【摘要】為解決后輪轉(zhuǎn)向與制動協(xié)同的車輛操控性控制面臨的轉(zhuǎn)向不足、控制效果難以標(biāo)定、控制器設(shè)計復(fù)雜難于工程應(yīng)用等問題，提出一種后輪轉(zhuǎn)向和制動的作用強度均可自由調(diào)節(jié)的控制方法，應(yīng)用非線性模型設(shè)計與前饋/反饋結(jié)構(gòu)，根據(jù)設(shè)計參數(shù)調(diào)節(jié)控制強度，達到按照期望程度降低車輛質(zhì)心側(cè)偏角、加快橫擺響應(yīng)速度的效果，并兼顧不足轉(zhuǎn)向度、燃油經(jīng)濟性等指標(biāo)。此外，該方法提供了基于可調(diào)參數(shù)進行車輛操控性調(diào)校的方法，具有精度高、運算量小、無需質(zhì)心側(cè)偏角估計及便于標(biāo)定等優(yōu)點。

主題詞：操控性 后輪轉(zhuǎn)向 直接橫擺力矩

中圖分類號：U461.1；U461.6" 文獻標(biāo)志碼：A" "DOI： 10.19620/j.cnki.1000-3703.20231032

Research on Vehicle Handling Adjustable Control Method Based on the Integration of Rear Wheel Steering and Braking

Zhao Yongqiang1， Guan Yihang2， He Zhen2， Miao Weiwei1， Yu Zhen1

（1. China FAW Group Co.， Ltd.， Changchun 130013; 2. Harbin Institute of Technology， Harbin 150000）

【Abstract】To address the issue of understeer， difficulty in control effect calibration， complex controller design and difficulty in engineering application， this article proposed a novel approach to vehicle handling control by enabling adaptable rear wheel steering and braking intensity. Employing nonlinear model design and a feedforward/feedback structure， this method can adjust control intensity according to design parameters， allows for improving the vehicle’s center of mass sideslip angle according to expectation and enhancing yaw response speed. In addition， the approach also accommodates understeer mitigation and fuel economy optimization. In addition， the proposed method also has other advantages such as high accuracy， small computational complexity， no need for vehicle sideslip angle estimation， and ease of calibration. A method for vehicle handling tuning based on adjustable parameters is also provided.

Key words： Handling performance， Rear Wheel Steer （RWS）， Direct Yaw Moment Control （DYC）

1 前言

后輪轉(zhuǎn)向（Rear Wheel Steer，RWS）的主要目標(biāo)為減小質(zhì)心側(cè)偏角，從而提高低速行駛時汽車的轉(zhuǎn)向靈活性及高速行駛時的穩(wěn)定性[1-4]。通常，希望將質(zhì)心側(cè)偏角減小至0[2，5-8]，但會帶來駕駛員操作負擔(dān)增大、汽車操控性劣化等問題[5]。此外，模型預(yù)測控制[10-11]、H∞控制[8]等方法計算量大、難以標(biāo)定，不利于工程應(yīng)用。

基于制動系統(tǒng)的直接橫擺力矩控制（Direct Yaw Moment Control，DYC）可提高瞬態(tài)橫擺響應(yīng)速度，直接橫擺力矩越大，提升效果越明顯[9-11]。然而，過大的直接橫擺力矩會造成減速及拖拽感明顯，影響駕駛體驗[12]，同時，車輛能耗增加，續(xù)駛里程下降[13]。

為實現(xiàn)預(yù)期車輛行駛控制效果，本文針對控制強度標(biāo)定需求，提出含有3個可調(diào)參數(shù)的RWS與DYC協(xié)同控制方法。

2 非線性二自由度模型

為描述車輛的橫擺與側(cè)向運動，建立非線性二自由度模型，如圖1所示。

上升時間τ越小，制動作用強度越大。不同τ對應(yīng)的瞬態(tài)期望橫擺率rd如圖10所示。

3.4 可調(diào)作用強度的制動控制器設(shè)計

制動控制用于調(diào)節(jié)車輛橫擺響應(yīng)動態(tài)特性，采用反饋結(jié)構(gòu)，如圖11所示。瞬態(tài)期望橫擺率模塊根據(jù)穩(wěn)態(tài)橫擺率rs以及可調(diào)參數(shù)ζ和τ得到瞬態(tài)期望橫擺率rd；控制器根據(jù)瞬態(tài)期望橫擺率rd與反饋信號r的偏差er得到控制量直接橫擺力矩Mz；制動力分配模塊根據(jù)車輛狀態(tài)得到各輪缸壓力pi，從而計算出Mz。

控制器采用高通濾波的比例控制，其傳遞函數(shù)為：

Mz（s）/er（s）=s/（s+0.1）" " " " " " " " " " " " "（10）

模型攝動或外界擾動可產(chǎn)生橫擺率的穩(wěn)態(tài)誤差，高通濾波可消除該穩(wěn)態(tài)誤差引起Mz的低頻分量，有效避免制動系統(tǒng)的長時間作用。

3.5 制動力分配

利用單側(cè)車輪制動得到直接橫擺力矩Mz，從而實現(xiàn)制動力分配。由于制動力屬于輪胎縱向力，對側(cè)向力具有削弱作用，如圖12所示，相同輪胎側(cè)偏角條件下，縱向力越大，側(cè)向力越小。

因此，制動力分配的基本原則為：當(dāng)轉(zhuǎn)向不足時，控制器制動后輪；當(dāng)轉(zhuǎn)向過度時，控制器制動前輪。具體的分配策略如表2所示。

其中，p1、p2、p3、p4分別為左前、右前、左后和右后輪缸的壓力，df、dr分別為前、后軸的輪距，R為輪胎半徑，kb為制動摩擦因數(shù)，即制動力矩與制動壓力的比值。

4 基于可調(diào)參數(shù)的操控性調(diào)教

本文控制器引入3個可調(diào)參數(shù)，即k=h（vx）、ζ和τ，在工程應(yīng)用中，可調(diào)整以上參數(shù)對車輛操控性進行調(diào)校，包括橫擺增益特性、橫擺響應(yīng)時間以及橫擺阻尼。

4.1 橫擺增益

車輛的橫擺增益是車輛操控性中最重要的穩(wěn)態(tài)指標(biāo)之一，通過調(diào)節(jié)后輪轉(zhuǎn)向作用強度k調(diào)節(jié)橫擺增益，對車輛轉(zhuǎn)向行為的影響如圖13所示。低速行駛時，前輪與后輪轉(zhuǎn)向角方向相反，增大k會增大橫擺增益；高速行駛時，前輪與后輪轉(zhuǎn)向角方向相同，增大k則減小橫擺增益。通過調(diào)節(jié)不同車速下的k，即調(diào)節(jié)函數(shù)h（vx）可實現(xiàn)不同車速所需的橫擺增益。

其中，

低速行駛時，令k3接近k1，此時橫擺增益大，質(zhì)心側(cè)偏角接近0；而在高速行駛時，令k3接近k2，橫擺增益相較于k1下降不明顯。

在工程應(yīng)用中，可用MAP表示函數(shù)h（vx）。調(diào)校過程中，在特定速度下進行J-turn工況轉(zhuǎn)向，感受該速度下的橫擺增益，據(jù)此調(diào)整該速度下的h（vx）函數(shù)值。

4.2 橫擺響應(yīng)時間

橫擺響應(yīng)時間對車輛瞬態(tài)橫擺響應(yīng)至關(guān)重要。通過調(diào)整控制器中參數(shù)τ可調(diào)節(jié)橫擺響應(yīng)時間，車速為20 m/s且轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向角階躍90°輸入的工況下，不同τ對應(yīng)的橫擺率響應(yīng)和直接橫擺力矩如圖14所示。

建立橫擺率前期，即10.3 s以內(nèi)，τ越小，橫擺率上升越快，所需的直接橫擺力矩越大；建立橫擺率后期，即第10.3～10.6 s，控制目標(biāo)是減小橫擺超調(diào)，τ越大，所需的負向直接橫擺力矩越大。

實際工程中，在進行J-turn工況轉(zhuǎn)向時，需兼顧橫擺率響應(yīng)時間和拖拽感，調(diào)節(jié)參數(shù)τ以獲取最優(yōu)的操控性體驗。

4.3 橫擺響應(yīng)阻尼

橫擺響應(yīng)阻尼也是衡量車輛瞬態(tài)橫擺響應(yīng)品質(zhì)的重要指標(biāo)之一。通過調(diào)節(jié)控制器中的參數(shù)ζ改變橫擺響應(yīng)時間，在車速20 m/s且轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向角階躍90°輸入的工況下，不同ζ對應(yīng)的橫擺率響應(yīng)和直接橫擺力矩如圖15所示。

圖15中，曲線對應(yīng)τ=0.2 s，因此，上升時間一致。ζ越大，超調(diào)越小，但為了維持相同的響應(yīng)時間，前期橫擺率上升得越快，所需的直接橫擺力矩越大。

實際工程中，需通過調(diào)校響應(yīng)時間τ和阻尼ζ優(yōu)化瞬態(tài)橫擺響應(yīng)特性。

5 結(jié)束語

本文提出基于后輪轉(zhuǎn)向與制動協(xié)同的車輛操控性可調(diào)控制方法，成功改善了轉(zhuǎn)向過度和難以工程應(yīng)用的問題，所提出方法不僅能夠精細調(diào)節(jié)后輪轉(zhuǎn)向和制動作用的強度，還能夠通過可調(diào)參數(shù)實現(xiàn)車輛操控性的靈活調(diào)校。試驗結(jié)果表明，該方法能夠有效改善車輛的質(zhì)心側(cè)偏角和橫擺響應(yīng)速度，進而提升車輛的操控穩(wěn)定性和安全性，同時，可根據(jù)不同的駕駛條件和駕駛者的偏好，優(yōu)化車輛的操控表現(xiàn)。此外，該方法計算復(fù)雜度較低且無需質(zhì)心側(cè)偏角估計，為其在工程實踐中的應(yīng)用提供了便利。

參 考 文 獻

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（責(zé)任編輯 瑞 秋）

修改稿收到日期為2024年1月10日。

【引用格式】 趙永強， 關(guān)懿航， 何朕， 等. 基于后輪轉(zhuǎn)向與制動協(xié)同的車輛操控性可調(diào)控制方法研究[J]. 汽車技術(shù)， 2024（4）： 57-62.

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