在20世紀(jì)80年代末，開(kāi)始有裝備四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（4WS）的量產(chǎn)車型投放市場(chǎng)，其主要目的是提高汽車在高速行駛或在側(cè)向風(fēng)力作用時(shí)的操作穩(wěn)定性，改善在低速下的操縱輕便性，以及減小在低速停車時(shí)的轉(zhuǎn)彎半徑。四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有以下顯著的優(yōu)點(diǎn)：

首先，在轉(zhuǎn)向時(shí)能夠基本保持車輛質(zhì)心側(cè)偏角為零，且能夠改善汽車對(duì)轉(zhuǎn)向盤輸入的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，在一定程度上改善了橫擺角速度和側(cè)向加速度的瞬態(tài)響應(yīng)性能指標(biāo)，明顯改善車輛高速行駛的穩(wěn)定性。當(dāng)在高速行駛中轉(zhuǎn)向時(shí)，四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)通過(guò)后輪與前輪的同相轉(zhuǎn)向，增加車輛的轉(zhuǎn)向不足，能有效降低/消除車輛側(cè)滑事故的發(fā)生幾率，明顯改善車輛高速行駛的穩(wěn)定性及安全性。

其次，縮小車輛低速轉(zhuǎn)向時(shí)的轉(zhuǎn)彎半徑。在低速轉(zhuǎn)向時(shí)，車輛因前后輪的反向轉(zhuǎn)向能夠縮小轉(zhuǎn)彎半徑達(dá)20%。四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)使大型車輛具有如同小型車輛的操縱及泊車敏捷性。

第三，當(dāng)汽車在緊急轉(zhuǎn)向避障時(shí)，四輪轉(zhuǎn)向汽車的機(jī)動(dòng)運(yùn)動(dòng)能力更強(qiáng)，避障行駛的自由度更高。針對(duì)左右車輪轉(zhuǎn)角可以獨(dú)立控制的車型，當(dāng)汽車直線行駛和緊急制動(dòng)時(shí)，兩個(gè)后輪的角度會(huì)往里靠，形成“內(nèi)八字”的形狀，這樣可以增強(qiáng)行駛穩(wěn)定性，并且還能給剎車提供額外的輔助。

第四，四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的冗余安全性更高，如當(dāng)前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)失效時(shí)，后輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)還可以繼續(xù)工作，保證車輛具有可靠的轉(zhuǎn)向能力。

本文以二自由度模型為例，對(duì)四輪轉(zhuǎn)向車輛的轉(zhuǎn)向特性及操縱穩(wěn)定性進(jìn)行分析，并與傳統(tǒng)的前輪轉(zhuǎn)向車輛進(jìn)行仿真對(duì)比，最后，給出一個(gè)關(guān)于車輛橫向運(yùn)動(dòng)速度和橫擺角速度的線性二自由度模型，并基于該模型設(shè)計(jì)四輪轉(zhuǎn)向車輛的圓周軌跡跟蹤控制器。

四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作原理

4WS系統(tǒng)的基本原理是：利用車輛行駛速度和駕駛員輸入的方向盤轉(zhuǎn)角信號(hào)來(lái)控制前后輪的轉(zhuǎn)角輸入，以提高車輛的通過(guò)性、操縱性和穩(wěn)定性。對(duì)4WS車輛來(lái)說(shuō)，當(dāng)車輛低速行駛時(shí)，為減小轉(zhuǎn)彎半徑，通常后輪轉(zhuǎn)向方向與前輪相反，即所謂的“反向轉(zhuǎn)向”；在高速轉(zhuǎn)向時(shí)，為了提高車輛的穩(wěn)定性和加快車輛的側(cè)向響應(yīng)速度，后輪將產(chǎn)生與前輪同向的轉(zhuǎn)向角，即所謂的“同向轉(zhuǎn)向”。

(1)低速時(shí)的反向轉(zhuǎn)向

(2)高速時(shí)的同向轉(zhuǎn)向

圖1 4WS汽車的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)

4WS系統(tǒng)對(duì)后輪轉(zhuǎn)角的控制不僅與車速有關(guān)，而且還與前輪轉(zhuǎn)角、橫擺角速度等車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)，其控制策略通常采用電子控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。如下圖所示，車輛轉(zhuǎn)向時(shí)將前輪轉(zhuǎn)向信號(hào)和車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)給轉(zhuǎn)向控制單元（SCU），SCU進(jìn)行分析計(jì)算后，控制前后輪轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)向動(dòng)作，通過(guò)轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)前后輪發(fā)生偏轉(zhuǎn)；同時(shí)，SCU實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，實(shí)時(shí)調(diào)整后輪轉(zhuǎn)角，進(jìn)而根據(jù)車輛實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)車輛四輪轉(zhuǎn)向。

圖2 4WS控制系統(tǒng)工作原理

本質(zhì)上講，四輪轉(zhuǎn)向的優(yōu)點(diǎn)來(lái)源于系統(tǒng)對(duì)后輪輪胎側(cè)向力獨(dú)立控制的能力。由于四輪轉(zhuǎn)向車輛可同時(shí)獨(dú)立控制前后輪的側(cè)偏角和輪胎側(cè)向力，因而可提高車輛的瞬態(tài)響應(yīng)，并改善車輛的轉(zhuǎn)向控制能力。下面基于二自由度模型，對(duì)4WS系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行分析，進(jìn)而說(shuō)明4WS車輛是如何通過(guò)后輪轉(zhuǎn)向角控制來(lái)改善車輛操縱穩(wěn)定性的，并以此為基礎(chǔ)討論四輪轉(zhuǎn)向控制策略的設(shè)計(jì)問(wèn)題。