基于操縱穩(wěn)定性的主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制

趙婷 閆海敬

摘要：主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是現(xiàn)階段動(dòng)力系統(tǒng)中新提出的一種轉(zhuǎn)向方案，這種轉(zhuǎn)向方案的目的是為了保證系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，保證車輛能夠正常行駛，無論是電動(dòng)輪汽車還是其他汽車，基于主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制，能在不同路面上針對(duì)路面的附著系數(shù)建立，對(duì)汽車有無主動(dòng)轉(zhuǎn)向和主動(dòng)轉(zhuǎn)向干預(yù)情況等進(jìn)行分析，調(diào)整車速以及不同方向盤轉(zhuǎn)角的輸入情況，實(shí)現(xiàn)行車的階躍響應(yīng)以及單移線仿真分析。現(xiàn)階段，方針分析結(jié)果表明，但階躍輸入越大，汽車在不同路面附著系數(shù)和方向盤轉(zhuǎn)角下的汽車低速轉(zhuǎn)向橫擺角和質(zhì)心側(cè)偏角更大，轉(zhuǎn)向靈敏度顯著提升，相對(duì)的，汽車在高速橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角更小，轉(zhuǎn)向更加安全，在汽車實(shí)際行駛轉(zhuǎn)角中，主動(dòng)轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)越是穩(wěn)定，則干預(yù)方向盤實(shí)際轉(zhuǎn)角更加安全及穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞 操縱穩(wěn)定性 主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 汽車

0引言

基于操縱穩(wěn)定性和車輛轉(zhuǎn)向的要求，主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)利用虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)主主動(dòng)轉(zhuǎn)向進(jìn)行建模和仿真，基于不同的路面附著系數(shù)，建立主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的模型，從而考慮到底要不要進(jìn)行主動(dòng)轉(zhuǎn)向干預(yù)，針對(duì)不同路面進(jìn)行整車車速和不同方向盤轉(zhuǎn)角之間的性能仿真分析，以此確定主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)。本文從現(xiàn)有汽車的主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和操縱穩(wěn)定性進(jìn)行綜合性分析，探討如何在操縱穩(wěn)定性的要求上開發(fā)主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制，以保證主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

1主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和操縱穩(wěn)定性概述

1.1主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

現(xiàn)如今對(duì)主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究集中在轉(zhuǎn)向原理以及控制策略中，從行車安全以及操縱便利性角度進(jìn)行車輛行駛分析，通過對(duì)汽車制動(dòng)轉(zhuǎn)輪評(píng)估和分析主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能，從而對(duì)主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行深入分析，積極采用現(xiàn)如今的虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行汽車行駛中的各種情況模擬，針對(duì)整車車速以及不同方向盤轉(zhuǎn)角輸入的性能仿真分析，利用各種VR技術(shù)相關(guān)軟件進(jìn)行深入試驗(yàn)?zāi)M，通過軟件進(jìn)行虛擬試驗(yàn)，從而確定向不同路面附著系數(shù)下的主動(dòng)轉(zhuǎn)向以及主動(dòng)轉(zhuǎn)向干預(yù)操作，對(duì)不同車速情況下的電輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行性能解析，確定應(yīng)該實(shí)施主動(dòng)轉(zhuǎn)向控制策略，并建立起主動(dòng)轉(zhuǎn)向干預(yù)的模型，對(duì)不同車速以及方向盤轉(zhuǎn)角下的汽車低速轉(zhuǎn)向橫擺角速度和質(zhì)心偏側(cè)角進(jìn)行分析預(yù)測(cè)， 實(shí)現(xiàn)車輛緩轉(zhuǎn)向的安全性，保證駕駛員能夠基于路感干預(yù)汽車轉(zhuǎn)向。

1.2主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)概述

現(xiàn)如今的AFS系統(tǒng)充分考量了內(nèi)外側(cè)輪胎側(cè)向力在轉(zhuǎn)向時(shí)的不同飽和差異特性，在新的AFS系統(tǒng)下能顯著減少內(nèi)側(cè)車輪轉(zhuǎn)角以及外側(cè)車輛轉(zhuǎn)角增加，為外側(cè)車輪提供轉(zhuǎn)向所需的側(cè)向力，以此實(shí)現(xiàn)更好地跟蹤理想橫擺角速度，保證車輛行駛轉(zhuǎn)向的安全性和穩(wěn)定性。且性的AIFS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)原理更加合理和簡(jiǎn)化，比對(duì)傳統(tǒng)主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，AIFS系統(tǒng)是由連接左右車輪的一套行星齒輪機(jī)構(gòu)和車輪齒條機(jī)構(gòu)以及轉(zhuǎn)向盤機(jī)械連接裝置組成，通過太陽輪軸和2個(gè)太陽輪的固定連接，可以將齒輪齒條相連的小齒輪與行星齒輪連接，并將轉(zhuǎn)角電機(jī)作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)出輪的外齒圈，也就是將渦輪蝸桿機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)車輛的減速增扭，若是電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)高速，則可以在電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)向盤之間的轉(zhuǎn)角外齒圈疊加，通過左右齒條差速運(yùn)動(dòng)，保證左右輪的獨(dú)立轉(zhuǎn)向。所以新舊主動(dòng)轉(zhuǎn)向動(dòng)力系統(tǒng)控制穩(wěn)定性的對(duì)比有四大點(diǎn)不同，一是新AFS系統(tǒng)中有扭矩傳感器，比對(duì)傳統(tǒng)的主動(dòng)轉(zhuǎn)系統(tǒng)能夠更加快速地測(cè)量駕駛員轉(zhuǎn)向盤路局以及轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角輸入，二是比對(duì)前軸而言，汽車左右車輪能夠在轉(zhuǎn)向器思想前輪轉(zhuǎn)向，左右車輪中有輪轂電機(jī)，通過電機(jī)能夠汽車行駛提供驅(qū)動(dòng)力和轉(zhuǎn)向助力，從而有效優(yōu)化電機(jī)的驅(qū)動(dòng)性和安全性，三是與后軸對(duì)比，轉(zhuǎn)角電機(jī)能利用傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向器的后輪轉(zhuǎn)角，達(dá)到主動(dòng)轉(zhuǎn)向功能的目的，四是汽車轉(zhuǎn)向中電控ECU能按照實(shí)際路況和路面附著系數(shù)，反饋整車車速以及轉(zhuǎn)向盤力矩以及質(zhì)心側(cè)偏角等信號(hào)，以此預(yù)測(cè)駕駛員的駕駛意圖，通過不同的車輛虛擬模型建立確定理想的轉(zhuǎn)向手力，并在經(jīng)轉(zhuǎn)向器傳遞下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向盤力矩等疊加，克服阻力矩后能實(shí)現(xiàn)助力轉(zhuǎn)向，保證轉(zhuǎn)角電機(jī)的后軸轉(zhuǎn)向器能實(shí)時(shí)控制后輪獲取轉(zhuǎn)向所需的附加轉(zhuǎn)角，從而實(shí)現(xiàn)主動(dòng)轉(zhuǎn)向功能和助力轉(zhuǎn)向功能的融合，保證汽車行駛的穩(wěn)定性。

1.3操縱穩(wěn)定性概述

車輛操縱穩(wěn)定性是從兩個(gè)角度對(duì)車輛行駛進(jìn)行評(píng)價(jià)，一是從穩(wěn)定性角度，二是從操縱性角度，評(píng)價(jià)的內(nèi)容是駕駛員行車中能在不過分緊張以及疲勞的狀況下，汽車可以按照駕駛員的駕駛意圖，進(jìn)行轉(zhuǎn)向系或者給定方向的行駛，保證汽車行駛中不受外界干擾，即使是在路不平、側(cè)風(fēng)以及貨物等干預(yù)依舊能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定行駛。操縱性的評(píng)價(jià)側(cè)重于汽車的操作便利、順從情況，車輛是否能按照駕駛員要求運(yùn)行，穩(wěn)定性則是車輛抵抗外界干預(yù)行車的狀況。

2基于操縱穩(wěn)定性的主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制的設(shè)計(jì)與開發(fā)

因?yàn)槠囋谇€行駛或者是緊急轉(zhuǎn)向的時(shí)候，由于離心力操作很容易導(dǎo)致汽車前后輪進(jìn)進(jìn)的附著極限先后順序不同，汽車失去側(cè)向穩(wěn)定性會(huì)導(dǎo)致汽車出現(xiàn)不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，汽車也會(huì)因此失去操縱穩(wěn)定性出現(xiàn)側(cè)滑、激轉(zhuǎn)、甩尾等危險(xiǎn)情況，眼中則是會(huì)導(dǎo)致后軸側(cè)滑失去轉(zhuǎn)向鞥里以及路徑跟蹤能力，從而導(dǎo)致汽車進(jìn)會(huì)失去安全轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性，為避免出現(xiàn)彎道事故保證汽車操縱穩(wěn)定性，主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)與開發(fā)，要從附加橫擺角速度和不同路面附著系數(shù)，前后輪轉(zhuǎn)向等入手，通過附加橫擺角速度的控制策略改善汽車側(cè)向穩(wěn)定性?；诂F(xiàn)如今相控技術(shù)的不斷發(fā)展，主動(dòng)轉(zhuǎn)向技術(shù)對(duì)于汽車行駛控制而言，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了汽車的主動(dòng)轉(zhuǎn)向，依據(jù)取向運(yùn)動(dòng)的輪胎和路面附著極限，依據(jù)汽車轉(zhuǎn)向時(shí)的內(nèi)外側(cè)車輪不同的橫擺角速度和側(cè)向力進(jìn)行綜合性分析，從而提高汽車的穩(wěn)定性，主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制時(shí)要利用好線控技術(shù)從而提高汽車側(cè)向穩(wěn)定性，本文從2自由度汽車模型作為參考，在8自由度的控制策略中，直接利用主動(dòng)轉(zhuǎn)向技術(shù)改善汽車側(cè)向穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的建立，以下是主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制的設(shè)計(jì)與開發(fā)的主要內(nèi)容：

第一，先建立汽車動(dòng)力學(xué)模型，從X、Y兩方向的平動(dòng)自由度對(duì)Z軸的橫擺運(yùn)動(dòng)以及繞X軸的側(cè)傾運(yùn)動(dòng)建立汽車動(dòng)力學(xué)模型，以下是包含4個(gè)車輪的8自由度汽車動(dòng)力學(xué)模型，

方程式中的M是整車裝備質(zhì)量，而Ms則是為簧載質(zhì)量;Vx、Vy等則是車輛分別沿x軸和y軸的運(yùn)動(dòng)反向，則是側(cè)傾角，F(xiàn)f為滾動(dòng)阻力， 為橫擺角速度，F(xiàn)xi 、Fyi為輪胎上的縱向力和橫向力。

第二，控制策略的設(shè)計(jì)和實(shí)施，首先汽車控制方式是以主動(dòng)轉(zhuǎn)向技術(shù)改變車輪內(nèi)外側(cè)的側(cè)向力大小，通過調(diào)節(jié)汽車車輪以及路面之間的切向例，在2自由度參考模型種確定駕駛員的意圖，獲取理論上的汽車行駛軌跡，利用參考模型附著極限對(duì)汽車車輪上側(cè)向力利用系數(shù)對(duì)邏輯門限的控制策略使用進(jìn)行判斷，以此側(cè)向力的利用系數(shù)為（i=1， 2， 3， 4） 。式中， F yi 為 2自由度參考模型中車輪上的實(shí)際側(cè)向力;F yimax 為車輪上的極限側(cè)向力; th 為車輪上的側(cè)向力利用系數(shù)門限值。采用直接反饋的比例控制方式，在駕駛員的轉(zhuǎn)角輸入過程中，當(dāng)檢測(cè)到某車輪上的側(cè)向力系數(shù)超過了設(shè)定的門限值，則利用主動(dòng)轉(zhuǎn)向裝置產(chǎn)生一定的主動(dòng)轉(zhuǎn)角來保證汽車的側(cè)向穩(wěn)定性。主動(dòng)轉(zhuǎn)向角度與轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角以及側(cè)向力利用系數(shù)之間的關(guān)系有兩個(gè)表達(dá)式式中， a 是主動(dòng)轉(zhuǎn)向控制轉(zhuǎn)角輸入;k a 為比例系數(shù); w 為駕駛員轉(zhuǎn)角輸入 ，現(xiàn)階段主動(dòng)轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)可以改變整個(gè)汽車的側(cè)向受力，通過主動(dòng)干預(yù)以及轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)輪角的變化，保證汽車能夠按照駕駛員的意圖行車，保證汽車前進(jìn)軌跡符符合駕駛員意圖。由于汽車行駛軌跡和汽車行駛速度密切相關(guān)，汽車行駛道控制方法進(jìn)以及汽車行駛速度進(jìn)行調(diào)整，包括汽車行駛姿態(tài)也要相應(yīng)轉(zhuǎn)變，所以在整個(gè)汽車主動(dòng)轉(zhuǎn)向控制策略中，需要對(duì)汽車整個(gè)動(dòng)力學(xué)模型和路況進(jìn)行分析，尤其是要模擬緊急情況，從關(guān)鍵情況對(duì)高速形式的緊急避讓工況進(jìn)行分析，從而保證側(cè)向穩(wěn)定性控制在車道保持控制之上，確保車輛操縱穩(wěn)定性。

第三，控制框圖，由于主動(dòng)轉(zhuǎn)向控制角度大小的確定主要依據(jù)和考慮汽車能夠快速完成相應(yīng)的避讓動(dòng)作的需要;另外則需要考慮汽車車道保持的能力 。大幅度的改變轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)角汽車車道保持的控制很難完成。但汽車的制動(dòng)力與汽車的附著極限相關(guān)聯(lián);另一方面，由于存在車輪上的載荷轉(zhuǎn)移，因此不宜進(jìn)行非常大的汽車主動(dòng)轉(zhuǎn)向角的控制。所以汽車側(cè)向穩(wěn)定性控制策略，基于主動(dòng)轉(zhuǎn)向技術(shù)之上，要從汽車側(cè)向穩(wěn)定性的好壞與汽車曲線行駛時(shí)的離心力大小有直接的關(guān)系入手，采用基于附著系數(shù)的邏輯門限控制方法，要是車輪上的側(cè)向力利用系數(shù)超過門限值，便直接在轉(zhuǎn)向輪上施加反向的轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角來減少汽車的側(cè)向力大小，以提高汽車側(cè)向穩(wěn)定性，實(shí)際控制框圖如圖2所示。

3結(jié)語

綜上所述，基于操縱穩(wěn)定性的主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制能夠便捷地運(yùn)用到汽車動(dòng)態(tài)性能的控制當(dāng)中 ，并且提高汽車的主動(dòng)安全性提供新的控制方式和方法。系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用中，要在提高汽車側(cè)向穩(wěn)定性的同時(shí)還必須考慮汽車的運(yùn)行軌跡，利用相應(yīng)的控制方式來滿足駕駛員的真實(shí)意圖，提高汽車的穩(wěn)定性和操縱性。

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