四轮独立转向汽车稳定性控制方法研究【字数：10930】
四轮独立转向技术，在四轮转向技术的基础上，进一步提高了汽车行驶过程中的操纵稳定性、安全性，同时还考虑了转向过程中的运动协调性。当车辆以低速行驶时，前后车轮可以进行逆相位转向，从而减小车辆转弯半径，显著提高了车辆低速行驶时的操纵灵活性；在车辆高速行驶时，四个车轮变为同相位转向，车辆能够很快达到稳态响应，改善了车辆在高速行驶时的稳定性。因此，本文将对四轮独立转向汽车稳定性控制方法进行研究。本论文首先介绍了四轮转向技术的背景与定义，引出四轮独立转向的内容，对四轮独立转向的国内外研究现状进行阐述；其次，根据汽车理论和多体动力学原理，建立四轮独立转向车辆动力学模型，介绍MATLAB/Simulink软件的发展与应用，在仿真后分析四轮独立转向车辆模型的动力学特性；再次则是在四轮独立转向车辆模型的基础上，设计四轮独立转向车辆稳定性控制器，介绍其控制器结构，与前轮转向车辆模型对比仿真并进行有效性分析验证；最后得出结论，总结全文并进行展望。
目录
1. 绪论 1
1.1 研究背景和意义 1
1.2 国内外研究状况 4
1.3 本论文主要研究内容 5
2. 四轮独立转向车辆动力学模型 6
2.1二自由度车辆动力学模型 6
2.1.1 四轮独立转向汽车的线性二自由度运动学模型 6
2.1.2 坐标系的规定 6
2.2 MATLAB/Simulink软件介绍 10
2.3模型建立与分析 11
2.3.1 低速工况 13
2.3.2 高速工况 15
3. 四轮独立转向汽车稳定性控制器研究 17
3.1 四轮独立转向汽车稳定性控制器研究 17
3.2 控制器结构 19
3.3 控制器分析 20
3.3.1 低速工况 20
3.3.2 高速工况 22
4. 总结全文与展望 25
4.1 论文总结 25
4.2 展望与未来 25
参考文献 26
致谢 27
1. 绪论
1.1研究背景和意义
在这个生活越来越快的时代，汽车是现代 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
社会主要的交通工具，其持有量极高。在过去的10年中，中国民用汽车和乘用汽车的数量增长迅速[1]，年均增长率超过10%。自2009年以来，中国已成为世界第一大汽车生产和销售国。截止到2018年底，中国民用车辆数量达2.4亿辆，比2017年底增长10.5%；其中私家车拥有量为2.07亿辆，增幅约10.9%；民用轿车保有量为1.35亿辆，较前年增长10.4%。越来越多的汽车都涌入道路，使得汽车的道路条件不断改善，汽车的速度也在不断加快，以及伴随的道路交通安全问题也越来越严重。据不完全统计，在2016年，中国共发生8643000起交通事故，比去年同期增加659000起，较上年增长16.5%。其中，有212846起道路交通事故涉及伤亡，造成63093人死亡、226430人受伤，12.1亿元的直接财产损失。目前，官方提供的道路交通事故每年死亡人数仍是世界第二位。交通事故频发而造成的伤亡人数和经济损失触目惊心，汽车安全问题已成为被世界瞩目的社会问题。在这种背景下，人们越来越关注汽车的安全性和操纵稳定性问题。汽车的操纵稳定性不但影响汽车驾驶的便利性，同时也是关系到车辆的安全行驶的一个重要因素[2]。
传统汽车采用前轮为转向轮，当前轮转动时，后轮并不是同时转动，两者会产生一个相位差，导致转向不平稳，使汽车行驶方向产生改变，稳定性能差，驾驶感觉也不协调。基于此问题，四轮转向技术应运而生。四轮转向技术是一种汽车动力学控制技术[3]，可同时控制汽车的前后转向轮，从而改善转向特性。与传统的前轮转向车相比，四轮转向车具有以下优点：低速行驶时，转向半径小，车辆灵活性高；当高速行驶时,车道可以快速更换。车身不会引起大摆动，这降低了汽车摆尾产生的可能性，改善了汽车转向的瞬态响应特性，从而提高了汽车的转向稳定性和主动安全性。在国外，伴随传感器技术、电子技术和车辆网络技术的进步,以四轮转向技术为代表的底盘控制系统得到了高速的发展。它已经在一些高端汽车上进行了测试和装备,并取得了良好的控制效果。因此，研究四轮转向技术具有重要的现实意义。
世界各国的大型汽车企业对于四轮转向技术的研究从未停止过。奥迪Q7（如图1.1）采用四轮转向技术，确保驾驶时的最佳的牵引力和横向稳定性，同时减少车辆在自动回正时引起的牵引力。无论是平坦路面还是越野道路，它都能确保高速转弯时的高性能操纵稳定性。雷克萨斯RC（如图1.2）采用动态后轮转向。这种技术，在汽车转弯时，后轮遵循自偏转角度，称为动态后轮转向，这是四轮转向技术的延伸。它增加了汽车的可操纵性，使驾驶员能够更灵活的控制移动车辆，提高安全驾驶的可靠性。新款BMW 5系列（如图1.3）采用了世界上第一个主动转向系统。铝和钢材料，全铝底盘，高性能、高效率发动机，6档变速箱，iDrive控制概念和其它创新特色的组合，使得它在任何方面，都具有出色的产品质量。凯迪拉克CT6（如图1.4）采用主动后轮转向来补偿高速行驶时过度转向的危险。对于这款豪华车，其后轮转向技术使车辆在低速时更加灵活，高速时更稳定。这不仅提高了驾驶员的驾驶乐趣，还提高了安全性。四轮转向汽车的运用前景十分广阔，人们将在未来更多的新款车型上看到它的身影。
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图1.1奥迪Q7 图1.2雷克萨斯RC
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图1.3 BMW 5系 图1.4 凯迪拉克CT6
四轮独立转向(4WIS)是一种新型的转向模式，其中四个转向轮以不同角度独立旋转。它与四轮转向(4WS)的不同之处在于转向梯形机构被移除。因此，所有车轮可以在任何时间绕同一瞬时中心转向以满足运动协调性，从而确保在转向过程中轮胎与地面之间的摩擦接触处于纯滚动状态，并且适当控制四轮转角的关系，以实现最佳转向。该技术目前发展迅速，其控制目标是在低速转弯时使后轮和前轮转向相反，从而减小转向半径，具有更高的灵活性并增强汽车的可操纵性；在中速时，后轮基本上不转向；高速时前后轮转向方
目录
1. 绪论 1
1.1 研究背景和意义 1
1.2 国内外研究状况 4
1.3 本论文主要研究内容 5
2. 四轮独立转向车辆动力学模型 6
2.1二自由度车辆动力学模型 6
2.1.1 四轮独立转向汽车的线性二自由度运动学模型 6
2.1.2 坐标系的规定 6
2.2 MATLAB/Simulink软件介绍 10
2.3模型建立与分析 11
2.3.1 低速工况 13
2.3.2 高速工况 15
3. 四轮独立转向汽车稳定性控制器研究 17
3.1 四轮独立转向汽车稳定性控制器研究 17
3.2 控制器结构 19
3.3 控制器分析 20
3.3.1 低速工况 20
3.3.2 高速工况 22
4. 总结全文与展望 25
4.1 论文总结 25
4.2 展望与未来 25
参考文献 26
致谢 27
1. 绪论
1.1研究背景和意义
在这个生活越来越快的时代，汽车是现代 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
社会主要的交通工具，其持有量极高。在过去的10年中，中国民用汽车和乘用汽车的数量增长迅速[1]，年均增长率超过10%。自2009年以来，中国已成为世界第一大汽车生产和销售国。截止到2018年底，中国民用车辆数量达2.4亿辆，比2017年底增长10.5%；其中私家车拥有量为2.07亿辆，增幅约10.9%；民用轿车保有量为1.35亿辆，较前年增长10.4%。越来越多的汽车都涌入道路，使得汽车的道路条件不断改善，汽车的速度也在不断加快，以及伴随的道路交通安全问题也越来越严重。据不完全统计，在2016年，中国共发生8643000起交通事故，比去年同期增加659000起，较上年增长16.5%。其中，有212846起道路交通事故涉及伤亡，造成63093人死亡、226430人受伤，12.1亿元的直接财产损失。目前，官方提供的道路交通事故每年死亡人数仍是世界第二位。交通事故频发而造成的伤亡人数和经济损失触目惊心，汽车安全问题已成为被世界瞩目的社会问题。在这种背景下，人们越来越关注汽车的安全性和操纵稳定性问题。汽车的操纵稳定性不但影响汽车驾驶的便利性，同时也是关系到车辆的安全行驶的一个重要因素[2]。
传统汽车采用前轮为转向轮，当前轮转动时，后轮并不是同时转动，两者会产生一个相位差，导致转向不平稳，使汽车行驶方向产生改变，稳定性能差，驾驶感觉也不协调。基于此问题，四轮转向技术应运而生。四轮转向技术是一种汽车动力学控制技术[3]，可同时控制汽车的前后转向轮，从而改善转向特性。与传统的前轮转向车相比，四轮转向车具有以下优点：低速行驶时，转向半径小，车辆灵活性高；当高速行驶时,车道可以快速更换。车身不会引起大摆动，这降低了汽车摆尾产生的可能性，改善了汽车转向的瞬态响应特性，从而提高了汽车的转向稳定性和主动安全性。在国外，伴随传感器技术、电子技术和车辆网络技术的进步,以四轮转向技术为代表的底盘控制系统得到了高速的发展。它已经在一些高端汽车上进行了测试和装备,并取得了良好的控制效果。因此，研究四轮转向技术具有重要的现实意义。
世界各国的大型汽车企业对于四轮转向技术的研究从未停止过。奥迪Q7（如图1.1）采用四轮转向技术，确保驾驶时的最佳的牵引力和横向稳定性，同时减少车辆在自动回正时引起的牵引力。无论是平坦路面还是越野道路，它都能确保高速转弯时的高性能操纵稳定性。雷克萨斯RC（如图1.2）采用动态后轮转向。这种技术，在汽车转弯时，后轮遵循自偏转角度，称为动态后轮转向，这是四轮转向技术的延伸。它增加了汽车的可操纵性，使驾驶员能够更灵活的控制移动车辆，提高安全驾驶的可靠性。新款BMW 5系列（如图1.3）采用了世界上第一个主动转向系统。铝和钢材料，全铝底盘，高性能、高效率发动机，6档变速箱，iDrive控制概念和其它创新特色的组合，使得它在任何方面，都具有出色的产品质量。凯迪拉克CT6（如图1.4）采用主动后轮转向来补偿高速行驶时过度转向的危险。对于这款豪华车，其后轮转向技术使车辆在低速时更加灵活，高速时更稳定。这不仅提高了驾驶员的驾驶乐趣，还提高了安全性。四轮转向汽车的运用前景十分广阔，人们将在未来更多的新款车型上看到它的身影。
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图1.1奥迪Q7 图1.2雷克萨斯RC
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图1.3 BMW 5系 图1.4 凯迪拉克CT6
四轮独立转向(4WIS)是一种新型的转向模式，其中四个转向轮以不同角度独立旋转。它与四轮转向(4WS)的不同之处在于转向梯形机构被移除。因此，所有车轮可以在任何时间绕同一瞬时中心转向以满足运动协调性，从而确保在转向过程中轮胎与地面之间的摩擦接触处于纯滚动状态，并且适当控制四轮转角的关系，以实现最佳转向。该技术目前发展迅速，其控制目标是在低速转弯时使后轮和前轮转向相反，从而减小转向半径，具有更高的灵活性并增强汽车的可操纵性；在中速时，后轮基本上不转向；高速时前后轮转向方
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