驾驶员四轮转向汽车闭环系统运动稳定性研究(2)

南京航空航天大学硕士学位论文第一章绪论１．１汽车操纵稳定性的评价方法汽车操纵稳定性是汽车系统极其重要的特性。汽车的操纵稳定性是汽车理论的重要组成部分，它通常包含互相联系的两方面，即操纵性和稳定性。在驾驶者不感到过分紧张、疲劳的条件下，操纵性指汽车能够遵循驾驶者通过转向系及转向车轮给定的方向行驶：稳定性指汽车在遭到外界干扰时，能够抵抗干扰而保持稳定行驶的能力，汽车的操纵稳定性不仅影响到汽车驾驶的操纵轻便程度，而且也是保证高速行驶车辆安全的一个主要性能。所以，人们称之为“高速车辆的生命线”１１１。汽车操纵稳定性的评价方法有两类：开环方法和闭环方法。按照对控制系统操纵性、稳态品质和瞬态响应特性的一般性要求，评价汽车运动特性的方法称为开环方法。事实上，汽车操纵稳定性的优劣，不但取决于汽车本身的结构参数，还涉及驾驶员和道路交通环境等主、客观因素。若把汽车作为驾驶员一汽车一环境闭环系统（如图１．１所示）的被控环节，根据整个系统的特性进行评价的方法称为闭环方法【２】ｏ图１．１驾驶员一汽车一环境闭环系统驾驶员一四轮转向汽车闭环系统运动稳定性研究汽车操纵稳定性课题已经研究了近五十年，关于汽车操纵性的研究比较多，关于汽车的运动稳定性的文献相对较少，而从系统与控制理论的角度研究汽车的运动稳定性的则更少。只有当汽车在各种速度下的运动机理认识清楚了，才能通过优化设计方法改善其行驶性能。１．２四轮转向汽车运动稳定性综述进入二十一世纪，人们逐渐将汽车动力学与控制理论应用于实际的工程问题中，开发出许多基于不同工况和不同汽车结构的控制算法，以及基于算法的硬件，以实现高速汽车的操纵稳定性与控制。其中的一个重要手段就是四轮转向技术的应用。四轮转向系统（４ＷＳ）是汽车主动底盘技术的重要组成部分。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。按其控制方法可分为：１、定前、后轮转向比四轮转向系统ｆ３】；２、前后轮转向比是前轮转角函数的四转向系统；３、前、后轮转向比是车速函数的四轮转向系统【３１：４、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【４１；６、具有最优控制特性的四轮转向系统【５】；７、有自学习、自适应能力的四轮转向系统【６】ｏ二十世纪九十年代以来，很多汽车厂商纷纷推出了带有四轮转向系统的概念车，女ＤＨｏｎｄａ，Ｎｉｓｓａｎ，Ｍａｚｄａ等。并把一些成熟的四轮转向技术应用到了它的普及型汽车中。进入二十一世纪，正在开展新一轮的开发经济实用四轮转向系统的热潮。例如美国Ｆｏｒｄ公司正在开发用于前、后轴距较长的家庭轿车的四轮转向系统以提高南京航空航天大学硕士学位论文其机动性和操纵稳定性。传统的二轮转向汽车有低速时转向响应慢，转向不灵活，高速时方向稳定性差等缺点。相比之下，四轮转向汽车的主要优点在于，在转向时能够基本保持重心侧偏角为零，且能够大幅度提高汽车对方向盘输入的动态响应特性，很大程度上改善了横摆角速度和侧向加速度的瞬态性能指标，在高速行驶时能迅速改变车道，车身又不致产生大的摆动，减少了产生摆尾的可能性，使司机更容易控制汽车的姿态。另外，在低速时能够减小汽车的转弯半径，使汽车在低速时更加灵活【”。但是，时至今日这项技术还未在商用汽车上得到广泛的应用。主要原因是生产成本问题，即增加后轮转向系统会提高整车的造价；其次是技术问题，虽然四轮转向技术已经取得了不少进展，但是在进行汽车转向控制规则的确定和控制方法的选择时，主要是依靠经验，相应的理论依据还很缺乏。汽车系统含有丰富的非线性因素，当考虑这些非线性因素时，汽车系统更加趋于复杂。仅仅依靠经验是不够的。因此，开展汽车四轮转向技术的应用基础理论研究，具有重要的理论意义和良好的实用价值。１．３国内外研究情况目前国内外已经开展了一些有关四轮转向汽车操纵稳定性的研究。武汉汽车工业大学的钟绍华等人【８ＪＤＡ－－自由度汽车为模型，分析了四轮转向对汽车操纵稳定性的影响，并与二轮转向汽车的操纵稳定性进行了对比分析。得出了４ＷＳ系统可以大大提高汽车转向时的固有特性，改善横向加速度和横摆角速度的频率响应特性，减小转向时车体的侧偏等，可提高汽车转向时的操纵稳定性的有益结论。北京理工大学的舒进【９１在其论文中也系统地分析了二自由度四轮转向汽车模型的运动方程，得出了质心侧偏角、横摆角速度与前轮转角的传递函数。在此基础上，对四轮转向样车进行了前、后轮转角成比例控制的四轮转向车辆（４ｗｓｌ的运动学仿真，并针对仿真结果进行了系统的分析。结果阐明了四轮转向车辆与前轮转向车辆（２ｗｓ）相比的优势，并提出其发展方向。国外方面，早在二十世纪八十年代末，美国和日本的学者就对四轮转向汽车从结构到前后轮控制方法以及应用前景等方面进行了研究【１０】ｆ１１】。二十世纪九驾驶员一四轮转向汽车闭环系统运动稳定性研究十年代国外对四轮转向汽车的研究逐渐多了起来，许多学者纷纷提出各种复杂的模型和先进的控制策略。希腊的ＳｐｅｎｔｚａｓＫ…ＮＡｌｋｈａｚａｌｉＩ．等人【１２】引入ＭａｇｉｃＦｏｒｍｕｌａ轮胎模型建立了以侧向速度ｖ、侧倾角速度Ｐ和横摆角速度ｒ为自变量的三自由度四轮转向汽车动力学模型，并比较了该模型与二自由度模型的开环评价指标。美国的“ｎＨｉｓ．Ｆｕ和ＳｅｉｒｅｇＡＩｉＡ．等人【１３】引入了包含轮胎非线性及四轮转向系统和制动系统的车辆模型，并采用线性规划算法来估算垂直载荷在轮胎上的分配，以及为保证稳定性所需要的最合适的牵引力或制动力。美国的ＳａｎｅｈｅｚＮ．Ｅ．等人【１４１通过符号方法，分析了装备四轮转向系统的非线性低自由度公路车辆模型的响应，该方法能够提供评价汽车动态稳定性的规则并显著提高车辆的设计进程。韩国的ＹｏｕＳ－Ｓ．等人【”１在其论文中设计了一种基于线性矩阵不等式理论（ＬＭＩ）的全维状态反馈的有极点配置的Ｈ，／Ｈ。方法，对四轮转向汽车的横向（纵向）运动和侧倾运动进行了模拟仿真。日本的ＷａｎｇＹｕｑｉｎｇ等人【“１设计了一种综合控制系统，可以在轮胎进入高非线性区域时使车辆保持很好的性能，以适应变化路面和其他不确定条件。这种控制系统利用系统参数识别的信息对前、后轮的转角以及侧偏力矩进行最优控制。通过仿真验证了提出的控制系统能够有效的提高四轮转向车辆的稳定性裕度和减轻驾驶员的转向负担。日本的ＩｔｏＫ．等人【１７１借助Ｎｉｓｓａｎ公司的条件对四轮转向汽车动力学，尤其是侧向动力学进行了分析和仿真研究。众所周知，汽车在行驶过程中，很多情况下行驶速度是变化的，而且轮胎负荷、路面附着状况和切向力等都是变化的，从而轮胎的侧偏特性也在发生变化，此时汽车的转向特性应由一个包含这些参数不确定性的力学模型来描述，而转向控制器的传统设计常依赖于一个确定性模型，即假定模型的参数在汽车的运行过程中是不变的，因此传统方法设计的控制器，在实际运用时，性能往往难以达到原设计要求，甚至使系统不稳定。因此在进行汽车稳定性研究时要考虑到由汽车行驶状态和路面状况变化而引入的车速和轮胎侧偏刚度的不确定性。下面介绍一下这方面的国内外研究情况。吉林大学的胡立生和李幼德１１８１考虑了四轮转向汽车的不确定性而建立了二自由度的线性不确定四轮转向汽车的动力学模型，采用鲁棒控制理论，提出了二自由度鲁棒控制器设计方法，计算实例证明该控制器比用传统的零侧偏角控南京航空航天大学硕士学位论文制器有更好的动态响应。天津大学的王洪礼１１９】也考虑了不确定性因素，在其论文“汽车四轮转向系统的非线性控制”中，在汽车四轮转向二自由度模型的基础上，引入轮胎的立方非线性，建立非线性四轮转向模型，并对模型进行分析和简化。考虑了不确定性因素对转向稳定性的影响，并运用鲁棒控制理论进行非线性控制设计。通过仿真计算表明能达到很好的控制效果，并实现预期的目标。国外方面，ＲａｙＬａｕｒａＲ．把随机鲁棒分析与设计方法（ＳＲＡＤ）应用到一个二自由度四轮转向汽车的侧向动力学容错控制和鲁棒分析中【２０】，ＳＲＡＤ分析方法一般是通过不确定性的统计学描述来决定不合适的控制系统设计目标的出现概率。Ｙａｎｉｖ对固定和不固定车速下的四轮转向汽车的横摆和侧向动力学的鲁棒性和闭环性能进行了研究［２Ｈ，给出了一个对具有高度不确定性的四轮转向车辆实现提出的控制算法的算例。以上论文都是基于开环系统而建立控制模型的。然而正如郭孔辉院士指出的［２２】：“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”。而目前在国内基于闭环评价指标的四轮转向系统的研究开展的很少。在这方面，上海交通大学的屈求真等人［２３】则建立了基于自适应控制策略的四轮转向汽车的模型，其论文的不同之处就在于率先使用了单点预瞄驾驶员模型，从驾驶员一汽车—道路闭环系统的角度，通过考虑驾驶员特性及道路条件，结合四轮转向汽车的确定性模型，采用状态反馈变增益控制方法探讨了汽车在单移线行驶过程中后轮的最优控制规律。国外方面，驾驶员一汽车闭环系统的研究也不多，美国的ＸｉａＸ等人（２４】在这方面做了很有意义的工作，他们在论文中引入非线性８自由度四轮汽车模型和多闭环准线性驾驶员模型对常规的前轮转向汽车和四轮转向汽车进行了深入的研究。得出了“驾驶员一四轮转向汽车闭环系统能够明显的改善有侧风干扰以及转向制动联合操纵情况下的驾驶员／车辆的性能”的结论。综上所述，国内外对于四轮转向汽车的研究基本上都是基于开环系统，简单一些的就是建立单一的二自由度或三自由度的四轮转向汽车的模型，并对其进行方向盘角输入或力输入下的瞬态和稳态响应分析以及横摆角速度和横向加