线控转向前轮转角控制策略研究

◆文/江苏 高惠民线控转向系统技术综述与实车应用(一)一、概述汽车线控技术(X-by-wire)起源于飞机的电传操纵系统，飞行员不再通过传统的机械回路或液压回路来控制飞机的飞行姿态，而是通过安装在操纵杆处的传感器检测飞行员施加在其上的力和位移，并将其转换为电信号，在电控单元中将信号进行处理，然后传递到执行机构，从而实现对飞机的控制。

随着线控技术的发展，这一技术逐渐应用到汽车。

图1所示为集成线控系统线控转向(Steer by Wire,简称 SBW)系统、线控制动(Brake by Wire,简称BBW)系统示意图。

汽车线控技术就是将驾驶员的操纵动作经过传感器转变为电信号，通过电缆直接传输到执行机构的一种系统。

目前，汽车的线控技术主要有线控转向(Steer by Wire,简称 SBW)系统、线控制动(Brake by Wire,简称BBW)系统、线控驱动(Drive by Wire,简称DBW)系统、线控悬架(Suspension by Wire)系统、线控换挡(Shift by Wire)系统。

通过分布在汽车各处的传感器实时获取驾驶员的操作意图和汽车行驶过程中的各种参数信息，传递给电控单元，电控单元将这些信息进行分析和处理，得到合适的控制参数传递给各个执行机构，进行对汽车的控制，极大的提高车辆的动力性、制动性、操纵稳定性和平顺性。

其中，SBW作为线控底盘系统的关键组成部分，一直是国内外汽车厂商及学术界研究的热点。

根据我国《智能网联汽车技术路线图》规划，将在2025年实现智能线控底盘系统产业化推广应用。

SBW就是通过线控化、智能化实现个性驾驶、辅助驾驶、自动驾驶等目标，是智能网联汽车落地的关键技术。

二、SBW系统的结构及工作原理汽车转向系统大致经历了机械转向系统、液压助力转向系统(Hydraulic Power Steering，HPS)、电控液压助力转向系统 (Electro Hydraulic Power Steering，EH PS)、电动助力转向系统 (El ectr ic Power Steering，EPS)的一个发展过程。

汽车线控转向系统综述
于蕾艳;林逸;李玉芳
【期刊名称】《农业装备与车辆工程》
【年(卷),期】2006(0)1
【摘要】线控转向(Steer-By-Wire)是一种先进的转向技术.由于取消了方向盘和车轮的机械连接,可以任意设计传动比,对转向轮进行主动控制,并对随车速变化的参数进行补偿,实现理想的转向特性,提高操纵稳定性.综述了国内外线控转向的研究发展,介绍了线控转向的结构、关键技术、研究方法,并提出了线控转向的发展趋势.【总页数】6页(P32-36,48)
【作者】于蕾艳;林逸;李玉芳
【作者单位】北京理工大学,机械与车辆工程学院,北京,100081;北京理工大学,机械与车辆工程学院,北京,100081;北京理工大学,机械与车辆工程学院,北京,100081【正文语种】中文
【中图分类】U463.4
【相关文献】
1.基于线控转向的汽车转向系统技术研究 [J], 刘中义
2.汽车线控转向实验台转向驱动系统的辨识及其PID控制 [J], 余颖弘;王保华
3.线控转向汽车转向盘转角传感器的容错控制策略 [J], 何磊;马伯祥;宗长富
4.汽车线控转向系统转向控制研究 [J], 于蕾艳;吴宝贵;伊剑波
5.汽车线控转向系统转向控制研究 [J], 袁子洋; 叶佳; 李波; 任浩洁; 王大鹏
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线控转向原理
线控转向系统是一种常见的汽车转向系统，其基本原理是通过线性连接传递转向输入到车辆的转向机构，从而实现车辆的转向。

以下是线控转向系统的基本原理：
1.转向手柄或方向盘：驾驶员通过转动方向盘或转向手柄提供转向输入。

这一动作将转向输入转化为力或扭矩。

2.转向柱：转向柱是连接方向盘和转向齿轮的主要传动元件。

它将驾驶员的转向输入传递到转向齿轮。

3.转向齿轮：转向齿轮是一个重要的组件，位于车辆前轮的底部。

它通过齿轮机构将驾驶员的输入传递给车辆的转向机构。

4.连接杆：转向齿轮通过连接杆连接到车辆的前轮悬挂系统。

当转向齿轮受到转向输入时，连接杆将前轮的转向角度调整为相应的方向。

5.转向机构：车辆的转向机构通常包括齿轮、齿条、液压缸等组件，通过这些组件，将转向输入转化为前轮的转向动作。

6.传感器和电子控制单元（ECU）：一些现代车辆的线控转向系统可能配备了传感器和ECU，用于监测车辆速度、驾驶员输入等信息。

ECU可以根据这些信息调整转向助力或实现一些辅助功能，如车道保持辅助。

总体而言，线控转向系统通过机械传动和传感器反馈，将驾驶员的转向输入传递到车辆的前轮，从而实现转向操作。

线控转向系统简单可靠，广泛应用于大多数传统汽车。

然而，随着汽车技术的发展，一些新型车辆采用电子助力转向系统等先进技术，提供更灵敏、舒适的转向体验。

线控转向系统研发生产方案一、实施背景随着汽车技术的不断发展，消费者对汽车驾驶体验的需求也在不断升级。

特别是在自动驾驶、电动化、网联化等趋势的推动下，汽车的驾驶控制系统已经从传统的机械液压系统转向了电子控制系统。

而其中，线控转向系统（SBW）作为新一代的汽车驾驶控制系统，其研发与生产成为了行业内的热点。

近年来，中国政府也出台了一系列政策，推动汽车产业的转型升级。

其中，线控转向系统的研发与生产被视为汽车产业未来发展的重要方向之一。

在此背景下，本方案旨在通过自主研发，推动线控转向系统的国产化生产，提升国内汽车产业的竞争力。

二、工作原理线控转向系统（SBW）是一种通过电信号来控制转向的装置。

在SBW中，方向盘与转向机之间没有传统的机械连接，而是通过电线进行信号传输。

当驾驶员转动方向盘时，SBW会通过传感器将信号传输到ECU（电子控制单元），然后ECU根据预设的算法对信号进行处理，最终控制电动机驱动转向机进行转向。

三、实施计划步骤1.技术研究：开展SBW的技术研究，包括传感器技术、ECU控制策略、电动机驱动技术等。

2.样品制作：根据技术研究结果，制作SBW样品。

3.试验验证：在实验室和实车上对SBW样品进行性能验证，包括转向灵敏度、响应速度、耐久性等。

4.批量生产：根据试验验证结果，对SBW进行优化改进后，开始批量生产。

5.市场推广：通过与汽车制造商合作，将SBW应用到汽车上，并进行市场推广。

四、适用范围本方案适用于各类乘用车、商用车等车辆的线控转向系统研发与生产。

五、创新要点1.采用先进的传感器技术，能够准确、快速地检测驾驶员的转向意图。

2.优化ECU控制策略，实现更快速、更精确的转向控制。

3.采用高效的电动机驱动技术，确保转向机的快速响应和稳定运行。

4.通过自主研发，掌握核心知识产权，为国内汽车产业的发展提供支持。

六、预期效果预计本方案的实施将带来以下效果：1.提高车辆的驾驶安全性：SBW能够更快地响应驾驶员的转向操作，缩短反应时间，从而提高驾驶安全性。

基于线控转向系统操作稳定性的研究段建民;汪然;于涌川【摘要】According to the vehicle handling.stability of Steer-By-Wire,the immobile steering sensibility type and the yaw rate γ and sideslip angle β control strategy was researched.The hardware-in-loop experiment of Steer-By-Wire based on dSPACE was processed for testing the control strategy.On the basis of experiment about steering transient response in National Standards, the vehicle handling stability of the Vehicle with the control strategy was testing.%针对汽车线控转向系统的操作稳定性问题,研究了固定转向灵敏度型与γ和β联合控制策略,之后设计了基于dSPACE的线控转向硬件在环仿真实验台架对算法进行实验验证.按照国家标准中转向瞬态响应实验中的要求,验证了汽车在此控制策略下的操纵稳定性能【期刊名称】《机械设计与制造》【年(卷),期】2011(000)003【总页数】3页(P130-132)【关键词】线控转向;转向传动比;横摆角速度;质心侧偏角;硬件在环仿真【作者】段建民;汪然;于涌川【作者单位】北京工业大学,电子信息与控制工程学院,北京,100124;北京工业大学,电子信息与控制工程学院,北京,100124;北京工业大学,电子信息与控制工程学院,北京,100124【正文语种】中文【中图分类】TH16;TP2731 引言线控技术在汽车业的应用，是指用电机系统取代纯机械的、液压的或气动的部件，是当前发展趋势的象征[1]。

线控四轮转向系统的结构和原理-概述说明以及解释1.引言1.1 概述线控四轮转向系统是一种先进的汽车转向技术，通过控制车辆的四个轮子分别转向，实现更加灵活和稳定的转向效果。

与传统的前后轮联动转向系统相比，线控四轮转向系统可以提升车辆的操控性和行驶稳定性，同时也能够实现更小的转弯半径和更高的转向效率。

该系统通过电子控制单元（ECU）来实现对车辆转向的精准控制，根据车辆速度、转向角度、操控输入等参数，动态调整四个轮子的转向角度，从而使车辆实现更加灵敏和平稳的转向操作。

此外，线控四轮转向系统还可以根据不同的行驶状态和路况，自动调整转向参数，提升车辆的驾驶安全性和舒适性。

在未来的汽车发展中，线控四轮转向系统将成为越来越重要的技术，为驾驶员提供更加便捷和安全的驾驶体验，同时也有助于提升汽车的燃油经济性和环保性能。

通过深入了解线控四轮转向系统的结构和原理，我们可以更好地理解其优势和应用前景，为未来的汽车发展指明方向。

1.2 文章结构文章结构部分的内容如下：文章结构部分旨在介绍本文的整体结构和各个章节的内容安排。

本文主要分为引言、正文和结论三个部分。

在引言部分，我们将概述线控四轮转向系统的基本概念和重要性，介绍文章的结构和目的，旨在引导读者对本文进行初步了解和认识。

在正文部分，我们将详细介绍线控四轮转向系统的概述、结构和原理，包括系统的组成部分、工作原理和技术特点，以及系统在汽车行驶中的作用和应用场景。

在结论部分，我们将对本文进行总结，概括线控四轮转向系统的关键信息和特点，展望其未来的发展方向和应用前景，为读者提供对该系统的深入理解和思考。

通过以上内容安排，本文将全面介绍线控四轮转向系统的结构和原理，帮助读者深入了解和掌握该技术的核心知识和应用价值。

1.3 目的目的部分：本文旨在深入探讨线控四轮转向系统的结构和原理，旨在帮助读者更好地理解这一先进的汽车转向技术。

通过对线控四轮转向系统的概述、结构和原理进行分析和解释，读者将能够全面了解该系统的工作原理和优势，从而对其应用前景有更清晰的认识。

◆文/江苏 高惠民线控转向系统技术综述与实车应用(二)(接2022年第6期)六、SBW系统的路感反馈控制汽车转向系统主要有两大功能：一是操纵转向，驾驶员通过操纵转向盘来控制转向轮绕主销转动；二是反馈路感，将整车及轮胎的运动状态、受力情况通过转向盘反馈给驾驶员，即路感。

前者驾驶员是输入，实现转向系统的角位移功能；后者是将路感反馈给驾驶员，实现力传递功能。

二者结合，构成了汽车转向过程中的“人一车—路”的闭环控制。

1.转向盘力矩分析 驾驶员在操纵车辆过程中，转向盘操纵转矩与转向盘转角、车速以及路面附着情况等密切相关。

为了让驾驶者能够清晰地触摸到这些信息，所设计的SBW转向盘上力矩模型(图9)，充分考虑转向盘力矩影响因素，如反馈力矩、摩擦力矩、阻尼控制力矩、限位控制力矩以及主动回正力矩，这些可以看作转向盘上的反作用力。

所建立模型是这些力矩的总和。

(1)反馈力矩根据车辆行驶状态反馈给驾驶员的力矩，其大致反映了车辆的行驶状态和路面状况。

在相关标准和文献的研究中，大量的研究结果表明车速、转向盘转角、侧向加速度与转向盘转矩之间存在密切联系。

①汽车低速行驶时，其侧向加速度的变化较小，驾驶员不易感知到此车身信息的变化，但是对转向盘转角变化却非常敏感，因而在设计路感时，转向盘转角和车速信息要占比较大的权重。

②汽车高速行驶时，由于受到车辆操纵稳定性的制约，转向盘在较小的范围内转动，此时转角的变化对侧向加速度的影响很大，驾驶员对侧向加速度变化反而很敏感，因而在设计路感时，要重点考虑侧向加速度和车速对转向盘力矩的影响。

③汽车在高、低速之间行驶时，此时的车速越大，则转向盘力矩越大。

驾驶员对侧向加速度和转向盘转角都较为敏感，因而在设计路感时，不仅要考虑转向盘转角的影响，也要将侧向加速度和车速对转向盘力矩的影响考虑进去。

(2)摩擦力矩在机械结构中，摩擦力矩是一直存在不可忽略的。

而SBW系统因断开了转向管柱与转向器间的连接，所以驾驶员能够直接感受到的摩擦力矩只来源于转向盘总成。

基于线控技术的四轮转向全滑模控制郑凯锋;陈思忠;王亚【摘要】A total sliding mode controller is proposed to improve the stability for four-wheel steering vehicle with steer-by-wire technology. By controlling the steering angle of front wheel and rear wheel, the total sliding mode controller can make the real body sideslip angle and yaw rate track the ideal body sideslip angle and yaw rate. The integration of tracking error is considered in the sliding surface to ensure the tracking error to be zero. Then, a stable condition is given based on Lyapunov theory. The conventional front wheel steering, four-wheel steering with common sliding mode control and total sliding mode control are compared by simulations under different vehicle models and different conditions. The results show that the total sliding control not only ensures the tracking error to be zero, but also improves the robustness to resist the external disturbance and the change of system parameters.%针对具有线控技术的四轮转向车辆,设计了一种全滑模控制器用于提高车辆的操纵稳定性.以前、后车轮转角作为控制输入,设计全滑模控制器使实际的质心侧偏角和横摆角速度跟踪理想的质心侧偏角和横摆角速度,通过在滑模面中加入跟踪误差积分项来消除稳态跟踪误差不为零的现象,并运用Lyapunov定理给出了全滑模控制器的稳定条件.最后通过2种车辆模型下不同工况的仿真分析,对比了传统前轮转向、常规滑模控制的四轮转向和全滑模控制的四轮转向的动力学响应,结果表明所设计的全滑模控制器不仅消除了稳态跟踪误差不为零的现象,而且提升了车辆抵抗外界干扰和系统参数摄动的鲁棒性.【期刊名称】《东南大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2013(043)002【总页数】6页(P334-339)【关键词】四轮转向;全滑模控制;仿真【作者】郑凯锋;陈思忠;王亚【作者单位】北京理工大学机械与车辆学院,北京100081【正文语种】中文【中图分类】U461.1随着汽车电子技术的不断发展和汽车系统的集成化,基于线控技术的四轮转向(4WS)将成为车辆底盘主动控制的重要组成部分[1].它取消了传统的机械式转向系统,转向信号通过传感器传递给电控单元,然后经电控单元分析处理后将控制信号传递给转向电机,转向电机则根据控制信号产生所需的转向扭矩,从而实现驾驶员的转向意图[2].早期4WS只控制后轮转角[3],之后Nagai等[4]指出同时控制前、后轮转角可以更好地提升车辆转向性能.基于该思路,以跟踪理想质心侧偏角和横摆角速度为目标,同时控制前后轮转角的前馈加反馈型控制得到较多研究[5-6].但当车辆存在侧向风干扰和系统参数摄动时,这种控制器的鲁棒性并不是很好,因此,一些基于H∞理论、μ理论和滑模理论的鲁棒控制器得到进一步研究[7-10].文献[7]设计的滑模鲁棒控制器考虑了多个系统参数的摄动,包括整车质量、轮胎侧偏刚度、横摆转动惯量等.文献[8]将设计的4WS滑模控制器进行了侧向风稳定性仿真以及在不同路面下车辆操纵稳定性仿真.文献[9]对最优控制和滑模控制进行了对比性仿真分析.文献[10]则通过模糊算法将最优控制和滑模控制相结合，实现了协调控制.总结以上这些滑模控制器可以发现,滑模控制器由等价控制器和鲁棒控制器2部分组成,且都是基于选定的滑模面来设计的.滑模面的选择对整个控制性能有很大影响,以上文献都将质心侧偏角和横摆角速度跟踪误差向量再乘以常值矩阵作为滑模面,这样设计的控制器虽然在一定程度上抑制了外界的干扰和参数摄动,具有一定的鲁棒性,但在稳态扰动存在时,并不能使跟踪误差为零.为了克服这一缺陷,参照文献[11],本文提出了一种全滑模控制器,通过在滑模面中加入误差积分项来消除稳态干扰下跟踪误差不为零的现象.在不同工况下对2种车辆模型的仿真分析验证了这种控制器的良好性能.1 车辆动力学模型考虑参数摄动和外界干扰时,车辆的两自由度模型[8]可由下面的状态方程表示:(1)其中式中,ΔA,ΔB为具有线性特性的系统参数摄动矩阵;Fw(t)为外界干扰输入;β为车辆质心侧偏角;r为横摆角速度;δf,δr分别为前、后轮主动转角;m为整车质量;u为车辆纵向速度;Iz为车辆横摆转动惯量;a,b分别为车辆前、后轴到车辆质心的距离;kf,kr分别为车辆前、后轴轮胎侧偏刚度(此处的刚度为同轴两轮刚度之和).由于矩阵B满秩可逆,故系统(1)满足匹配条件,即存在矩阵Mi(i=1,2,3)使下式成立：ΔA=BM1, ΔB=BM2, EwFw(t)=BM3(t)(2)匹配条件的成立意味着系统的不确定输入与控制输入处于同一通道中,因此可通过合理的控制算法设计抵消或者减弱不确定因素对系统控制的影响.结合式(3)和式(1)可得(3)式中,d(x,t)=M1X+M2U+M3(t)为系统参数摄动和外界干扰等不确定因素的总和.2 车辆理想转向模型理想的转向一方面要求尽量减小质心侧偏角,使车辆在转向时拥有良好的行驶轨迹与车身姿态;另一方面要求尽量保证转向灵敏度(横摆角速度稳态增益)与传统的前轮转向汽车一致,即保持驾驶员感觉不发生较大变化[8].根据这2个目标,并考虑一阶惯性环节的车辆理想转向模型，可表述成下列状态方程形式:(4)其中式中,βd,rd分别为理想质心侧偏角和横摆角速度;kβd,krd分别为质心侧偏角稳态增益和横摆角速度稳态增益,此处取kβd=0;τβ,τr分别为一阶惯性环节时间常数,根据经验此处取τβ=τr=0.2 s;δfd为理想前轮转角输入.3 全滑模面控制器设计基于线控技术和滑模理论,可以设计全滑模控制器,同时控制前、后轮转角输入使实际车辆转向模型跟踪理想车辆转向模型.由此可定义状态跟踪误差为(5)对式(5)求导可得Ade+(Ad-A)X+BdUd-B[U+d(x,t)](6)构造具有积分项的跟踪误差滑模面为S=[s1 s2]T=e+γe(τ)dτ-e(0)(7)式中,γ为加权矩阵.对式(7)求导可得(Ad+γ)e(0)+(Ad-A)X+BdUd-B[U+d(x,t)](8)若令且d(x,t)=0,由式(8)可得等价控制律为B-1[(Ad-A)X+BdUd](9)将式(9)代入式(8),并考虑d(x,t)=0,可得误差滑模面的导数为(10)在传统的滑模控制中,若特征值全在负半轴,即Ad+γ<0成立,则当t→∞时有S→∞成立.在本文的控制策略中,选择Ad+γ=0,即γ=-Ad,从而有成立.根据式(7)可知S(0)=0.和S(0)=0确保了系统初始时刻就处于滑模面的切换平面上,因而系统不存在趋近模态,称为全滑模面变结构控制[11].此时等价控制输入便可简化为Ueq=B-1[(Ad-A)X+BdUd](11)从上面的设计过程可看出,全滑模控制器式(11)是基于d(x,t)=0时式(4)的模型而设计的,当系统发生参数摄动或受到外界干扰时,控制器式(11)将不能确保成立,因此需要设计一个鲁棒控制器来稳定系统,抑制参数摄动和外界扰动.设计鲁棒控制器为Urob=B-1[K1S+K2sgn(S)](12)联合等价控制器式(11)和鲁棒控制器式(12)，可得到针对系统(1)所设计的全滑模面控制器为U=Ueq+Urob(13)将式(13)代入式(8)中可得=-K1S-K2sgn(S)-Bd(x,t)(14)令Bd(x,t)=W(x,t),式(14)可写为(15)式中,K1,K2为2×2的常值系数矩阵.为了保证实际跟踪误差轨迹限制在跟踪误差滑模面上,且系统渐近稳定,定义Lyapunov函数为VT=STS/2,对其求导并将式(15)代入可得=S=-STK1S-STK2sgn(S)-STW(x,t)=(16)为了使滑模面解耦,可令k12=k13=k22=k23=0,则有w1(x,t)s1-w2(x,t)s2<(k24-)(17)从式(17)可看出,当式(18)成立时,则有成立.根据Lyapunov定理,可知系统渐近稳定.即按照下式适当给定鲁棒控制器的常值矩阵,就能使所设计的全滑模控制器式(13)抑制系统参数摄动和外界干扰：(18)此外,为了抑制由全滑模控制器引起的抖振问题,将控制器中的切换函数sgn(si)用饱和函数sat(si)替代,取饱和函数为(19)4 仿真分析本节将采用线性二自由度模型(2DOF)和非线性八自由度模型(8DOF)这2种车辆模型来验证所设计的全滑模控制器的鲁棒性.在2DOF模型中,通过加入侧向风扰动和轮胎刚度摄动来初步验证控制器的鲁棒性.接着,在8DOF模型中进行高速直线行驶下抗侧向风稳定性仿真和2种不同附着路面下方向盘正弦输入仿真.车辆8DOF模型及参数见文献[12],为保证2种车辆模型在线性操纵区域具有相同车辆特性,取2DOF车辆模型与8DOF模型具有相同的整车质量、横摆转动惯量、前后桥到整车质心的距离以及轮胎侧偏角在-3°～3°之间的线性轮胎侧偏刚度.参数如表1所示. 表1 2DOF车辆模型参数4.1 2DOF模型车辆所受的外界干扰主要是侧向风,而对系统参数摄动影响最大的是轮胎侧偏刚度[7],因此将它们作为仿真的不确定输入.若只考虑以侧向风作为外界干扰输入时,即ΔA=ΔB=0,则侧向风可由下式简单描述:(20)式中,vw为风速;ρ为空气密度;Aw为汽车侧向迎风面积.若只考虑以前、后轮胎侧偏刚度变化作为系统参数摄动时,即Fw(t)=0,则系统摄动矩阵可由下式表述:式中,Δkf,Δkr分别为前、后轮侧偏刚度摄动量.仿真工况如下:忽略转向系统,将方向盘转角δs以16∶1的关系直接输入到理想前轮转角(δs=16δfd)进行角阶跃仿真;车速为20 m/s;在3 s时触发风压中心位于车辆质心后的侧向风输入,风速为10 m/s,2 s后停止;在7 s时触发轮胎侧偏刚度摄动(轮胎侧偏刚度降低20%),9 s后停止;在11 s时同时触发这2种输入,2 s后结束,仿真总时间为15 s.仿真结果如图1和图2所示.由图1和图2可看出,相对于无控制的传统前轮转向车辆(FWS),常规滑模控制的四轮转向(4WS-CSMC)和全滑模控制的四轮转向(4WS-TSMC)具有较小的质心侧偏角和横摆角速度波动.在3～5 s侧向风扰动期间,由于车速较低,2种控制下的车辆特性几乎没有差异;而在轮胎侧偏刚度摄动的情况下,基于常规滑模控制的四轮转向车辆具有非零的质心侧偏角跟踪误差和横摆角速度跟踪误差.对于全滑模控制,虽然在干扰突然介入时跟踪有点超调,但在较短时间后,质心侧偏角跟踪误差便变为零,横摆角速度跟踪误差也变为零,即全滑模控制器迅速对系统突然出现的不确定因素进行干预,使车辆快速地恢复到理想的转向特性.在外界干扰存在的情况下,车辆能很好地跟踪理想的转向特性,并且保证稳态跟踪误差为零,体现了全滑模控制器良好的控制性能和鲁棒性.这一响应特性正是由于在设计滑模面时考虑了跟踪误差积分项.由于线性的2DOF车辆没有考虑车辆以及轮胎的非线性因素,下面以非线性8DOF模型作进一步仿真分析.图1 质心侧偏角响应(阶跃转向，u=20 m/s,δs=48°)图2 横摆角速度响应(阶跃转向，u=20 m/s,δs=48°)4.2 8DOF模型非线性8DOF车辆模型能更精确地预测车辆的响应特性[12].不同于2DOF车辆模型,侧向风作用力和力矩将不能通过匹配条件与控制量一起输入到车辆模型中,而只能将其添加到车辆的侧向运动方程和横摆运动方程中.同样,轮胎侧偏刚度的摄动将由不同的路面摩擦系数来实现.分2种工况进行仿真分析:①车辆高速直线行驶时抗侧向风稳定性仿真;②车辆在2种不同附着路面下的方向盘正弦输入仿真.高速直线行驶时抗侧向风稳定性仿真设置初始车速为40 m/s,侧向风速为20 m/s,方向盘固定不动,1 s后触发侧向风输入,仿真总时间为10 s.仿真结果如图3所示.由图3可见,相比于无控制的前轮转向车辆,2种控制下的四轮转向车辆都有较小的侧向偏移.对比2种控制下的车辆轨迹,起初全滑模控制的车辆侧向偏移略大,随着质心侧角和横摆角速度迅速收敛到零后,它所产生的侧向偏移将小于基于常规滑模控制的车辆侧向偏移,可见稳态下侧向风干扰一直存在,采用误差积分形式的全滑模控制要好于常规的滑模控制,能更有效地减小车辆侧移,提高其抗侧向风的稳定性.图3 车辆行驶轨迹(侧风扰动，u=40 m/s, vw=20 m/s)接下来进行2种不同路面摩擦系数下的正弦输入仿真.设置方向盘输入的频率为2 rad/s,幅值为48°;2种路面摩擦系数μ分别为0.8和0.3;仿真车速设置为20 m/s.图4和图5是路面摩擦系数为0.8时的仿真结果,图6～图8是路面摩擦系数为0.3时的仿真结果.图4 车辆行驶轨迹(正弦转向，u=20 m/s, μ=0.8)图5 质心侧偏角响应(正弦转向，u=20 m/s, μ=0.8)图6 车辆行驶轨迹(正弦转向，u=20 m/s, μ=0.3)图4显示了在摩擦系数为0.8(干水泥路面)的路面上,无控制和有控制的车辆轨迹几乎一致,但图5表明无控制下的车辆质心侧偏角最大幅度为1.8°,与理想的零值存在较大的偏差,而有控制的车辆基本上保证车辆质心侧偏角为零,从而保证了车辆轴线方向与行驶方向一致,使车辆具有很好的操纵性.对比2种控制下的车辆响应几乎不存在差异.图7 质心侧偏角响应(正弦转向，u=20 m/s, μ=0.3)图8 右后轮转角输出(正弦转向，u=20 m/s, μ=0.3)当路面摩擦系数为0.3(湿路面)时,从图6中可看出无控制的车辆已经出现严重侧滑,失去稳定性;对于有控制的车辆,虽然未出现严重侧滑,但与理想的轨迹相差较远,这主要是因为理想模型中未考虑轮胎侧向力饱和的限制.对比图6中2种控制下车辆轨迹和图7中质心侧偏角跟踪效果可见,全滑模控制略好于常规滑模控制.图8显示2种控制下的车辆右后轮转角在平滑度和幅度上都没有较大差异,且转角都小于3°,其他车轮转角输出也有相似特性,限于篇幅没有给出.总体来说,全滑模控制器的控制性能更接近理想的转向特性,好于常规滑模控制器.5 结语针对基于线控技术的四轮转向车辆,本文设计了一种全滑模控制器,以跟踪理想车辆模型的质心侧偏角和横摆角速度为目标,通过全滑模控制实现前后轮主动转向.车辆2DOF模型下包含侧向风振动及轮胎侧偏刚度摄动输入的阶跃仿真表明，带有跟踪误差积分项的全滑模控制可以有效地改善稳态跟踪误差不为零的现象.车辆非线性8DOF模型下高速直线行驶抗侧向风稳定性仿真和不同摩擦路面下的方向盘正弦输入仿真表明，全滑模控制器具有良好的鲁棒性和控制性能,有效提升了车辆的操纵稳定性.参考文献 (References)[1]喻凡,李道飞.车辆动力学集成控制综述[J]. 农业机械学报, 2008, 39(6): 1-7.Yu Fan, Li Daofei. 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