基于后輪轉向與制動協同的車輛操控性可調控制方法研究

【摘要】為解決后輪轉向與制動協同的車輛操控性控制面臨的轉向不足、控制效果難以標定、控制器設計復雜難于工程應用等問題，提出一種后輪轉向和制動的作用強度均可自由調節的控制方法，應用非線性模型設計與前饋/反饋結構，根據設計參數調節控制強度，達到按照期望程度降低車輛質心側偏角、加快橫擺響應速度的效果，并兼顧不足轉向度、燃油經濟性等指標。此外，該方法提供了基于可調參數進行車輛操控性調校的方法，具有精度高、運算量小、無需質心側偏角估計及便于標定等優點。

主題詞：操控性 后輪轉向 直接橫擺力矩

中圖分類號：U461.1；U461.6" 文獻標志碼：A" "DOI： 10.19620/j.cnki.1000-3703.20231032

Research on Vehicle Handling Adjustable Control Method Based on the Integration of Rear Wheel Steering and Braking

Zhao Yongqiang1， Guan Yihang2， He Zhen2， Miao Weiwei1， Yu Zhen1

（1. China FAW Group Co.， Ltd.， Changchun 130013; 2. Harbin Institute of Technology， Harbin 150000）

【Abstract】To address the issue of understeer， difficulty in control effect calibration， complex controller design and difficulty in engineering application， this article proposed a novel approach to vehicle handling control by enabling adaptable rear wheel steering and braking intensity. Employing nonlinear model design and a feedforward/feedback structure， this method can adjust control intensity according to design parameters， allows for improving the vehicle’s center of mass sideslip angle according to expectation and enhancing yaw response speed. In addition， the approach also accommodates understeer mitigation and fuel economy optimization. In addition， the proposed method also has other advantages such as high accuracy， small computational complexity， no need for vehicle sideslip angle estimation， and ease of calibration. A method for vehicle handling tuning based on adjustable parameters is also provided.

Key words： Handling performance， Rear Wheel Steer （RWS）， Direct Yaw Moment Control （DYC）

1 前言

后輪轉向（Rear Wheel Steer，RWS）的主要目標為減小質心側偏角，從而提高低速行駛時汽車的轉向靈活性及高速行駛時的穩定性[1-4]。通常，希望將質心側偏角減小至0[2，5-8]，但會帶來駕駛員操作負擔增大、汽車操控性劣化等問題[5]。此外，模型預測控制[10-11]、H∞控制[8]等方法計算量大、難以標定，不利于工程應用。

基于制動系統的直接橫擺力矩控制（Direct Yaw Moment Control，DYC）可提高瞬態橫擺響應速度，直接橫擺力矩越大，提升效果越明顯[9-11]。然而，過大的直接橫擺力矩會造成減速及拖拽感明顯，影響駕駛體驗[12]，同時，車輛能耗增加，續駛里程下降[13]。

為實現預期車輛行駛控制效果，本文針對控制強度標定需求，提出含有3個可調參數的RWS與DYC協同控制方法。

2 非線性二自由度模型

為描述車輛的橫擺與側向運動，建立非線性二自由度模型，如圖1所示。

上升時間τ越小，制動作用強度越大。不同τ對應的瞬態期望橫擺率rd如圖10所示。

3.4 可調作用強度的制動控制器設計

制動控制用于調節車輛橫擺響應動態特性，采用反饋結構，如圖11所示。瞬態期望橫擺率模塊根據穩態橫擺率rs以及可調參數ζ和τ得到瞬態期望橫擺率rd；控制器根據瞬態期望橫擺率rd與反饋信號r的偏差er得到控制量直接橫擺力矩Mz；制動力分配模塊根據車輛狀態得到各輪缸壓力pi，從而計算出Mz。

控制器采用高通濾波的比例控制，其傳遞函數為：

Mz（s）/er（s）=s/（s+0.1）" " " " " " " " " " " " "（10）

模型攝動或外界擾動可產生橫擺率的穩態誤差，高通濾波可消除該穩態誤差引起Mz的低頻分量，有效避免制動系統的長時間作用。

3.5 制動力分配

利用單側車輪制動得到直接橫擺力矩Mz，從而實現制動力分配。由于制動力屬于輪胎縱向力，對側向力具有削弱作用，如圖12所示，相同輪胎側偏角條件下，縱向力越大，側向力越小。

因此，制動力分配的基本原則為：當轉向不足時，控制器制動后輪；當轉向過度時，控制器制動前輪。具體的分配策略如表2所示。

其中，p1、p2、p3、p4分別為左前、右前、左后和右后輪缸的壓力，df、dr分別為前、后軸的輪距，R為輪胎半徑，kb為制動摩擦因數，即制動力矩與制動壓力的比值。

4 基于可調參數的操控性調教

本文控制器引入3個可調參數，即k=h（vx）、ζ和τ，在工程應用中，可調整以上參數對車輛操控性進行調校，包括橫擺增益特性、橫擺響應時間以及橫擺阻尼。

4.1 橫擺增益

車輛的橫擺增益是車輛操控性中最重要的穩態指標之一，通過調節后輪轉向作用強度k調節橫擺增益，對車輛轉向行為的影響如圖13所示。低速行駛時，前輪與后輪轉向角方向相反，增大k會增大橫擺增益；高速行駛時，前輪與后輪轉向角方向相同，增大k則減小橫擺增益。通過調節不同車速下的k，即調節函數h（vx）可實現不同車速所需的橫擺增益。

其中，

低速行駛時，令k3接近k1，此時橫擺增益大，質心側偏角接近0；而在高速行駛時，令k3接近k2，橫擺增益相較于k1下降不明顯。

在工程應用中，可用MAP表示函數h（vx）。調校過程中，在特定速度下進行J-turn工況轉向，感受該速度下的橫擺增益，據此調整該速度下的h（vx）函數值。

4.2 橫擺響應時間

橫擺響應時間對車輛瞬態橫擺響應至關重要。通過調整控制器中參數τ可調節橫擺響應時間，車速為20 m/s且轉向盤轉向角階躍90°輸入的工況下，不同τ對應的橫擺率響應和直接橫擺力矩如圖14所示。

建立橫擺率前期，即10.3 s以內，τ越小，橫擺率上升越快，所需的直接橫擺力矩越大；建立橫擺率后期，即第10.3～10.6 s，控制目標是減小橫擺超調，τ越大，所需的負向直接橫擺力矩越大。

實際工程中，在進行J-turn工況轉向時，需兼顧橫擺率響應時間和拖拽感，調節參數τ以獲取最優的操控性體驗。

4.3 橫擺響應阻尼

橫擺響應阻尼也是衡量車輛瞬態橫擺響應品質的重要指標之一。通過調節控制器中的參數ζ改變橫擺響應時間，在車速20 m/s且轉向盤轉向角階躍90°輸入的工況下，不同ζ對應的橫擺率響應和直接橫擺力矩如圖15所示。

圖15中，曲線對應τ=0.2 s，因此，上升時間一致。ζ越大，超調越小，但為了維持相同的響應時間，前期橫擺率上升得越快，所需的直接橫擺力矩越大。

實際工程中，需通過調校響應時間τ和阻尼ζ優化瞬態橫擺響應特性。

5 結束語

本文提出基于后輪轉向與制動協同的車輛操控性可調控制方法，成功改善了轉向過度和難以工程應用的問題，所提出方法不僅能夠精細調節后輪轉向和制動作用的強度，還能夠通過可調參數實現車輛操控性的靈活調校。試驗結果表明，該方法能夠有效改善車輛的質心側偏角和橫擺響應速度，進而提升車輛的操控穩定性和安全性，同時，可根據不同的駕駛條件和駕駛者的偏好，優化車輛的操控表現。此外，該方法計算復雜度較低且無需質心側偏角估計，為其在工程實踐中的應用提供了便利。

參 考 文 獻

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（責任編輯 瑞 秋）

修改稿收到日期為2024年1月10日。

【引用格式】 趙永強， 關懿航， 何朕， 等. 基于后輪轉向與制動協同的車輛操控性可調控制方法研究[J]. 汽車技術， 2024（4）： 57-62.

ZHAO Y Q， GUAN Y H， HE Z， et al. Research on Vehicle Handling Adjustable Control Method Based on the Integration of Rear Wheel Steering and Braking[J]. Automobile Technology， 2024（4）： 57-62.