 向角和横摆力矩。并利用Lyapunov准则证明了滑模控制器的稳 定性。
《Design of an Integrated Yaw-Roll Moment and Active Front Steering Controller using Fuzzy Amro Elhefnawy, Alhossein sharaf等运用模糊逻辑控制理论，设计 Logic Control》
《Active Front Wheel Steering Model and Controller For Integrated dynamics Control Systems》
J. SONG开发了一个主动前轮转向（AFS）系统的模型和控制器，设计 了两个集成动力学控制（IDC）系统，用于分析集成了制动和转向系统 的AFS系统的性能，通过对AFS，IDCF和IDCS系统的性能在不同路面和 不同驾驶条件下进行评估和比较。 AFS系统模型表现出良好的运动转向 辅助性能。转向比根据速度而变化。也表现出良好运动稳定性，因为 AFS车辆的偏航率很好地跟踪了参考横摆率。与AFS相比，IDCF和IDCS 改善了响应，并且无论路况，转向和制动输入如何，侧滑都减小。 IDCF和IDCS增强了横向稳定性和车辆控制。在分裂μ 路上，IDCF和 IDCS降低了横摆率和侧滑。
பைடு நூலகம்
横摆稳定性控制
横摆稳定性控制也是主动前轮转向系统的一个功能。横 摆稳定性控制的目标是以车辆的横摆角速度、质心侧偏角为 控制变量，通过施加独立于驾驶员的前轮转角使得车辆的横 摆角速度和质心侧偏角能够迅速跟踪理想模型的横摆角速度 和质心侧偏角，保持车辆的稳定性，避免不足转向和过多转 向等不稳定状况的发生。
日本光洋精工也研究了类似机构，采用差动装置与主动转向装置之外 的液压动力转向等助力装置配合使用。 除了上述主动前轮转向系统之 外 韩国的MANDO公司、现代、 万都 日本的JTEKT公司、本田汽 车公司等 美国的天合、德尔福等公司 也都推出了各自的主动前轮转 向产品。
日本光洋精工的主动转向系统
② 清华大学的柳长春提出了一种基于小偏差模型预测控制的车道保持辅 助控制算法。
③ Xiaoxiang Na和David J.Cole 提出了驾驶员与车辆自动化交互 的问题，根据在避障场景中驾驶员和AFS控制器都对车辆施加转 向控制的情况下，介绍了开环斯坦克伯格均衡在驾驶员与车辆 AFS控制相互作用建模中的应用。 ④ 南京航空航天大学的王春燕等提出了一种基于主动前轮转向的 自主车辆避障系统，该系统主要由路径规划器和鲁棒跟踪控制 器组成。通过CarSim和Simulink联合仿真平台进行了验证，仿 真结果表明，它能有效跟踪规划轨迹，提高车辆的操纵稳定性 和抗干扰性能。
四、总结与展望
为进一步提高车辆的综合性能，还可在前述的两个 子系统进行集成控制的基础上，继续引入主动抗侧 倾控制等电子底盘控制系统，形成多个子系统集成 控制，实现真正的汽车底盘一体化控制。
The end! 谢谢！
希望老师和同学们给予批评、指导！