四轮转向汽车的控制研究和操纵动力学仿真分析

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1、上海交通大学硕士学位论文摘要四轮转向汽车的控制研究和操纵动力学仿真分析摘要四轮转向技术是一种对汽车的前轮转向和后轮转向同时进行控制以改善转向特性的汽车动力学控制技术。相比传统前轮转向汽车，四轮转向系统还根据汽车当前的运动状态信息对后轮转向进行控制，提高了汽车转向的瞬态响应特性，从而增强了操纵稳定性和主动安全性。本文从汽车动力学及其控制的角度出发，主要研究内容包括：首先，运用拉格朗日方程建立了包括侧向运动、横摆运动和车身侧倾运动的三自由度四轮转向汽车操纵动力学模型。然后，基于所建立的三自由度四轮转向汽车操纵

2、动力学模型，结合线性轮胎模型，设计了四轮转向系统的控制策略。后轮转向控制采用了基于前轮转向的前馈控制，以及基于当前运动状态信息的H反馈控制。∞并运用MATLAB/Simulink进行了操纵动力学仿真和结果分析。最后，分析了车身侧倾运动产生的轮胎垂直载荷变化对于轮胎非线性侧向力学特性的影响。在加入非线性轮胎模型之后，对四轮转向系统的控制策略进行了设计。建立了包括轮胎模块和车辆模块的操纵动力学仿真模型，进行了仿真分析，并与采用线性轮胎模型的仿真结果相比较，阐述了轮胎的非线性侧向力学特性对四轮转向汽车操纵动力学

3、的影响。通过仿真结果的比较和分析，可得到如下结论：针对轮胎的侧向力学特性，所设计的四轮转向系统的控制策略能够很好地控制汽车对于理想参考模型的跟踪性，有效地保证汽车的质心侧偏角基本为零，改善横摆角速度和侧向加速度的动力学响应性能，从而提高操纵稳定性。关键词：四轮转向，汽车操纵动力学模型，非线性轮胎模型反馈控制，动力学仿真分析第iii页上海交通大学硕士学位论文ABSTRACTTHESTUDYONCONTROLALGORITHMANDHANDLINGDYNAMICSIMULATIONOFFOURWHEELSTE

4、ERINGVEHICLESABSTRACTFourWheelSteering(4WS)isanadvancedvehiclecontroltechniquewhichcanimprovesteeringcharacteristics.Comparedwithtraditionalfrontwheelsteeringvehicles,4WSvehiclescansteerthefrontwheelsandtherearwheelsindividuallyforcornering,accordingtothe

5、vehiclemotionstatessuchastheinformationofvehiclespeed,yawvelocityandlateralacceleration.Therefore,4WScanenhancethehandlingstabilityandimprovetheactivesafetyforvehicles.BasedonthetheoryofVehicleDynamicsandcontroltechnology,thispaperinvestigatesthefollowing

6、issues:Firstly,a3DOF4WSvehiclemodelisbuiltupbyusingtheLagrangeequations,containinglateral,yawandrollmotions.Secondly,basedonthe4WSvehiclemodelwithlineartirelateralforcecharacteristics,thecontrolalgorithmisdesignedtousefeed-forwardplusfeed-backcontrolframe

7、workbyfollowingthereferencemodel.AndthesimulationisprocessedinMATLAB/Simulinktoverifythecontrolalgorithm.Thirdly,forthenonlineartirelateralforcecharacteristics,consideringthechangeoftireverticalloadcausedbyrollmotion,thefourwheelsteeringcontrolalgorithmis

8、investigated.The4WSvehiclemodelcontainingbothnonlineartiresmoduleandvehiclemoduleisbuiltupinMATLAB/Simulink.Theeffectofnonlineartirecharacteristicson4WSdynamicsisanalyzedthoughtfully.Bycomparisonandanalysisofthesimu