一种四轮独立线控转向车辆的稳定转向控制方法

本专利涉及汽车稳定性控制，尤其涉及一种四轮独立线控转向车辆的稳定转向控制方法。

背景技术：

1、随着智能汽车技术的快速发展，汽车主动安全技术在电动车辆的电动化趋势中得到了快速发展，其中线控转向技术成为了一项广泛应用的重要创新。

2、线控转向技术彻底颠覆了传统汽车转向系统的构造，取消了方向盘与车轮之间的机械连接，取而代之的是由电子控制执行机构来执行转向操作。线控转向系统的采用带来了多重优势，包括有效减轻汽车的整体重量，从而提高了车辆的行驶安全性。此外，它还显著提升了驾驶员的舒适性和操控性，因为这一技术能够实现快速、准确的转向干预，提高了车辆的操控响应性。

3、值得一提的是，四轮独立线控转向(4wis)技术在电动汽车领域表现尤为卓越，低速时增强了车辆的机动性，使得驾驶更加灵活，适应狭窄道路和停车等情况，而高速行驶时则提供了卓越的操纵稳定性和安全性，有助于车辆维持稳定性，降低了潜在的危险因素。

4、两轴汽车的转向系统主要是根据阿克曼转向原理进行设计，以保证汽车转向过程中，内外侧车轮能够绕共同的瞬时转向中心做纯滚动运动，减少车轮拖滑，确保汽车具有良好的操纵稳定性。由于传统的转向机构很难完全实现理想的阿克曼转向几何，不可避免的会产生一定的阿克曼误差，越大的阿克曼误差越难保证车辆绕同一瞬心转向，影响汽车的转向性能。

5、目前，针对四轮独立可控的特点，以阿克曼转向定理为基础，有关学者针对阿克曼转角分配设计转向控制方法，实现车轮理想偏转角度，提高四轮独立转向车辆机动性和稳定性。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种四轮独立线控转向车辆的稳定转向控制方法，针对四轮独立可控的特点，以阿克曼转向定理为基础，提高四轮独立转向车辆高速转弯时的横向稳定性控制的精度、稳定性、实时性，最终提高车辆的操纵稳定性。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案。

3、一种四轮独立线控转向车辆的稳定转向控制方法，包括以下步骤。

4、步骤一、建立非线性单轨车辆动力学模型作为四轮独立线控转向(4wis)车辆的整车参考模型，非线性单轨车辆动力学模型的前轮转角由驾驶员输入的转向指令确定。

5、步骤二、基于阿克曼转向原理，建立四轮独立线控转向(4wis)车辆动力学模型，车辆速度瞬心(icr)由四轮各自转角共同确定，在高速工况下车辆运动瞬心位于后轴之后，用于增大转弯半径，减小侧向力及质心侧偏角，结合非线性单轨车辆动力学模型及驾驶员输入的前轮转向角，确定车辆四个车轮各自的转角。

6、步骤三、由于汽车在高速转弯时，轮胎存在侧向变形，轮胎侧偏角增大，引入smc(滑模控制)控制器，对步骤二中得出的符合阿克曼转向原理的四个车轮各自的转角进行修正，获得四个车轮各自的最终转角。

7、进一步地，步骤一中的非线性单轨车辆动力学模型采用非线性四轮转向(4ws)自行车模型，由驾驶员输入的转向指令确定非线性四轮转向(4ws)自行车模型的前轮转角，基于后轮转角通过车辆稳态和瞬态侧偏角为零的线性控制策略，建立非线性四轮转向(4ws)自行车模型：

8、

9、

10、

11、其中，表示车辆纵向加速度，表示车辆横摆角加速度，vx表示车辆横向速度，vy表示车辆纵向速度，ωz表示车辆横摆角速度，δf表示驾驶员输入的前轮转角，δr表示后轮转角，lf表示质心到前轴距离，lr表示质心到后轴距离、iz表示转动惯量，kαr表示前轮转弯刚度，kαf表示后轮转弯刚度，m表示汽车质量。

12、进一步地，步骤二中的，四轮独立线控转向(4wis)车辆动力学模型，拥有四个独立驱动的车轮，其前轮的转角以非线性四轮转向(4ws)自行车模型的前轮转角为基准，忽略轮胎侧偏影响，基于阿克曼转向原理，建立四轮独立线控转向(4wis)车辆动力学模型：

13、tan(δf)＝a/d，tan(δr)＝a/di，

14、

15、

16、其中，δf表示驾驶员输入的前轮转角，δr表示非线性四轮转向(4ws)自行车模型的后轮转角，δfi、δri表示四轮独立线控转向(4wis)车辆动力学模型的前、后轮转角(i＝l表示左侧，i＝r表示右侧)，d表示瞬时旋转中心与车辆纵轴之间的距离，di表示瞬时转动中心与车辆内轮之间的距离、do表示瞬时转动中心与车辆外轮之间的距离，do＝di+b。

17、进一步地，步骤三中，考虑轮胎侧偏角的影响，引入smc(滑模控制)控制器，将车轮转向角和车轮侧偏角之差定义为smc控制器的误差，建立修正模型：

18、

19、et＝(σtref-αtref)-(σt-αt)，

20、

21、其中，st为滑模面,c为常数，et为误差，σtref为车轮转向角实测值、αtref为车轮侧偏角实测值，σt为车轮转向角参考值，αt为车轮侧偏角参考值，ut为修正值，k为控制器所能产生的信号的最大值，φ为滑动面边界层的厚度，ueq为控制器在平稳条件下的期望输出信号。

22、车轮的最终转角为符合阿克曼转向原理转角与修正值之和，即：

23、

24、

25、

26、

27、其中，σfref表示参考前轮转角，σrref表示参考后轮转角。

28、进一步地，建立非线性四轮转向(4ws)自行车模型时，使用魔术轮胎模型(paceika)建立非线性轮胎模型：

29、fi＝d sin(c arctan(bαi-e(bαi-arctan(bαi))))，

30、其中，波值系数d为轮胎变形曲线的最大值，c为曲线形状因子，受轮胎尺寸、充气压力和胎面设计的影响；刚度系数b，b＝b3 sin(b4 arctan(b5fz))/(cd)；曲率因子e指曲线形状附近的最大值，

31、采用上述技术方案后，本发明具有以下有益效果：

32、1、本发明基于阿克曼转向原理，在不考虑轮胎侧滑的情况下实现了理想的四轮转角；

33、2、高速时轮胎侧向变形，轮胎侧偏增大，在四轮独立线控转向(4wis)车辆中实现smc(滑模控制)控制器，校正车轮转向角和车轮侧偏角之间的误差差异，成功地应用于线控转向概念，提高了车辆的稳定性，改善了操控性和安全性；

34、3、本发明使车辆具有的单一瞬时旋转中心，可以减少轮胎负载、磨损以及偏离轨道，从而提高行驶的安全性和性能，最终提高车辆的操纵稳定性。

技术特征：

1.一种四轮独立线控转向车辆的稳定转向控制方法，其特征在于：包括以下步骤，

2.如权利要求1所述的一种四轮独立线控转向车辆的稳定转向控制方法，其特征在于：步骤一中的非线性单轨车辆动力学模型采用非线性四轮转向(4ws)自行车模型，由驾驶员输入的转向指令确定非线性四轮转向(4ws)自行车模型的前轮转角，后轮转角基于车辆稳态和瞬态侧偏角为零的线性控制策略得出，建立非线性四轮转向(4ws)自行车模型：

3.如权利要求2所述的一种四轮独立线控转向车辆的稳定转向控制方法，其特征在于：步骤二中的，四轮独立线控转向(4wis)车辆动力学模型，拥有四个独立驱动的车轮，其前轮的转角以非线性四轮转向(4ws)自行车模型的前轮转角为基准，忽略轮胎侧偏影响，基于阿克曼转向原理，建立四轮独立线控转向(4wis)车辆动力学模型：

4.如权利要求3所述的一种四轮独立线控转向车辆的稳定转向控制方法，其特征在于：步骤三中，考虑轮胎侧偏角的影响，引入smc(滑模控制)控制器，将车轮转向角和车轮侧偏角之差定义为smc控制器的误差，建立修正模型：

5.如权利要求2所述的一种四轮独立线控转向车辆的稳定转向控制方法，其特征在于：建立非线性四轮转向(4ws)自行车模型时，使用魔术轮胎模型(paceika)建立非线性轮胎模型：

技术总结
本发明公开了一种四轮独立线控转向车辆的稳定转向控制方法，包括以下步骤：步骤一、建立非线性单轨车辆动力学模型作，前轮转角由驾驶员输入的转向指令确定。步骤二、基于阿克曼转向原理，建立四轮独立线控转向车辆动力学模型，车辆速度瞬心由四轮各自转角共同确定，结合非线性单轨车辆动力学模型及驾驶员输入的前轮转向角，确定车辆四个车轮各自的转角。步骤三、由于汽车在高速转弯时，轮胎存在侧向变形，引入SMC控制器，对步骤二中得出的符合阿克曼转向原理的四个车轮各自的转角进行修正，获得四个车轮各自的最终转角。使用本发明能够提高四轮独立转向车辆高速转弯时的横向稳定性控制的精度、稳定性、实时性，最终提高车辆的操纵稳定性。

技术研发人员：李忠利,谭志华,杨雯皓,赵建华,田宇,张浩乐
受保护的技术使用者：河南科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/29