基于电动轮汽车四轮转向控制策略研究

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目前,市面上大部分汽车的转向系统都使用的是前轮转向系统,这种转向系统仅有前车轮可以主动参与转向,而后车轮无法主动转向。因此,会导致汽车在狭窄的弯道低速行驶时,增加车辆的转弯半径,降低车辆的灵活性,在附着系数较低的路面高速行驶时,容易发生侧滑、甩尾等危险。一种前、后车轮都参与汽车主动转向的系统为四轮转向系统,它的后车轮的转向角是由前车轮的转向角和相应的控制策略得出的。因此,采用较优的控制策略,能够有效地改善汽车的灵活性和稳定性。传统汽车四轮转向的实现一般是通过复杂的机械结构,而电动轮汽车(轮毂电机驱动电动汽车)可通过信号传输实现四轮转向。本文基于电动轮汽车进行控制策略的研究,不仅可简化四轮转向在车辆中的布置,而且能够有效解决当前能源紧张和汽车尾气排放污染等问题。因此,对于电动轮汽车四轮转向控制策略的研究,具有重要的意义。本文针对车辆的四轮转向控制策略,有以下研究内容:(1)本文基于车辆运动学相关理论和四轮转向基本原理,建立了线性二自由度四轮转向车辆的动力学模型,并采用两种经典的控制策略,在阶跃工况下,对二自由度四轮转向模型的有效性进行了验证,确保其可用于后续控制策略的研究,并初步证明了四轮转向系统的优势。(2)考虑到四轮转向车辆在实际行驶时,左右两侧车轮的转向角并不完全相同,为进一步使四轮转向车辆与实车更相近,本文基于阿克曼转向理论,建立了四轮独立转向车辆动力学模型,并基于电动轮汽车的构造原理,联合MATLAB和Car Sim搭建了电动轮汽车四轮转向模型,并采用前馈控制策略验证了模型的有效性,为非线性四轮转向车辆控制策略的研究提供了基础。(3)设计了线性二次型调节(Linear Quadratic Regulator,LQR)控制器,并将控制器与阿克曼四轮独立转角计算模块相结合,搭建了电动轮汽车四轮独立转向控制模型,通过MATLAB和Car Sim联合仿真分析验证了该控制策略的有效性,进一步证明了四轮转向汽车在性能方面优于两轮转向汽车。(4)为解决四轮转向系统在极限工况下的失稳等问题,设计了结构为上层滑模控制,下层为转矩分配控制的分层直接横摆力矩控制器,通过仿真分析验证了该控制器在不同工况下均可提高车辆的稳定性。(5)为实现分层直接横摆力矩与LQR四轮转向的联合控制,设计了四轮转向(Four Wheel Steering,4WS)与直接横摆力矩控制(Direct Yaw-moment Control,DYC)协调控制器,并搭建了车辆联合控制系统,通过对联合控制系统的仿真分析,证明了所设计系统的有效性和电动轮汽车四轮转向的优势。
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