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1、武汉理工大学硕士学位论文目录摘要IA b s t r a c t I I第一章绪论11 1 四轮转向原理11 2 国内外的研究现状。31 3 本文研究的意义和工作内容9第二章四轮转向汽车的动力学模型1 12 1 线性二自由度四轮转向汽车模型1 12 2 线性三自由度四轮转向汽车模型1 42 3 轮胎侧偏特性非线性模型。1 72 3 1 轮胎的坐标系1 82 3 2 轮胎模型1 92 4 四轮转向汽车M a t l a b S i m u l i n k 建模2 4 2 4 1 二自由度四轮转向S i m u l i n k 模型2 52 4 2 三自由度四轮转向S i m u l i n k
2、模型2 8 2 5 本章小结3 0 第三章四轮转向汽车的神经网络控制。3 1 3 1 人工神经网络概述3 13 2 神经网络的设计过程。3 33 3B P 神经网络结构及原理3 43 3 1B P 神经网络神经元模型与结构3 43 3 2B P 神经网络的原理3 53 4 四轮转向控制目标的选取3 93 4 1 四轮转向汽车稳定性分析3 93 4 2 四轮转向系统控制策略与方法研究。4 1 3 5 数据采集。4 23 5 1S i m u l i n k 数据采集模型的建立。4 23 5 2 训练数据预处理4 33 6B P 神经网络参数的确定4 43 6 1B P 神经网络算法的确定4 43
3、 6 2B P 神经网络层数的确定。4 73 6 3B P 神经网络神经元的确定4 73 6 4B P 神经网络训练次数和学习速率的确定4 93 7 三自由度非线性四轮转向B P 神经网络控制仿真5 23 8 本章小结5 7 第四章四轮转向汽车控制比较研究与分析5 84 1 前后轮转角成比例的四轮转向控制5 84 2 基于参考横摆角速度反馈控制。5 94 2 1 参考横摆角速度表达式推导。5 94 2 2 参考横摆角速度的验证。6 14 3 四轮转向控制方法比较研究6 3 4 4 本章小结“I V武汉理工大学硕士学位论文第五章总结与展望6 65 1 全文总结6 65 2 工作展望6 6参考文献
4、。6 8致谢7 2附j 录7 3V武汉理工大学硕士学位论文1 1 四轮转向原理第一章绪论自汽车出现以来，前轮转向( F r o n t W h e e lS t e e r i n g ，简称F W S 或者2 W S )就是主要的转向方式。随着人们生活水平的提高、高速公路的不断增加和车速的不断提高，为了行车安全，人们越来越重视汽车的操纵稳定性。转向系统的设计至关重要，因为它与汽车操纵稳定性、转向轻便性等有直接的联系，所以转向系统的设计是重要的环节【l l 。传统的前轮转向简称2 W S ，是驾驶员转动转向盘来直接控制汽车的行驶方向。由于传统前轮转向汽车存在低速转弯半径大、高速操纵稳定性差等缺
5、点，所以希望能有一种更好的转向系统来克服这些缺点，从而提出了四轮转向( F o u r - W h e e lS t e e r i n g ，简称4 W S ) 。对于前轮转向汽车，汽车的转向特性由前、后轮的侧偏特性所决定，汽车汽车然而，当后轮参与转向时，便可通过改变后轮的偏转角实时调节汽车的转向特性，以提高汽车的操纵稳定性，汽车这是四轮转向系统和前轮转向系统最根本的差别。自8 0 年代以来，日本、美国等国的汽车大公司已经开始研究四轮转向，其主要目的就是为了减小低速时的转弯半径，提高汽车高速转弯、紧急变道或者有较大侧向力作用时的操纵稳定性 2 1 。本田汽车公司的四轮转向汽车是直接控制前后轮
6、的转角大小，马自达汽车公司的四轮转向汽车是根据车速大小来控制前后轮的转向比，日产汽车公司通过对质心侧偏角的动态补偿对四轮转向系统进行控制，而大众汽车公司则是通过对横摆角速度的调节对四轮转进行控制，这几大汽车公 令形q( c J呸b ，矿刁( a ) 前轮低速转向( b ) 前轮高速转向 ( c ) 四轮低速转向( d ) 四轮高速转向 图1 - 1 前轮转向与四轮转向的对比武汉理工大学硕士学位论文都是采用机械连接装置汽车。四轮转向系统中，后轮主动转向，可以控制汽车的侧偏角和侧向运动。低速时，前后轮转向方向相反，称为“反向转向”，可以减小转弯半径，以提高汽车的机动性；高速时，前后轮转向方向相同，
7、称为“同向转向，使横摆角速度和侧向加速度很快达到稳定，以提高汽车的操纵稳定性，具体原理见图1 1 ：汽车转弯时的旋转中心在前轮法线和后轮法线的交点处，由于前轮转向的汽车后轮不参与转向，所以前轮转向的旋转中心在前轮转向和后轴延长线的交点处。由图1 - 1C a ) 和图1 - 1 ( c ) 可知，低速时，汽车受到的侧向力小，车轮的侧偏角也小，所以后轮不会出现侧滑和甩尾现象。由图1 2 所示的阿克曼原理知，相同前轮转角和车速下，四轮转向的旋转半径小于前轮转向的旋转半径，即四轮转向的旋转中心更靠近车身，所以四轮转向获得了更小的转弯半径，提高了汽车的机动性；一飘轮祷同辩轮转孵。图1 - 2 阿克曼转
8、向原理由图1 - 1 ( b ) 和图1 - 1 ( d ) 可知，高速时，惯性力使汽车仍然按照直线行驶，后轮由于侧滑与前轮远离，四轮转向系统前后轮同向转向，此时四轮转向的旋转半径大，减小了转弯时的离心力，从而减小质心侧偏角，使车身方向与汽车行驶方向几乎一致，由于离心力的减小，使汽车发生侧翻的可能性降低，同时，由于后轮主动转向，减小了转向盘输入与后轮转向之间的时间滞后。所以四轮转向汽车能够很好的控制车身的姿态，使车身的方向角和航向角重合，进而提高汽车的侧向稳定性。实验表明，四轮转向在变道时也体现了其优越性。此时前轮转过一定角度，2武汉理工大学硕士学位论文由于后轮主动参与转向，且转过较小的角度，
9、使得汽车在变道行驶时边平移边转动，轮胎的侧滑角减小，从而使后轮的运动轨迹与前轮的运动轨迹有一定的重合，这样就能减小汽车在变道时发生甩尾的概率，提高了汽车高速变道时的安全性。后轮主动转向使汽车更快的进入转向状态，提高汽车的操纵灵敏性。四轮转向的关键技术在于后轮转角的大小和方向，所以要求根据前轮转角和车速的变化，后轮能做相应的转动，以保证四轮转向汽车时刻处于最佳转向状态【4 】。综上所述，与前轮转向相比，四轮转向有以下几点优点：( 1 ) 低速时机动性好低速时，前后轮转向方向相反，汽车转弯时的旋转半径大大减小，从而更容易汽车进出停车场或者在狭窄的道路上行驶；( 2 ) 控制车身姿态好高速行驶时，由
10、于前后轮转向方向相同，产生的质心侧偏角方向相反，控制后轮转角，可以使质心侧偏角保持在零值附近，提高了汽车跟踪驾驶员意志的能力；( 3 ) 汽车安全性高高速行驶时，由于车身侧偏角的减小，使得汽车发生侧翻的机率降低，急转弯时，减少了甩尾和侧滑的可能，从而增加了汽车的安全性；( 4 ) 行驶稳定性高高速直线行驶时，由于车速和侧向风的作用使汽车发生跑偏，四轮转向汽车就会根据车速和前轮转角计算出后轮转角大小和方向，从而修正汽车的行驶方向；( 5 ) 汽车轮胎磨损少高速时，后轮主动转向，且与前轮转向方向相同，轮胎的侧偏角减小，横向摩擦力减小，从而减小轮胎的磨损1 5 1 。四轮转向的质心侧偏角为零是公认的
11、优点。根据上面提到的四轮转向的几点优点，在研究四轮转向时，四轮转向的控制目标可以为：汽车低速行驶时，在机构允许的范围内具有最大机动性；汽车高速行驶时，保持汽车质心侧偏角为零，控制后轮侧滑甩尾，保证汽车的操纵稳定性。 1 2 国内外的研究现状经过多年的研究，四轮转向技术越来越成熟。日产、丰田、福特和通用等汽车公司的汽车产品上都开始装用四轮转向系统。我国对四轮转向系统的研究起步较晚，与国外的研究还有一段差距。但是随着人们对汽车操纵稳定性要求的不断提高，相信四轮转向系统会成为汽车的标准配置，因此有很多国内外学者对四轮转向进行研究。现有的四轮转向系统在后轮驱动方式和控制方法上存在差别，按其结构，四轮转
12、向可以分为：机械式、液压式、电动式和复合式睁7 】：机械式：该机构能实现前后轮同向转向和反向转向，根据转向盘转角的大小，通过后轴的转向机构实现后轮转向，该机构结构简单，但是精度不足；3武汉理工大学硕士学位论文液压式：转向盘转动时产生的电压信号经传感器传给后轮的控制阀，滑阀打开，液压油流入后轮动力缸，从而推动后轮转向，该机构可以根据汽车行驶速度的不同产生不同的油压，从而改变后轮转角大小，但该机构存在液压油泄漏潜在危险；电动式：该系统有电机转动来实现，C P U 根据检测到的转向盘转角和车速等信号，控制后轮转向；复合式：即电动式和液压式相结合，传感器采集转向盘转角和车速等汽车运动状态信号，E C U 根据这些信号向液压系统发出指令，控制液压大小，从而推动后轮转动，当车速较低时，后轮不参加转向，当车速高时，控制后轮先与前轮反向转向，再同向转向I 引。因为现在使用中的四轮转向大多是电控的，所以以电控四轮转向为例，详细介绍四轮转向系统。典型的电控四轮转向系统由前轮转向系统、车速传感器、转向角传感器、横摆角速度传感器、E C U 、后轮转向执行机构等组成，具体见图1 - 3 ：当汽车转向时，车速传感器、转向角传感器和横摆角速度传感器等将汽车运动信号输入至E C U ，E C U 根据输入的信号计算后轮转角，将命令传给后轮转向执行机构，从而驱动后轮
