四輪轉(zhuǎn)向汽車(chē)最優(yōu)轉(zhuǎn)向控制研究

摘要： 為了充分發(fā)揮四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)在改善汽車(chē)操縱穩(wěn)定性方面的優(yōu)勢(shì)， 對(duì)汽車(chē)轉(zhuǎn)向的理想狀態(tài)進(jìn)行了分析， 構(gòu)建了理想轉(zhuǎn)向模型。依據(jù)具有二次型性能指標(biāo)的最優(yōu)控制理論， 以汽車(chē)轉(zhuǎn)向理想模型作為跟蹤目標(biāo)， 采用基于狀態(tài)反饋和前輪前饋的控制策略， 對(duì)四輪轉(zhuǎn)向汽車(chē)后輪轉(zhuǎn)向控制規(guī)律進(jìn)行了研究。利用Matlab工具， 對(duì)所提出的后輪轉(zhuǎn)向最優(yōu)控制方法進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明： 所設(shè)計(jì)的后輪轉(zhuǎn)角最優(yōu)控制器改善了汽車(chē)轉(zhuǎn)向的瞬態(tài)與穩(wěn)態(tài)響應(yīng)特性， 其瞬態(tài)響應(yīng)的超調(diào)量減少， 穩(wěn)定時(shí)間縮短； 側(cè)向滑移的穩(wěn)態(tài)值有所降低， 從而提高了汽車(chē)轉(zhuǎn)向的操縱穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞： 汽車(chē)； 四輪轉(zhuǎn)向（ 4WS） ； 最優(yōu)控制； 仿真； 操縱穩(wěn)定性

中國(guó)分類號(hào)：U273 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 引言

隨著現(xiàn)代道路交通系統(tǒng)和汽車(chē)技術(shù)的發(fā)展，汽車(chē)行駛的速度不斷提高，高速行駛的安全問(wèn)題日益突出。汽車(chē)在高速行駛下進(jìn)行車(chē)道變換、超車(chē)、彎道行駛時(shí)，減少車(chē)身側(cè)偏，提高汽車(chē)安全性成為現(xiàn)代汽車(chē)亟待解決的問(wèn)題。 四輪轉(zhuǎn)向 （4WS）作為一項(xiàng)有效的汽車(chē)主動(dòng)安全技術(shù)近年來(lái)已有了很大的發(fā)展， 一些成熟技術(shù)在高檔車(chē)上已得到應(yīng)用。4WS汽車(chē)通過(guò)后輪直接參與對(duì)汽車(chē)側(cè)向及橫擺運(yùn)動(dòng)的控制， 不僅減少了轉(zhuǎn)向力產(chǎn)生的滯后， 而且能獨(dú)立地控制汽車(chē)的運(yùn)動(dòng)軌跡與姿態(tài)， 使汽車(chē)的方向角與姿態(tài)角重合， 改善了汽車(chē)高速時(shí)的操縱穩(wěn)定性和低速時(shí)的機(jī)動(dòng)靈活性[1]。 本文根據(jù)具有二次型性能指標(biāo)的線性跟蹤問(wèn)題最優(yōu)控制理論，基于汽車(chē)狀態(tài)反饋和前輪前饋，簡(jiǎn)單介紹4WS汽車(chē)轉(zhuǎn)向控制規(guī)律[2-3]。

2 4WS汽車(chē)動(dòng)力學(xué)模型的建立

目前有關(guān)4WS汽車(chē)的研究大部分使用包含橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角的線性二自由度單軌自行車(chē)模型。理論和試驗(yàn)都證明，在正常車(chē)速范圍的非緊急狀態(tài)（低側(cè)向 加速度）和小轉(zhuǎn)向角的情況下，該模型能以較好的精度表征車(chē)輛轉(zhuǎn)向的實(shí)際物理過(guò)程， 基于它們?cè)O(shè)計(jì)的控制器能夠正常工作[4]。 建模時(shí)作如下假設(shè)：忽略懸架系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的影響，直接以前輪轉(zhuǎn)角作為輸入；不考慮加減速過(guò)渡工況，認(rèn)為轉(zhuǎn)向時(shí)汽車(chē)行駛速度u大小保持不變；忽略汽車(chē)的側(cè)傾與俯仰運(yùn)動(dòng)，認(rèn)為汽車(chē)只作平行于地面的平面運(yùn)動(dòng)，則汽車(chē)只有沿Y軸的側(cè)向運(yùn)動(dòng)與繞Z軸的橫擺運(yùn)動(dòng)兩個(gè)自由度[5-6]。

從圖2可看出，最優(yōu)控制汽車(chē)質(zhì)心側(cè)偏角穩(wěn)態(tài)值為 （約為-3.4°），相對(duì)于前輪轉(zhuǎn)向汽車(chē)穩(wěn)態(tài)值（-5°）減小，且無(wú)瞬態(tài)振蕩超調(diào)；對(duì)于橫擺角速度，最優(yōu)控制汽車(chē)穩(wěn)態(tài)值為 ，接近前輪轉(zhuǎn)向汽車(chē)穩(wěn)態(tài)值（ ），且超調(diào)量減少，上升時(shí)間及穩(wěn)定時(shí)間縮短，瞬態(tài)振蕩減弱。仿真結(jié)果表明：相對(duì)于前輪轉(zhuǎn)向汽車(chē)，最優(yōu)控制4WS汽車(chē)在保證駕駛?cè)笋{駛感覺(jué)變化不大的情況下，減少了汽車(chē)側(cè)滑，改善了汽車(chē)瞬態(tài)響應(yīng)，轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)更加平穩(wěn)，提高了汽車(chē)的操縱穩(wěn)定性。

5 結(jié)束語(yǔ)

建立了二自由度的四輪轉(zhuǎn)向汽車(chē)的數(shù)學(xué)模型，并在MATLAB/Simulink環(huán)境下搭建了仿真模型，同時(shí)求得了基于最優(yōu)控制的四輪轉(zhuǎn)向汽車(chē)的狀態(tài)變量反饋增益矩陣和前輪轉(zhuǎn)角前饋增益矩陣。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了四輪轉(zhuǎn)向汽車(chē)最優(yōu)轉(zhuǎn)向控制策略能夠很好的改善汽車(chē)側(cè)向動(dòng)力學(xué)特性，減少了轉(zhuǎn)向時(shí)瞬態(tài)響應(yīng)的超調(diào)量，縮短了穩(wěn)定時(shí)間，使汽車(chē)轉(zhuǎn)向更加平穩(wěn)。相對(duì)于前輪轉(zhuǎn)向汽車(chē)，基于最優(yōu)控制的四輪轉(zhuǎn)向汽車(chē)在保持轉(zhuǎn)向靈敏度（橫擺角速度穩(wěn)態(tài)增益）變化不大的情況下，減小了汽車(chē)側(cè)滑，糾正了車(chē)身姿態(tài)，并保證了轉(zhuǎn)向靈敏度的一致性，而且在根本上提高了汽車(chē)操縱穩(wěn)定性。

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