四轮转向汽车研究毕业设计

四轮转向汽车研究毕业设计内容摘要：

轴的转动。 (2) 轮胎侧偏特性处于线性范围； (3) 驱动力不大，忽略空气动力的作用； (4) 忽略左右轮胎因载荷变化引起轮胎特性的变化以及轮胎的回正力矩的作用； (5) 不考虑地面切向力对轮胎侧偏特性的影响。 可以得出 ：rZrrrfffrrffrrrffrrrffrrffrrfIklklV klklklklmVkkV klklkk)()()()()(22(31) 专科生毕业设计（论文） 11 至此已经完全建立了四轮转向汽车的数学模型，下面将对此进行进一步研究，得出其系统响应。 二自由度四轮转向系统响应 上式 得出了二自由度下四轮转向汽车的运动微分方程式，下面将要讨论它的瞬态响应过程。 通过上式 看来 可以 从四轮转向汽车数学模型得出了其横摆角速度和质心侧偏角的响应。 侧风作用下四轮转向汽车的响应 通过推导计算可以得出 考虑侧风的四轮转向汽车响应是不考虑侧风的四轮转向汽车的响应和侧风作用下汽车被动响应的线性叠加，也就是说四轮转向汽车仅是通过提高汽车自身转向时的响应来提高汽车的稳定性和抗 外界干扰能力，而并没有对汽车所受的外界干扰进行专门的抑制，因为单纯用方向盘来控制汽车转角是无法实现这种功能的。 要对外界干扰因素进行抑制，应该设计一种主动四轮转向汽车，其轮胎转角不是单纯由方向盘转角来控制，而是有一套专门用于抑制外界 干扰的电子转向控制装置和方向盘一起控制的。 由以上得知二自由度模型是很简单方便的，而且包含了汽车转向时的两个重要指标 —— 横摆角速度和质心侧偏角，在一般情况下能够比较真实的反映汽车的运动情况。 但是二自由度模型无法研究汽车的侧倾运动，而侧倾角是汽车转向时的一个重要衡量指标，如果设计的四 轮转向汽车在改善了横摆运动和侧向运动的同时却恶化了汽车侧倾运动，这样我们设计四轮转向汽车就没有什么意义了。 为此，需要建立三自由度汽车模型以对汽车侧倾角进行研究，以确定设计的四轮转向汽车能够全面地改善汽车的侧向稳定性，提高汽车驾驶的安全性。 三自由度四轮转向汽车模型 运动方程的建立 二自由度模型虽然简单方便而且反映了汽车转向是的两个重要参数横 摆 角速度 r 和侧偏角  ，但是二自由度模型无法反映汽车的侧倾角，为了研究汽车的侧倾角及更 全面 的反映汽车的 性能 ， 需要 建立三自由度模型进行研究。 与二自由度模型类似，首先 按照如下条件 建立坐标系 [6,9]： (1) x 轴位于汽车的纵向对称平面内，指向汽车的前进方向； 专科生毕业设计（论文） 12 (2) y 轴指向汽车的 内 侧； (3) z 轴指向汽车的 下 方； (4) 汽车绕 x 轴的侧倾角定义为 φ。 然后作以下假设 ： (1) 车体关于 x— z 平面对称； (2) 整车质量分为两部分：悬挂质量与非悬挂质量； (3) 汽车的侧倾轴近似固定不变； (4) 忽略各种空气阻力、轮胎滚动阻力及非悬挂质量的侧倾效应； (5) 轮胎保持与地面接触，各轮胎所接触的路面条件相同，左右轮胎具有相同的侧偏特性。 基于以上假设 ，开始建 立三自由度模型的运动方程 通过计算整理可以得出 三自由度汽车模型的运动微分方程，整理如下 ：  KCghmVhmIIVlEklVlEklIIVlEkVlEkhmmVssrssrxzxrrrrrrfrffffxzrzrrrrrfrfffssr)()()()()()( 基于传递函数的三自由度四轮转向系统响应 使用状态方程 描述三自由度系统比较间接方便，但是在仿真和设计算法时不够生动形象，且二自由度模型时基于传递函数描述系统的，因此下面也用传递函数来描述三自由度汽车模型。 三自由度模型主要目的是研究二自由度模型所无法描述的汽车侧倾角，将三自由度运动微分方程整理成如下形式：  )()()()()(222KghmCVhmIIVhmklklkElkElVklklklklIIkkkEkEVmVklklkkhmmVssrssxrxzssrrrfffrrrfffrrrffrrffxzzrrffrrffrrrffrfss 整理以后 将反映汽车侧向稳定性的三个主要指标 —— 汽车质心侧偏角、横摆角速度和侧倾角对于轮胎转角输入的系统传递函数全部解出。 对于四轮转向汽车最终要的就是其控制策略，也就是如何控制汽车的后轮转角。 合理的算法会让四乱转向汽车实现前面所说的对汽车转向的控制目标，主要是 增强汽车 高速转向的稳定性 改善低速转向的 操纵性。 专科生毕业设计（论文） 13 到此已经建立了三自由度模型的运动微分方程， 我们通过计算推导出 汽车质心侧偏角、横摆角速度和侧倾角对于轮胎转角输入的系统传递函数。 对于四轮转向汽车最终要的就是其控制策略，也就是如何控制汽车的后轮转角。 合理的算法会让四乱 转向汽车实现前面所说的对汽车转向的控制目标，主要是 增强汽车 高速转向的 稳定性 改善低速转向的 操纵性。 在随后的章节会根据这些控制目标设计关于四轮转向的控制算法，为了验证所设计算法的正确与否，还会并对各算法进行仿真分析并和前轮转向汽车进行比较以验证四轮转向汽车的优越性。 专科生毕业设计（论文） 14 第 4章 基于稳定性要求的控制算法 表征稳态响应的一些参数 在进入控制算法的研究之前，有必要先研究一些表征稳态响应的参数。 因为运用控制算法的目的就是要优化这些个参数，所以了解它们是进行下一步分析的必要条件。 转向灵敏度 汽车在等速行驶时，在前轮角阶跃输入 下进入的稳态响应就是等速圆周行驶。 常用输出与输入的比值，如稳态的横摆角速度与前轮转角之比来评价稳态响 应。 这个比值称为稳态横摆角速度增益，也称为转向灵敏度。 前、后轮侧偏角绝对值之差 为了测定汽车的稳态响应，常输入一个固定转向盘转角，令汽车以不同等速度作圆周行驶，测出其前、后轮侧偏角的绝对值 f 、 r ，并以 rf   与侧向加速度 ya (绝对值 )的关系曲 线来评价汽车的稳态响应， 如 图 所示。 rf   O K0 不足转向 K = 0 中性 转向 K 0 过多 转向 a y 5 0 1 2 a y / ( m. s 2) 3 4 货车 B E N Z 280 S B J 130 B U 10 C A 771 C A 10B a) b) S H 760 1 2 3 4 )( rf   图 表示汽车稳态响应的 ( rf   ) ya 曲线 现在讨论 （ rf   ） 值与汽车稳定性因数 K 的关系。 由上一小节的叙述已知： )(2frrf klkllmK  专科生毕业设计（论文） 15 将上式右边的代数式上下同时乘以侧向加速度 ya ，可以得到： )(1)11(1fYfrYryfyrryfy kFkFlakl amlkl amllaK  由于侧向角速度 ay 与前、后轮的侧偏角的符号相反，所以当前、后轮侧偏角取绝对值时，侧向加速度 ay 也取绝对值，上式可以简化为： )(1rfylaK   (43) 根据上式，再结合上一节得出的结论可知：当 0 rf  时， 0K ，为不足转向；当 0 rf  时， 0K ，为中性转向：当 0 rf  时， 0K ，为过多转向。 )( rf   与 ya 成线性关系，其斜率为 lK ，参看图 的 a 图。 为了进一步说明 )( rf   与稳态响应的内在联系，下面讨论 )( rf   值与汽车转向半径 R 的关系。 由前面求出的稳态横摆增益，可以得到： ylKaRl  再将上面得出的 K 值代入，可以得到： )( 21   Rl 如果把前轮转角作为输入，转向半径 R 作为输出，并且把上式写成如下形式： )( 21   lR (44) 由上式可知，输入一定前轮转角  ，若令车速极低，侧偏角可以忽略不计时的转向半径为 0R ， lR0。 车速提高后，前、后轮有侧偏角，若（ rf   ）为正值，则 0RR ，即汽车的转向效果受到抑制。 由于（ rf   ）将随侧向加速度的提高而加大，因此这种抑制作用将随着 ya 的增大而增加。 这就是前面所提到的不足转向特性。 反之，若 )( rf   为正值，则 0RR ，汽车的转向效 果加强，而且这种加强作用是随侧向加速度增大而增加的。 这就是过多转向特性。 因此， )( rf   是 专科生毕业设计（论文） 16 可以用来作为表征汽车稳态响应的评价指标的。 图 的 b 图是前人所作出的由实验测得的 )( rf   ya 曲线。 可 以看出，当侧向加速度大于一定值后， )( rf   与 ya 一般就不再存在线性关系，这是因为轮胎侧偏特性已进入了明显的非线性区域的缘故。 不少汽车在大的侧向加速度下，稳态响应特性发生显著变化。 后轮或者前轮侧偏角、汽车横摆角速度都发生急剧地变化，以致于不能再维持圆周行使，出现转向半径迅速增加或迅速减小的情况。 在实际的曲线中， yrf a )(  应以曲线的斜率来区别其转向特性。 斜率大于零时，随着侧向加速度的增加， rf   增加，转向半径增加，汽车具有不足转向特性；斜率小于零时，随着侧向加速度的增加， rf   减小，转向半径减小，汽车具有过多转向特性；斜率等于零时，汽车为中性转向。 稳态响应和控制算法 转角比例随车速而变化的算法 前面在序言的控制方法中讲到过一种通过车速来控制后轮转角的方法和一种通过前轮转角大小来控制后轮转角的方法，这一种控制算法就是以此为基础的。 根据 Sano 的算法，可以得出一个前轮转角和后轮转角比例的理想值（随着速度的不同而变化的）。 它可以保证在稳定状态下汽车的质心侧偏角为 0。 具体得出方法如下： 已知二自由度模型汽车运动方程如下： rZrrrfffrrffrrrffrrrffrrffrrfIklklV klklklklmVkkV klklkk)()()()()(22 当满足稳定状态且侧偏角为零的时候，有 0 ， 0 和 0。 将这三个等式代入上式中，可以得到： 0)()(22rrrfffrrffrrrrffrrffrklklV klklmVkkV klkl (411) 化简消去上式中的 r ，我们可以得到： )()( 222 mVklklklkl klkl rrffrrffrrrfff   rrff kk   (412) 专科生毕业设计（论文） 17 最后把上式再化简，并且写成比例形式，得出： lkVmlllkVmllifrrrfffr22  (413) 通过这个式子可以得知， i 不但大小会随着速度的不同而改变，而且当速度大于一个值时，它就为正数，当速度小于 一个值时，它就为负数，充分反映了四轮转向的规律和目的。 介绍完 Sano 求比例的过程后，接下来列出利用 Sano 比例得出的控制框图，如图 所示。 图 基于 Sano比例算法控制方框图 fG / fG/ rG / rG/ i fG / rG /   f       专科生毕业设计（论文） 18 这个图中也只有一个输入和三个输出。