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三轴汽车前后轮转向时的侧向动力学控制

2023-10-16 来源:客趣旅游网
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第21卷 第1期 2002年 1月 MEcHANIcA 擂 cHN。L。GY JVaon1u.a2r】y N0 20 021 文童编号:1 008—8728(2002)01—0069—03 一 管西强 摘美键三轴汽车前后轮转向时的侧向动力学控制 管西强,屈求真,张建武 210030) (上海交通大学机械学院汽车工程研究所.上海要:基于三轴汽丰前后轮转向时的闭环控制确定性模型,探讨了谊汽车在典型的组合蓐面行驶过程中后轮的最 优转向控制规律.通过引入状态反馈,改善了整丰的转向特性。将实际汽丰的前后轮胎侧偏咧度度外界干扰视为有 界的不确定性参数.采甩模型艰踪变姑构控斟方法.使得不确定的囊际汽车模型能够很好地跟踪确定性的最优理论 模型 仿真结果表明访方法的可行性.控制系统能够有效地克服参数撮动度外界干扰叶系统稳定性的影响。 词:三轴汽车;模型跟踪控御;芟结构控{}0 不确定性模型 中图分类普 U46 文献标识鹂;A Adaptire Model—Following Control of Four—Wheel Steering Vehicle GUAN Xi—qlang,QU Qiu zhen,ZHANG Jian—wu (Shanghai Jiaotong University,Shanghai 210030) Abstract:The optima[stee ring control laws of rear wheels for three—axle vehicle on complex typical path are studied ha d n the certain vehicle model of closed—loop contro1.The steering responses 0f vehicle are improved through using stee rfog of state feedback.The actual vehicle model is considered as uncertain system.The cornering stiff- Of front and rest wheels and outer disturbance vary over a]imited range.The model—fo]Lowing variable struc— tu rt cont rol method is used for controlling front and rear whee]s steering of the aetna】vehicle t so that the steering ha cteristics of uncertain vehic【e mode1 can fo[1ow the characteristics of reference mode1.Simu【ation results have drBi.on ̄trated that the control system cRtl Ove ̄CO 'kxxe the drawbacks of parameter perturbations and outer distur— i1;iiicr Key words Three—axl vehicle:Model—fo1lowing contro】{Varlable struCtUre control:Uncertain model 随着高速公路的不断普及,载货汽车的发展方向是大 吨位、高车速。因此多轴载货汽车在不断地得到应用 多轴 昔诺夫稳定性方法,构造出变结构拉崩器.使得时熏的不确 定性汽车模型能够很好地跟随理想确定性模型的响应 1三轴汽车前后轮转向的二自由度运动模型。 。 为了分析操纵稳定性的 基本特征,忽略转向系统的 影响.直接以前后轮转角作 为输^{忽略悬架的作用. 认为汽车只作平行于地面的 平面运动,并且器 轴的前 进,速度虬不变 这样汽车  ., 汽车的转向系统比普通的二轴汽车复杂,但目前我国开发 的…些三轴汽车只有前轮转向.中后轴上的车轮均为非转 向轮 其特点是结构简单,但转向沉重,转弯半径大.轮胎磨 损 重。从国外情况看 很多载货汽车和大型旅游客车都采 用了多轴转向系统。其特点是结构复杂.但转向轻便,转弯 半径小 轮胎磨损小 本文首先从^一车一路闭环系统的角度考虑驾驶员特性 受道路条件,结台三轴汽车前后轮转向的确定性模型.采用 状态反馈变增益控制方法探讨了汽车在典型路面行驶过程 中后轮的最优控制规律。采用了 单点顶瞄最优曲率驾驶 员模型 ,并增加了侧偏角速度作为评价指标。随后将汽 只有措 轴的侧向运动与绕圈l考虑倒偏的二白由虚模型 z轴的横摆运动这二十自由 度。此外汽车的侧向加速度限定在0.4 g以下,轮胎侧偏赴 于线性范围。不考虑地面切向力对轮胎侧偏特性的影响, 车的前后轮综台侧偏刚度视为有界的不确定性参数.建立 了具有不确定性因素的二自由度汽车转向模型,基于李亚 牧璃日期:2001—0】一12 忽略空气阻力等,则二自由度汽车模型如图l所示。图中 q.吒,钧分别为前轴、中轴及后轴处的侧倔角; 为重心 处的侧倔角;乱.如分别为前后轮的转向角 怍者筒舟:管西强【1973).男t ) 山东 博士生 E—mail:xqguan928@mail1.situ.edu cn 维普资讯 http://www.cqvip.com

机械科学与技术 第21卷 作平面运动的汽车对车辆连体坐标系的运动微分方程 式为 『州( +M, )一F Icos :一F ?+F、3cos ̄ … l,.Ⅲ :“F c0s 】+bF 一cF¨COS乱 式中m为侧向速度; 为横摆角速度; 为汽车质量IF F F 分别为地面对前轴、中轴匣后轴的侧向反作用力 (侧偏力);,=为汽车绕 轴的转动惯量;dtb-c分别为前轴、 中轴及后轴至汽车质心处的距离。 当考虑 与 不大时.上面的微分方程可改写为 i”l +“,∞r)一F l—Fv +F … u ∞ =nF n+i F 一cF 卫 : 】( 一卢一d ,“ )tF 一^2(卢一6 /“,) , 一 3( 】一卢+cw,/ue).p一 / 式(2)可化作 “ (声 )一一( + 2+ 3)卢一 (ak】一 一 ) ,“ +^L 】+ 3以 ,= .一一(ak】一bk 2一ck 3)卢一 :k】+ k2+cZk3) ,“ + I 1一ck 3 对于二轴四轮转向的汽车,有三种工作模式,即反向操 作,同向操作和换向操作。反向操作时.后轮与前轮偏转方向 相反:同向操作时.后轮与前轮偏转方向相同 换向操作则是 根据汽车的运行状况,在转向过程中改变后轮的偏转方向。 四轮转向汽车在低速急转弯时的反向操作,可以比二轮转向 转更急的弯,提高了汽车低速急转弯时的机动性。同向操作 用于高速、方向改变不大(如变换车道超车)的情况,通过减 少轮胎的侧偏提高了高速时汽车的操纵稳定性。采用换向操 作可使汽车快速进人转弯状态且保持很好的稳定性: 对于三轴载货汽车(或大型旅游客车)的前后轮转向系 统.考虑到车速较低,M机动性的角度出发可采用反向操作 转向的工作原理.从结构的宴用性出发可采取固定比值的 控制规律 但是随着高速公路的普及,对载货汽车的车速也 有了较高的要求 因此我们下面将讨论后轮转向的状态反 馈控制l受闭环控制。 考虑汽车前轮与方向盘之间作机械式联接,后轮转角 为方向盘转角的前馈控制与状态参数的反馈控制.即 a、=8 fK.8 =一(、8. ≠ c t4 式巾:0 为方向盘转角; 为转向机角传动比; 为状态向 盘 为前馈转向系数 为状态反馈矩阵 与c 均为汽 车速度的函数。将驾驶员模型与三轴汽车前后轮转向响应 的二自由度模型相结台 能够优化出各种道路条件下的特 性参数.包括前馈转向系数c 与状态反馈矩阵‰ 2楼型跟踪变结构控制器设计 卅 汽车本身是一个很复杂的系坑,很多的不确定性因素 均会影响到建模的精度,给控制器的设计带来很大的困难。 但一般来讲-这些不确定性参数的变化是有界的,因此,该 不确定性系境是可以控{6{的 汽车在某特定行驶工况下的最优模型可表达为 一A 一B r (5) 式中:r为参考输人信号。 不确定性汽车模型可表达为 z 一A +B ( +r)+D(Jc” ) (6) 这里“为控制输^tD(x t )为外界干扰。令 : 一置 (7) 并假设实际汽车模型与理论参考模型竞金匹 △ : 一A. = 月 ( ) ・ △月 B 一月 B ̄0E(v) (8) ABP—B —B 0= P F ) D(xp・ ):B 0d( t 这里 为时变、有界参数 于是有 = 一 一A e+B 0(“+r1) (9) 其中 7一F(v)“十H(v)x +E(v)r+d(x . ) (1 ) 取李雅昔诺夫函数 V— Pe (11) 这里P由方程 PA +A.。 P一一Q (1 2) 解出,其中Q为任意正定阵。 考虑到A 是新近稳定的.P为正定对称的+即P:P > j. 对式(11)沿式(9)的方向取微分,有 V :2e Pe:2e P(A 一日 (“+ ))一 (A P+PA. )F+2e PB¨“ 2e P口 (1 3) 考虑式(12)后.有 V(e) 一e'rQ 十2e PB 。 +2l lPB ll 7 (14) 如果F能使Bp0r ̄Pe一0.则 V(F) 一 qe<0 (Ij1 如果 。 PeSO 则可选择控制律为 一 … 其中 一m F [ H(v)x 0十ll五 )rl『+0 ( +f) ] 这就能保{正式(14)中的y(e) 一匝亟 —— <0.跟踪系统是稳定的 跟 踪控制原理如图2所示。 — 3仿真实例 图2控制原理框图 考虑汽车参数如下:n= 3-500 mtb 0.500m,f一2.500 m,m一1500 kgt 一1 00 km/h, 一54843.75 kg/m , 】一 859436.7 N/tad, : 1718873.4 N/tad。 某典型组台路面如图3所示+针对上述确定性汽车模 型,可计算出各车速下后轮转向的最优控制参数 此时汽车 后轮的转角岛为方向盘转角以 及状态参数的函数 建立 实际汽车模型时.将 与 视为不确定参数,采用模型廉 维普资讯 http://www.cqvip.com

第l期 踪变结构控铷方法,使得实 际汽车能够跟随确定性模型} 管西强等:三轴汽车前后轮转向时的侧向动力学控制  咖 l71 St ̄rtn8 System・SAE945090=219~227 [3]韩孔辉.汽车操纵动力学[M].长春:吉林科学藏丰出版社. 的响应。 /\ f l i991 固4表示汽车在组合复 杂路面上行驶时. 与 均 一厂 ]厂、nn  —i l4]郭孔辉^一车一路日j环操纵系统主动安全性的综合评静与优 化设计[】].汽车技术,l993(4)t 4~12 。 姒士10%的幅度、且局期分别为4s和2 s作正弦变化时 图3典型的复杂路面输入 [5]同求真,划延柱三轴汽车前后轮角j盲^时的响应特性 ] 4 图 汽车工程.1999.2iti);26~30 [6]高为炳.变结构控制的理论厦j殳计方法[M].科学出版杜, l996 蟑 [7]s Gutman,z Palmor.Properes of Min 持 ti响 mlzation,1982-20【6):850~应 851 性 Uncertain Dynamical System[J].SlAM J.Control and Opti— 躏 Controllers in 8]屈术真.刘延柱.张建武.四轮转向汽车自适应横型跟睬控制 研究[J].汽车工程.2000,22(2):73 ̄76 (上接第68页) [参考文献] [1]B.FMlahi.H Y.Lai and R.Naghibi.“a2 A Study at the Workspace of Five—Bar Closed Loop Manipulat…Ma nipul ̄tor[J]Mech Mach Theory 1994.29(5):759~7 [2]C M Gosselin and J.Angeles The Optimu口Kinera ̄tic Design of a Planar 3-DOF Parall eI Manipulator1]]ASME J.Mech.Trans.and Aut In Des.19B8.110:35~41 [33 G.R.Pennock and D J.Kassner.The Workspace of General Geometry Planar 3-DOF Platform ̄Type Manipula tarlJ].ASME J.Mech.Des..1993.115:269~276 [43 c M.Gosselin.Determinatioa of the Workspace oE 6-DOF 变结构控制器的控铷效果.固中Y( )表示汽车的运动轨 Parallel Manipulators 1]]J oE Mech.Des.,1990.112:331 ~336 迹;X =iX X ]表示实际汽车运动时的侧偏角及横摆 角速度;X =[ … n表示理想汽车运动时的侧偏角及 横摆角速度:r=[rl1r2:表示理想汽车行驶时的前后轮转角 输八; = + 。]表示实际汽车行驶时的前后轮转角控制 输入;s"为理想汽车行驶时方向盘的转角输^。 4结束语 [5]E.F.Fichter.A Stewart Platform—Based Manipulator General Theory and Practical Constructiott[J]Int.J 0f Rob Res.,1986.5<2):157~182 [63 o.Masofy and J.Wang Workspace Evalution of Stewart Platforms[J].ASME.1992.DE—Vol 45{337~346 [7]V.Arun,Babu Padmanabhan and Kirshnan Kolady Deter— mination of the Workspace of The 3-DOF Double—Octahe— 通过考虑驾驶员车一路闭环系统.首先针对确定性汽 车模型优化出后轮转向的控制规律.从而获得最优控制参 考模型。对于实际汽车视其前后轮胎的等效侧偏剐度为有 dral Variable—Geometry Truss Manipulator[J].ASME 1992.DE-Vol 45:4酆~500 界的不确定性参数,非线性变结构控村用于克服侧偏刚度 [8]文福安.李静宜.粱崇高.一般6-6型平台并联机器人机构位 置正解lJ].机槭科学与技术l 993.i:4i~盯 [93李国拣.陈宁新.机器^工作空间的界限面厦其位置奇异曲 面的代数求解方法lJ]机器人,i988.2f6):25~31 [i03崔建昆・棘札钜.求解并联机嚣人工作空间的迭代搜索怯 口].华东工业大学学报,i996,18(3)1 45~50 [儿]黄真,孔令富+方跃法.并联机器人机构学理论及控制[M] 北京:机械工业出敝杜,1997 摄动所带来的影响。仿真结果表明.不确定性汽车模型能够 很好地跟随理想模型的响应,整个汽车控制系统耜对外界 干扰及系统内部参数的变化具有鲁棒性。 [参考文献] I Hoepke 56 Internatianale Au『0m。b】1ausste11u g Nutz- hrzeuge in Hannovet im Septemher 1996.ATZ,l997.1 [12]棘礼钜,范守文.机器^奇异曲面丑工作空间界限面分析的 数字符号洼1]]机械科学与技术.2000,19(6):86l~863 2 E-Goehring・E( Gla ̄ner and H C Pf[ug.“Ⅱ Optl- mization of Maneuverabi[ity and Directional Stability of Cam— neritial Vehicles by au EtectronicM[y COnLcolled 811 Whee[ 

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