车辆四轮转向系统的控制方法_郭孔辉

1998年
吉　林　工　业　大　学　学　报Vol .28第4期JOU RNAL OF JI LIN UN IVERSITY OF TECH NOLOGY 总第92期
收稿日期:1998-03-02
＊国家自然科学基金(5957522)资助项目
郭孔辉,男,1935年7月生,教授,中国工程院院士
车辆四轮转向系统的控制方法
＊
郭孔辉　轧　浩
(吉林工业大学汽车动态模拟国家重点实验室)摘　要　系统地评述了车辆四轮转向系统的原理及其控制方法的发展,在此基础上指出四轮转向系统的研究必须以闭环综合评价为出发点,并与其它主动安全技术相结合才能真正达到实用阶段。

关键词　四轮转向　闭环评价　反馈控制　优化控制　神经网络
随着汽车技术的发展,作为实现主动安全性的方法之一的四轮转向技术日益受到重视。

很多汽车厂商纷纷推出了带有四轮转向系统的概念车,如Honda ,Nissan ,M azda 等,并把一些成熟的四轮转向技术应用到了普及型汽车中,提高了汽车的主动安全性。

四轮转向汽车的主要优点是在转向时能够保持重心侧偏角基本为零,极大地改善了横摆角速度和侧向加速度的瞬态性能指标。

另外低速时能够减小汽车的转弯半径(前后轮转角方向相反),使汽车在低速行驶时更加灵活。

四轮转向系统按其结构可分为四类:机械式、液压式、电动式和复合式。

按其控制方法〔2,3〕可分为:①定前后轮转向比四轮转向系统〔4〕;②前后轮转向比是前轮转角函数的四轮转向系统;③前后轮转向比是车速函数的四轮转向系统〔4〕;④具有一阶滞后的四轮转向系统;⑤具有反相特性的四轮转向系统〔5〕;⑥具有最优控制特性的四轮转向系统〔6〕;⑦具有自学习、自适应能力的四轮转向系统〔3〕。

1　后轮转向机理分析
为分析四轮转向车辆的机理,首先从后轮转向的特性分析入手。

本文采用二自由度模型对前、后轮转向车辆进行比较。

1.1　侧向加速度时域特性比较
如图1所示,无论高速还是低速行驶,前轮转向车辆和后轮转向车辆的转向轮转动方向相同时(这里指转向轮皆顺时针转动),前轮转向车和后轮转向车所产生的车辆重心处—
1—
图1　前轮转向车辆和后轮转向车辆阶跃响应比较
Fig .1　Comparso n between responsibility of front -wheel steering vehicle
and that of rear -w heel steering vehicle
×前轮转向车辆v =40m /s ■前轮转向车辆v =10m /s
○后轮转向车辆v =40m /s 后轮转向车辆v =10m /s
的侧向加速度方向相反。

若将车辆系统近似为线性系统,根据线性系统的叠加原理,若前、后轮同时转动,则整车重心处的侧向加速度稳态值将减小。

这就是说四轮转向车辆要转过与前轮转向车辆相同的曲率时,驾驶员就要增加方向盘的角输入;同理,前、后轮转向相反时,前轮转向车和后轮转向车所产生的车辆重心处的侧向加速度方向相同。

若前、后轮同时转动,则整车重心处的侧向加速度稳态值将增大,当车速过高时增加了车辆侧滑的危险。

1.2　侧偏角时域特性比较
图2　侧偏角随车速的变化规律Fig .2　Variation rule of side -slip ang le according to v ehicle speed
高速行驶时,若前、后轮转向相同,前轮转向车和后轮转向车所产生的车辆重心侧偏角方向相反。

若将车辆系统近似为线性系统,前、后轮同时转动,则车辆重心侧偏角稳态值将减小,在车辆转弯过程中适当调整前后轮的转角大小就可以使得车辆重心侧偏角的稳态值为零。

高速转向运动时车辆重心侧偏角的稳态值为零是四轮转向车辆的一个公认的优越性。

低速行驶时,前、后轮转向方向相同,前轮转向车和后轮转向车所产生的车辆重心侧偏角方向也相同,其叠加的效果只能使
得侧偏角的稳态值增大。

同理,若前、后轮转向相反,车速高时前轮
转向车和后轮转向车所产生的车辆重心侧偏角
方向相同,车速低时相反。

另外,对于前轮转向车辆,存在一个车速,
在这一车速下车辆重心侧偏角稳态值为零,如
图2所示。

而对于后轮转向车辆零侧偏角的车
速是不存在的。

若以零侧偏角为主要评价指
标,则在这一车速下无须施加后轮转向。

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2　四轮转向车辆的特点
低速时,在后轮上附加一个与前轮反向的转角,可以减小车辆的转变半径。

如图3所示的Ackerman转向模型即可得出这样的结论〔1〕,即当前轮转角相同时,四轮转向车(4WS)转弯半径明显小于前轮转向车(2WS),这就是说4WS车可以轻松地通过2WS车需多次反复倒车才能通过的地方。

近年来研究也指出了4WS车低速转向的缺点,即在有限空间里转弯时,4WS车尾部更易于撞到障碍物,这一方面是由于理论上的原因(如图4所示),另一方面由于4WS车的车身尾部的后悬部位较2WS车伸出要长一些。

图3　A ckerman转向原理
Fig.3　T heory of ackerman steering ———前轮转向车辆 ----四轮转向车辆
图4　前轮转向车与四轮转向车转向比较Fig.4　Co mparison between front-wheel steering vehicle and four-w heel steering
根据前面的理论分析,四轮转向系统在车辆高速转向时能够基本保持车辆重心侧偏角为零。

传统的前轮转向车辆在转弯时,车辆的前进方向与其纵向中心线的方向不一致,其夹角就是车辆重心侧偏角。

2WS车的车辆重心侧偏角对前轮转向角的增益如图3所示,在某一车速v时车辆重心侧偏角β=0,此时车辆的前进方向(即车辆重心的运动方向)与车辆纵向对称线方向一致。

当车速低于v时重心向与前轮转向角方向相同的方向偏移。

当车速高于v时重心向与前轮转向角方向相反的方向偏移。

当后轮附加某一特定的转角时,将产生与前述相反的重心侧偏角,与前轮产生的重心侧偏角叠加,使车辆侧偏角基本为零。

车辆对轨道的跟踪性得到了极大的改善。

3　结束语
尽管目前科研人员从结构到控制原理上对四轮转向进行了大量的研究,但都没有取得突破性进展,四轮转向技术也没有真正地步入实用阶段。

主要因为尽管四轮转向车的
—
3
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一些开环指标(如稳态侧偏角,横摆角速度和侧向加速度的幅相频特性等)有较大程度的改善,但是对其进行主观评价的效果并不理想。

目前我们采用如下与主观评价相接近的闭环性能指标
J T =1t n ∫t n 0E E 2+δ·SW δ
· 2+y ··y ·· 2+β·β· 2
d t 其中E 为轨道误差;δ·为方向盘角速度;y ·为侧向加速度;β·为重心侧偏角速度。

四轮转向系统的研究应该综合考虑车辆的各项特性,这样就能保证主观评价与客观评价的统一性。

另外,四轮转向在接近附着极限的状态下由于侧向力的饱和而不能发挥控制汽车运动的作用,因此,还要把四轮转向技术与其他主动安全技术(如ABS ,ASR ,VDC 等)相结合,才能真正提高车辆的主动安全性。

参　考　文　献
1　郭孔辉.汽车操纵动力学.长春:吉林科学技术出版社,1991
2　李友善.自动控制原理(上、下册).北京:国防工业出版社,1981
3　吕强.四轮转向车辆的主动控制:〔博士后研究工作报告〕.长春:吉林工业大学,1996
4　Sano S ,Furukawa Y ,Shlralshi S .Four wheel steering system w ith rear w heel steer ang le contro lled as a function of steering wheel angle .SAE Paper 860625,1986
5　Eguchl T ,Saklta Y ,Kawagoe K et al .Dev elo pment o f “Super Hicas ”.A New Rear W heel Steering Sy stem with Phaserversal Co ntrol .SA E P aper 89197,1989
6　Shibahata Y ,Irle N ,I toh H et al .T he development of an experimental four -wheel -steering vehicle .SA E 860623,1986
Progress in Controlling Methods of
Four -Wheel -Steering System
Guo Konghui Y a Hao
(National K ey Lab of Automo bile Dynamic S imulation ,Jilin University of Technology )
A bstract The theory and development of controlling methods about four -w heel -steering (4WS )sy stem is discussed .It is then presented that 4WS system can be put into practical use only w hen the study ing of 4WS system is started in close -loop evaluation and combined w ith o ther active -safety technology .
Key words four -w heel -steering ,close -loop evaluation ,feed -back control ,optimal control ,neural netw orks —4—。