标题

Size: px

Start display at page:

Download "标题"

蝉勉危
5 years ago
Views:

1 第 33 卷第 8 期 2013 年 8 月北京理工大学学报 TransactionsofBeijingInstituteofTechnology Vol.33 No.8 Aug.2013 基于比例控制的 4WS 汽车操纵稳定性仿真研究羊玢, 陈宁, 田杰, 马梁, 张晨强 ( 南京林业大学汽车与交通工程学院, 江苏, 南京 ) 摘要 : 建立了基于比例控制的 4 轮转向 (4WS) 汽车的动力学模型, 在 Matlab 环境下针对不同车速时的驾驶员模型跟随车辆轨迹汽车横摆角速度侧向加速度以及前轮转角的瞬态响应进行了闭环仿真分析, 并与无控制的前轮转向 (FWS) 汽车的动力学模型结果进行了比较. 结果表明 : 在相同的驾驶员模型下, 主动四轮转向汽车的操纵稳定性优于前轮转向汽车, 采用闭合曲线跑道比采用蛇型道路进行仿真更客观地反映控制效果和车辆特性. 关键词 : 比例控制策略 ;4 轮转向汽车 ; 操纵稳定性 ; 闭环仿真中图分类号 :U461.6 文献标志码 :A 文章编号 : (2013) SimulationResearchof4WSVehicleHandlingStability BasedonProportionalControl YANGBin, CHEN Ning, TIANJie, MA Liang, ZHANG Cheṉqiang (ColegeofAutomobileandTraficEngineering,NanjingForestryUniversity, Nanjing,Jiangsu210037,China) Abstract:Dynamicmodeloffouṟwheelsteering(4WS)vehiclebasedonproportionalcontrolwas built.in Matlabsoftwareenvironment withtheconsiderationofdiferentvehiclespeeds,the transientresponsesofthedriver modelfolowingvehicletrajectory,vehicleyaw rate,lateral accelerationandfrontsteeringanglewereanalyzed.simulationresultswerecomparedwiththat offronṯwheelsteering (FWS)vehiclewithoutcontrol.Itisindicatedthatthehandlingstability of4wsvehicleathighspeedsissuperiortothatofordinaryfwsvehicleunderthesamedriver model.furthermore,thesimulationofchoosingaroadwithcomplexclosedcurvecouldbemore objectivelyreflectthecontrolefectsandvehiclehandlingdynamiccharacteristics. Keywords:proportionalcontrol;fouṟwheeḻsteeringvehicle;handlingstability;closeḏloopsimulation 4 轮转向 (4WS) 技术是车辆底盘控制技术的重要组成部分, 由于其前后轮同时参与汽车侧向运动和横摆运动的控制, 因而能有效提高高速时的操纵稳定性, 改善低速时的操纵轻便性, 提供较小回转半 [12] 径等优良特性.4 轮转向汽车的控制目标是低速时减小汽车最小转弯半径, 提高汽车的机动性 ; 中高速时实现汽车质心侧偏角为 0, 提高汽车操纵稳 [3] 定性. 本文作者通过建立基于前后轮转角比例控制方法 4WS 汽车的线性二自由度模型, 并在 Matlab/Simulink 环境下对 4WS 汽车和前轮转向 (FWS) 汽车的稳态及瞬态响应进行对比分析, 改善 4WS 汽车的操纵稳定性. 1 4WS 汽车模型理论分析 1.1 汽车二自由度的操纵动力学模型根据二自由度汽车 4 轮转向模型, 可建立如下收稿日期 : 基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 ( ); 江苏省高校自然科学基金资助项目 ( ) 作者简介 : 羊玢 (1974 ), 男, 博士, 副教授, yangb123@126.com. 通信作者 : 陈宁 (1963 ), 男, 博士, 教授, chenning@njfu.edu.cn.

2 羊玢等 : 基于比例控制的 4WS 汽车操纵稳定性仿真研究 821 动力学微分方程 [45] : ìï F æ y =mu d ç β èdt + ö ω =2F fcosδ f+2f rcosδ r, ï ø í dω ï î Mz=Iz dt =2aFfcosδf-2bFrcosδr. (1) 式中 :F y 为汽车受到的外力沿 y 轴方向的合力 ;M z 为绕质心的力矩和 ;I z 为整车绕 z 轴的转动惯量 ; β, ω,δ f,δ r,f f,f r 分别为质心侧偏角质心处的横摆角速度前轮转角后轮转角前轮侧偏力和后轮侧偏力. 由式 (1) 可得如下状态方程形式的线性模型 é - é ω 2 (a 2 C f+b 2 C r ) 2(aC f-bc r ) ù ù v û = ui z ui z æ - u+ 2 (ac f-bc r ) ö ç - 2 (C f+c r ) è um s ø m s u û é2ac f ωé ù v û + I z 2C f m s - 2bCr ù I z 2C r m û s δ f é ù, (2) δ rû 式中 :m s 为整车质量 ;C r 为后轮侧偏刚度 ;C f 为前轮侧偏刚度 ;u,v 分别为质心速度在 x y 轴上的分量 ;a,b 分别为质心到前后轴的距离. 写成状态空间矩阵的一般形式为 ẋ=ax +Bu, (3) y=cx +Du. (4) é - 2 (a 2 C f+b 2 C r ) 2(aC f-bc r ) ù ui z ui z 式中 :A= æ - u+ 2 (ac f-bc r ) ö ç - 2, (C f+c r ) è um s ø um s û é2ac f I z B= 2C f m s - 2bCr ù I z 2C r m û s, C= é 1 0 ù 0 1 û, D= é 0 0 ù 0 0 û. 矩阵 A 为系统矩阵, 表示系统内部状态变量之间的关系 ; 矩阵 B 为控制阵, 表示各个输入变量对状态变量的控制特性 ; 矩阵 C 为输出矩阵, 表示输出变量与状态变量之间的关系 ; 矩阵 D 为直接传递矩阵, 表示输出变量与状态变量之间的关系. 1.2 比例系数对 4 轮转向汽车的影响分析 4 轮转向系统的控制方式有很多 [67], 本文主要对定前后轮转角比例的 4 轮转向系统进行分析与运动仿真. 仿真所用汽车主要参数为 :a=1.6m;b= 1.2 m;m s = 1700kg;I z = 2200kg/m 2 ;C f = 55005N/rad;C r =63027N/rad;δ r =0.2δ f ;u = 100km/h. 给定 5 个不同的比例系数 K r 的数值对模型进行仿真, 仿真结果如图 1 所示. 图 1 时域响应曲线 Fig.1 Timeḏomainresponseofyawrateandsideslipangle 从图 1 可以看出 : 1 后轮与前轮逆相位的前轮转角比例控制方式 (K r<0) 时, 这种控制方式除了使横摆角速度增大, 转向灵敏度提高以外, 汽车的固有特性并没有改变, 而且还使横摆角速度的振幅增大, 车体的摆动量增大, 这就增加了高速转向时的危险性, 所以, 这种控制方式只适用于低速大转角时以提高汽车的机动性. 2 后轮与前轮同相位的前轮转角比例控制方式 (0<K r<1) 时, 汽车的固有特性不变, 稳态横摆角速度减小, 转向灵敏度下降, 由于后轮与前轮同向偏转, 减小了横摆角速度的振幅, 车体的侧偏角减小. 通过选取不同的比例系数, 可以使 4 轮转向汽车在转向时的质心侧偏角接近于 0 或者等于 0 [89]. 通过不断地调试, 得出当比例系数 K r= 时, 4 轮转向汽车的质心侧偏角无限接近于 0, 其仿真结果如图 2 所示.

3 822 北京理工大学学报第 33 卷图 2 Kr= 质心侧偏角的时域响应 Fig.2 TimeḏomainresponseofsideslipanglewhenKr= WS 汽车闭环系统仿真分析 2.1 蛇型道路的仿真分析参照 GB/T 汽车操纵稳定性试验方法 : 蛇形试验, 建立 FWS 汽车和 4WS 汽车操纵稳定性模型, 并进行闭环仿真, 比较性地研究 4WS 汽 [1011] 车对操纵稳定性和轨迹跟踪的改善. 图 3~ 图 5 为 FWS 与 4WS 汽车的前轮转角曲线横摆角速度响应曲线和侧向加速度响应曲线的比较. 图 3 前轮转角随时间变化 Fig.3 Comparisonofresponsesoffrontsteeringanglebetween FWSand4WS 图 5 侧偏加速度随时间变化 Fig.5 Lateralaccelerationresponses 由图 3 可以得出,4WS 汽车的前轮转角瞬态性能变差, 这是因为 4WS 汽车为了在横向位移急剧变化的状态下迅速跟踪横向位移, 前后轮以较大转向角进行转向, 但以较快的速度收敛. 图 4 中, 高速时 4WS 汽车的稳态横摆角速度增益小于 FWS 汽车, 且两种汽车横摆角速度达到各自稳态值的时间基本相同,4WS 汽车横摆角速度超调量要小于 FWS 汽 [12] 车, 而超调量减小有助于转向运动更加平稳. 图 5 中,4WS 汽车侧偏加速度比 FWS 汽车显著下降, 轨迹跟踪能力明显提高 ; 所以在高速时 4WS 汽车在一般路径上行驶的操纵稳定性比 FWS 汽车的操纵稳定性要好. 2.2 方程式赛车跑道的仿真分析目前的汽车操纵稳定性闭环仿真研究的模拟路径过于简单, 不能全面反映驾驶员模型在真实复杂路径模型下的运动轨迹和响应. 文中采用上海 F 1 赛车跑道进行汽车操作稳定性闭环仿真, 这个复杂的闭环跑道包罗了现实中的各类弯道, 在仿真程序中编写了预瞄区间判别和车辆位置识别等辅助算法, 图 6 为 F 1 跑道仿真模型. 图 4 横摆角速度随时间变化 Fig.4 Yawrateresponses 图 6 上海 F1 赛车跑道 Fig.6 IlustrationofShanghaiF1autodrome

4 羊玢等 : 基于比例控制的 4WS 汽车操纵稳定性仿真研究 823 图 7 和图 8 表明 FWS 汽车和 4WS 汽车的横摆角速度响应曲线基本一致,4WS 汽车的横摆角速度幅值比 FWS 汽车的幅值小, 且变化比较对称, 与理论分析是一致的, 说明在高速状态下 4WS 汽车的操纵稳定优于 FWS 汽车, 并在一定程度上改善了高速行驶车辆操纵稳定性的瞬态性能. 参考文献 : [1] 兰志宇, 田韶鹏. 四轮转向汽车操纵稳定性分析研究 [J]. 农业装备与车辆工程,2012,50(4): LanZhiyu,Tian Shaopeng.Theanalysisofhandling stabilityoffouṟwheelsteeringvehicle[j].agricultural Equipment& Vehicle Engineering,2012,50(4):41 43.(inChinese) [2] 王浩, 叶日良, 程伟, 等.4WS 汽车操纵稳定性建模和仿真研究 [J]. 汽车科技,2012(5):5 9. WangHao,YeRiliang,Cheng Wei,etal.Researchof 4WSvehiclestabilityby modelingandsimulation[j]. JournalofAutomobileTechnology,2012(5):5 9.(in Chinese) [3] 舒进. 比例控制四轮转向车辆运动特性分析 [J]. 专用汽车,2002(3): 图 7 FWS 汽车横摆角速度响应曲线 Fig.7 YawrateresponseofFWSvehicleunderdrivingon autodrome ShuJin.Analysisofthemotionforfourwheelsteering vehicle with proportionalcontrol[j].specialpurpose Vehicle,2002(3):16 19.(inChinese) [4] 尤永, 黄俊杰, 王浩, 等. 基于横向位移控制 4WS 车辆操纵稳定性仿真研究 [J]. 中国机械工程,2011,22(12): YouYong,HuangJunjie,WangHao,etal.Simulation researchofsteeringstabilityof4wsvehiclebasedon lateraldisplacementerrorcontrol[j].china Mechanical Engineering,2011,22(12): (inChinese) [5] 陈双, 宗长富, 刘立国. 主动悬架车辆平顺性和操纵稳定性协调控制的联合仿真 [J]. 汽车工程,2012,34(9): 3 结论图 8 4WS 汽车横摆加速度响应曲线线 Fig.8 Yawrateresponseof4WSvehicle 1 通过建立 4WS 汽车动力学模型, 采用比例控制策略研究 4WS 汽车高速时的横摆角速度时域响应及质心侧偏角的时域响应, 表明 4WS 汽车的明显优点是减小了汽车在转向过程中产生的质心侧偏角, 较大地提高了汽车高速时的操纵稳定性. 同时, 低速时 4WS 的横摆角速度增益都大于 FWS, 所以汽车的转弯半径大大减小, 更容易操纵车辆, 提高汽车的机动性能. 2 选择蛇型道路和上海 F 1 赛车跑道两种道路模型分别对闭环仿真系统进行了汽车操纵稳定性的研究, 仿真结果表明, 采用复杂闭合曲线跑道比采用一般蛇型道路进行仿真更客观地反映车辆动力学特性和控制效果, 在高速状态下 4 轮转向车辆的操纵稳定性优于前轮转向车辆 ChenShuang,ZongChangfu,LiuLiguo.Co-simulationon thecoordinatedcontrolofridecomfortandhandlingstability of vehicles with active suspension [J]. Automotive Engineering,2012,34(9): (inChinese) [6]DeliceII,ErtugrulS.Inteligent modelingofhuman driver:asurvey[c] ProceedingsofInteligentVehicles Symposium.Istanbul,Turkey:IEEE,2007: [7]LiuZhaoheng.Characterisationofoptimalhumandriver model and stability of a tractoṟsemitrailer vehicle system withtimedelay [J].MechanicalSystemsand SignalProcessing,2007,21(5): [8] 林程, 孟祥, 陈思忠, 等. 四轮转向车辆转向特性分析及试验研究 [J]. 北京理工大学学报,2004,24(3): ,264. LinCheng,MengXiang,ChenSizhong,etal.Steering characteristics of fouṟwheeḻsteering vehicle and relevant tests [J]. Journal of Beijing Institute of Technology,2004,24(3): ,264.(inChinese) ( 下转第 847 页 )

5 秦国杰等 : 基于内外两级并行的多通道闪存存储系统设计 847 chitecture[j].ieee TransactiononComputers,2010, 59(7): [3]Nam Eyeehyun,JoonBryansuk.Anouṯof-orderflash memorycontrolerarchitecture[j].ieee Transaction oncomputers,2011,60(5): [4]LeeChul,BaekSunghoon,ParkKyuho.Ahybridflash filesystem basedon NORand NANDflash memories for embedded devices [J]. IEEE Transaction on Computers,2008,57(7): [5]ParkSanghoon,HaSeunghwan,BangKwanhu.Design andanalysisofflashtranslationlayersformulti-channel NAND flasẖbased storage devices [J]. IEEE Transactionson Consumer Electronics,2009,55(3): [6]Qin Guojie,Xie Min.Designandimplementationofa largecapacitystorage moduleinhigẖspeedacquisition system[c] ProceedingsofInternationalConferenceon ComputerEngineeringand Technology.Chengdu:[s. n.],2010: ( 责任编辑 : 刘芳 ) 췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍 ( 上接第 823 页 ) [9]LukowskiS,MomotM,KrawmerD,etal.Basiclinear theoryofhandlingandstabilityofautomobiles[j].proceedingsoftheinstitution of Mechanical Engineers, Part D:Journal of Automobile Engineering,2009, 223(1):1 10. [10] 徐建锋, 宁晓斌, 谢伟东, 等.4WS 整车虚拟样机建模与动力学仿真 [J]. 计算机仿真,2006,23(12): Xu Jianfeng, Ning Xiaobin, Xie Weidong,et al. Virtualprototypemodelinganddynamicssimulationof 4WSvehicle[J].ComputerSimulation,2006,23(12): (inChinese) [11] 羊玢, 蔡伟义, 陈海军, 等.4WS 汽车虚拟样机建模与操纵稳定性试验仿真 [J].CAD/CAM 与制造业信息化, Yang Bin,Cai Weiyi,Chen Haijun,etal.Virtual prototype modeling and control simulation test of stability of 4WS vehicle [J]. CAD/CAM and ManufacturingInformation,2007(6):54 56.(inChinese) [12] 张义, 莫旭辉, 钟志华. 基于前后轮联动转向的菱形客车操纵稳定性研究 [J]. 湖南大学学报 : 自然科学版, 2012,39(5): ZhangYi,MoXuhui,ZhongZhihua.Researchforthe vehicle handling stability ofrhombic bus based on front/rearwheellinkagesteering[j].journalofhunan University:NaturalScienceEd,2012,39(5): (inchinese) ( 责任编辑 : 孙竹凤 ) 2007(6):54 56.