四轮主动转向车辆的侧向动力学控制研究

摘要

随着汽车在日常生活中的不断普及和行驶速度的提高，人们对汽车的操纵稳定性和主动安全性提出了越来越高的要求。主动转向控制作为一项主动底盘控制技术成为近年来车辆动力学的研究热点。由于传统意义上的四轮转向只以后轮主动转向角作为控制输入，因而为同时优化车辆的横摆角速度和质心侧偏角响应带来一定困难。随着主动转向控制技术的发展，本文创新性地将前轮主动转向与传统的四轮转向相结合，提出了前、后轮均可控制的所谓“四轮主动转向”系统并对其进行了系统全面地研究。该系统主要以提高与主动安全性直接相关的中高速转向时车辆侧向动力学性能为研究目标，考虑轮胎非线性以及其它底盘控制系统的影响，对四轮主动转向的控制策略进行了研究，并通过对仿真结果的分析和比较，验证了所提出的四轮主动转向系统对提高车辆侧向动力学性能的有效性。
　　 本文首先建立了考虑非线性轮胎模型的8DOF整车动力学模型，包括车身的纵向、横摆、侧向、侧倾运动以及四个车轮的转动，并以此作为本文控制器研究与设计的基础。将所建立的整车模型在Matlab/Simulink软件环境中进行仿真，并通过与车辆动力学专业软件Carsim整车仿真结果比较，验证了所建立的车辆模型的正确性。
　　 作为车辆侧向动力学控制中的一个至关重要的反馈变量，质心侧向速度估计得到广泛关注和研究，本文基于卡尔曼滤波理论，分别设计了基于运动学模型和基于动力学模型的质心侧向速度估计器。为了提高质心侧向速度的估计精度，充分利用上述两种估计器的优点并弥补各自的不足，采用横摆角速度及其变化率的门限值控制切换方法将这两种估计器相结合，提出了基于联合运动学/动力学模型的质心侧向速度估计器，仿真结果表明，所提出的质心侧向速度估计器的估计精度有了明显提高。
　　 针对传统意义上的四轮转向的局限性，将后轮主动转向与前轮主动转向结合构成四轮主动转向。为了使车辆的横摆角速度和质心侧偏角响应能够跟踪参考车辆模型的输出，采用前馈控制和最优反馈控制相结合跟踪参考模型的控制策略计算实际的前、后轮转向角，仿真结果表明，与传统的四轮转向相比，所设计的四轮转向控制器能够很好地跟踪车辆运动参考模型，并同时保证良好的驾驶感受，即与传统前轮转向车辆同样的驾驶感觉。
　　 考虑到侧向载荷转移对车辆操纵稳定性的影响，本研究将四轮主动转向与主动侧倾控制相结合，设计了一个四轮主动转向与主动侧倾控制的协调控制系统，其中四轮主动转向反馈控制器采用混合灵敏度控制算法，以提高车辆对模型不确定性和外部干扰的鲁棒性能。基于横摆角速度反馈，设计主动侧倾控制器，能够通过重新分配前后轴的上侧倾力矩，为车辆提供更多的转向能力。
　　 考虑到大侧向加速度下轮胎进入非线性区域时，主动转向技术对稳定性控制的局限性，本文提出了一个基于四轮转向和差动制动联合控制的车辆侧向稳定性控制策略。通过分析四轮转向和差动制动对车辆侧向动力学的影响，设计了一个双输入双输出的模糊控制器，以产生适当的校正横摆力矩和后轮转向角来控制横摆角速度和质心侧偏角。仿真结果表明所设计的控制系统即使在湿路面上也能够防止车辆失去稳定性，能够较好地跟踪参考模型的理想输出响应，从而提高车辆的主动安全性。