轮毂电机驱动电动汽车的分时四轮转向系统及其控制方法
技术领域
[0001] 本
发明涉及一种转向控制系统及方法，特别是涉及一种轮毂电机驱动电动汽车的分时四轮转向系统及其控制方法，属于电动汽车技术领域。
背景技术
[0002]
车轮独立驱动转向常采用分布式驱动的方式实现，其按电机驱动形式可分为轮边电机驱动和轮毂电机驱动。轮边电机驱动是将电机系统安装于车轮附近，通过轮边减速器驱动车轮；轮毂电机驱动是将轮毂电机安装在车轮轮毂中
直接驱动车轮。轮毂电机驱动汽车将驱动和传动都集成在了轮毂内，不仅省略了传统汽车所需要的
离合器、
变速器、
传动轴、
差速器等机械部件，使得车辆的机械结构大量简化，还提高了车辆的空间利用率。同时轮毂电机驱动的控制只需要电机和
控制器，避免了电磁
阀、液压管路等机械结构的延迟影响，具有很好的实时性和
精度，各种控制方案也可以得到充分的运用。
[0003] 主动四轮转向(Active Four-Wheel-Steering，4WS)系统通过主动控制前、后轮转
角可有效地改善车辆低速时的机动灵活性、高速时的操纵
稳定性和智能车辆的路径
跟踪问题。但是，由于后轮参与了转向，并且常用的控制思想是使得车辆的质心
侧偏角为零，所以不可避免地会使得驾驶员的感觉不同于驾驶传统的前轮转向车辆。因此，如何在充分发挥主动四轮转向系统优点的同时，反馈良好的路感使驾驶员在驾驶电动轮汽车时做到心中有数是有益之举；而且，实际车辆在行驶的过程中会出现诸如
质量、质心
位置、轮胎侧偏
刚度等随工况而变化的不确定性，因此设计合理的控制策略以提高系统响应的鲁棒性也是需要解决的问题。
发明内容
[0004] 本发明的主要目的在于，克服
现有技术中的不足，提供一种轮毂电机驱动电动汽车的分时四轮转向系统及其控制方法，不仅能够按照驾驶员的需求切换前轮转向和四轮转向，向驾驶员提供合适的路感，而且具有结构简单、转向准确等优点，以及具有良好的鲁棒性。
[0005] 为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
[0006] 一种轮毂电机驱动电动汽车的分时四轮转向系统，包括：
[0007] 检测模
块，用于检测电动汽车的行驶参数，并将行驶参数输入给整车控制器；其中，行驶参数包括
方向盘转角
信号、
加速踏板的踏板位置信号、行驶车速信号、前轮转角信号和后轮转角信号；
[0008] 转向模式选择
开关，用于驾驶员人为地选择转向模式，转向模式包括前轮转向和四轮转向，并将所选择的转向模式输入给整车控制器；
[0009] 车速跟踪模块，用于根据加速踏板的踏板位置信号计算得到电动汽车的行驶速度和所需要的
前轮驱动力矩，并控制轮毂电机执行驾驶员的行驶车速信号，以及将行驶速度输入给整车控制器；
[0010] 整车控制器，用于接收行驶速度，在所选择的转向模块为前轮转向时，将方向盘转角信号输送给前轮线控转向控
制模块，并输出后轮
锁止信号给后轮转向锁止模块；以及，在所选择的转向模式为四轮转向时，计算获得四轮转向所需要的理想前后轮转角和输出后轮解除锁止信号给后轮转向锁止模块，其中的理想前后轮转角包括理想前轮转角和理想后轮转角，并将理想前轮转角输送给前轮线控转向
控制模块、将理想后轮转角输送给后轮差动转向控制模块；
[0011] 前轮线控转向控制模块，用于根据方向盘转角信号和前轮转角信号或理想前轮转角驱动前轮转向执行电机进行前轮转向，并向驾驶员提供相应的转向路感，以及将转向路感反馈给整车控制器；
[0012] 后轮差动转向控制模块，用于根据理想后轮转角计算得到后轮差动力矩，根据该后轮差动力矩驱动后轮轮毂电机进行后轮转向；
[0013] 后轮转向锁止模块，用于根据后轮锁止信号和后轮转角信号驱动转向锁止机构将后轮回正后禁止后轮发生转向，并根据后轮解除锁止信号驱动转向锁止机构解除转向锁止。
[0014] 本发明系统进一步设置为：所述转向锁止机构包括回正电机和对称安装在车架上且结构完全相同的两组转向机构，回正电机与后轮转向锁止模块相连，两组转向机构均与回正电机相连、并分别作用于左后轮和右后轮；
[0015] 所述转向机构包括依次相连的电磁离合器、回正
齿轮、锁止拉杆、
前束杆、第一
转向节臂和第二转向节臂，搭接在锁止拉杆表面并与安装在车架上的电磁
铁，均与第一转向节臂一端和第二转向节臂一端相连的转向主销，均安装在车架上的上横臂和下横臂，以及用于检测后轮转角并位于锁止拉杆上的锁止拉杆位移
传感器；所述电磁离合器与回正电机相连、并与后轮转向锁止模块相连，所述锁止拉杆通过杆面
齿条与回正齿轮相连，所述锁止拉杆和前束杆之间、前束杆和第一转向节臂之间均通过球铰相连，所述转向主销的两端通过球铰分别与上横臂和下横臂相连，所述电
磁铁用于通电后产生吸力吸合于锁止拉杆上而使得锁止拉杆锁止于车架上，所述锁止拉杆位移传感器用于实时检测锁止拉杆与
车身之间的位移参数并将该位移参数反馈给整车控制器来确定后轮转角。
[0016] 本发明系统进一步设置为：所述前轮转向执行电机通过驱动前轮转向传动件使得前轮转向，所述驱动前轮转向传动件包括依次相连的左前轮转向节臂、左前轮转向横拉杆、齿条、转向齿轮、右前轮转向横拉杆和右前轮转向节臂，所述左前轮转向节臂作用于左前轮，所述右前轮转向节臂作用于右前轮，所述转向齿轮与前轮转向执行电机相连。
[0017] 本发明系统进一步设置为：所述检测模块包括用于检测方向盘的
扭矩传感器和方向盘转角传感器，用于检测加速踏板的踏板
位置传感器，以及用于检测前轮转角并位于齿条上的齿条位移传感器。
[0018] 本发明还提供一种轮毂电机驱动电动汽车的分时四轮转向系统的控制方法，运行在前述的轮毂电机驱动电动汽车的分时四轮转向系统中，包括以下步骤：
[0019] 1)整车控制器获取检测模块采集到的行驶参数和转向模式选择开关输入的驾驶员所选择的转向模式，其中，行驶参数包括方向盘转角信号、加速踏板的踏板位置信号行驶车速信号、前轮转角信号和后轮转角信号；
[0020] 2)车速跟踪模块根据加速踏板的踏板位置信号计算得到电动汽车的行驶速度和所需要的前轮驱动力矩，并控制轮毂电机执行驾驶员的行驶车速信号，以及将行驶速度输入给整车控制器；
[0021] 3)车辆行驶中，整车控制器判断驾驶员所选择的转向模式为前轮转向或四轮转向；
[0022] 若转向模式为前轮转向，采用前轮线控转向、后轮转向锁止方式，则执行步骤4)-步骤5)，后返回步骤1)；
[0023] 若转向模式为四轮转向，采用前轮线控转向、后轮差动转向方式，则执行步骤6)-步骤8)，后返回步骤1)；
[0024] 4)在所选择的转向模块为前轮转向时，整车控制器将方向盘转角信号输送给前轮线控转向控制模块，并输出后轮回正信号给后轮转向锁止模块使得后轮回正后并对后轮转向进行锁止；
[0025] 5)前轮线控转向控制模块根据方向盘转角信号和前轮转角信号驱动前轮转向执行电机进行前轮转向，并向驾驶员提供相应的转向路感，以及将转向路感反馈给整车控制器；同时，后轮转向锁止模块根据后轮锁止信号和后轮转角信号驱动回转锁止机构将后轮回正后并禁止后轮发生转向；
[0026] 6)在所选择的转向模式为四轮转向时，整车控制器计算获得四轮转向所需要的理想前后轮转角和输出后轮解除锁止信号给后轮转向锁止模块，其中的理想前后轮转角包括理想前轮转角和理想后轮转角，并将理想前轮转角输送给前轮线控转向控制模块、将理想后轮转角输送给后轮差动转向控制模块；
[0027] 7)前轮线控转向控制模块根据理想前轮转角驱动前轮转向执行电机进行前轮转向，并向驾驶员提供相应的转向路感，以及将转向路感反馈给整车控制器；同时，后轮转向锁止模块根据根据后轮解除锁止信号驱动回转锁止机构解除转向锁止；
[0028] 8)后轮差动转向控制模块根据理想后轮转角计算得到后轮差动力矩，根据该后轮差动力矩驱动后轮轮毂电机进行后轮转向。
[0029] 本发明方法进一步设置为：所述车速跟踪控制器根据加速踏板的踏板位置传感器采集到的信号，查找系统中预先确定的纵向速度和加速踏板位置的关系曲线，从而得到电动汽车的行驶速度。
[0030] 本发明方法进一步设置为：所述整车控制器计算获得四轮转向所需要的理想前后轮转角，具体是，
[0031] 整车控制器将采集到的方向盘转角输入给参考模型，以得到理想的横摆
角速度和质心侧偏角，并通过采用渐近跟踪控制器控制使得解耦后的线性四轮转向模型的
横摆角速度和质心侧偏角跟踪理想的横摆角速度和质心侧偏角，从而获得四轮转向车辆的理想前后轮转角；其中，参考模型为质心侧偏角降幅滤波后的具有中性转向特性的线性二
自由度车辆模型。
[0032] 本发明方法进一步设置为：所述参考模型的
状态方程为，
[0033] 设xd＝[γdβd]T，ud＝[δf]，
[0034] 参考模型表示为
[0035] 式中，
[0036]
[0037] 其中，γd是参考模型的横摆角速度，βd是参考模型的质心侧偏角，m为汽车质量，ux为汽车质心处的纵向速度，δf为前轮转角，lfd是质心到前轴的距离，lrd是质心到后轴的距离，kf为前轮的侧偏刚度，kr为后轮的侧偏刚度，Iz为车辆对Z轴的
转动惯量；
[0038] 对质心侧偏角进行降幅
滤波器，采用的降幅滤波器传递函数为，
[0039]
[0040] 其中，η为增益系数，ξ为阻尼系数，ωn为圆
频率；
[0041] 通过调整圆频率ωn来调整质心侧偏角的幅值。
[0042] 本发明方法进一步设置为：所述线性四轮转向模型采用的线性动力学模型为[0043] 方程中，
[0044]
[0045] 其中，lf为前轴到质心的距离，lr为后轴到质心的距离；
[0046] 对线性四轮转向模型进行输入输出解耦，
[0047] 采用的传递函数为
[0048] 其中，
[0049]
[0050] 引入参数u1、u2来实现横摆角速度γ和质心侧偏角β的解耦，解耦后得到的横摆角速度γ相对于u1的传递函数和质心侧偏角β相对于u2的传递函数分别为G11(s)和G22(s)；
[0051] 则有
[0052] 当且仅当 时，横摆角速度和质心侧偏角分别受控制于变量u1和u2，由此可得，
[0053]
[0054]
[0055] 其中，a0＝(a12b21-a22b11)(a21b12-a11b22+a11b12-a12b22)，a1＝a21b12b11-a11b22b11+a11b12b21-a12b21b12，a2＝b11b22-b21b12，b0＝(a21b12-a11b22)(a12b21-a22b11)，b1＝a21b12b11-2
a11b22b11+a12b21b22-a22b11b22，b2＝b22b11，b3＝(a11b12-a12b22)(a21b12-a11b22)，b4＝-a21b12+a11b22b12+a11b12b22-a12b222，b5＝-b12b22，b6＝(-a12b21+a22b11)(a21b11-a11b21)，b7＝-a12b221+a22b11b21-a21b211+a11b11b21，b8＝-b11b21，b9＝(a21b12-a11b22)(a12b21-a22b11)，b10＝a21b12b11-a11b22b11+a12b21b22-a22b11b22，b11＝b22b11；
[0056] 设渐近跟踪控制器的传递函数为GC1(s)，渐近跟踪控制器采用P、PI、PD或PID控制器；
[0057] 对控制方程e(t)＝γd(t)-γ(t)＝γd(t)-GC1(t)G11(t)e(t)进行拉式变换，[0058] 得
[0059] 设
[0060] 则
[0061] 将其2阶系统的特征多项式dg(s)dc(s)+ng(s)nc(s)＝0化简为d2s2+d1s+d0＝0；
[0062] 其中，d2＝1+b11kd，d1＝b11kp+(-a22b11+a12b21)kd-(a11+a22)，
[0063] d0＝a11a22-a21a12+kp(-a22b11+a12b21)；
[0064] 根据Routh判定表以及Routh-Hurwitz稳定性判据确定出控制横摆角速度和质心侧偏角的渐近跟踪控制器的参数；
[0065] 其中，Routh判定表为 式中
[0066] Routh-Hurwitz稳定性判据为2阶系统的特征多项式的系数全为正或全为负。
[0067] 本发明方法进一步设置为：所述后轮差动转向控制模块根据理想后轮转角计算得到后轮差动力矩，具体是，
[0068] 建立动力学模型，以理想前后轮转角为输入的二自由度四轮转向车辆作为参考模型，设计滑模变结构控制器得到驱动后轮转向的后轮差动力矩；
[0069] 包括以下步骤：
[0070] a)不计车轮随动转角，前轮线控转向、后轮差动转向的状态方程为，
[0071]
[0072] 其中，β为车辆质心侧偏角，γ为车辆横摆角速度，为车辆横摆
角加速度，是车辆质心侧偏角速度，m为汽车质量，ux为汽车质心处的纵向速度，lf为前轴到质心的距离，lr为后轴到质心的距离，δf为前轮转角，kf为前轮的侧偏刚度，kr为后轮的侧偏刚度，Iz为车辆对Z轴的转动惯量，dr为后轮
轮距，R为轮胎有效半径；
[0073] b)令
状态空间变量x(t)＝[β γ]T，输入为前
后轮驱动力矩差即u(t)＝ΔT，将前轮线控转向、后轮差动转向的状态方程变换为
[0074] 其中，
[0075] c)定义滑模面s＝γ-γd+ξ(β-βd)，
[0076] 其中，ξ为权重系数，γd为参考模型的横摆角速度，βd为参考模型的质心侧偏角；
[0077] 求导可得，
[0078]
[0079] 式中，
[0080]
[0081] 其中， 为参考模型的横摆角加速度， 为参考模型的质心侧偏角速度；
[0082] 由于 有界，则 其中的 为常数；
[0083] 采用带饱和函数的趋近律，得控制器为
[0084] 与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：
[0085] 本发明提供的轮毂电机驱动电动汽车的分时四轮转向系统及其控制方法，不仅能够按照驾驶员的需求切换前轮转向和四轮转向，向驾驶员提供合适的路感，而且具有结构简单、转向准确等优点，以及具有良好的鲁棒性。选择的转向模式为前轮转向时，前轮受前轮线控转向控制模块控制进行传统的前轮转向，后轮则回正锁止。选择的转向模式为四轮转向时，后轮解除锁止，前轮采用传统转向、后轮差动转向的方式完成独立转向，后轮独立驱动并结合差动转向技术不仅在低速工况下可有效提高车辆机动性，而且高速时能够有效的减少车辆转弯时甩尾和侧滑的发生；同时也可改善汽车的主动安全性和操纵稳定性。
[0086] 上述内容仅是本发明技术方案的概述，为了更清楚的了解本发明的技术手段，下面结合
附图对本发明作进一步的描述。
附图说明
[0087] 图1为本发明轮毂电机驱动电动汽车的分时四轮转向系统的结构示意图；
[0088] 图2为本发明方法
实施例仿真得到的低速时的横摆角速度；
[0089] 图3为本发明方法实施例仿真得到的低速时的质心侧偏角；
[0090] 图4为本发明方法实施例仿真得到的低速时的x和y位置；
[0091] 图5为本发明方法实施例仿真得到的低速时的力矩；
[0092] 图6为本发明方法实施例仿真得到的中速时的横摆角速度；
[0093] 图7为本发明方法实施例仿真得到的中速时的横摆角速度；
[0094] 图8为本发明方法实施例仿真得到的中速时的x和y位置；
[0095] 图9为本发明方法实施例仿真得到的中速时的力矩；
[0096] 图10为本发明方法实施例仿真得到的高速时的横摆角速度；
[0097] 图11为本发明方法实施例仿真得到的高速时的质心侧偏角；
[0098] 图12为本发明方法实施例仿真得到的高速时的x和y位置；
[0099] 图13为本发明方法实施例仿真得到的高速时的力矩。
[0100] 图中：1-左前轮转向节臂；2-左前轮转向横拉杆；3-齿条；4-转向齿轮；5-转向执行电机及减速器；6-齿条位移传感器；7-后轮轮毂电机；8-方向盘转角传感器；9-路感模拟电机及减速器；10-扭矩传感器；11-方向盘；12-前轮线控转向模块；13-整车控制器；14-后轮差动转向控制模块；15-左后轮；16-前束杆；17-上横臂；18-转向主销；19-球铰；20-下横臂；21-锁止拉杆位移传感器；22-回正齿轮；23-电磁离合器；24-回正电机；25-锁止拉杆；26-第一转向节臂一端，27-电磁铁，28-车架，29-第二转向节臂。
具体实施方式
[0101] 下面结合
说明书附图，对本发明作进一步的说明。
[0102] 本发明提供一种轮毂电机驱动电动汽车的分时四轮转向系统，如图1所示，包括：
[0103] 检测模块，用于检测电动汽车的行驶参数，并将行驶参数输入给整车控制器13；其中，行驶参数包括方向盘转角信号、加速踏板的踏板位置信号、行驶车速信号、前轮转角信号和后轮转角信号；
[0104] 转向模式选择开关，用于驾驶员人为地选择转向模式，转向模式包括前轮转向和四轮转向，并将所选择的转向模式输入给整车控制器13；
[0105] 车速跟踪模块，用于根据加速踏板的踏板位置信号计算得到电动汽车的行驶速度和所需要的前轮驱动力矩，并控制轮毂电机执行驾驶员的行驶车速信号，以及将行驶速度输入给整车控制器13；
[0106] 整车控制器13，用于接收行驶速度，在所选择的转向模块为前轮转向时，将方向盘转角信号输送给前轮线控转向控制模块12，并输出后轮锁止信号给后轮转向锁止模块；以及，在所选择的转向模式为四轮转向时，计算获得四轮转向所需要的理想前后轮转角和输出后轮解除锁止信号给后轮转向锁止模块，其中的理想前后轮转角包括理想前轮转角和理想后轮转角，并将理想前轮转角输送给前轮线控转向控制模块、将理想后轮转角输送给后轮差动转向控制模块；
[0107] 前轮线控转向控制模块12，用于根据方向盘转角信号和前轮转角信号或理想前轮转角驱动前轮转向执行电机5进行前轮转向，并通过路感模拟电机及减速器9向驾驶员提供相应的转向路感，以及将转向路感反馈给整车控制器13；
[0108] 后轮差动转向控制模块14，用于根据理想后轮转角计算得到后轮差动力矩，根据该后轮差动力矩驱动后轮轮毂电机7进行后轮转向；
[0109] 后轮转向锁止模块，用于根据后轮锁止信号和后轮转角信号驱动转向锁止机构将后轮回正后禁止后轮发生转向，并根据后轮解除锁止信号驱动转向锁止机构解除转向锁止。
[0110] 如图1所示，所述转向锁止机构包括回正电机24和对称安装在车架18上且结构完全相同的两组转向机构，回正电机24与后轮转向锁止模块相连，两组转向机构均与回正电机24相连、并分别作用于左后轮15和右后轮。
[0111] 所述转向机构包括依次相连的电磁离合器23、回正齿轮22、锁止拉杆25、前束杆16、第一转向节臂26和第二转向节臂29，搭接在锁止拉杆25表面并与安装在车架28上的电磁铁27，均与第一转向节臂26一端和第二转向节臂29一端相连的转向主销18，均安装在车架28上的上横臂17和下横臂20，以及用于检测后轮转角并位于锁止拉杆25上的锁止拉杆位移传感器21；所述电磁离合器23与回正电机24相连、并与后轮转向锁止模块相连，所述锁止拉杆25通过杆面齿条与回正齿轮22相连，所述锁止拉杆25和前束杆16之间、前束杆16和第一转向节臂26之间均通过球铰19相连，所述转向主销18的两端通过球铰19分别与上横臂17和下横臂20相连，所述电磁铁27用于通电后产生吸力吸合于锁止拉杆25上而使得锁止拉杆
25锁止于车架28上，所述锁止拉杆位移传感器21用于实时检测锁止拉杆25与车身之间的位移参数并将该位移参数反馈给整车控制器13来确定后轮转角。
[0112] 如图1所示，所述前轮转向执行电机5通过驱动前轮转向传动件使得前轮转向，所述驱动前轮转向传动件包括依次相连的左前轮转向节臂1、左前轮转向横拉杆2、齿条3、转向齿轮4、右前轮转向横拉杆和右前轮转向节臂，所述左前轮转向节臂1作用于左前轮，所述右前轮转向节臂作用于右前轮，所述转向齿轮4与前轮转向执行电机5相连。
[0113] 如图1所示，所述检测模块包括用于检测方向盘11的扭矩传感器10和方向盘转角传感器8，用于检测加速踏板的踏板位置传感器，以及用于检测前轮转角并位于齿条3上的齿条位移传感器6。
[0114] 本发明还提供一种轮毂电机驱动电动汽车的分时四轮转向系统的控制方法，运行在如图1所示的轮毂电机驱动电动汽车的分时四轮转向系统中，包括以下步骤：
[0115] 1)整车控制器获取检测模块采集到的行驶参数和转向模式选择开关输入的驾驶员所选择的转向模式，其中，行驶参数包括方向盘转角信号、加速踏板的踏板位置信号行驶车速信号、前轮转角信号和后轮转角信号；
[0116] 2)车速跟踪模块根据加速踏板的踏板位置信号计算得到电动汽车的行驶速度和所需要的前轮驱动力矩，并控制轮毂电机执行驾驶员的行驶车速信号，以及将行驶速度输入给整车控制器；
[0117] 3)车辆行驶中，整车控制器判断驾驶员所选择的转向模式为前轮转向或四轮转向；
[0118] 若转向模式为前轮转向，采用前轮线控转向、后轮转向锁止方式，则执行步骤4)-步骤5)，后返回步骤1)；
[0119] 若转向模式为四轮转向，采用前轮线控转向、后轮差动转向方式，则执行步骤6)-步骤8)，后返回步骤1)；
[0120] 4)在所选择的转向模块为前轮转向时，整车控制器将方向盘转角信号输送给前轮线控转向控制模块，并输出后轮回正信号给后轮转向锁止模块使得后轮回正后并对后轮转向进行锁止；
[0121] 5)前轮线控转向控制模块根据方向盘转角信号和前轮转角信号驱动前轮转向执行电机进行前轮转向，并向驾驶员提供相应的转向路感，以及将转向路感反馈给整车控制器；同时，后轮转向锁止模块根据后轮锁止信号和后轮转角信号驱动回转锁止机构将后轮回正后并禁止后轮发生转向；
[0122] 6)在所选择的转向模式为四轮转向时，整车控制器计算获得四轮转向所需要的理想前后轮转角和输出后轮解除锁止信号给后轮转向锁止模块，其中的理想前后轮转角包括理想前轮转角和理想后轮转角，并将理想前轮转角输送给前轮线控转向控制模块、将理想后轮转角输送给后轮差动转向控制模块；
[0123] 7)前轮线控转向控制模块根据理想前轮转角驱动前轮转向执行电机进行前轮转向，并向驾驶员提供相应的转向路感，以及将转向路感反馈给整车控制器；同时，后轮转向锁止模块根据根据后轮解除锁止信号驱动回转锁止机构解除转向锁止；
[0124] 8)后轮差动转向控制模块根据理想后轮转角计算得到后轮差动力矩，根据该后轮差动力矩驱动后轮轮毂电机进行后轮转向。
[0125] 本发明方法中，所述车速跟踪控制器根据加速踏板的踏板位置传感器采集到的信号，查找系统中预先确定的纵向速度和加速踏板位置的关系曲线，从而得到电动汽车的行驶速度。
[0126] 本发明方法中，所述整车控制器计算获得四轮转向所需要的理想前后轮转角，具体是，整车控制器将采集到的方向盘转角输入给参考模型，以得到理想的横摆角速度和质心侧偏角，并通过采用渐近跟踪控制器控制使得解耦后的线性四轮转向模型的横摆角速度和质心侧偏角跟踪理想的横摆角速度和质心侧偏角，从而获得四轮转向车辆的理想前后轮转角；其中，参考模型为质心侧偏角降幅滤波后的具有中性转向特性的线性二自由度车辆模型。
[0127] 本发明方法中，所述参考模型的状态方程为，
[0128] 设xd＝[γd βd]T，ud＝[δf]，
[0129] 参考模型表示为
[0130] 式中，
[0131]
[0132] 其中，γd是参考模型的横摆角速度，βd是参考模型的质心侧偏角，m为汽车质量，ux为汽车质心处的纵向速度，δf为前轮转角，lfd是质心到前轴的距离，lrd是质心到后轴的距离，kf为前轮的侧偏刚度，kr为后轮的侧偏刚度，Iz为车辆对Z轴的转动惯量；
[0133] 对质心侧偏角进行降幅滤波器，采用的降幅滤波器传递函数为，
[0134]
[0135] 其中，η为增益系数，ξ为阻尼系数，ωn为圆频率；
[0136] 通过调整圆频率ωn来调整质心侧偏角的幅值。
[0137] 本发明方法中，所述线性四轮转向模型采用的线性动力学模型为
[0138]
[0139] 方程中，
[0140]
[0141] 其中，lf为前轴到质心的距离，lr为后轴到质心的距离；
[0142] 对线性四轮转向模型进行输入输出解耦，
[0143] 采用的传递函数为
[0144] 其中，
[0145]
[0146] 引入参数u1、u2来实现横摆角速度γ和质心侧偏角β的解耦，解耦后得到的横摆角速度γ相对于u1的传递函数和质心侧偏角β相对于u2的传递函数分别为G11(s)和G22(s)；
[0147] 则有
[0148] 当且仅当 时，横摆角速度和质心侧偏角分别受控制于变量u1和u2，由此可得，
[0149]
[0150]
[0151] 其中，a0＝(a12b21-a22b11)(a21b12-a11b22+a11b12-a12b22)，a1＝a21b12b11-a11b22b11+a11b12b21-a12b21b12，a2＝b11b22-b21b12，b0＝(a21b12-a11b22)(a12b21-a22b11)，b1＝a21b12b11-a11b22b11+a12b21b22-a22b11b22，b2＝b22b11，b3＝(a11b12-a12b22)(a21b12-a11b22)，b4＝-a21b212+a11b22b12+a11b12b22-a12b222，b5＝-b12b22，b6＝(-a12b21+a22b11)(a21b11-a11b21)，b7＝-a12b221+a22b11b21-a21b211+a11b11b21，b8＝-b11b21，b9＝(a21b12-a11b22)(a12b21-a22b11)，b10＝a21b12b11-a11b22b11+a12b21b22-a22b11b22，b11＝b22b11；
[0152] 设渐近跟踪控制器的传递函数为GC1(s)，渐近跟踪控制器采用P、PI、PD或PID控制器；
[0153] 对控制方程e(t)＝γd(t)-γ(t)＝γd(t)-GC1(t)G11(t)e(t)进行拉式变换，[0154] 得
[0155] 设
[0156] 则
[0157] 将其2阶系统的特征多项式dg(s)dc(s)+ng(s)nc(s)＝0化简为d2s2+d1s+d0＝0；
[0158] 其中，d2＝1+b11kd，d1＝b11kp+(-a22b11+a12b21)kd-(a11+a22)，
[0159] d0＝a11a22-a21a12+kp(-a22b11+a12b21)；
[0160] 根据Routh判定表以及Routh-Hurwitz稳定性判据确定出控制横摆角速度和质心侧偏角的渐近跟踪控制器的参数；
[0161] 其中，Routh判定表为 式中
[0162] Routh-Hurwitz稳定性判据为2阶系统的特征多项式的系数全为正或全为负。
[0163] 本发明方法中，所述后轮差动转向控制模块根据理想后轮转角计算得到后轮差动力矩，具体是，
[0164] 建立动力学模型，以理想前后轮转角为输入的二自由度四轮转向车辆作为参考模型，设计滑模变结构控制器得到驱动后轮转向的后轮差动力矩；
[0165] 包括以下步骤：
[0166] a)不计车轮随动转角，前轮线控转向、后轮差动转向的状态方程为，
[0167]
[0168] 其中，β为车辆质心侧偏角，γ为车辆横摆角速度，为车辆横摆角加速度，是车辆质心侧偏角速度，m为汽车质量，ux为汽车质心处的纵向速度，lf为前轴到质心的距离，lr为后轴到质心的距离，δf为前轮转角，kf为前轮的侧偏刚度，kr为后轮的侧偏刚度，Iz为车辆对Z轴的转动惯量，dr为后轮轮距，R为轮胎有效半径；
[0169] b)令状态空间变量x(t)＝[βγ]T，输入为前后轮驱动力矩差即u(t)＝ΔT，将前轮线控转向、后轮差动转向的状态方程变换为
[0170] 其中，
[0171] c)定义滑模面s＝γ-γd+ξ(β-βd)，
[0172] 其中，ξ为权重系数，γd为参考模型的横摆角速度，βd为参考模型的质心侧偏角；
[0173] 求导可得，
[0174]
[0175] 式中，
[0176]
[0177] 其中， 为参考模型的横摆角加速度， 为参考模型的质心侧偏角速度；
[0178] 由于 有界，则 其中的 为常数；
[0179] 采用带饱和函数的趋近律，得控制器为
[0180] 仿真分析：
[0181] 以下对转向模式为四轮转向时，以四轮转向为参考模型，前轮采用传统转向、后轮差动转向的方式完成独立转向，进行仿真分析。
[0182] 以不同车速和前轮转角作为输入，前后轮转角作为输出，进行解耦计算后仿真出横摆角速度、质心侧偏角等参数曲线。
[0183] 低速时，选择u＝5m/s，v＝5m/s，前轮转角δf＝0.2094rad，
[0184] 解耦后得δf1＝0.2092rad，δr1＝-0.0005454rad。
[0185] 中速时，选择u＝15m/s，v＝15m/s，前轮转角δf＝0.0721rad，
[0186] 解耦后得δf1＝0.07194rad，δr1＝-2.505e-06rad。
[0187] 高速时，选择u＝25m/s，v＝25m/s，前轮转角δf＝0.0454rad，
[0188] 解耦后得δf1＝0.04512rad，δr1＝-0.0001544rad。
[0189] 将对应的车速和解耦后的前后轮转角作为输入，通过仿真得出横摆角速度和质心侧偏角等曲线图，如图1至图12所示。
[0190] 由图1至图12可知，前轮传统转向、后轮差动转向模型曲线与四轮转向模型曲线基本一致，说明本方法能很好的实现四轮转向。
[0191] 由图1、图5和图9可知，横摆角速度稳定值随车速的增大而增大，稳定于3.3rad/s-3.8rad/s之间。同时，由图1可知，低速时前轮传统转向、后轮差动转向相比于四轮转向模型的横摆角速度稳定值更平稳。
[0192] 由图2、图6和图10可知，质心侧偏角稳定值随车速的增大而减小。低速时质心侧偏角稳定值为0.058rad；中速时质心侧偏角稳定值为-0.03rad；高速时质心侧偏角稳定值为-0.078rad。同时，由图2可知，低速时前轮传统转向、后轮差动转向相比于四轮转向模型的质心侧偏角稳定值更平稳。
[0193] 由图3、图7和图11可知，前轮传统转向、后轮差动转向模型x和y位置曲线与四轮转向模型x和y位置曲线一致，x位置和y位置的最大值随车速的增大而增大。
[0194] 由图4、图8和图12可知，随车速的增大，力矩值越小，并稳定在一定范围内。
[0195] 仿真结果表明前轮采用传统转向、后轮差动转向的转动方式所呈现的转向特性是理想的，所以，后轮独立驱动并结合差动转向技术不仅在低速工况下可有效提高车辆机动性，而且高速时能够有效的减少车辆转弯时甩尾和侧滑的发生；同时也可改善汽车的主动安全性和操纵稳定性。
[0196] 以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的
权利要求书及其等效物界定。
