四轮独立转向汽车横向运动控制研究【字数：12368】
四轮独立转向，顾名思义是指四个车轮都可以实现独立转向，它采用阿克曼转向定理，可以保证所有车轮在转向时均绕同一瞬时中心转向，并且可以确保车辆的稳态质心侧偏角保持为零。横向运动控制是智能汽车运动控制的一部分，如今智能汽车研究范围广、热度高，因此本文将四轮独立转向技术和车辆横向运动控制相结合来进行研究。针对四轮独立转向汽车横向运动控制方面的研究，分析四轮独立转向汽车横向运动控制研究的国内外研究现状。引入四轮独立转向技术，建立四轮独立转向二自由度动力学模型，并使用MATLAB/Simulink软件进行仿真分析。考虑到传统四轮转向汽车后轮转角相同带来的运动不协调问题，参考车辆转向时绕同一瞬时中心转向的Ackerman定理，求出独立四轮各自的转角，设计四轮独立转向控制器，利用仿真软件分析4WIS转向控制器的性能。此外，介绍车辆横向运动控制方法，设计横向运动控制器，利用仿真软件分析横向运动控制器的性能，并实现车辆路径跟踪。通过这些研究和设计，保证了汽车的低速灵活性和高速稳定性。结合四轮独立转向技术和横向运动控制的优势，确保降低驾驶员驾驶操作的难度，改善汽车的乘坐舒适性，同时使汽车行驶安全性能提高。
目录
1. 绪论 1
1.1 研究背景及意义 1
1.2 国内外现状研究 3
1.2.1 国内研究现状 3
1.2.2 国外研究现状 4
1.3 研究内容与方法 5
2. 四轮独立转向汽车研究 6
2.1 四轮独立转向介绍 6
2.2 建立4WIS二自由度动力学模型 7
2.2.1 轮胎坐标系的规定 7
2.2.2 4WIS二自由度动力学模型规定 8
2.3 4WIS二自由度动力学模型仿真分析 11
3. 四轮独立转向控制器设计 14
3.1 四轮独立转向控制器设计 14
3.2 四轮独立转向控制器仿真分析 16
4. 车辆横向运动控制研究 18
4.1 横向运动控制介绍 18
4.2 横向运动控制器设计 19
4.3 横向运动控制器仿真分析 21
5. 全文总结和展望 23
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全文总结 23
5.2 研究展望 23
参考文献 24
致谢 26
1. 绪论
1.1 研究背景及意义
自汽车诞生一百多年来，随着经济社会的快速发展和科学技术的不断进步，国民经济水平越来越高，人类生活水平普遍提高，需求也日益增加，汽车逐渐成为人类生活中不可或缺的交通工具。
根据中国汽车工业协会统计分析，2016年，中国汽车产量达到2811.9万辆，销量达到2802.8万辆，较上年增长14.5%和13.7%，再一次实现了历史性的飞跃；全年中国汽车产销量突破2800万辆，连续八年位居世界第一。根据国家统计局统计，2017年，中国汽车产量达到2901.8万辆，再创历史新高；2018年，中国汽车产量达到2781.9万辆。
根据公安部交通管理局统计分析，截至2018年底，全国汽车保有量达2.4亿辆，比2017年增加2285万辆，增长10.51%，汽车驾驶人数量达到3.69亿人，占全国机动车驾驶人总数的90.28%。汽车保有量的急剧增加，使汽车驾驶人数量也大幅度上升。据有关报道推断，2030年全球的汽车新车上牌量约为8160万辆、汽车保有量约为6.92亿辆，其中中国汽车保有量保持稳定，同时中国共享出行的市场价值将持续增长。
然而任何事物的本质都是相对立的，虽然汽车的产销量和保有量急剧上升推动着汽车行业的发展，但是汽车在给人类提供便利的同时也带来了极大的安全隐患。每一年每一天发生的汽车交通事故不计其数，造成的伤亡人数触目惊心。根据国家统计局统计，2017年，中国汽车交通事故发生数总计139412起，受伤人数总计139180人，死亡人数总计46817人，直接财产损失总计103978万元。以下是关于我国汽车交通事故近几年的相关数据统计，如图11、12、13、14所示。
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图11 中国汽车交通事故发生数 图12 中国汽车交通事故受伤人数
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图13 中国汽车交通事故死亡人数 图14 中国汽车交通事故直接财产损失
为了保障汽车交通安全，提高汽车安全性能，汽车安全技术成为人类研究关注的一大热点。安全技术包括主动安全技术和被动安全技术，被动安全技术是人类生命安全的基本保障，然而人类更倾向于主动保护自身安全，因此四轮转向技术成为人类关注的一大热点。
传统前轮转向（也称两轮转向）汽车稳定性差、转向迟缓，驾驶员驾驶操作非常麻烦。于是专家研究出了前轮是转向轮、后轮也是转向轮的四轮转向汽车，四轮转向汽车低速时可以提高机动灵活性，高速时可以提高操纵稳定性。然而四轮转向汽车也存在不足之处，同前轮转向汽车一样采用了复杂的转向梯形机构，汽车的前后车轮不能绕同一瞬时转向中心转动，汽车的转向阻力增加、轮胎磨损严重。由此又引申出四轮独立转向技术，四轮独立转向顾名思义就是四个车轮都可以独立转动，专家们在四轮转向汽车的基础上扬长避短舍弃了转向梯形机构，使得前后车轮可以能绕同一瞬时转向中心转动，减轻了转向期间的阻力、降低了轮胎磨损量，汽车的机动灵活性和操纵稳定性得到进一步改善，同时还兼顾了汽车转向时的运动协调特性。
与此同时，在四轮独立转向汽车的研究上深入下去，进一步研究车辆的运动控制。车辆运动控制分为纵向控制和横向控制。纵向控制实现对期望车速的精确跟随，横向控制实现车辆的路径跟踪。其目的是在保证车辆操纵稳定性的前提下，不仅使车辆精确跟踪期望道路、降低驾驶员操作难度，同时使车辆具有良好的动力性和乘坐舒适性。
1.2国内外现状研究
1.2.1国内研究现状
舒进、陈思忠等人[1]采用独立转向控制方法，建立了四轮独立转向汽车二自由度模型，推导出独立四轮各个转角的函数表达式，求出了两后轮转角和与两前轮转角和的比例系数。并验证了四轮独立转向策略的有效性与可行性，保证各个车轮可以绕同一个瞬时中心转向，同时车辆质心侧偏角为零。
宋裕民等人[2]建立了二自由度四轮独立转向(4WIS)车辆系统模型，保证稳态质心侧偏角为零，推导了独立四轮转角的函数表达式。同时运用MATLAB/Simulink软件进行仿真分析，结果表明相比前轮转向车辆和四轮转向车辆，4WIS车辆低速时的机动灵活性和高速时操纵稳定性都有更大程度上的提高。
陈哲明等人[3]针对传统四轮转向系统没有考虑转向运动的协调性，且稳定性并未达到最优状态，提出了绕同一瞬时转向中心的阿克曼转向定理，推导并建立了线性二自由度四轮转向理想参考模型，提出了一种基于Ackerman定理前馈与模糊反馈的联合控制策略，并使用Carsim软件和MATLAB/Simulink软件进行联合仿真。结果表明，基于阿克曼定理前馈与模糊反馈的4WIS稳定性高、机动性良好，既实现了2WS与4WS车辆转向时所不具备的运动协调性，又改善了操纵稳定性。
目录
1. 绪论 1
1.1 研究背景及意义 1
1.2 国内外现状研究 3
1.2.1 国内研究现状 3
1.2.2 国外研究现状 4
1.3 研究内容与方法 5
2. 四轮独立转向汽车研究 6
2.1 四轮独立转向介绍 6
2.2 建立4WIS二自由度动力学模型 7
2.2.1 轮胎坐标系的规定 7
2.2.2 4WIS二自由度动力学模型规定 8
2.3 4WIS二自由度动力学模型仿真分析 11
3. 四轮独立转向控制器设计 14
3.1 四轮独立转向控制器设计 14
3.2 四轮独立转向控制器仿真分析 16
4. 车辆横向运动控制研究 18
4.1 横向运动控制介绍 18
4.2 横向运动控制器设计 19
4.3 横向运动控制器仿真分析 21
5. 全文总结和展望 23
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全文总结 23
5.2 研究展望 23
参考文献 24
致谢 26
1. 绪论
1.1 研究背景及意义
自汽车诞生一百多年来，随着经济社会的快速发展和科学技术的不断进步，国民经济水平越来越高，人类生活水平普遍提高，需求也日益增加，汽车逐渐成为人类生活中不可或缺的交通工具。
根据中国汽车工业协会统计分析，2016年，中国汽车产量达到2811.9万辆，销量达到2802.8万辆，较上年增长14.5%和13.7%，再一次实现了历史性的飞跃；全年中国汽车产销量突破2800万辆，连续八年位居世界第一。根据国家统计局统计，2017年，中国汽车产量达到2901.8万辆，再创历史新高；2018年，中国汽车产量达到2781.9万辆。
根据公安部交通管理局统计分析，截至2018年底，全国汽车保有量达2.4亿辆，比2017年增加2285万辆，增长10.51%，汽车驾驶人数量达到3.69亿人，占全国机动车驾驶人总数的90.28%。汽车保有量的急剧增加，使汽车驾驶人数量也大幅度上升。据有关报道推断，2030年全球的汽车新车上牌量约为8160万辆、汽车保有量约为6.92亿辆，其中中国汽车保有量保持稳定，同时中国共享出行的市场价值将持续增长。
然而任何事物的本质都是相对立的，虽然汽车的产销量和保有量急剧上升推动着汽车行业的发展，但是汽车在给人类提供便利的同时也带来了极大的安全隐患。每一年每一天发生的汽车交通事故不计其数，造成的伤亡人数触目惊心。根据国家统计局统计，2017年，中国汽车交通事故发生数总计139412起，受伤人数总计139180人，死亡人数总计46817人，直接财产损失总计103978万元。以下是关于我国汽车交通事故近几年的相关数据统计，如图11、12、13、14所示。
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图11 中国汽车交通事故发生数 图12 中国汽车交通事故受伤人数
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图13 中国汽车交通事故死亡人数 图14 中国汽车交通事故直接财产损失
为了保障汽车交通安全，提高汽车安全性能，汽车安全技术成为人类研究关注的一大热点。安全技术包括主动安全技术和被动安全技术，被动安全技术是人类生命安全的基本保障，然而人类更倾向于主动保护自身安全，因此四轮转向技术成为人类关注的一大热点。
传统前轮转向（也称两轮转向）汽车稳定性差、转向迟缓，驾驶员驾驶操作非常麻烦。于是专家研究出了前轮是转向轮、后轮也是转向轮的四轮转向汽车，四轮转向汽车低速时可以提高机动灵活性，高速时可以提高操纵稳定性。然而四轮转向汽车也存在不足之处，同前轮转向汽车一样采用了复杂的转向梯形机构，汽车的前后车轮不能绕同一瞬时转向中心转动，汽车的转向阻力增加、轮胎磨损严重。由此又引申出四轮独立转向技术，四轮独立转向顾名思义就是四个车轮都可以独立转动，专家们在四轮转向汽车的基础上扬长避短舍弃了转向梯形机构，使得前后车轮可以能绕同一瞬时转向中心转动，减轻了转向期间的阻力、降低了轮胎磨损量，汽车的机动灵活性和操纵稳定性得到进一步改善，同时还兼顾了汽车转向时的运动协调特性。
与此同时，在四轮独立转向汽车的研究上深入下去，进一步研究车辆的运动控制。车辆运动控制分为纵向控制和横向控制。纵向控制实现对期望车速的精确跟随，横向控制实现车辆的路径跟踪。其目的是在保证车辆操纵稳定性的前提下，不仅使车辆精确跟踪期望道路、降低驾驶员操作难度，同时使车辆具有良好的动力性和乘坐舒适性。
1.2国内外现状研究
1.2.1国内研究现状
舒进、陈思忠等人[1]采用独立转向控制方法，建立了四轮独立转向汽车二自由度模型，推导出独立四轮各个转角的函数表达式，求出了两后轮转角和与两前轮转角和的比例系数。并验证了四轮独立转向策略的有效性与可行性，保证各个车轮可以绕同一个瞬时中心转向，同时车辆质心侧偏角为零。
宋裕民等人[2]建立了二自由度四轮独立转向(4WIS)车辆系统模型，保证稳态质心侧偏角为零，推导了独立四轮转角的函数表达式。同时运用MATLAB/Simulink软件进行仿真分析，结果表明相比前轮转向车辆和四轮转向车辆，4WIS车辆低速时的机动灵活性和高速时操纵稳定性都有更大程度上的提高。
陈哲明等人[3]针对传统四轮转向系统没有考虑转向运动的协调性，且稳定性并未达到最优状态，提出了绕同一瞬时转向中心的阿克曼转向定理，推导并建立了线性二自由度四轮转向理想参考模型，提出了一种基于Ackerman定理前馈与模糊反馈的联合控制策略，并使用Carsim软件和MATLAB/Simulink软件进行联合仿真。结果表明，基于阿克曼定理前馈与模糊反馈的4WIS稳定性高、机动性良好，既实现了2WS与4WS车辆转向时所不具备的运动协调性，又改善了操纵稳定性。
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