一种FSAE赛车四轮转向系统

一种fsae赛车四轮转向系统
技术领域
1.本发明属于转向系统领域，尤其涉及一种fsae赛车四轮转向系统。


背景技术：

2.转向系统的设计一直是基于轮胎侧偏特性的前轮转向，四轮转向系统在低速的情况下减小转弯半径、提高赛车的灵活性；在高速工况下提升车辆稳定性、提高侧向极限。
3.现有的四轮转向机构在结构上基本可分为机械式、液压式和电控式三种，具体的：1、机械式四轮转向机构结构复杂，传动机构较多，可靠性难以保证，不适合应用于fsae赛车；2、液压式四轮转向机构结构较为简单，可靠性强，但需要发动机带动液压泵，对fsae赛车动力性影响不可忽视；3、电控式四轮转向机构前后轮转向器均为电动助力，两转向器之间无任何机械连接装置及液压管道等部件，直接对前后轮的转向进行控制，具有前后轮转向角关系控制精确、控制自由度高、机构简单等优点，而单纯的电控式四轮转向机构，也不适用于fsae赛车。


技术实现要素：

4.本发明实施例的目的在于提供一种fsae赛车四轮转向系统，旨在解决背景技术中提出的问题。
5.为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：
6.一种fsae赛车四轮转向系统，所述系统由前轮机械子系统和后轮电控转向子系统组成，其中：
7.前轮机械子系统采用齿轮齿条转向器；
8.后轮电控转向子系统采用双电机转向；
9.所述系统中，按照四轮转向汽车前后轴的内外轮转角理论关系，进行主动后轮转向各车轮转角控制；
10.所述系统中，构建四轮转向车辆的二自由度模型，按照前后轮比例控制或前后轮比例控制+横摆角速度反馈控制进行控制策略设置。
11.作为本发明实施例技术方案进一步的限定，所述齿轮齿条转向器通过两个固定在车架上，转向轴支架固定在前环及一个横梁上；所述双电机转向中，将推杆电机通过接头与耳件固定在转向横拉杆内外点。
12.作为本发明实施例技术方案进一步的限定，所述内外轮转角理论关系的公式为：
[0013][0014][0015]
其中，θ1、θ2、θ3和θ4分别为前轴外轮、前轴内轮、后轴外轮和后轴内轮的转角，l为
轴距，b为两转向主销之间中心线与地面交点距离。
[0016]
作为本发明实施例技术方案进一步的限定，所述四轮转向车辆的二自由度模型的运动微分方程为：
[0017][0018]
其中，a为质心至前轴距离，b为质心至后轴距离，δ1为前轮转角，δ2为后轮转角，ωr为横摆角速度，β为质心侧偏角，m为整车质量，iz为绕z轴转动惯量，k1为前轮侧偏刚度，k2为后轮侧偏刚度，u为车速。
[0019]
作为本发明实施例技术方案进一步的限定，所述前后轮比例控制的控制策略设置为：
[0020]
设置δ2＝kδ1，汽车进入稳态后ωr为定值，因此
[0021]
根据所述四轮转向车辆的二自由度模型的运动微分方程，当β＝0时，k满足：
[0022][0023]
作为本发明实施例技术方案进一步的限定，所述前后轮比例控制+横摆角速度反馈控制的控制策略设置为：
[0024]
构造汽车的理想横摆角速度；
[0025]
计算所述理想横摆角速度与实际横摆角速度之间的横摆角速度偏差；
[0026]
根据反馈控制，计算后轮转角与前轮转角关系。
[0027]
作为本发明实施例技术方案进一步的限定，所述理想横摆角速度的公式为：
[0028][0029]
其中，ω
r*
为理想横摆角速度，为理想车辆模型前轮转角，τr为惯性系统的时间常数。
[0030]
作为本发明实施例技术方案进一步的限定，所述横摆角速度偏差的计算公式为：
[0031][0032]
其中，e(t)为横摆角速度偏差，ωr为实际横摆角速度。
[0033]
作为本发明实施例技术方案进一步的限定，所述后轮转角与前轮转角关系的计算公式为：
[0034][0035]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0036]
1、本发明将将传统机械式前轮转向系统与后轮电控式转向系统相结合，只需对后轮进行改装，节约成本，便于改装；
[0037]
2、本发明控制策略设置结合实际工况及实车数据，能够更加匹配fsae赛车；
[0038]
3、本发明使用蜗杆齿条传动机构，将伺服电机的旋转运动转化为直线运动，驱动后轮进行转向，使控制更加灵敏；
[0039]
4、本发明有利于提高赛车的操纵稳定性，能够改善汽车对转向盘输入的动态响应特性，在一定程度上改善了横摆角速度和侧向加速度的瞬态响应性能指标，明显改善车辆高速行驶的稳定性，在高速行驶中转向时，四轮转向系统通过后轮与前轮的同相转向，能有效降低/消除车辆侧滑事故的发生几率，明显改善车辆高速行驶的稳定性及安全性。
附图说明
[0040]
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例。
[0041]
图1示出了本发明实施例提供的内外轮转角理论关系的示意图。
[0042]
图2示出了本发明实施例提供的前后轮比例控制的模型示意图。
[0043]
图3示出了本发明实施例提供的前后轮比例控制+横摆角速度反馈控制的模型示意图。
[0044]
图4示出了本发明实施例提供的角阶跃输入下横摆角速度对比的示意图。
[0045]
图5示出了本发明实施例提供的角阶跃输入下侧向加速度对比的示意图。
[0046]
图6示出了本发明实施例提供的角阶跃输入下质心侧偏角对比的示意图。
[0047]
图7示出了本发明实施例提供的角阶跃输入下行驶轨迹对比的示意图。
[0048]
图8示出了本发明实施例提供的低速转向行驶轨迹对比的示意图。
[0049]
图9示出了本发明实施例提供的低速转向横摆角速度对比的示意图。
[0050]
图10示出了本发明实施例提供的双移线工况横摆角速度对比图的示意图。
[0051]
图11示出了本发明实施例提供的双移线工况侧向加速度对比图的示意图。
[0052]
图12示出了本发明实施例提供的双移线工况质心侧偏角对比图的示意图。
具体实施方式
[0053]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0054]
可以理解的是，现有的四轮转向机构在结构上基本可分为机械式、液压式和电控式三种，具体的：1、机械式四轮转向机构结构复杂，传动机构较多，可靠性难以保证，不适合应用于fsae赛车；2、液压式四轮转向机构结构较为简单，可靠性强，但需要发动机带动液压泵，对fsae赛车动力性影响不可忽视；3、电控式四轮转向机构前后轮转向器均为电动助力，两转向器之间无任何机械连接装置及液压管道等部件，直接对前后轮的转向进行控制，具有前后轮转向角关系控制精确、控制自由度高、机构简单等优点，而单纯的电控式四轮转向机构，也不适用于fsae赛车。
[0055]
为解决上述问题，本发明实施例公开的fsae赛车四轮转向系统，包括：前轮机械子系统采用齿轮齿条转向器；后轮电控转向子系统采用双电机转向；进行主动后轮转向各车轮转角控制；按照前后轮比例控制或前后轮比例控制+横摆角速度反馈控制进行控制策略设置。只需对后轮进行改装，节约成本，便于改装，且控制策略设置结合实际工况及实车数据，能够更加匹配fsae赛车，使用蜗杆齿条传动机构，将伺服电机的旋转运动转化为直线运动，使得控制更加灵敏，有利于提高赛车的操纵稳定性，能够改善汽车对转向盘输入的动态响应特性，明显改善车辆高速行驶的稳定性，提高车辆高速行驶的安全性。
[0056]
具体的，一种fsae赛车四轮转向系统，所述系统由前轮机械子系统和后轮电控转向子系统组成，其中：
[0057]
前轮机械子系统采用齿轮齿条转向器；
[0058]
后轮电控转向子系统采用双电机转向；
[0059]
所述系统中，按照四轮转向汽车前后轴的内外轮转角理论关系，进行主动后轮转向各车轮转角控制；
[0060]
所述系统中，构建四轮转向车辆的二自由度模型，按照前后轮比例控制或前后轮比例控制+横摆角速度反馈控制进行控制策略设置。
[0061]
在本发明实施例中，前轮机械子系统采用齿轮齿条转向器，其结构简单、体积小传动效率较高、容易调节间隙、制造成本低等优点十分适合fsae赛车，其中，齿轮齿条转向器通过两个固定在车架上，转向轴支架固定在前环及一个横梁上；后轮电控转向子系统采用双电机转向，左右轮分别由一单独推杆电机实现转向，在双电机转向中，将推杆电机通过接头与耳件固定在转向横拉杆内外点，且后轮的转角范围需要限制在6
°
以内。
[0062]
在本发明实施例中，如图1示出了本发明实施例提供的内外轮转角理论关系的示意图，前轮转向过程中，为了保证车轮与地面之间保持纯滚动状态，在不考虑侧偏角的情况下符合阿克曼转向几何，即所有车轮转动中心均位于后轴上的一点：其中，θo是外转向转角(deg)，θi是内转向转角(deg)，l是轴距(m),b是两转向主销之间中心线与地面交点距离(m)，可以确定四轮转向汽车前后轴的内外轮转角理论关系为：
[0063][0064][0065]
其中，θ1、θ2、θ3和θ4分别为前轴外轮、前轴内轮、后轴外轮和后轴内轮的转角，l为轴距，b为两转向主销之间中心线与地面交点距离。
[0066]
在本发明实施例中，构建四轮转向车辆的二自由度模型，对应的运动微分方程为：
[0067][0068]
其中，a为质心至前轴距离，b为质心至后轴距离，δ1为前轮转角，δ2为后轮转角，ωr为横摆角速度，β为质心侧偏角，m为整车质量，iz为绕z轴转动惯量，k1为前轮侧偏刚度，k2为后轮侧偏刚度，u为车速。
[0069]
在本发明实施例中，如图2示出了本发明实施例提供的前后轮比例控制的模型示意图，前后轮比例控制的控制策略设置为：
[0070]
设置δ2＝kδ1，汽车进入稳态后ωr为定值，因此
[0071]
根据所述四轮转向车辆的二自由度模型的运动微分方程，当β＝0时，k满足：
[0072][0073]
在本发明实施例中，如图3示出了本发明实施例提供的前后轮比例控制+横摆角速度反馈控制的模型示意图，前后轮比例控制加横摆角速度反馈控制在前后轮比例控制的基础上加上横摆角速度反馈，在汽车质心侧偏角较小的情况下，由线性二自由度车辆模型所得出的横摆角速度对于汽车来说是最稳定的，可以构造汽车的理想横摆角速度，公式为：
[0074][0075]
其中，ω
r*
为理想横摆角速度，为理想车辆模型前轮转角，τr为惯性系统的时间常数；
[0076]
以理想横摆角速度与实际横摆角速度差值为横摆角速度偏差，计算公式为：
[0077][0078]
其中，e(t)为横摆角速度偏差，ωr为实际横摆角速度；
[0079]
反馈控制采用pid算法，可得后轮转角与前轮转角关系的计算公式为：
[0080][0081]
可以理解的是，为了验证本发明的fsae赛车四轮转向系统相较于现有技术的优点，利用carsim建立整车模型，在carsim中设置输出变量作为simulink的输入变量，simulink的输出变量作为carsim的输入变量，与控制模型组成闭环系统进行联合仿真，两前轮转角平均值作为控制系统输入地前轮转角，仿真模型参数表为：
[0082]
参数名称符号数值单位整车质量m303kg绕z轴转动惯量iz129.63kgm2质心至前轴距离a0.843m质心至后轴距离b0.747m轴距l1.59m前轮轮距bf1.24m后轮轮距br1.23m
[0083]
在60km/h角阶跃输入的情况下：
[0084]
以60km/h速度行驶，输入方向盘转角为50
°
，比较前轮转向，前后轮比例控制四轮转向，前后轮比例控制+横摆角速度反馈控制四轮转向三种转向系统下的横摆角速度，侧向加速度，质心侧偏角以及行驶轨迹，如图4示出了本发明实施例提供的角阶跃输入下横摆角速度对比的示意图、图5示出了本发明实施例提供的角阶跃输入下侧向加速度对比的示意图，前后轮比例控制四轮转向和前后轮比例控制+横摆角速度反馈控制四轮转向转在达到稳定值的时间以及超调量均小于前轮转向，但前后轮比例控制四轮转向横摆角速度小于前轮转向和前后轮比例控制+横摆角速度反馈控制四轮转向；侧向加速度的变化情况基本与横摆角速度相一致。因此，四轮转向可以一定程度上减小横摆角速度、侧向加速度的稳定值、响应时间、超调量，增加了横摆角速度反馈控制的的四轮转向系统也兼顾了操作性能，适当综合了响应与稳定性。如图6示出了本发明实施例提供的角阶跃输入下质心侧偏角对比的示意图、图7示出了本发明实施例提供的角阶跃输入下行驶轨迹对比的示意图，根据质心侧偏角对比我们可以看出前后轮比例控制四轮转向质心侧偏角最小，前后轮比例控制+横摆角速度反馈控制四轮转向质心侧偏角稍大，前轮转向质心侧偏角最大且达到稳定值的时间以及超调量也最大。综合对比可以得出结论前后轮比例控制四轮转向可以提高高速时转向稳定性不过转向灵敏性有所降低。前后轮比例控制+横摆角速度反馈控制四轮转向既能提高转向稳定性，转向灵敏性没有下降，同时行驶轨迹与前轮转向汽车基本一致，驾驶体验基本与前轮转向汽车相同，也符合赛车对操纵性的要求。
[0085]
在低速转向的情况下：
[0086]
为了对比低速转向时的灵活性，令汽车以10km/h的速度行驶，方向盘转角为50
°
，观察三种不同转向系统下的横摆角速度以及运动轨迹，如图8示出了本发明实施例提供的低速转向行驶轨迹对比的示意图、图9示出了本发明实施例提供的低速转向横摆角速度对比的示意图，由于前后轮反向偏转，在相同的低速稳态工况下，后轮转向具有更好的灵活性，具有更高的横摆角速度，前后轮比例控制四轮转向为10deg/s，前后轮比例控制+横摆角速度反馈控制四轮转向为9.5deg/s大致相同均大于前轮转向5deg/s；在最小转向半径方面，前后轮比例控制四轮转向和前后轮比例控制+横摆角速度反馈控制四轮转向转向半径大致相同，前轮转向转向半径约为四轮转向的二倍，且由运动轨迹对比，可以看出，前后轮比例控制四轮转向转向半径明显变大，前后轮比例控制+横摆角速度反馈控制四轮转向和前轮转向车辆行驶轨迹基本一致，因此，无论是前后轮比例控制四轮转向还是前后轮比例控制+横摆角速度反馈控制四轮转向均能有效提升低速转向时的灵活性。
[0087]
在60km/h双移线的情况下：
[0088]
根据iso3888-2-2002_bs设置双移线实验轨迹，由carsim中的驾驶员模型跟踪目标路径。路面附着系数为0.85，车辆行驶速度为60km/h，如图10示出了本发明实施例提供的双移线工况横摆角速度对比图的示意图、图11示出了本发明实施例提供的双移线工况侧向加速度对比图的示意图、图12示出了本发明实施例提供的双移线工况质心侧偏角对比图的示意图，在双移线工况下，前轮转向的横摆角速度与侧向加速度峰值较高，前后轮比例控制四轮转向和前后轮比例控制+横摆角速度反馈控制四轮转向的横摆角速度与侧向加速度基本一致，在响应时间上相差无几，兼顾响应和稳定性；而对于双移线过程中的质心侧偏角，可以看出，两种四轮转向系统的质心侧偏角都控制在最大不超过0.5
°
。相对于前轮转向，质
心侧偏角波动更小，且具有横摆角速度反馈控制的四轮转向系统具有效果更好的质心侧偏角曲线，具有更好的操作稳定性。
[0089]
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0090]
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
[0091]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种fsae赛车四轮转向系统，其特征在于，所述系统由前轮机械子系统和后轮电控转向子系统组成，其中：前轮机械子系统采用齿轮齿条转向器；后轮电控转向子系统采用双电机转向；所述系统中，按照四轮转向汽车前后轴的内外轮转角理论关系，进行主动后轮转向各车轮转角控制；所述系统中，构建四轮转向车辆的二自由度模型，按照前后轮比例控制或前后轮比例控制+横摆角速度反馈控制进行控制策略设置。2.根据权利要求1所述的fsae赛车四轮转向系统，其特征在于，所述齿轮齿条转向器通过两个固定在车架上，转向轴支架固定在前环及一个横梁上；所述双电机转向中，将推杆电机通过接头与耳件固定在转向横拉杆内外点。3.根据权利要求1所述的fsae赛车四轮转向系统，其特征在于，所述内外轮转角理论关系的公式为：系的公式为：其中，θ1、θ2、θ3和θ4分别为前轴外轮、前轴内轮、后轴外轮和后轴内轮的转角，l为轴距，b为两转向主销之间中心线与地面交点距离。4.根据权利要求1所述的fsae赛车四轮转向系统，其特征在于，所述四轮转向车辆的二自由度模型的运动微分方程为：其中，a为质心至前轴距离，b为质心至后轴距离，δ1为前轮转角，δ2为后轮转角，ω
r
为横摆角速度，β为质心侧偏角，m为整车质量，i
z
为绕z轴转动惯量，k1为前轮侧偏刚度，k2为后轮侧偏刚度，u为车速。5.根据权利要求4所述的fsae赛车四轮转向系统，其特征在于，所述前后轮比例控制的控制策略设置为：设置δ2＝kδ1，汽车进入稳态后ω
r
为定值，因此根据所述四轮转向车辆的二自由度模型的运动微分方程，当β＝0时，k满足：6.根据权利要求4所述的fsae赛车四轮转向系统，其特征在于，所述前后轮比例控制+横摆角速度反馈控制的控制策略设置为：
构造汽车的理想横摆角速度；计算所述理想横摆角速度与实际横摆角速度之间的横摆角速度偏差；根据反馈控制，计算后轮转角与前轮转角关系。7.根据权利要求6所述的fsae赛车四轮转向系统，其特征在于，所述理想横摆角速度的公式为：其中，ω
r*
为理想横摆角速度，为理想车辆模型前轮转角，τ
r
为惯性系统的时间常数。8.根据权利要求7所述的fsae赛车四轮转向系统，其特征在于，所述横摆角速度偏差的计算公式为：其中，e(t)为横摆角速度偏差，ω
r
为实际横摆角速度。9.根据权利要求8所述的fsae赛车四轮转向系统，其特征在于，所述后轮转角与前轮转角关系的计算公式为：

技术总结
本发明实施例涉及转向系统领域，具体公开了一种FSAE赛车四轮转向系统。本发明实施例公开的FSAE赛车四轮转向系统，包括：前轮机械子系统采用齿轮齿条转向器；后轮电控转向子系统采用双电机转向；进行主动后轮转向各车轮转角控制；按照前后轮比例控制或前后轮比例控制+横摆角速度反馈控制进行控制策略设置。只需对后轮进行改装，节约成本，便于改装，且控制策略设置结合实际工况及实车数据，能够更加匹配FSAE赛车，使用蜗杆齿条传动机构，将伺服电机的旋转运动转化为直线运动，使得控制更加灵敏，有利于提高赛车的操纵稳定性，能够改善汽车对转向盘输入的动态响应特性，明显改善车辆高速行驶的稳定性，提高车辆高速行驶的安全性。性。性。


技术研发人员：钱百川 帅子轩 刘亦林 王达
受保护的技术使用者：吉林大学
技术研发日：2023.05.15
技术公布日：2023/9/6