基于橫向位移控制4WS車(chē)輛操縱穩(wěn)定性仿真研究

尤 永 黃俊杰 王 浩 鄺坤陽(yáng)

1.安徽江淮汽車(chē)股份有限公司,合肥,230601 2.合肥工業(yè)大學(xué),合肥,230009

基于橫向位移控制4WS車(chē)輛操縱穩(wěn)定性仿真研究

尤 永1黃俊杰2王 浩2鄺坤陽(yáng)2

1.安徽江淮汽車(chē)股份有限公司,合肥,230601 2.合肥工業(yè)大學(xué),合肥,230009

建立了一種基于橫向位移偏差控制的4WS汽車(chē)閉環(huán)控制系統(tǒng),控制目標(biāo)是減小橫向位移偏差,提高軌跡跟蹤性能和操縱穩(wěn)定性。系統(tǒng)中的駕駛員模型是一個(gè)基于橫向位移偏差控制,包括預(yù)瞄、積分和高頻補(bǔ)償?shù)亩嗦烽]環(huán)控制系統(tǒng)。后輪轉(zhuǎn)角采用前饋和反饋控制結(jié)合的方法。對(duì)兩種汽車(chē)運(yùn)行軌跡進(jìn)行了仿真研究,結(jié)果表明4WS汽車(chē)比2WS汽車(chē)有更好的橫向位移跟蹤性能和操縱穩(wěn)定性。

4WS汽車(chē);駕駛員模型;橫向位移偏差控制;操縱穩(wěn)定性;閉環(huán)控制

0 引言

四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(4WS)是主動(dòng)底盤(pán)技術(shù)的重要組成部分,其原理是前后輪同時(shí)參與汽車(chē)轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng),以改善汽車(chē)橫擺和橫向運(yùn)動(dòng),更好地控制汽車(chē)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)軌跡,提高汽車(chē)的操縱穩(wěn)定性。四輪轉(zhuǎn)向控制是汽車(chē)控制領(lǐng)域內(nèi)的一個(gè)熱點(diǎn),國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究已取得了一定的成果。文獻(xiàn)[1]建立了四輪轉(zhuǎn)向非線性方程和模型,但是模型過(guò)于簡(jiǎn)化,參數(shù)難以獲取;文獻(xiàn)[2]提出了一種基于模型跟蹤控制系統(tǒng),但系統(tǒng)未考慮駕駛員的作用;文獻(xiàn)[3]介紹了關(guān)于最優(yōu)預(yù)瞄駕駛員模型,但沒(méi)有提供相應(yīng)的仿真結(jié)果。本文參考文獻(xiàn)[4]中的駕駛員模型,建立了一種基于橫向位移偏差控制的4WS汽車(chē)閉環(huán)控制系統(tǒng),目標(biāo)是減小橫向位移跟蹤誤差,提高汽車(chē)軌跡跟蹤性能,改善汽車(chē)操縱穩(wěn)定性。

1 汽車(chē)動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

建立模型的條件如下:x軸于汽車(chē)縱向?qū)ΨQ平面內(nèi),指向汽車(chē)前進(jìn)方向;y軸指向汽車(chē)的左側(cè);z軸指向汽車(chē)上方。汽車(chē)由簧上質(zhì)量和簧下質(zhì)量?jī)刹糠仲|(zhì)量系統(tǒng)組成,忽略空氣阻力、滾動(dòng)阻力及輪胎側(cè)傾效應(yīng),車(chē)輛對(duì)稱部分具有相同的特性。動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)模型示意圖見(jiàn)圖1。根據(jù)上述條件和圖1建立模型如下:

圖1 車(chē)輛模型示意圖

縱向運(yùn)動(dòng)方程:橫向運(yùn)動(dòng)方程:

式中,m為整車(chē)整備質(zhì)量;ms為簧上質(zhì)量;hs為質(zhì)心到簧載質(zhì)量側(cè)傾中心的高度;h為側(cè)傾力臂;φ為側(cè)傾角;p為側(cè)傾角速度;ωγ為橫擺角速度;Cφ為懸架側(cè)傾角剛度;Bφ為懸架側(cè)傾角阻尼;v為橫向速度;a、b為前軸、后軸到質(zhì)心的距離;k1、k2為前輪、后輪側(cè)偏剛度;δf、δr為前輪、后輪轉(zhuǎn)角;Fyf、Fyr為前軸、后軸車(chē)輪側(cè)向力;Ef、Er為前輪、后輪側(cè)傾轉(zhuǎn)向系數(shù);Iz為繞z軸慣性矩;Ix為繞x軸慣性矩;Ixz為xz面慣性矩;g為重力加速度。

2 駕駛員模型[4]

圖2 駕駛員模型

駕駛員模型示意圖見(jiàn)圖2,此模型是一個(gè)基于橫向位移偏差控制的模型,包括預(yù)瞄、積分和高頻補(bǔ)償?shù)亩嗦烽]環(huán)控制系統(tǒng)。其中,τp為駕駛員預(yù)瞄時(shí)間;K y為側(cè)向位移跟蹤偏差增益;K fi為航向角偏差增益;Ki為積分增益;Tl為微分增益(Ky、K f i取決于車(chē)輛特性和駕駛狀態(tài));τp、K i、T l是取決于駕駛員駕駛能力的參數(shù);延遲時(shí)間τ包括駕駛員反映時(shí)間和操縱動(dòng)作執(zhí)行延誤時(shí)間;D(s)為高頻動(dòng)態(tài)干擾;s為拉普拉斯變換變量。仿真中采用的駕駛員模型參數(shù)(典型的統(tǒng)計(jì)值)如表1所列。

表1 駕駛員參數(shù)

3 控制系統(tǒng)

后輪轉(zhuǎn)角采用前饋控制和反饋控制結(jié)合的方法,控制目標(biāo)是使穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)質(zhì)心側(cè)偏角為零?？刂葡到y(tǒng)方程為

4WS汽車(chē)控制系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 汽車(chē)控制系統(tǒng)

4WS汽車(chē)整車(chē)控制向量為

4 道路軌跡模型

本文對(duì)圖4所示的兩種道路模型進(jìn)行了仿真研究。圖4a中,汽車(chē)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡是半徑為R的圓;圖4b中,汽車(chē)在直線行駛的同時(shí),在一定的時(shí)間(一定的縱向位移)內(nèi)的橫向位移為 y的側(cè)移運(yùn)動(dòng)。

5 計(jì)算機(jī)仿真模型及仿真分析

5.1 計(jì)算仿真模型

本文基于MATLAB/Sim link軟件建立2WS和4WS汽車(chē)操縱穩(wěn)定性模型。對(duì)上述兩種典型道路進(jìn)行仿真,比較性地研究4WS汽車(chē)對(duì)軌跡跟蹤和操縱穩(wěn)定性的改善。4WS汽車(chē)計(jì)算機(jī)仿真模型如圖5所示。仿真所用汽車(chē)主要參數(shù)為:g=9.81m/s2;a=1.163m;b=1.402m;h s=0.49m;m=1484.8kg;m s=1200kg;k1=-39036N/rad;k2=-42309N/rad;Iz=1333.6 kg?m2;Ix=500 kg?m2;Ixz=100 kg?m2;E f=0.17;E r=0.15;Cφ=30900N/rad;Bφ=2100N ?s/m;u=25m/s。

5.2 仿真結(jié)果分析[5-7]

5.2.1 圓形軌跡跟蹤仿真分析(R=50m)

如圖6a所示,圓形軌道上2WS汽車(chē)軌跡脫離預(yù)定軌道,形成一個(gè)橢圓形;而4WS汽車(chē)能較好地跟蹤預(yù)定軌跡,其運(yùn)動(dòng)軌跡和預(yù)定軌道較為一致;圖6b清楚表明4WS汽車(chē)側(cè)向位移偏差比2WS汽車(chē)顯著下降;圖6c中,4WS汽車(chē)瞬態(tài)橫擺角速度比2WS明顯減小,并且以較快的速度達(dá)到穩(wěn)態(tài);圖6d中,4WS車(chē)輛側(cè)傾角速度瞬態(tài)峰值和2WS相差不大,但以較快的速度收斂。

圖5 4WS汽車(chē)計(jì)算機(jī)仿真模型

圖6 圓形軌跡跟蹤仿真

5.2.2 側(cè)移運(yùn)動(dòng)跟蹤仿真分析(y max=5m)

圖7a、圖7b所示是汽車(chē)行駛軌跡和橫向位移偏差,側(cè)移運(yùn)動(dòng)仿真表明,2WS汽車(chē)和4WS汽車(chē)都能較好地跟蹤橫向位移,但是,瞬態(tài)時(shí)4WS車(chē)輛橫向位移偏差顯著減小,軌跡跟蹤能力明顯提高;圖7c中,4WS汽車(chē)瞬態(tài)的橫擺角速度峰值比2WS汽車(chē)瞬態(tài)的橫擺角速度峰值減小不明顯,但4WS汽車(chē)以更快的速度達(dá)到穩(wěn)態(tài),操縱穩(wěn)定性提高;圖7d中,4WS車(chē)輛的側(cè)傾角速度瞬態(tài)性能有所變差,這是因?yàn)?WS汽車(chē)為了在橫向位移急劇變化的狀態(tài)下迅速跟蹤橫向位移,前后車(chē)輪以較大轉(zhuǎn)向角進(jìn)行轉(zhuǎn)向,故而造成瞬態(tài)車(chē)身側(cè)傾角速度出現(xiàn)急劇變化的現(xiàn)象[8-10]。

圖7 側(cè)向運(yùn)動(dòng)跟蹤仿真

6 結(jié)論

(1)本文建立了人-車(chē)-路閉環(huán)控制4WS汽車(chē)模型,并對(duì)兩種道路線型進(jìn)行了仿真分析。仿真結(jié)果表明,4WS汽車(chē)比2WS汽車(chē)能更好地跟蹤橫向位移,并在一定程度上改善了高速行駛車(chē)輛操縱穩(wěn)定性的瞬態(tài)性能。

(2)4WS汽車(chē)在提高橫向位移跟蹤性能的同時(shí),可能使其他性能(如簧上質(zhì)量側(cè)傾)變差,因此,可以采用4WS車(chē)輛控制技術(shù)與主動(dòng)懸架控制技術(shù)結(jié)合的集成控制,在改善橫向位移跟蹤和操縱穩(wěn)定性的同時(shí),其他性能指標(biāo)也能得到提高,這是車(chē)輛主動(dòng)控制技術(shù)發(fā)展方向。

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Simu lation Research of Steering Stability of 4WSVehicle Based on Latera l Disp lacement Error Control

You Yong1H uang Jun jie2Wang Hao2Kuang Kunyang2
1.A nhui Jianghuai Automotive Co.Ltd.,Hefei,230601 2.H efei University o f Technology,H efei,230009

A closed-loop control system of 4WS based on the controlof lateral disp lacementerror was set up herein,which was used to decrease the lateral disp lacementerror and improve the ability of follow ing track and steering stability.The driver model,in the control system,was a closed multiloop control system,based on lateral disp lacement error control,including preview,integral and com pensation of high frequency.The combination of feedback and feed-forward controlmethod was adopted in the rearwheel steering angle control.Finally,two-type trajectory,followed by vehicle,was investigated by simulation,results show that 4WS vehicle has better ability of following track and steering stability than 2WS vehicle.

4WS(4 wheel steering)vehicle;driver model;lateral disp lacement error control;steering stability;closed-loop control

U461.6

1004—132X(2011)12—1508—04

2010—08—12

(編輯 何成根)

尤 永,1971年生。江淮汽車(chē)股份有限公司高級(jí)工程師。主要研究方向?yàn)檐?chē)輛動(dòng)力學(xué)。黃俊杰(通訊作者),男,1984年生。合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院碩士研究生。王 浩,男,1987年生。合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院碩士研究生。鄺坤陽(yáng),男,1985年生。合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院碩士研究生。