摘 要：隨著我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的進(jìn)步，汽車行業(yè)蓬勃發(fā)展。為了提高汽車四輪在實(shí)際操作中的穩(wěn)定性，必須建立四輪轉(zhuǎn)向的最優(yōu)模型控制，不斷改善汽車行駛軌跡的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)汽車的穩(wěn)定良好控制。其中，本文在我國汽車四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀以及趨勢(shì)分析的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)探析了我國汽車四輪轉(zhuǎn)向的最優(yōu)控制設(shè)計(jì)研究與研究的現(xiàn)實(shí)意義，對(duì)于相關(guān)工作人員的研究具有一定的借鑒參考價(jià)值。關(guān)鍵詞：四項(xiàng)輪汽車；最優(yōu)控制；設(shè)計(jì)分析；設(shè)計(jì)研究

1 我國汽車四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀以及趨勢(shì)分析

1.1 我國汽車四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

汽車四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式在結(jié)構(gòu)上可以分為機(jī)械式、液壓式、電動(dòng)式以及復(fù)合式。關(guān)于汽車四輪轉(zhuǎn)向的研究，許多學(xué)者一般以線性控制理論為基礎(chǔ)，進(jìn)行四輪轉(zhuǎn)向和主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向的控制算法。而我國的汽車工業(yè)發(fā)展起步較晚，四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)的研究也較為緩慢。但是，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷升級(jí)發(fā)展，我國在車載模型研究控制方法、橫擺角速度信號(hào)的測(cè)量上實(shí)現(xiàn)了低成本、高效率、準(zhǔn)精度的突破。同時(shí)，對(duì)于 4WS車輛的操作穩(wěn)定性以及魯棒性方面的研究在最優(yōu)隨動(dòng)控制上都取得了重大進(jìn)展。特別是基于質(zhì)心側(cè)偏角的最優(yōu)控制算法也取得了突破發(fā)展。

1.2 我國汽車四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)分析

1.2.1 汽車四輪轉(zhuǎn)向研究存在的發(fā)展問題

國內(nèi)對(duì)于汽車四輪轉(zhuǎn)向的研究發(fā)展起步較為緩慢，在機(jī)械、液壓、機(jī)電等方面的研究涉及甚少。在汽車四輪的轉(zhuǎn)向研究上，從理論研究到實(shí)際工程的研究上，必須重視后輪轉(zhuǎn)向執(zhí)行的相關(guān)研究。它的好壞直接決定著汽車能否發(fā)揮其在動(dòng)力轉(zhuǎn)向方面的優(yōu)勢(shì)。后輪轉(zhuǎn)向的性能研究的成功直接關(guān)系到汽車企業(yè)生產(chǎn)制造的成本低廉、安全可靠等方面的內(nèi)容。除此之外，還要考慮到輪胎非線性特性對(duì)于汽車四輪轉(zhuǎn)向控制的影響，在進(jìn)行四輪轉(zhuǎn)向汽車狀態(tài)的估計(jì)的研究上，也要對(duì)于擺角速度、前后輪轉(zhuǎn)角、質(zhì)心側(cè)偏角以及路面系數(shù)等等都要進(jìn)行測(cè)量。同時(shí)，要建立四輪轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)內(nèi)外環(huán)聯(lián)合控制仿真平臺(tái)，不斷將整車的性能最優(yōu)控制系統(tǒng)化都是汽車四輪轉(zhuǎn)向當(dāng)前面臨的發(fā)展問題。

1.2.2 汽車四輪轉(zhuǎn)向今后的研究發(fā)展方向

目前，基于 V模式的開發(fā)設(shè)計(jì)被很多汽車開發(fā)商所應(yīng)用，在硬件仿真技術(shù)方面也不斷升級(jí)更新。因此，在后續(xù)的汽車四輪研究方向中要不斷將新概念的開發(fā)設(shè)計(jì)流程不斷推廣使用，結(jié)合硬件在仿真技術(shù)設(shè)計(jì)出更加準(zhǔn)確的反映車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的仿真平臺(tái)。

2 我國汽車四輪轉(zhuǎn)向的最優(yōu)控制

2.1 關(guān)于輪胎側(cè)偏特性對(duì)于轉(zhuǎn)向性能的分析

2.1.1 汽車輪胎側(cè)偏剛度對(duì)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的影響

汽車輪胎的側(cè)偏性是汽車穩(wěn)定操作的重要因素，側(cè)偏特性主要是指汽車運(yùn)動(dòng)過程中偏力、回正力矩與側(cè)偏角之間的關(guān)系。側(cè)偏力與側(cè)偏角的符號(hào)相同，路面摩擦系數(shù)為特定的數(shù)值時(shí)，當(dāng)側(cè)偏力較大時(shí)，側(cè)偏角則以較大的速率增長。曲線的斜率逐漸減小時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致輪胎在接地面處發(fā)生部分的側(cè)滑。最大側(cè)偏力的值越大，汽車的極限性能就越好，汽車能夠在正常的軌道上行駛。同時(shí)，值得注意的是，輪胎側(cè)偏剛度超過線性區(qū) [1]，輪胎的剛度會(huì)變小，而需要四輪轉(zhuǎn)向控制策略計(jì)算出較大的車亂轉(zhuǎn)角，使得較大的輪胎側(cè)偏力來保持汽車的穩(wěn)定性和安全性。

2.1.2 輪胎側(cè)偏剛度的分區(qū)和設(shè)定

在汽車四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，汽車輪胎側(cè)偏剛度主要的影響因素是輪胎氣壓、垂直載荷以及路面摩擦系數(shù)的影響。當(dāng)預(yù)知路面附著系數(shù)的前提下，可以根據(jù)系數(shù)基礎(chǔ)下的輪胎側(cè)偏剛度特性對(duì)于車輛進(jìn)行控制，可以采用最小二乘法對(duì)于所劃定的輪胎側(cè)偏剛度進(jìn)行計(jì)算，從而根據(jù)實(shí)際的數(shù)學(xué)計(jì)算得出最優(yōu)化的問題。

根據(jù)魔術(shù)輪胎模型計(jì)算出來的剛度特性曲線，得到如下的計(jì)算效果 [2]。

2.2 關(guān)于四輪轉(zhuǎn)向數(shù)學(xué)模型的建立

2.2.1 二自由度的汽車四輪轉(zhuǎn)向動(dòng)力模型的簡述

二自由度車輛模型可以方便快捷的說明車輛操作系統(tǒng)在動(dòng)力發(fā)展方面的特征，對(duì)于車輛在轉(zhuǎn)向過程中的車輛不足轉(zhuǎn)向以及轉(zhuǎn)向過度的特性具有實(shí)際的作用。二自由度車輛模型對(duì)于汽車控制來講是一個(gè)簡單的實(shí)用的數(shù)學(xué)模型下圖為計(jì)算汽車自由度的動(dòng)力學(xué)方程。

2.2.2 關(guān)于二自由度四輪轉(zhuǎn)向權(quán)模型

在汽車二自由度四輪轉(zhuǎn)向權(quán)模型建立時(shí)，一定要充分考慮輪胎側(cè)偏剛度非線性特性的車輛運(yùn)動(dòng)情況。通過相鄰的兩個(gè)輪胎側(cè)偏剛度之間的用權(quán)函數(shù)來解決，從而實(shí)現(xiàn)車輛轉(zhuǎn)向過程中的平滑過度。為了驗(yàn)證權(quán)函數(shù)的選取是否合理，對(duì)于前輪單胎和后輪單胎的的偏力角變化曲線進(jìn)行研究 [4]。在實(shí)際研究中，為了驗(yàn)證二自由度權(quán)模型的準(zhǔn)確性，可以對(duì)二自由度線性模型、二自由度權(quán)模型的仿真對(duì)比分析，能夠更加準(zhǔn)確的得到汽車的實(shí)際情況。

2.3 關(guān)于汽車四輪轉(zhuǎn)向的最優(yōu)控制設(shè)計(jì)策略

2.3.1 關(guān)于線性二次型最優(yōu)控制

在解決汽車四輪轉(zhuǎn)向問題上尋求最優(yōu)二次控制就是追尋最優(yōu)控制的方法。在進(jìn)行線性二次方程的計(jì)算中，要仔細(xì)考慮對(duì)終端誤差的變化，嚴(yán)格講終端誤差的代價(jià)函數(shù)植入到方程的計(jì)算中，保證達(dá)到終端狀態(tài)的誤差最小化。在積分項(xiàng)的計(jì)算中第二項(xiàng)與消耗的控制中成正相關(guān)的關(guān)系，消耗的值越大，性能指標(biāo)越大?？偠灾?，通過性能指標(biāo)最小則表示用合適的控制量來保持較小的誤差，最終達(dá)到能量消耗、動(dòng)態(tài)誤差以及終端誤差的最優(yōu)化。

2.3.2 四輪轉(zhuǎn)向車輛理想跟蹤目標(biāo)設(shè)計(jì)

在關(guān)于汽車轉(zhuǎn)向的四輪穩(wěn)定性能的控制上，一般是保持軌跡以及運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的問題。在軌跡穩(wěn)定性問題上，可以將車輛作為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，通過合理解決輪胎的縱向力和側(cè)向力決定。汽車駕駛員在行車過程中沿著車輛的縱軸線方向，能夠?qū)τ谲囕v質(zhì)心側(cè)偏控制在合理的范圍。當(dāng)汽車在低速行駛時(shí)，汽車的輪胎側(cè)偏角很小，通過控制前后輪的偏轉(zhuǎn)保持軌跡的穩(wěn)定。但是，無論是高速行駛還是低速行駛，質(zhì)心側(cè)偏角維持在零左右 [6]，一般有最佳的駕駛視野、能夠更好的更完整的對(duì)于路面狀況進(jìn)行校正，得到合理的數(shù)據(jù)。

2.3.3 基于權(quán)函數(shù)四輪轉(zhuǎn)向的設(shè)計(jì)研究

對(duì)于四輪轉(zhuǎn)向汽車而言，在權(quán)函數(shù)四輪轉(zhuǎn)向的研究上，可以通過雙移線行駛對(duì)比分析進(jìn)行探討。當(dāng)前后輪胎側(cè)偏角平均值達(dá)到 6度左右時(shí)，輪胎側(cè)偏剛度實(shí)現(xiàn)了從線性區(qū)到緩平區(qū)的變化。一般來講，四輪轉(zhuǎn)向車輛的側(cè)向加速度比前輪轉(zhuǎn)向汽車要小，然而前輪轉(zhuǎn)向汽車的質(zhì)心偏角相對(duì)較小，這樣車輛能夠在行駛過程中，更加接近期望的目標(biāo)軌跡。同時(shí)，當(dāng)四輪轉(zhuǎn)向汽車以 80km/h行駛時(shí) [7]，汽車的前輪轉(zhuǎn)向基本能夠?qū)崿F(xiàn)期望的行駛性能。

3 探析汽車四輪轉(zhuǎn)向的最優(yōu)控制的現(xiàn)實(shí)意義

四輪轉(zhuǎn)向汽車在穩(wěn)定汽車操作，提高汽車動(dòng)力性能方面具有潛在的研究價(jià)值和應(yīng)用發(fā)展前景。研究汽車四輪轉(zhuǎn)向的最優(yōu)控制，不僅是提高汽車操作穩(wěn)定性，保證汽車在低速行駛的靈活性，同時(shí)研究汽車四輪轉(zhuǎn)向?qū)τ诟咚傩旭偟钠嚨姆€(wěn)定性和安全性具有重要的意義。

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作者簡介

宰文潔：（1986.09—），女，漢族，湖北武漢人，本科學(xué)歷，武漢華夏理工學(xué)院汽車工程學(xué)院，助教。研究方向：汽車電子技術(shù)。