汽車四輪轉向的最優控制分析

摘 要：隨著我國經濟社會的進步，汽車行業蓬勃發展。為了提高汽車四輪在實際操作中的穩定性，必須建立四輪轉向的最優模型控制，不斷改善汽車行駛軌跡的穩定性，實現汽車的穩定良好控制。其中，本文在我國汽車四輪轉向技術的發展現狀以及趨勢分析的基礎上，重點探析了我國汽車四輪轉向的最優控制設計研究與研究的現實意義，對于相關工作人員的研究具有一定的借鑒參考價值。關鍵詞：四項輪汽車；最優控制；設計分析；設計研究

1 我國汽車四輪轉向技術的發展現狀以及趨勢分析

1.1 我國汽車四輪轉向技術的發展現狀

汽車四輪轉向系統的實現方式在結構上可以分為機械式、液壓式、電動式以及復合式。關于汽車四輪轉向的研究，許多學者一般以線性控制理論為基礎，進行四輪轉向和主動前輪轉向的控制算法。而我國的汽車工業發展起步較晚，四輪轉向技術的研究也較為緩慢。但是，隨著科學技術的不斷升級發展，我國在車載模型研究控制方法、橫擺角速度信號的測量上實現了低成本、高效率、準精度的突破。同時，對于 4WS車輛的操作穩定性以及魯棒性方面的研究在最優隨動控制上都取得了重大進展。特別是基于質心側偏角的最優控制算法也取得了突破發展。

1.2 我國汽車四輪轉向技術的發展趨勢分析

1.2.1 汽車四輪轉向研究存在的發展問題

國內對于汽車四輪轉向的研究發展起步較為緩慢，在機械、液壓、機電等方面的研究涉及甚少。在汽車四輪的轉向研究上，從理論研究到實際工程的研究上，必須重視后輪轉向執行的相關研究。它的好壞直接決定著汽車能否發揮其在動力轉向方面的優勢。后輪轉向的性能研究的成功直接關系到汽車企業生產制造的成本低廉、安全可靠等方面的內容。除此之外，還要考慮到輪胎非線性特性對于汽車四輪轉向控制的影響，在進行四輪轉向汽車狀態的估計的研究上，也要對于擺角速度、前后輪轉角、質心側偏角以及路面系數等等都要進行測量。同時，要建立四輪轉向控制系統內外環聯合控制仿真平臺，不斷將整車的性能最優控制系統化都是汽車四輪轉向當前面臨的發展問題。

1.2.2 汽車四輪轉向今后的研究發展方向

目前，基于 V模式的開發設計被很多汽車開發商所應用，在硬件仿真技術方面也不斷升級更新。因此，在后續的汽車四輪研究方向中要不斷將新概念的開發設計流程不斷推廣使用，結合硬件在仿真技術設計出更加準確的反映車輛運動狀態的仿真平臺。

2 我國汽車四輪轉向的最優控制

2.1 關于輪胎側偏特性對于轉向性能的分析

2.1.1 汽車輪胎側偏剛度對控制系統設計的影響

汽車輪胎的側偏性是汽車穩定操作的重要因素，側偏特性主要是指汽車運動過程中偏力、回正力矩與側偏角之間的關系。側偏力與側偏角的符號相同，路面摩擦系數為特定的數值時，當側偏力較大時，側偏角則以較大的速率增長。曲線的斜率逐漸減小時，就會導致輪胎在接地面處發生部分的側滑。最大側偏力的值越大，汽車的極限性能就越好，汽車能夠在正常的軌道上行駛。同時，值得注意的是，輪胎側偏剛度超過線性區 [1]，輪胎的剛度會變小，而需要四輪轉向控制策略計算出較大的車亂轉角，使得較大的輪胎側偏力來保持汽車的穩定性和安全性。

2.1.2 輪胎側偏剛度的分區和設定

在汽車四輪轉向系統中，汽車輪胎側偏剛度主要的影響因素是輪胎氣壓、垂直載荷以及路面摩擦系數的影響。當預知路面附著系數的前提下，可以根據系數基礎下的輪胎側偏剛度特性對于車輛進行控制，可以采用最小二乘法對于所劃定的輪胎側偏剛度進行計算，從而根據實際的數學計算得出最優化的問題。

根據魔術輪胎模型計算出來的剛度特性曲線，得到如下的計算效果 [2]。

2.2 關于四輪轉向數學模型的建立

2.2.1 二自由度的汽車四輪轉向動力模型的簡述

二自由度車輛模型可以方便快捷的說明車輛操作系統在動力發展方面的特征，對于車輛在轉向過程中的車輛不足轉向以及轉向過度的特性具有實際的作用。二自由度車輛模型對于汽車控制來講是一個簡單的實用的數學模型下圖為計算汽車自由度的動力學方程。

2.2.2 關于二自由度四輪轉向權模型

在汽車二自由度四輪轉向權模型建立時，一定要充分考慮輪胎側偏剛度非線性特性的車輛運動情況。通過相鄰的兩個輪胎側偏剛度之間的用權函數來解決，從而實現車輛轉向過程中的平滑過度。為了驗證權函數的選取是否合理，對于前輪單胎和后輪單胎的的偏力角變化曲線進行研究 [4]。在實際研究中，為了驗證二自由度權模型的準確性，可以對二自由度線性模型、二自由度權模型的仿真對比分析，能夠更加準確的得到汽車的實際情況。

2.3 關于汽車四輪轉向的最優控制設計策略

2.3.1 關于線性二次型最優控制

在解決汽車四輪轉向問題上尋求最優二次控制就是追尋最優控制的方法。在進行線性二次方程的計算中，要仔細考慮對終端誤差的變化，嚴格講終端誤差的代價函數植入到方程的計算中，保證達到終端狀態的誤差最小化。在積分項的計算中第二項與消耗的控制中成正相關的關系，消耗的值越大，性能指標越大。總而言之，通過性能指標最小則表示用合適的控制量來保持較小的誤差，最終達到能量消耗、動態誤差以及終端誤差的最優化。

2.3.2 四輪轉向車輛理想跟蹤目標設計

在關于汽車轉向的四輪穩定性能的控制上，一般是保持軌跡以及運動穩定性的問題。在軌跡穩定性問題上，可以將車輛作為一個質點，通過合理解決輪胎的縱向力和側向力決定。汽車駕駛員在行車過程中沿著車輛的縱軸線方向，能夠對于車輛質心側偏控制在合理的范圍。當汽車在低速行駛時，汽車的輪胎側偏角很小，通過控制前后輪的偏轉保持軌跡的穩定。但是，無論是高速行駛還是低速行駛，質心側偏角維持在零左右 [6]，一般有最佳的駕駛視野、能夠更好的更完整的對于路面狀況進行校正，得到合理的數據。

2.3.3 基于權函數四輪轉向的設計研究

對于四輪轉向汽車而言，在權函數四輪轉向的研究上，可以通過雙移線行駛對比分析進行探討。當前后輪胎側偏角平均值達到 6度左右時，輪胎側偏剛度實現了從線性區到緩平區的變化。一般來講，四輪轉向車輛的側向加速度比前輪轉向汽車要小，然而前輪轉向汽車的質心偏角相對較小，這樣車輛能夠在行駛過程中，更加接近期望的目標軌跡。同時，當四輪轉向汽車以 80km/h行駛時 [7]，汽車的前輪轉向基本能夠實現期望的行駛性能。

3 探析汽車四輪轉向的最優控制的現實意義

四輪轉向汽車在穩定汽車操作，提高汽車動力性能方面具有潛在的研究價值和應用發展前景。研究汽車四輪轉向的最優控制，不僅是提高汽車操作穩定性，保證汽車在低速行駛的靈活性，同時研究汽車四輪轉向對于高速行駛的汽車的穩定性和安全性具有重要的意義。

參考文獻：

[1]杜峰，魏朗，趙建有 .基于狀態反饋的四輪轉向汽車最優控制 [J].長安大學學報（自然科學版）.2008年 07月 15日版 .

[2]陳慶樟，孟杰，劉臣富 .汽車四輪轉向的最優控制研究 [J].常熟理工學院學報 .2016年03月20日版.

[3]閆光輝，魏朗，陳濤 .主動四輪轉向汽車最優控制及閉環操縱性仿真 [J].汽車工程.2014年 07月25日版.

[4]劉啟佳 .四輪轉向汽車側向動力學最優控制和內外環聯合控制研究 [J].北京理工大學博士畢業論文 .2014年 06月 01日版 .

[5]李辰旸，羅文廣 .四輪轉向汽車最優轉向控制研究 [J].計算技術與自動化 .2013年12月15日版.

[6]王紀瑞，左曙光 .四輪轉向汽車二次型最優控制策略研究 [j].佳木斯大學學報（自然科學版）.2010年 01月 15日版 .

[7]余攀 .四輪獨立轉向驅動電動車控制系統設計及控制算法研究 [j].電子科技大學.2015年05月04日.

作者簡介

宰文潔：（1986.09—），女，漢族，湖北武漢人，本科學歷，武漢華夏理工學院汽車工程學院，助教。研究方向：汽車電子技術。