四轮转向汽车横向运动控制研究【字数：11965】
四轮转向（four-wheel steering system）汽车是指能够同时依靠前轮和后轮共同完成转向任务的汽车。如今，智能化已经成为了未来汽车制造产业的大方向，电动车处于快速发展的阶段，各种新技术也不断在电动车上得以实现，自动驾驶也不例外。本文将四轮转向汽车与自动驾驶相结合，重点研究四轮转向汽车的横向运动控制问题。首先对汽车的横摆运动和侧向运动进行分析，在此基础上建立二自由度的车辆动力学模型，并且在MATLAB环境下的simulink中对此模型进行了仿真分析，证明了模型的有效性。接着，在所建立的模型的基础之上，针对几种常用的四轮转向控制方法进行分析，从中选择了比例控制的控制方法，并在simulink中设计了比例控制的四轮转向控制器，并将具有控制器的四轮转向汽车与前轮转向汽车的性能进行了比较分析。最后，在前面研究的基础之上，针对车辆的横向运动控制问题进行相应的分析，设计了横向运动控制器，并在simulink中完成了控制器的仿真，通过所设计的正弦道路，验证了控制器的有效性。
目 录
1.绪论 1
1.1选题背景 1
1.2国内外研究现状 2
1.3本文主要研究内容 3
2.车辆动力学模型 4
2.1引言 4
2.2二自由度车辆动力学模型 4
2.2.1轮胎坐标系建立 4
2.2.2车体运动坐标系建立 4
2.3模型建立与仿真分析 7
2.3.1阶跃响应分析 8
2.3.2正弦响应分析 9
3. 4WS汽车控制器的选择 11
3.1常用几种控制方法 11
3.2控制方法选择 12
3.3仿真分析 13
4.4WS汽车横向运动控制器设计 16
4.1引言 16
4.2基于纯跟踪算法的横向运动控制器 17
4.3横向运动控制仿真实验 19
4.3.1控制器模型的建立 19
4.3.2仿真分析 20
5.总结与展望 23
5.1论文总结 23
5.2展望 23
参考文献 24
致谢 25 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
1.绪论
1.1选题背景
随着时间的进展，国内及国外的科学技术在不断地发展，尤其是近几十年来的汽车的技术的迅猛发展，人类开始想方设法不断提高汽车的各方面性能要求，比如有舒适性、稳定性、灵活性、机动性、安全性等等。为了提高汽车的性能，人类开发出了各种技术。随着第一台汽车的产生，前轮转向就一直被用作汽车的主要转向方法。但前轮转向汽车有许多缺陷，比如：汽车以低速前进时，拐弯半径过大，转向比较笨重，同时，响应的时间也比较强；高速前进时，汽车转向的稳定性比较差，超车变道很困难。随着二十一世纪的到来，人口不断的增加，汽车变成了每个家庭必不可少的交通工具，这种情况导致了住宅小区停车车位极度缺乏，由于前轮转向的转弯半径过大，进库，出库受到了极大的限制。当今的高速化也迅猛发展，公路纵横交错，汽车行驶的速度越来越快。中小城市也出现了绕城高速和立交桥，高速公路拥有的区域越来越广，在日常生活中，人们经常会碰到在人流量比较大的商业园区，或是在停车位比较小的地方，驾驶技术不熟练的新手司机不能很好的控制传统的前轮转向汽车的问题，这必将会造成发生事故或堵塞道路。汽车在高速公路上转弯时，侧滑的交通事故往往由于汽车速度过快时有发生。所以，可靠的安全性，操作的稳定性已经成为汽车发展的主要方向。在上述情况下，前轮转向汽车带来的种种不便，尤其需要新的技术来解决。由此，汽车的四轮转向技术应运而生。
汽车的操纵稳定性是指在驾驶员不过分疲劳和焦虑的操作情况下，驾驶员可以通过对方向盘的控制，使汽车能够按照驾驶员的转向意图向给定的方向行驶。当有干扰时，汽车能够抵制干扰并且保持稳定的行驶性能。操纵稳定性一方面对汽车的行驶方便程度有一定影响，另一方面它是汽车高速安全行驶的主要性能。在上个世纪八十年代，人们发现了：汽车的四轮转向技术可以提高它在高速行驶下的操纵稳定性能。这时，汽车安全行驶的重要前提就是：汽车的操纵性能。所以，评价驾驶员和汽车有机结合的重要指标是：汽车的操纵稳定性。
路径跟踪控制指的是让汽车按照所期望的路径行驶，同时车辆的安全性和舒适性也会得到保证。而路径跟踪控制不仅是其中的核心，也是现在研究的最多的项目。到目前为止，已经有了很多成功的控制方法,如：最优控制方法，模糊控制方法，神经元网络方法等等。以上方法都是针对前轮转向车辆的，而针对四轮转向车辆的研究很少，因此，本文将针对四轮转向汽车的路径跟踪问题进行研究。
1.2国内外研究现状
现代的控制理论以及控制技术都在跟随着时代不断发展与成熟，控制的方法变得更为先进，为汽车的四轮转向的探究给予了较好的理论基础。控制的方法不同，学科之间的交叉、相融使得汽车的四轮转向变得更加成熟。在我们国家，汽车行业的崛起，晚于世界上的发达国家，但从最近的这二十年看，汽车四轮转向的技术的探究有了很大的提高，甚至有了奋起直追的一些势头。
四轮转向汽车的历史能够从上世纪初开始追溯，其技术萌芽于欧洲。1907年，保罗戴姆勒设计出了名为Dernburg Wagen的全轮驱动的四轮转向汽车。这辆汽车高约2.7米，长达4.9米，轴距有4米，而轮距只有1.42米，重达3.6吨。但是这辆车前轮与后轮的转向角角度相同，所以他的后轮转向系统能够断开设计，当他接通后轮转向的时候，由于汽车是围绕一个同心圆旋转的，他的转弯半径非常小，这也会非常容易造成翻车的事故。
到了九十年代，汽车的四轮转向技术得到了很大发挥，尤其是日本厂商生产的运动型车。第三代Prelude在1987年由本田公司推出，它装配有B20A系列的2.0L的四缸发动机以及四速自动或者五速手动的变速箱，同时还采用了一套机械式的四轮转向装置，它是使方向盘经过很长的拉杆来直接控制后桥转向机。第四代和第五代的Prelude的车型在19922001年间把机械式的四轮驱动系统换成了电控的四轮转向系统。电控四轮转向系统同时也用于在1989年生产的马自达的MX6的GE和GT这两个版本。并且GT版本甚至卖到了美国。直到第二代MX6在1998年退出了市场，马自达仍在使用电动四轮转向。到了1990年，三菱GOT开始运用这个技术，它作为地道的双门双座的跑车，和前面两个四轮运动轿车不同，是克莱斯勒公司和三菱公司共同合作产生的。
目 录
1.绪论 1
1.1选题背景 1
1.2国内外研究现状 2
1.3本文主要研究内容 3
2.车辆动力学模型 4
2.1引言 4
2.2二自由度车辆动力学模型 4
2.2.1轮胎坐标系建立 4
2.2.2车体运动坐标系建立 4
2.3模型建立与仿真分析 7
2.3.1阶跃响应分析 8
2.3.2正弦响应分析 9
3. 4WS汽车控制器的选择 11
3.1常用几种控制方法 11
3.2控制方法选择 12
3.3仿真分析 13
4.4WS汽车横向运动控制器设计 16
4.1引言 16
4.2基于纯跟踪算法的横向运动控制器 17
4.3横向运动控制仿真实验 19
4.3.1控制器模型的建立 19
4.3.2仿真分析 20
5.总结与展望 23
5.1论文总结 23
5.2展望 23
参考文献 24
致谢 25 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
1.绪论
1.1选题背景
随着时间的进展，国内及国外的科学技术在不断地发展，尤其是近几十年来的汽车的技术的迅猛发展，人类开始想方设法不断提高汽车的各方面性能要求，比如有舒适性、稳定性、灵活性、机动性、安全性等等。为了提高汽车的性能，人类开发出了各种技术。随着第一台汽车的产生，前轮转向就一直被用作汽车的主要转向方法。但前轮转向汽车有许多缺陷，比如：汽车以低速前进时，拐弯半径过大，转向比较笨重，同时，响应的时间也比较强；高速前进时，汽车转向的稳定性比较差，超车变道很困难。随着二十一世纪的到来，人口不断的增加，汽车变成了每个家庭必不可少的交通工具，这种情况导致了住宅小区停车车位极度缺乏，由于前轮转向的转弯半径过大，进库，出库受到了极大的限制。当今的高速化也迅猛发展，公路纵横交错，汽车行驶的速度越来越快。中小城市也出现了绕城高速和立交桥，高速公路拥有的区域越来越广，在日常生活中，人们经常会碰到在人流量比较大的商业园区，或是在停车位比较小的地方，驾驶技术不熟练的新手司机不能很好的控制传统的前轮转向汽车的问题，这必将会造成发生事故或堵塞道路。汽车在高速公路上转弯时，侧滑的交通事故往往由于汽车速度过快时有发生。所以，可靠的安全性，操作的稳定性已经成为汽车发展的主要方向。在上述情况下，前轮转向汽车带来的种种不便，尤其需要新的技术来解决。由此，汽车的四轮转向技术应运而生。
汽车的操纵稳定性是指在驾驶员不过分疲劳和焦虑的操作情况下，驾驶员可以通过对方向盘的控制，使汽车能够按照驾驶员的转向意图向给定的方向行驶。当有干扰时，汽车能够抵制干扰并且保持稳定的行驶性能。操纵稳定性一方面对汽车的行驶方便程度有一定影响，另一方面它是汽车高速安全行驶的主要性能。在上个世纪八十年代，人们发现了：汽车的四轮转向技术可以提高它在高速行驶下的操纵稳定性能。这时，汽车安全行驶的重要前提就是：汽车的操纵性能。所以，评价驾驶员和汽车有机结合的重要指标是：汽车的操纵稳定性。
路径跟踪控制指的是让汽车按照所期望的路径行驶，同时车辆的安全性和舒适性也会得到保证。而路径跟踪控制不仅是其中的核心，也是现在研究的最多的项目。到目前为止，已经有了很多成功的控制方法,如：最优控制方法，模糊控制方法，神经元网络方法等等。以上方法都是针对前轮转向车辆的，而针对四轮转向车辆的研究很少，因此，本文将针对四轮转向汽车的路径跟踪问题进行研究。
1.2国内外研究现状
现代的控制理论以及控制技术都在跟随着时代不断发展与成熟，控制的方法变得更为先进，为汽车的四轮转向的探究给予了较好的理论基础。控制的方法不同，学科之间的交叉、相融使得汽车的四轮转向变得更加成熟。在我们国家，汽车行业的崛起，晚于世界上的发达国家，但从最近的这二十年看，汽车四轮转向的技术的探究有了很大的提高，甚至有了奋起直追的一些势头。
四轮转向汽车的历史能够从上世纪初开始追溯，其技术萌芽于欧洲。1907年，保罗戴姆勒设计出了名为Dernburg Wagen的全轮驱动的四轮转向汽车。这辆汽车高约2.7米，长达4.9米，轴距有4米，而轮距只有1.42米，重达3.6吨。但是这辆车前轮与后轮的转向角角度相同，所以他的后轮转向系统能够断开设计，当他接通后轮转向的时候，由于汽车是围绕一个同心圆旋转的，他的转弯半径非常小，这也会非常容易造成翻车的事故。
到了九十年代，汽车的四轮转向技术得到了很大发挥，尤其是日本厂商生产的运动型车。第三代Prelude在1987年由本田公司推出，它装配有B20A系列的2.0L的四缸发动机以及四速自动或者五速手动的变速箱，同时还采用了一套机械式的四轮转向装置，它是使方向盘经过很长的拉杆来直接控制后桥转向机。第四代和第五代的Prelude的车型在19922001年间把机械式的四轮驱动系统换成了电控的四轮转向系统。电控四轮转向系统同时也用于在1989年生产的马自达的MX6的GE和GT这两个版本。并且GT版本甚至卖到了美国。直到第二代MX6在1998年退出了市场，马自达仍在使用电动四轮转向。到了1990年，三菱GOT开始运用这个技术，它作为地道的双门双座的跑车，和前面两个四轮运动轿车不同，是克莱斯勒公司和三菱公司共同合作产生的。
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