基于MatlabSimulink的四轮转向汽车操纵动力学仿真分析

武汉理工大学课程论文基于Matlab/Simulink的四轮转向汽车操纵动力学仿真分析课程：汽车动力学学院（系）：汽车工程学院专业班级：汽研学号：学生姓名：任课教师：乔维高基于Matlab/Simulink的四轮转向汽车操纵动力学仿真分析摘要：本文分析了四轮转向(4WS)汽车的运动特性，建立了三自由度四轮转向汽车动力学模型，并基于Matlab/Simulink对四轮转向汽车的操纵动力学进行仿真分析，结果表明四轮转向汽车的操纵性能要优于前轮转向汽车。关键词：汽车，四轮转向，操纵动力学，仿真分析SimulationfortheHandlingDynamicsofFour-wheelSteeringVehicleBasedonMatlab/SimulinkAbstract:Inthispaper,themotioncharacteristicsoffour-wheelsteering(4WS)vehicleareanalyzed.Thethreedegreesoffreedomsimulationanalysisoffour-wheelsteeringvehicledynamicsmodelisestablished.Thesimulationforthehandlingdynamicsoffour-wheelsteeringvehiclebasedonMatlab/Simulinkisdone,andtheresultsshowthatthehandlingperformanceoffour-wheelsteeringvehicleisbetterthanthefrontwheelsteeringvehicle.Keywords:vehicle,four-wheelsteering,handlingdynamics,simulation1引言早期的汽车均采用前轮转向方式，但传统的前轮转向汽车具有低速时有低速时转向响应慢，回转半径大，转向不灵活；高速时方向稳定性差等缺点。随着科学技术的发展，人们生活水平的提高，市场对汽车的要求也越来越高，希望汽车有更高的安全性和舒适性。因此汽车的操纵稳定性，已经成为当代汽车研究的一个重要方面。四轮转向(4WS）汽车应运而生。四轮转向是在前轮转向的基础上，使后轮按一定的控制规律跟随前轮绕自己的转向轴转动，实现汽车转向。它对于改善汽车高速时的操纵稳定性和减小低速时的转弯半径起到非常大的作用。本文分析了四轮转向(4WS)汽车的运动特性，建立了三自由度四轮转向汽车动力学模型，并基于Matlab/Simulink对四轮转向汽车的操纵动力学进行了仿真分析。2四轮转向汽车运动特性分析四轮转向汽车转弯时的几何关系如图1所示。FWS汽车只有前轮转角，而4WS汽车的后轮也有转角。由图可知，当仅有前轮转角δ1时，可求得汽车转弯半径10tanLR（2.1）当前轮转弯半径不大时，tanδ1=δ1,于是式（1.1）可写为10LR（2.2）当后轮有附加转角δ2时，可求得转弯半径21tantanLR（2.3）同理，当δ1和δ2不大时，式（1.3）可写为fKLLR1121（2.4）式中,fK为后轮与前轮转角比。显然，当前轮转向，后轮不转向时,fK=0,R=R0；当前后轮同向转向时,fK0，RR0；当前后轮反向转向时,fK0,RR0。也就是说，前、后轮反向转向时会减小转弯半径，增加车辆运动的机动性。所以,4WS汽车低速转弯或急转弯时,前、后轮反向转向；而高速转弯或变换车道时，前、后轮同向转向，实际上增大了转弯半径，减小了离心力，转弯平稳，便于控制。图1四轮转向汽车转弯时的转向几何关系3三自由度四轮转向汽车动力学模型通过研究文献发现，线性二自由度汽车单轨模型没有考虑侧倾、轮胎的受力情况、轮胎的非线性特性等在汽车转向过程中都很重要的因素,所以线性两自由度汽车单轨模型在研究四轮转向系统时不具有很高的仿真度。因此，为了更精确的研究四轮转向系统的动力学情况，本文建立了三自由度四轮转向汽车动力学模型。三自由度模型是在二自由度模型的基础上增加了侧倾运动，即4WS汽车三自由度模型包括：侧向、横摆和侧倾三个方向的运动。为简化系统模型，特作如下假设：（1）车体关于x−z平面对称；（2）整车质量分为两部分：悬挂质量与非悬挂质量；（3）汽车的侧倾轴近似固定不变；（4）忽略各种空气阻力、轮胎滚动阻力及非悬挂质量的侧倾效应；（5）轮胎保持与地面接触，各轮胎所接触的路面条件相同，左右轮胎具有相同的侧偏特性。图2三自由度四轮转向汽车动力学模型侧视图图3三自由度四轮转向汽车动力学模型后视图如图2所示,汽车的前、后车轴均具有一个可认为固结于非悬挂质量的“侧倾中心”，定义为车身发生侧倾时,相对于轮胎接地印迹处不发生任何侧向移的点。一般汽车的前、后侧倾中心高度不等,而汽车前、后轴侧倾中心的连线被为“侧倾中心轴”,所以侧倾中心轴与水平面通常不平行,即图2中斜线。sh表示汽车质心到侧倾中心轴的距离。r为车辆横摆角速度；为质心侧偏角；f、r分别为车辆前、后轮转角；为车身侧倾角；为侧倾角速度；u车辆质心处的速度,保持不变。如图3所示,取参考点O为通过悬挂质量质心的垂线与侧倾中心轴的交点,将汽车分为不发生侧倾的非悬挂质量(M-Ms)(M为整车质量),定义为汽车参考基A，对应有坐标系a；以及具有侧倾自由度的悬挂车身质量(Ms),定义为车身运动参考基B，对应有坐标系b；并定义地面参考基为G。坐标系b的每一矢量b1、b2、b3与坐标系a的每一矢量a1、a2、a3的转换关系见表1。表1坐标系a与坐标系b的转换关系b1b2b3a1a2a31000cosφsinφ0-sinφcosφ分别考虑侧向运动、横摆运动和侧倾运动的三自由度四轮转向汽车模型可导出动力学方程：侧向运动：ysSFhMrMu（3.1）横摆运动：ZxzzMIrI（3.2）侧倾运动：xxxzLIrI（3.3）式中,yF是外力的和,ZM和xL是外力矩的和，zI、xI为转动惯量，xzI为惯性积。21FFFy（3.4）21bFaFMz（3.5）cossinruhMghMKCLssssX（3.6）综合以上各式，可得到侧向、横摆和侧倾三个自由度的四轮转向汽车方程：rrffssRrubkRruakhMrMu21（3.7）rrffxzzRrubbkRruaakIrI21（3.8）ssssxzxghMKCruhMrII（3.9）式中，fR、rR为前、后轮转向侧倾系数，K为侧倾刚度，C为侧倾阻尼。三自由度四轮转向汽车模型的一般状态表达式为：uMxMxM321（3.10）式中：系统状态变量：TrfTTurxxxxx,,,,,,,,4321其中：1xr——横摆角速度；2x——质心侧偏角：3x——车身侧倾角；4x——车身侧倾角速度。0100000001xxssxzxzzssIuhMIIIhMMuM1000)(00)(0)(212122212121212CghMKuhMbRkaRkbkakubkakRkRkkkMuubkakMssssrfrf000021213bkakkkM三自由度四轮转向汽车模型的标准状态表达式为：DuCxyBuAxx（3.11）式中，311211,MMBMMA，00000000,1000010000100001DC。4四轮转向汽车操纵动力学仿真分析汽车操纵动力学是研究在横向外力作用下，汽车转向行驶时的操纵稳定性。包括操纵性和稳定性两种情况，前者是指驾驶员给汽车一个激励，如转向盘转过一定的角度或受到一个外力矩，汽车遵循驾驶员给定方向行驶的能力。而稳定性是指当汽车遭遇外界干扰时抵抗干扰保持稳定行驶的能力，与驾驶员无关。汽车操纵特性好坏是由其系统的稳定性、转向行驶时的稳态响应和频率响应反映。Matlab作为一种面向科学和工程计算的高级计算机语言，已成为国际科技界公认的最优秀应用软件。Simulink是Matlab提供的主要工具箱之一，用于可视化的动态系统建模、仿真和分析。它采用系统模块直观地描述系统典型环节，因此十分方便地建立系统模型而不需要花较多时间编程。并可以对系统作适当的实时修正或者按照仿真的最佳效果来调试及整定控制系统的参数，以提高系统的性能，减少设计系统过程中反复修改的时间，实现高效率地开发系统的目标。本文基于建立的三自由度四轮转向汽车动力学模型，在Matlab软件中建立了Simulink仿真模型，如图4所示。图4Simulink仿真模型4.1频域响应分析实际汽车的横摆角速度频率特性可以通过转向盘角脉冲输入瞬态响应试验求得的。这样可以把横摆角速度频率特性的幅频特性和相频特性进行对比分析。幅频特性反映了不同频率输入时，汽车本身失真的程度。相频特性反映了汽车横摆角速度滞后于转向盘转角的失真程度。利用MATLAB求解系统的幅频响应和相频响应如图5所示。图5频域响应分析由频域响应分析图可见，相对于前轮转向系统，四轮转向系统具有较低的横摆角速度，两者相位基本相同。而对于侧向加速度，图5中也清楚显示，频率较低时，四轮转向系统增益较前轮转向系统增益更低，当频率较高时则相反；四轮转向系统相位变化明显小于前轮转向系统的相位变化。这表明四轮转向汽车的横摆角速度频率特性要明显优于前轮转向汽车。4.2时域响应分析汽车的操纵稳定性同汽车行驶时的瞬态响应有密切关系。图6为汽车匀速行驶时，前轮转角阶跃输入下的汽车瞬态响应曲线。以横摆角速度来描述汽车瞬态响应。可以看出，四轮转向汽车与前轮转向汽车相比横摆角速度的波动幅值和超调量小，时间滞后略大，进入稳态所经历的时间基本相同。这表明4WS汽车的特征根随车速变化的趋势同FWS汽车相比，稳定性相对好一些。高速行驶时，横摆角速度增益减小，可提高操纵稳定性；在低速行驶时，横摆角速度增益增加，提高了转向灵敏度，使操纵更为灵活。图6时域响应分析5结束语汽车操纵动力学是汽车动力学研究的重要组成部分。随着现代车辆速度的提高和机电控制技术水平的发展，四轮转向汽车操纵动力学特性与控制研究进入了一个新的阶段。利用四轮转向技术改善和提高汽车的操纵稳定性能进而提高汽车的安全性和舒适性的方法得到了汽车工程界的高度重视。本文分析了四轮转向汽车的运动特性，建立了三自由度四轮转向汽车动力学模型，并对四轮转向汽车的操纵动力学进行了仿真分析，从操纵动力学方面验证了四轮转向汽车相对于前轮转向汽车的优越性。但由于时间和精力的限制，本文对操纵动力学的分析还很浅显，以后还需要对汽车动力学做更深入的研究。参考文献[1]汪东明.四轮转向汽车的转向特性及控制技术[J].现代机械,2003.06[2]陈雯，张竹林.基于Matlab/Simulink的四轮转向汽车操纵稳定性仿真[J].拖拉机与农用运输机，2010.02[3]焦凤,陈南,秦绪柏.四轮转向汽车操纵动力学虚拟仿真分析[J].汽车工程,2004(l):12-15[4]黄孝奎.四轮转向汽车控制研究及动力学仿真[D].东北大学，2008.06[5]张伯俊.四轮转向汽车横向动力学特性及控制研究[D].天津大学，2006.01