朱亚伟，尉庆国

（中北大学机械与动力工程学院，山西 太原 030051）



基于Matlab/simulink的四轮转向汽车操纵稳定性仿真

朱亚伟，尉庆国

（中北大学机械与动力工程学院，山西 太原 030051）

摘 要：车辆的稳定性和安全性是人们衡量一辆汽车性能最基本的指标,通过在matlab/simulink中建立汽车动力性模型，对汽车的操纵稳定性进行仿真，对比前轮转向和四轮转向系统，四轮转向系统对于提升汽车的操纵稳定性，具有十分显著的作用。低速时转向半径较小，转向更加灵活；高速时，能够很快的根据情况改变车道，确保侧偏角始终接近于零，提高循迹跟踪能力，减少侧滑和甩尾现象的出现。

关键词：两轮转向；四轮转向；MATLAB/Simulink；操纵稳定性

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.02.023

CLC NO.: U463.33 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2016)02-67-03

前言

随着汽车产业的竞争越来越激烈, 人们对汽车的要求从最初具有良好的动力性和经济性逐步发展到具有良好的行驶平顺性和操纵稳定性。为了满足人们对汽车性能日益苛刻的要求，优异的操纵稳定性和平顺性已经成为各汽车制造者共同追求的目标。本文以某型汽车为例，分析四轮转向技术对汽车操纵稳定性的影响。[1]

1、两轮转向和四轮转向汽车数学模型的建立

为了分析影响操纵稳定性的主要因素，将汽车简化为线性二自由度模型进行研究。分析中忽略转向系统的影响，直接以前轮转角作为输入；忽略悬架的作用，认为汽车车厢只作平行于地面的平面运动，即汽车沿z轴的位移，绕y轴的俯仰角与绕x轴的侧倾角均为零。另外，汽车沿x轴的前进速度u视为不变。因此，汽车只有沿y轴的侧向运动与绕z轴的横摆运动这样两个自由度。如此，实际中汽车简化为具有侧向及横摆运动的两轮摩托车的二自由度模型。

两轮转向汽车运动微分方程式为：

对于四轮转向系统操纵稳定性的研究，常把汽车当做一个开环控制系统，建立表征系统运动特性的二自由度模型。

四轮转向汽车运动微分方程式为：

则传递函数为：

2、前轮转向和四轮转向汽车simulink模型的建立

汽车模型仿真的基本参数：

表1

2.1 2WS转向与4WS转向对比

前轮转角在0秒处输入角度，幅值为0.1rad，前后转角的比例为0.1krad，则后转角输入的角度为5k°，对前轮转向汽车和四轮转向汽车进行对比，为了探究四轮转向汽车在低速和高速时的操纵稳定性，分别在车速为20Km/h和60Km/h的情况下进行仿真模拟。

角阶跃输入情况下，前轮转向汽车的侧偏角在20Km/h时大于零，方向相同；在60Km/h时则小于零，方向相反。由于惯性，车速越大时，趋于稳定的过程越长，质心的侧片角响应的则偏大，因而增加了汽车甩尾、侧滑的几率，不利于汽车的安全性。四轮转向则很好地避免了这些麻烦，低速时质心侧偏角趋于零，高速时经过短暂的振荡，最后也是趋近于零，处于稳定的工作状态。由此能够知道，四轮转向汽车在控制车身姿态，改善操纵稳定性等方面具有前轮转向汽车无可比拟的优势。

角阶跃输入下，高速时，四轮转向汽车的横摆角速度增益大于前轮转向汽车，低速时则相反。这也就是说，在高速的时候，驾驶人员要对转向盘旋转较多的角度，才能实现等效于前轮转向车辆的转向效果，但反过来讲，此举则有利于避免高速时急打转向盘造成汽车失控的危险。低速时，驾驶员旋转较小的转向盘角度即可实现转向，更有利于提升汽车的操纵性。我们可以看到，四轮转向和前轮转向车辆达到稳态经过的时间基本相同，相对来说，随着车速的增加，达到稳态的时间也在不断增加。

在角阶跃输入下，高速时，四轮转向的侧向加速度增益小于前轮转向汽车，低速时则相反。高速时，侧向加速度增益较小，有利于提升汽车的转向时的操纵性，低速时较大则有利于提升汽车的转向能力。

2.2 横摆率跟踪控制的4WS车辆控制算法

由于质心侧偏角在实际控制中不能通过传感器直接测量获得，因此导致运算的算法更加繁琐，而且相应需要测量出来的物理量也随之增加，无论从成本上，还是从稳定性来说，都造成了不利的影响。

基于此，本文对更加方便和成本较低的4WS控制算法进行研究，本算法的基本过程如下：在前轮输入转角时，通过横摆率反馈，将其与在相应速度条件下理想的横摆率稳态增益进行对比，经过控制器K控制后轮的转角，实现车辆进行四轮转向。

该WS算法需要测量的物理量：前轮转角、横向车速和横摆角速度。与目前已经运用于实践的一般4WS横摆率反馈控制算法不同的是，这里在速度域和频率时间域同时综合考虑控制的效果。对于四轮转向控制中常见的问题，如相位增加比较滞后，车辆在高速工况时操纵稳定性不佳、前轮转向角比例较为简单等等，该算法通过横摆率反馈能较好的解决。

3、汽车操纵稳定性仿真模型及结果

该仿真是在车辆速度为30m/s时，在前轮角阶跃输入5°情况下，通过对比一般4WS横摆率反馈控制与该控制算法四轮转向各状态量的时域瞬态响应，来说明该控制算法下四轮转向相比前轮转向车辆所具有的优势。基于横摆率跟踪控制的4WS车辆的simulink模型如图1所示：

图1 4WS汽车simulink模型

衡量汽车操纵稳定的指标：质心侧偏角、侧向加速度和横摆率仿真结果分别如图2-a、2-b和2-c所示。

图2 操纵稳定性仿真结果

与一般4WS横摆率反馈控制算法相比，本文提出的4WS控制算法使汽车在高速行驶时，各状态量的时域性能得到极大的改善。振荡相对减缓，反应时间减少，上升时间基本不变，稳态时各稳态值基本不变。因而保持了汽车的操纵灵敏度，一致又不过度，既降低了驾驶员的操纵难度，又较为显著的提升汽车的操纵稳定性。

4、结论

通过对操纵稳定性评价指标的讨论，并对影响操纵稳定性的主要指标质心侧偏角、横摆角速度、侧向加速度与前轮转角的关系进行仿真对比。

仿真的结果表明，采用本文提出的横摆率跟踪控制的4WS车辆控制算法的四轮转向汽车，在转向过程中，可以较大的较少汽车的质心侧偏角，在各种车速下转向时，车偏角保持为零。低速时，则减小了汽车的转向半径，提高了汽车的机动性。在车速较高时，4WS转向汽车改善了前轮转向汽车的转向滞后，可以更好遵从驾驶员发生的操纵指令，具有良好的路径跟踪能力和优异的操纵稳定性。

参考文献

[1] 吴炜.某特种越野车行驶稳定性研究[D].南京理工大学,2007.

[2] 赵秋芳.基于ADAMS的汽车操纵稳定性仿真试验初步研究[D].大连理工大学,2006.

[3] 周宇奎. 侧风影响下高速汽车响应特性的分析与控制研究[D].湖南大学,2005.

[4] 尹念东. 模糊神经技术及其在汽车操纵稳定性研究中的应用现状[J]. 湖北汽车工业学院学报,2003,02:1-5.

[5] Hatwal H, Mikulcik E C. Some Inverse Solutions to an Automobile Path-Tracking Problem with Input Control of Steering and Brakes [J]. Vehicle System Dynamics, 1986, 15(2)：61-71.

[6] Whitecomb D W, Miliken W. F. Design Implication of a General Theory of Automobile Stability and control [J]. Proc. Auto. DivInstn. Mech. Eng, 1956,(7).

The Study of Four-Wheel Steering Simulink Based on Matlab/Simulink

Zhu Yawei, Wei Qingguo
( School of Mechanical Engineering&Automation, North University, Shanxi Taiyuan 030051 )

Abstract:With the development of vehicle technology and the remarkable improvement of People’s living standard, People’s requirements of vehicle stability are also increasing, and making the vehicle hand ling and stability as an important direction of the car. Compared with the Front-Wheel Steering system, Four Wheel Steering system has the following advantages:.At the low speed, the 4WS can reduce the turning radius, improve the mobility, and make it easier to access to parking lots or maneuver in narrow. At the high speed, the 4WS can change lanes quickly, ensure that the sideslip angle is busily zero, improve the tracking capacity and reduce the skid and drift Phenomena, so as to improve vehicle handling and stability and enhance security.

Keywords:Two-Wheel steering; Four-Wheel steering; MATLAB/Simulink; Handing and stability

作者简介：朱亚伟，在读硕士研究生，就读于中北大学机械与动力工程学院。主要研究方向：汽车振动噪声以及主动噪声控制。

中图分类号：U463.33

文献标志码：A

文章编号：1671-7988(2016)02-67-03