四轮转向车辆的后轮转向控制策略浅析

朱联邦

摘要：文章分析了四轮转向车辆的后轮转向原理及控制策略，四轮转向车辆在低速转向时前后轮处于反向转动状态，能够有效地减小转弯半径，从而提高低速运转的随动性和泊车敏捷性；当处于高速转状态，车辆会通过前后轮同向转动降低侧滑概率，有效地改善高速行驶过程中稳定性和安全性。因此进行四轮转向车辆后轮转向控制技术研究具有重要的意义。

关键词：四轮转向；后轮转向；控制策略

汽车从面世以来，前轮转向一直就是主要的转向方式，由于是前轮转向后轮随动方式，当转向盘转动时前轮会在转向机构带动下转向，这时车体就会在横向反力影响下出现横摆，从而产生离心力，后轮和车体会产生夹角，所以后轮运动方向也会发生改变。为了确保车轮可以滚动运动，车辆要四个车轮围绕同一中心旋转。由于后轮不会主动转向所以车身旋转中心都处于后轴位置，当汽车低速行驶时转弯灵敏度就会差。随着车速的不断提高，车身和行车方向间夹角也会在一定程度上增大，所以车辆稳定性就会降低。随着城市的不断发展，城市内的车辆不断增多，在这样的情况下车辆掉头和泊车的空间越来越小，这很大程度地增加了车辆使用难度。尤其是在高速驾驶过程中，不仅对车辆稳定性和操纵性有较高要求，同时还对车辆的安全性有较高要求。为了降低高速行驶过程中出现甩尾和侧滑现象，应当探索如何提高高速车辆控制稳定性。四轮转向技术的出现，有效地提供了解决上述问题的方法。

1四轮转向车辆的特征

1.1转向理论

为了减小汽车在行驶过程中的行驶阻力和轮胎磨损，设计时追求阿克曼转向定理的基本要求，即不存在滑移情况，四个车轮要围绕同一中心转动。首先，在低速转向时：在低速转向时前后轮处于逆相转向状态，车辆旋转中心接近车体中心部位，四轮车辆的转弯半径较小，提高了低速转向的灵活性，这样才能降低狭小空间掉头、停车难度。其次，高速转向。在车辆处于高速直线行驶状态时，普通车辆转向都是围绕质心在转动，车速越高那么车体方向和原行驶方向之间的夹角就会增大，这时就会出现失稳情况。而四轮转向车辆应用的是后轮和前轮同相位转向，这样后轮发生一些侧偏，从而产生后轮侧偏力，平衡了前轮旋转离心力，缩小了车体和行驶方向夹角，全面地提高了车辆的行驶稳定性。

2后轮转向控制策略

2.1模糊控制

在实际生活中，被控对象和外界环境表述比较复杂，而且还具有时变性、非线性、滞后性、耦合性特点，在现有的理论当中，无法精确地建立模型，所以就无法使用常规理论进行分析。在工程实践过程中，可以发现丰富的操作经验可以解决这一问题，同时还可能获得良好的控制。由于经验无法准确描述和定量分析，所以具有模糊性。因此模糊控制理论发展和应用较快，具有以下几个特点。第一，是以人作为研究对象，根据操作经验进行实际控制，不需要建立相关理论模型。第二，是控制规则用语言来表现，这种比较易于理解。第三，通过模糊理论，将模糊控制规则变成计算机语言。第四，是鲁棒性和适应性相对较好，能适应各类系统。第五，自我成长能力较强，可以不断地更新。

四轮转向车辆行驶具有时变性特点和非线性特点，采用模糊控制方法，在运行过程中根据不同的误差和误差变化率以及模仿人类思维的模糊推理规则来控制前后轮的转角，可以达到对系统动态调整的目的。

2.2比例前馈控制

车辆操纵过程中，应用的是动力学理论，控制目标主要有两个，一个是循迹性，另外一个是稳定性，一般情况下是通过质心侧偏角，还有横摆角速度分析的。但是车辆运行过程中，如果这两个量处于相互耦合的状态，那么就会产生相互影响，在这样的情况下，就要根据实际情况确定两者的主次关系。车辆转向车辆质心侧偏角应当在零值附近，这样的状态下车身循迹性就会比较好。在实际操作中许多驾驶员比较习惯前轮转向操作，为了使驾驶员处于一个比较稳定的状态，四轮转向车辆在同等条件下，应当让车辆稳态横摆角速度相近或者是相等。由于质心侧偏角很难准确测定，所以将横摆角速度作为控制目标，具有非常好的实际效果。

2.3滑模控制

滑模控制理论也可以称为滑模变结构控制，这是一种非线性的控制方法。主要的特点就是控制间断性，还可以按照研究对象和当前状况进行改变，从而迫使研究对象处于预期“滑动模态”状态，但是在实际应用过程中滑模控制器设计需要一些条件，主要有以下三个。第一，是滑模面之外的运动点到达滑模面要在一定时间内。第二，是滑动模态要有一定存在性。第三，滑模动态区的运动处于逐渐稳定，这样能够提高系统响应速度。运用滑模来控制可以有效地解决抖振问题，由于时间、空间、延迟等因素的影响，导致滑模运动不会一定发生在滑模面上，所以运动形式就是在滑模面临近区域内频繁往返，从而产生颤动情况。这种抖振是必然出现的，能够降低控制精度，同时还能影响到被控对象性能，这样就能减弱和消除抖振。但是，如果完全消除抖振，控制器稳定性就会下降。因此降低抖振幅度，不是完全消除抖振。常见削弱抖振的方法，主要有以下几种。第一，是边界层法。使用的是饱和函数来取代滑模函数进行计算，有效地改善了输入滞后性问题。第二，是滤波法。这种方法利用的滤波器，对输入到系统内的数据进行平滑过滤，从而减弱抖振程度。第三，是积分法。可以建立非线性滑模面来削弱抖振现象。第四，是趋近律法。使用恰当的趋近律，系统根据变化运动来削弱抖振。

采用滑模控制策略，通过跟踪预设的理想的车辆转向状态，控制车辆的横摆角速度和质心侧偏角和理想值保持一致，实现四轮转向车辆前、后轮的主动转向。以控制车辆的质心侧偏角为目标的控制策略，使得后轮转向相对于前轮转向，四轮转向车辆质心侧偏角会在一定程度上减小，所以车辆的循迹性、稳定性较好。

结束语：

四轮转向技术在底盘控制研究当中具有非常重要的作用，不仅能改善车辆的稳定性，也能提升汽车的安全性能，因此四轮转向汽车的优势不可忽视。这种技术在汽车低速时，转弯半径会变小，转向灵敏性较高。在高速行驶时可以降低质心侧偏角，增强循迹性能，从而全面地提升行驶稳定性，降低了摆尾发生概率。四轮转向控制策略是四轮转向功能性能的关键，对四轮转向控制技术研究具有重要的意义。

参考文献：

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