车辆操纵转向动力学.docx

1、车辆操纵转向动力学车辆操纵转向动力学研究综述车辆操纵转向动力学研究综述绪论随着高速公路的发展，车辆数量的急剧增加，交通事故的发生剧增，并成为社会的主要公害之一。据加拿大、德国、日本、美国等国政府及有关部门统计、事故调查与研究报告表明：大多数恶性交通事故的发生都与车辆的转向操纵有关，事故的发生绝大多数是由于车辆在恶劣环境或极限工况下运行时转向操纵失控引起的。在交通事故中，驾驶员的失误因素只占事故总数的19，而环境和车辆的因素占到事故总数的81，其中50的交通事故涉及到车辆的转向操纵特性。因此，改善汽车转向特性，提高汽车行驶安全性，一直是汽车工程领域研究的热点之一。近些年来，随着计算机技术和仿真技

2、术的发展，国内外对车辆操纵稳定性的研究从单一的汽车本身的特性研究到汽车驾驶员环境闭环系统。人工神经网络、模糊控制理论和模糊神经等新思想、新理论也应用到汽车操纵稳定性的研究中, 在研究方法上采用虚拟试验技术。在提高汽车操纵稳定性的主动控制技术方面，从对普通前轮转向的研究发展到四轮转向。四轮转向(4WS)作为提高汽车操纵稳定性的主动控制技术之一日益受到各大汽车厂商的重视，许多汽车商纷纷推出了带有4WS的概念车。4WS汽车的主要优点在于：当汽车在高速转向时，前后轮同相位转向，后轮可以产生与前轮反向的重心侧偏角，这使整个车辆的重心侧偏角基本为零，极大地了改善横摆角速度和侧向加速度的瞬态性能指标，大幅度

3、提高汽车对方向盘输入的动态响应特性；当汽车低速度转向时，前后轮逆相位转向，能够减小汽车的转弯半径，使汽车在低速时更加灵活。由于采用四轮转向技术有着良好的前景，国内外四轮转向技术在高速车辆上的应用已成为一种趋势。1. 车辆操纵动力学简述1.1 车辆操纵动力学的基本概念汽车的操纵稳定性是指: 驾驶者不感到过分紧张、疲劳的条件下,汽车能遵循驾驶者通过转向系及转向车轮给定的方向行驶, 且当遭遇外界干扰时,汽车能抵抗而保持稳定行驶的能力。汽车操纵稳定性的影响因素主要有:重心位置、车轮侧偏刚度、转向系刚度、转向系传动比、后轴侧倾转向系数及整车绕垂直轴的转动惯量等。汽车操纵稳定性的评价指标：汽车操纵稳定性是

4、汽车本身的固有特性,完全取决于汽车的机构和参数. 假定对汽车输入一个操纵动作,汽车对应的输出一个响应,这样的开环系统直接体现出汽车的操纵稳定性. 但在评价汽车操纵稳定性时,是通过人的操纵来实现的,因此应该把人- 汽车系统作为整体研究对象,形成一个闭环系统. 汽车操纵稳定性是通过试验来定性测定和评价的,在人- 汽车系统中,有人的操纵和感觉,也有汽车操纵稳定性的体现,因此,汽车操纵稳定性的评价方法有客观评价和主观评价.客观评价是通过试验测量与操纵稳定性相关的物理量,然后与相应的标准进行比较而进行的评价,主要包括ESV(实验安全车) 和ISO(国际标准化) 2种评价方法。在进行汽车操纵稳定性试验时,

5、汽车是由人来控制的,所以对汽车的可操纵性能来说,人是有比较直接的主观感觉的. 这种可操纵性是人为感觉,这种感觉与操纵项目、环境条件及操控者的生理、心理和行业特性等因素有关。1.2 车辆操纵稳定性的研究意义：汽车操作稳定性的研究是汽车智能交通系统、汽车主动安全技术、汽车自动驾驶和车辆巡航技术的基础工作。汽车的操纵稳定性不仅影响汽车的操纵性能,而且关系到汽车行驶( 特别是高速行驶)的安全性问题,因此,汽车的操纵稳定性的研究工作日益受到重视。2. 国内外对操纵稳定性研究现状2.1 车辆操纵稳定性的理论研究与仿真实验几十年来，国内外对汽车操纵动力学做了大量研究。国内主要集中在长春汽车研究所、清华大学、

6、吉林大学等单位。国外主要集中在美国、日本和欧洲等汽车工业发达的国家和地区。计算机技术和信息技术为代表的高新技术的发展不断改变着人们的行为和思维模式。虚拟现实技术、人工神经网络、模糊控制等新思想新技术的提出, 为研究者站在一个新的高度研究汽车操纵稳定性提供了可能, 汽车操纵稳定性的研究从单一的汽车本身的特性研究到汽车驾驶员环境闭环系统的研究,人工神经网络、模糊控制理论和模糊神经等新思想、新理论也应用到汽车操纵稳定性的研究中, 在研究方法上采用虚拟试验技术。2.1.1 基于“汽车驾驶员环境(道路) 闭环系统”的汽车操纵稳定性研究 20 世纪60 年代以前, 汽车操纵稳定性的研究主要以开环研究为主,

7、 所谓开环研究就是把汽车作为一个开环控制系统, 求出汽车行驶时的时域响应和频率响应特性, 对系统进行稳态和瞬态分析,用横摆角速度频率响应特性、方向盘角阶跃输入下的稳态响应、方向盘角阶跃输入下的瞬态响应、不足转向特性和过度转向特性等等来表征汽车的特性。按照这种方法研究汽车操纵稳定性,需要建立精确的汽车动力学模型, 1956 年,美国康乃尔航空实验室的Whitecomb 、Milliken 和Segel 发表了“线性二自由度”和“线性三自由度”汽车转向模型,1965 年Segel 又提出了“线性四自由度”模型, 到目前为止已有7 自由度, 14 自由度,17 自由度乃至更多自由度的汽车数学模型。在

8、日本,自从近藤提出了关于驾驶员车辆操纵动作的基本观点以来, 藤井、井口、三川等人的研究中采用了各种传递函数来描述驾驶员的操纵和汽车的运动。因为有精确数学模型, 能够得出精确的数字解,这些研究工作对车辆的设计、分析和评价车辆性能还是很有价值的。人们提出了自由度越来越多的数学力学模型, 同时也提出了各种评价指标来评价汽车的操纵稳定性。然而, 一个关键的问题是, 通常不同的评价指标所得出的结论并不一致, 甚至互相抵触, 这些精巧的数学模型,是建立在汽车的理想化假设基础之上的,这种理想假设条件与实际汽车之间的情况是存在着差异( 有时这种差异还很显著) 的。近年来, 人们逐渐认识到,在汽车操纵稳定性的研

9、究中,对驾驶汽车的驾驶者的特性缺乏基本的认识。因而, 人们只能知道汽车对一定的转向盘输入的响应如何,却难以断定整个汽车驾驶员道路系统的性能如何。汽车操纵稳定性的研究必须基于汽车驾驶员道路闭环系统进行研究。基于这种认识, 一些研究者开始进行驾驶员模型和驾驶员汽车闭环系统的研究。初期,MuRuer 等人做了不少飞行员飞机闭环控制的研究并推广到汽车上。在建立驾驶员控制模型时,早期用经典控制理论所建立起来的模型是PID补偿模型、交叉模型, 以后又发展了线形预测模型、二阶预测校正模型、最优预瞄控制模型及预瞄最优曲率模型。Reddy和Ellis 提出了一种模仿驾驶员行为的模型,这种模型的基本原则是: 假设

10、驾驶员在任何时刻都注意前方距汽车的距离为d处,为确定适宜的方向盘转角, 暂时冻结该瞬时t下的汽车状态,进行转向盘角度寻查,试算在该转向盘角度下经过行驶距离d 后, 汽车运动轨迹与预期轨道的误差是否在允许的范围内。如果是,则认为此时的转向盘角度就是冻结时刻t 下的转向盘角度。如果误差不在允许的误差范围内, 则继续寻查到满足允许误差为止。通过这样的逐点冻结寻查,来模仿驾驶员的控制行为。MacAdam提出另一种方法来仿真驾驶员的行为, 这种方法的思路与上述的方法类似, 但采用了直接优化方法。我国学者郭孔辉院士提出了预瞄最优曲率模型和预测跟随系统理论,理论清晰,跟随精度高,是驾驶员控制模型中有代表性的

11、一个模型。2.1.2 基于模糊神经理论的汽车操纵稳定性的研究模糊控制是建立在人类思维模糊性的基础之上的,模糊控制与传种先进的以高性能计算机系统为支撑平台的计算机仿真技术, 是随着计算机图形学、多媒体技术、人工智能、人机接口技术、并行技术、传感器技术等一系列技术的迅速发展而在上一世纪90年代发展起来的新技术。进行虚拟试验需要解决两个问题: 一是根据研究对象的总体或某一部件的设计信息建立其能符合相应物理实验要求的“虚拟原型”或者数学模型; 二是要根据物理实验条件建立起相应的“虚拟试验环境”。对汽车操纵稳定性虚拟试验,需要建立汽车驾驶员环境的数学模型和建立虚拟试验场的虚拟试验场景。利用虚拟试验场VP

12、G对车辆运动学和动力学以及操纵稳定性的分析有许多优点。Zhang , Y等人给出了对车辆在移线虚拟试验时的动力学和操纵稳定性的试验结果, 这些结果包括轮胎的受力、转向轮在转向时压力分布及轮胎的压痕的变化、转向轮在转向时倾斜的位置,这些试验结果是用图像实时显示出来的。Daimler - Benz汽车公司已成功地将虚拟试验技术用于系列化高速轿车的产品开发中, 设计者只要给出新车型、新部件的设计方案和参数,就可以通过汽车动态仿真器进行仿真试验, 从而准确预测和评价新型汽车的动力学特性。吉林工业大学建成的汽车动态模拟国家重点实验室的汽车室内动态仿真器, 实质上就是一个虚拟的汽车试验场。该仿真器的主要功

13、能模块有:驾驶模拟舱、视景计算机及投影部件、声响发生部件、液压运动装置、汽车动力学计算机及主控制台等。在汽车动态仿真器上, 可以任意地设定条件,无危险的对人车闭环系统进行全工况仿真,能解决对有思维的驾驶员的行为特征难以实现较为精确的数学描述这一困难; 重复性好,试验结果置信度高,可比性强,具有汽车场地性能实验无法比拟的优越性。在中国农业大学车辆交通学院, 研究者提出了“汽车驾驶员环境闭环系统操纵稳定性虚拟试验技术的研究”题目,基于桌面虚拟现实系统(Desktop Virtual Reality System) , 开发了汽车操纵稳定性虚拟试验的软件平台, 并在该试验平台上进行了桑塔纳轿车( 3

14、30 K8DLOLSD1 ) 操作稳定性典型路况( 双移线、蛇行线) 的虚拟试验 ( 仿真试验) 和对其提出的模糊神经网络驾驶员控制模型进行了虚拟仿真试验,试验结果表明: 虚拟试验与实际试验具有较好的一致性, 虚拟试验能较好的虚拟再现实车试验的场景, 参与者能交互地控制仿真过程,使人们对车辆运动仿真的分析、理解变得更为容易, 其研究成果在2001年12月泰国召开的第6届亚-太地区地面车辆系统国际会议上受到了国内外同行的关注。由于虚拟试验技术具有易理解、可重复、无危险、低成本等特点,所以它在车辆工程领域的应用受到了世界各大汽车公司、大学和研究机构的极大关注,其研究工作方兴未艾。2.2 汽车转向系

15、统的技术发展传统的汽车转向方式为前轮转向(Front-Wheel Steering简称FWS)，其原理是通过机械传动机构将方向盘的转角转换为前轮转向角，以此来操纵汽车的行驶方向。近些年研究的4WS与FWS汽车相比所不同的是，4WS汽车的后轮中同样装有转向机构。转向时，后轮根据一定的控制策略同时跟随前轮一起转向，从而提高了高速时的操纵稳定性，改善低速时的操纵灵活性，提供小半径回转等优良特性。四轮转向（简称4WS）车辆是通过控制系统实现后轮转向，并与前轮转向共同作用，在转向过程中合理地控制车辆运动响应，旨在提供更好的操纵稳定性和主动安全性。随着人们对四轮转向这一领域研究的不断进展，备公司在提高汽车

16、稳定性方面所持的侧重点也备不相同。在4WS客车的研究和开发方面主要是探索由于后轮参与转向而带来的车辆响应变化以及采用备种转向控制策略而产生的差异。但到目前为止，4WS还是一种新兴技术，人们对它的研究途径很多，这些将会使4WS系统更加完善。目前以日本的Nissan公司为代表的西方国家的各大汽车公司都开始致力于4WS的研究。Nissan公司为它的Nissan300ZX和Infiniti汽车设计了SUPER HICAS系统，可以根据车速和方向盘的转向条件来控制后轮的转向。Nissan公司的Fukunaga发表的论文研究了三种不同的控制方式下，汽车的动态响应特性t并试图找出优化的控制方法。Mazda公

17、司在他的新型豪华Sentia轿车上安装了电控的四轮转向系统，它可以根据前轮转角和车速来转动后轮。Mazda公司的Nakamoto，Masatome和Kanesllina提出了车辆横摆中心的概念。美国California大学的John C，Whitehead采用转向盘的转动力矩作为系统的输入而不是传统的转向角输入，研究了4WS的稳定性结果。还说明了在纵列式驻车这样的情形下，车辆的操纵灵话性不会得到显著的改善，这是由于在有限的空间里转弯时，虽然转弯半径减小，但4WS车尾部更易于撞到障碍物。现在已投入的4WS汽车普遍受到各界的关注和认同，但并不完全一致。国内对于4WS系统的研究主要集中在几所大学里进

18、行的，像北京理工大学、吉林工业大学、上海交通大学等高校，在国内的汽车行业中基本上还没有展开4WS的研究和开发工作。高校由于条件的限制特别是试验条件和试验经费的限制，对于4WS的研究基本还处于初级阶段，其研究的重点主要是4WS车辆的动力学响应和控制方法的研究。其中北京理工大学则在轻型卡车上安装了4WS系统，并进行了一些试验尝试。总的说来国内对4WS系统的研究基本还处在理论研究阶段。目前，国内外已有至少6种不同的4WS系统在处于不同的投产和研制阶段。这些系统的主要区别在于其驱动后轮转向的控制器和控制策略的不同。以及采用的控制方式的差别。但是这些4WS系统的研究基本是基于一个简单的两自由度的车辆模型

19、。这种模型在研究时忽略了诸如悬架运动、侧向质量转移和底盘转动等很多重要因素的影响，因而不是非常精确的，对汽车4WS系统的进一步研究还有待于深化。目前随着电子技术的发展，汽车也越来越广泛地应用各种电子设备。而4WS作为改善汽车操纵稳定性的重要途径，也不仅仅单独应用在汽车上，它往往与4WD、ABS等共同应用，从而改善汽车的操纵稳定性、动力性、制动性等汽车的综合性能来满足人们对汽车越来越高的要求。3. 车辆操纵转向动力学的展望3.1 目前研究的不足之处尽管国内外研究者做了大量理论与应用研究，目前汽车操纵逆动力学的应用仍存在许多问题。频域法虽可以用于稳态响应情况，但应用于瞬态响应情况有较大局限性。时域

20、法尚不完善，因其对汽车运动的边界条件和初值条件比较敏感，求解精度不甚理想，而且稳定性、鲁棒性均有待提高。在求解精度方而，模态参数的确定和高阶模态截断会带来模型或计算误差。如果幂级数的收敛性、稳定性差，则级数展开法具有明显的缺点。源于控制理论的逆系统的正问题解法，则由于逆系统存在的条件较苛刻，应用受到极大的限制。因为逆问题求解过程呈现着强烈的非线性，本身十分复杂，再加入汽车非线性将使难度大幅度增加。目前的汽车操纵逆动力学的研究对象仍停留在以线性系统为主的水平上，这与工程实际中的需要相差较远。另外，汽车操纵逆动力学问题的实验验证也是急需解决的问题。动力转向系统不仅较好地解决了转向轻便和转向灵敏的矛

21、盾，还能提高行驶安全性和舒适性，呈现出汽车的一大发展趋势，比较成熟的是液压动力转向系统，但该系统无论是否转向都需要消耗一定的能量，电动液压助力转向系统已经在部分车上采用，但液压装置的固有缺陷仍不能根除。3.2 未来的研究方向汽车电子化是当前汽车技术发展的必然趋势。继电子技术在发动机、变速器、制动器和悬架等系统得到广泛应用之后，EPS在轿车和轻型汽车领域正逐步取代传统液压助力转向系统并向更大型轿车和商用客车方向发展，它己成为世界汽车技术发展的研究热点和前沿技术之一，具有广泛的应用前景。汽车操纵逆动力学的研究，将会解决虚拟样车设计阶段中汽车行驶安全性、汽车最佳行驶性能的动态仿真与控制等关键问题，为

22、汽车操纵动力学优化设计和汽车/赛车运动员训练提供理论指导。今后一个时期，可以从方向盘力输入下汽车操纵逆动力学的研究和计算智能在汽车操纵逆动力学上的应用研究进行尝试，以期解决“最速问题”中汽车的可操纵性问题中驾驶员的负担与速度的综合评价问题、用汽车操纵逆动力学的结果来识别闭环方法中驾驶员模型参数问题、驾驶员的生理极限实验验证问题等。电动助力转向系统较液压动力转向表现出很多优点，继电子技术在发动机、变速箱、控制器和悬架等系统得到广泛应用之后，国外汽车电动助力转向已部分取代传统液压动力转向，电动助力转向已成为世界汽车技术发展的研究热点。研究和开发电动助力转向系统是与汽车发展巾的安全、环保、节能二大主

23、题相吻合的，具有一定的现实和长远意义。电动助力转向系统研究已被我国列为高科技产业项目之一。我国汽车产量正以每年30%的速度递增，2004年汽车产量已突破500万辆，目前绝大部分采用机械转向或液压助力转向，仅有少数采用电动助力转向。按照发展趋势，今后大部分微型车和轿车都将采用电动助力转向，因此电动助力转向的市场前景十分广阔，对电动助力转向系统的研究具有很重要的理论价值和实际意义。参考文献1 刘喜东，刘应东. 考虑转向速度的汽车操纵稳定性分析J .机械工程学报,2011.052 张代胜,陈朝阳,张树强. 汽车操纵稳定性的仿真J.农业机械报,2005,36（11）:12-163 尹念东. 汽车操纵稳

24、定性的研究进展J. 黄石高等专科学校学报,2004，20(4):1-4.4 郭宽友. 汽车操纵稳定性的影响因素及评价方法研究J, 重庆工学院学报(自然科学版),2007，21（7）:5356.5.汪文龙.车辆操纵稳定性的虚拟仿真技术研究D,合肥工业大学硕士学位论文， 2006.05.6董志然.汽车操纵稳定性优化控制技术的研究D,河北工业大学硕士学位论文,2008.05.7刘照. 汽车电动助力转向系统动力学分析与控制方法研究D. 华中科技大学博士学位论文,2004088原健钟.汽车主动转向系统研究D,华南理工大学硕士学位论文,2010.06.9王辉.四轮转向汽车的控制研究和操纵动力学仿真分析D,

25、上海交通大学硕士学位论文,2007.03.10李磊.四轮转向车辆动力学分析与实验仿真研究D,江苏大学硕士学位论文,2007.06.11 Donghyun Kim, Sungho Hwang, Hyunsoo Kim. Vehicle Stability Enhancement of Four-Wheel-Drive Hybrid Electric Vehicle Using Rear Motor Control. IEEE transations on vehicular technology ,vol.57，NO.2，march 200812JIANG Hao-bin，ZHAO Jing-b

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