matlabsimulink的四轮转向汽车操纵稳定性仿真(附件)【字数：12427】
摘 要随着人们对生活水平要求的不断提高和科学技术的不断进步，人们越来越关注汽车的操纵稳定性。四轮转向技术作为汽车一项先进的控制技术，在提高汽车在高低速驾驶工况下的稳定性方面，有着明显的效果和优势。因此，四轮转向技术在实际生活中将会得到普及。本文基于Matlab/Simulink对线性前轮转向、线性四轮转向和非线性四轮转向进行了角阶跃输入仿真，对比探究前轮转向系统和四轮转向系统在车辆行驶稳定性上的差别和优劣，特别是对涉及到轮胎非线性特性模型对车辆转向行驶稳定性的干扰，从Matlab软件仿真研究的角度，指出已有四轮转向系统普遍存在的问题和缺陷，为研究四轮转向在不同工况下的运动状态，提供一定的理论依据。
目 录
第一章 绪论 1
1.1引言 1
1.2国内外研究现状 1
1.3本课题研究的目的与意义 2
1.4四轮转向系统介绍 3
1.5本课题的研究方法和思路 5
1.6虚拟样机技术介绍 5
第二章 4WS各部分模型的建立 7
2.1悬架模型介绍 7
2.2前、后悬架模型 7
2.3转向系统模型 9
2.4 4WS汽车的动力学模型 9
2.5线性二自由度4WS汽车模型 10
2.6线性三自由度4WS汽车模型 11
2.7轮胎侧偏特性非线性模型 12
2.7.1轮胎的坐标系 12
2.7.2轮胎模型 13
2.8 4WS汽车Matlab/Simulink建模 14
2.9三自由度非线性汽车模型 17
第三章 建立仿真结果曲线与分析 19
3.1仿真结果 19
3.2仿真结果分析 21
结束语 23
致 谢 24
参考文献 25
第一章 绪论
1.1引言
由于飞速发展的机械工业技术，人们越来越关注汽车的操纵舒适性和行驶稳定性。对于能在不同工况下提高汽车行驶稳定性有着明显的效果和优势，四轮转向（4WS）技术也将逐渐取代前轮转向技术，满足大众对车辆操纵稳定性的需求。 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
自从汽车诞生之日开始，前轮转向由于其结构简单、易于检查和维修，成为人们首选的转向方式。传统的前轮转向简称为2WS，是先控制方向盘，进而通过齿轮齿条传动的方式来直接操纵汽车的行驶方向。建立在只能沿固定轨道行驶的火车发明的基础之上，2WS汽车摆脱了固定轨道，实现了自由行驶，实现了划时代的跨越。但对于公交车等大型公共车辆，在转弯行驶时存在转弯半径过大的问题，汽车在高速行驶工况下，存在着操纵稳定性差等缺点，不能满足人们对行车安全和操纵稳定性日益提高的要求。希望有一种比前轮转向更为优越的转向方式能够来克服这些不足和缺点，从而提出了更为先进的四轮转向技术（4WS）。
对于汽车行驶而言，车辆的转向操控时域响应与车轮与地面接触的情况有着直接的关系。当车辆在转弯时，由于驾驶员通过方向盘控制前轮转过一个角度，前轮前进方向由纵向变为倾斜，由于轮胎与地面的接触摩擦，这个摩擦力沿侧向的分力，会影响汽车的原有运动趋势，使其发生横摆。当车身在进行横摆运动的同时会产生一个离心力，这个离心力作用在前轮上的分力正好抵消地面通过前轮作用给车身的侧向力，作用在后轮上的分力与地面对后轮的摩擦力的合力，会使后轮前进的角度产生一个偏移角，从而跟随前轮实现车辆转向行驶。因此，前轮转向车辆在转向时，后轮是跟随前轮的转向而转向，而且车身越长，后轮响应越滞后，这样以来，极大地降低了汽车行驶的灵敏性。
而2WS系统和4WS系统最根本的区别在于：当控制方向盘操纵前轮转过一个角度的同时，后轮也相应地转过一个角度，通过控制后轮的转向相位和偏转角来实时调节适应不同的路况的转向操作。当车辆以较低的速度通过弯道时，后轮和前轮沿相反的方向转过一定的角度，汽车的转向中心由原来的位置向上向里偏移了一定的位置，有效地减小了车辆的转弯半径；当汽车以较高的速度通过转弯路况时，车轮转弯所需要的角度比原来的要小，汽车车身的横摆率和侧向速度的波动范围和影响也会比2WS车辆的要小一些，从而增加了汽车在通过转弯道路时的稳定和轻便。
1.2国内外研究现状
20世纪初，东京汽车工业学会提出将前轮和后轮通过机械刚性联接， 当驾驶员通过操纵方向盘控制前轮转过一个角度之后，后轮由原来的通过地面摩擦的影响进行转向改变为根据刚性联接而直接响应前轮的转向跟随，这样有效地缩小了前后轮之间的滞后时间。在二战期间，美国军方采用了一种方式实现汽车前后轮能够同时反向转动，从而提高汽车在恶劣路况上的机动性能。在70年代末，中国、欧洲等国家的机械工业学会或工会都积极推动了4WS系统的设计开发和应用，许多公司例如：本田、马自达、大众等都提出了不同的车辆转向伺服控制方案：有的是通过控制前后轮通过弯道路面时的转角之间的比例，有的是通过控制车辆在转弯时的质心侧偏的实时伺服控制与补偿来实现四轮转向控制，有的是通过对汽车在转弯时产生的横摆率波动情况来进行优化设计，从而实现4WS系统的设计与应用。不过这几大汽车公司的四轮转向控制系统都是简单的机械式连接前后轮，并没有达到实时精准控制前后轮的运动。
中国是直到上个世纪80年代才开始了对4WS控制技术的研究和开发，随着国家对汽车工业的重视力度的提高和对相关高校科研工作的支持和资助，比如在吉林大学、清华大学和湖南大学三所大学建立了国家汽车实验室，并在长春第一汽车集团公司和东风第二汽车集团公司等大型汽车基地建立了人才储备计划，促进了中国汽车工业的持续发展。当前社会是出于信息时代，电器电子控制技术在车辆上的应用也是日益增多，能够通过电脑ECU控制单元实现许多复杂、庞大的计算与控制，国内的一些科研单位和高校也相继建立了基于汽车电子方向的4WS系统研究的实验设备和工具，通过对模型进行虚拟仿真来优化设计新型的、高效的4WS车辆。其中武汉理工大学的钟绍华老师、天津大学的王洪礼团队、上海交通大学的曲求真老师、哈尔滨工业大学以及东南大学的科研团队也都相应提出了自己对4WS控制技术车辆的研究成果。例如：利用4WS输入与输出之间的传递函数比例精准控制，并结合与2WS控制系统分对比仿真分析，从而指出了4WS控制技术的发展方向。上海交通大学的曲求真老师通过多年的潜心研究，深入考虑了驾驶员和路面对四轮转向操纵的影响，通过从道路、驾驶员和车辆三者之间的闭环关系，建立了自适应非线性4WS转向系统模型，得到了后轮转角的最佳控制策略。
目 录
第一章 绪论 1
1.1引言 1
1.2国内外研究现状 1
1.3本课题研究的目的与意义 2
1.4四轮转向系统介绍 3
1.5本课题的研究方法和思路 5
1.6虚拟样机技术介绍 5
第二章 4WS各部分模型的建立 7
2.1悬架模型介绍 7
2.2前、后悬架模型 7
2.3转向系统模型 9
2.4 4WS汽车的动力学模型 9
2.5线性二自由度4WS汽车模型 10
2.6线性三自由度4WS汽车模型 11
2.7轮胎侧偏特性非线性模型 12
2.7.1轮胎的坐标系 12
2.7.2轮胎模型 13
2.8 4WS汽车Matlab/Simulink建模 14
2.9三自由度非线性汽车模型 17
第三章 建立仿真结果曲线与分析 19
3.1仿真结果 19
3.2仿真结果分析 21
结束语 23
致 谢 24
参考文献 25
第一章 绪论
1.1引言
由于飞速发展的机械工业技术，人们越来越关注汽车的操纵舒适性和行驶稳定性。对于能在不同工况下提高汽车行驶稳定性有着明显的效果和优势，四轮转向（4WS）技术也将逐渐取代前轮转向技术，满足大众对车辆操纵稳定性的需求。 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
自从汽车诞生之日开始，前轮转向由于其结构简单、易于检查和维修，成为人们首选的转向方式。传统的前轮转向简称为2WS，是先控制方向盘，进而通过齿轮齿条传动的方式来直接操纵汽车的行驶方向。建立在只能沿固定轨道行驶的火车发明的基础之上，2WS汽车摆脱了固定轨道，实现了自由行驶，实现了划时代的跨越。但对于公交车等大型公共车辆，在转弯行驶时存在转弯半径过大的问题，汽车在高速行驶工况下，存在着操纵稳定性差等缺点，不能满足人们对行车安全和操纵稳定性日益提高的要求。希望有一种比前轮转向更为优越的转向方式能够来克服这些不足和缺点，从而提出了更为先进的四轮转向技术（4WS）。
对于汽车行驶而言，车辆的转向操控时域响应与车轮与地面接触的情况有着直接的关系。当车辆在转弯时，由于驾驶员通过方向盘控制前轮转过一个角度，前轮前进方向由纵向变为倾斜，由于轮胎与地面的接触摩擦，这个摩擦力沿侧向的分力，会影响汽车的原有运动趋势，使其发生横摆。当车身在进行横摆运动的同时会产生一个离心力，这个离心力作用在前轮上的分力正好抵消地面通过前轮作用给车身的侧向力，作用在后轮上的分力与地面对后轮的摩擦力的合力，会使后轮前进的角度产生一个偏移角，从而跟随前轮实现车辆转向行驶。因此，前轮转向车辆在转向时，后轮是跟随前轮的转向而转向，而且车身越长，后轮响应越滞后，这样以来，极大地降低了汽车行驶的灵敏性。
而2WS系统和4WS系统最根本的区别在于：当控制方向盘操纵前轮转过一个角度的同时，后轮也相应地转过一个角度，通过控制后轮的转向相位和偏转角来实时调节适应不同的路况的转向操作。当车辆以较低的速度通过弯道时，后轮和前轮沿相反的方向转过一定的角度，汽车的转向中心由原来的位置向上向里偏移了一定的位置，有效地减小了车辆的转弯半径；当汽车以较高的速度通过转弯路况时，车轮转弯所需要的角度比原来的要小，汽车车身的横摆率和侧向速度的波动范围和影响也会比2WS车辆的要小一些，从而增加了汽车在通过转弯道路时的稳定和轻便。
1.2国内外研究现状
20世纪初，东京汽车工业学会提出将前轮和后轮通过机械刚性联接， 当驾驶员通过操纵方向盘控制前轮转过一个角度之后，后轮由原来的通过地面摩擦的影响进行转向改变为根据刚性联接而直接响应前轮的转向跟随，这样有效地缩小了前后轮之间的滞后时间。在二战期间，美国军方采用了一种方式实现汽车前后轮能够同时反向转动，从而提高汽车在恶劣路况上的机动性能。在70年代末，中国、欧洲等国家的机械工业学会或工会都积极推动了4WS系统的设计开发和应用，许多公司例如：本田、马自达、大众等都提出了不同的车辆转向伺服控制方案：有的是通过控制前后轮通过弯道路面时的转角之间的比例，有的是通过控制车辆在转弯时的质心侧偏的实时伺服控制与补偿来实现四轮转向控制，有的是通过对汽车在转弯时产生的横摆率波动情况来进行优化设计，从而实现4WS系统的设计与应用。不过这几大汽车公司的四轮转向控制系统都是简单的机械式连接前后轮，并没有达到实时精准控制前后轮的运动。
中国是直到上个世纪80年代才开始了对4WS控制技术的研究和开发，随着国家对汽车工业的重视力度的提高和对相关高校科研工作的支持和资助，比如在吉林大学、清华大学和湖南大学三所大学建立了国家汽车实验室，并在长春第一汽车集团公司和东风第二汽车集团公司等大型汽车基地建立了人才储备计划，促进了中国汽车工业的持续发展。当前社会是出于信息时代，电器电子控制技术在车辆上的应用也是日益增多，能够通过电脑ECU控制单元实现许多复杂、庞大的计算与控制，国内的一些科研单位和高校也相继建立了基于汽车电子方向的4WS系统研究的实验设备和工具，通过对模型进行虚拟仿真来优化设计新型的、高效的4WS车辆。其中武汉理工大学的钟绍华老师、天津大学的王洪礼团队、上海交通大学的曲求真老师、哈尔滨工业大学以及东南大学的科研团队也都相应提出了自己对4WS控制技术车辆的研究成果。例如：利用4WS输入与输出之间的传递函数比例精准控制，并结合与2WS控制系统分对比仿真分析，从而指出了4WS控制技术的发展方向。上海交通大学的曲求真老师通过多年的潜心研究，深入考虑了驾驶员和路面对四轮转向操纵的影响，通过从道路、驾驶员和车辆三者之间的闭环关系，建立了自适应非线性4WS转向系统模型，得到了后轮转角的最佳控制策略。
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