四轮转向技术在牵引汽车中的应用

党 涛

（威海广泰空港设备股份有限公司，山东 威海 264200）

四轮转向技术在牵引汽车中的应用

党 涛

（威海广泰空港设备股份有限公司，山东 威海 264200）

简述车辆四轮转向技术的应用，经过对机场牵引汽车四轮转向系统的研究，提出一种新的控制方式，在随动轮角度跟随基础上加入汽车行驶速度控制因子，既解决了车辆高速行驶的稳定性问题，也保证了车辆低速转弯的灵活性。

四轮转向；两轮转向；控制系统；程序；算法；机场车辆

CLC NO.:U463.4Document Code:BArticle ID:1671-7988(2014)11-78-03

1、四轮转向技术简介

随着现代汽车技术的发展，人们对车辆的转向操纵性能和行驶稳定性的要求日益提高，作为改善汽车操纵性能最有效的一种主动底盘控制技术，“四轮转向”系统（Four - wheel Steering：4WS）出现在一些高级运动车型中。传统的两轮转向车辆，前轮随方向盘转向偏转，后轮保持行驶方向不随方向盘的转动偏转；而在拥有四轮转向系统的车辆中，不仅前轮随着方向盘的转动而偏转，后轮也随着车辆转弯而转动。例如宝马5系Gran Turismo在后轮设计了独立的拉杆与电机，转弯并线时后轮会与前轮同向或反向转动，使车身整体处在转向的状态下，提高行驶的稳定性与安全性；而Infiniti G37 Coupe所配置的4WAS四轮主动转向系统，则是沿用自Nissan已发展多年的HICAS(High Capacity Actively Controlled Suspension)系统，并加以改善，其可使后轮拥有与前轮相同的转向方向，虽然最大的倾角仅有1度，但其目的并非要藉由后轮的转向大幅提升车辆转向的快速反应，而是要提高车辆在高速切换车道的后轮稳定性，避免车辆后轮因惯性而向外滑出，提高车身行驶动线的稳定表现，达到操控上的安全。

2、两轮转向与四轮转向的对比

两轮转向过程中，从方向盘转动到后轮参与转向运动之间存在一定的滞后时间，这使汽车转向的随动性变差，并使汽车的转向半径增大；另外车辆高速转向时前轮产生侧偏角α，并产生旋转向心力使车体开始自转，当车体出现自转时，后轮产生侧偏角β，和旋转向心力，车速越高，离心力越大，所以必须给前轮更大的侧偏角，使它产生更大的旋转向心力，与此同时，后轮也产生与此相应的侧偏角，车体的自转趋势更加严重。也就是说，车速越高，转向时容易引起车辆的旋转和侧滑。如上图所示。

在四轮转向车辆进行转向时，前轮和后轮共同完成转向动作，低速时后轮可以与前轮做反向转动，获得较小的转向半径，而高速转向时，后轮与前轮做同向转动，减小汽车的横摆运动，提高车道变更和曲线行驶的操纵稳定性。上图是四轮转向与两轮转向的比较

3、机场车辆中四轮转向方式的实现与特点

目前，机场牵引汽车已普遍使用四轮转向方式，基本原理是对前轮及后轮转向角进行检测，并跟据角度差值调整跟随轮的转向角，以实现同向跟随，或反向跟随。在车辆的驾驶室仪表板设有“两轮转向”，“四轮转向”，“蟹行转向”三种转向模式。“两轮转向”模式即传统意义上的转向，后轮不随动；“四轮转向”是指当前轮随方向盘发生偏转时，后轮作反方向偏转；“蟹行转向”是指当前轮随方向盘发生偏转时，后轮作同方向偏转。上述控制方式由于仅采用角度监测技术，只能根据前后轮的角度差别调整车辆的转向姿态，无法根据车辆速度的不同对车辆转向姿态进行准确的监测及调整，导致车辆高速转向时易出现甩尾，转向过度而难以控制。由于存在上述不足，车辆使用时对操作者要求较高，若操作不当高速四轮转向时容易出现车辆失稳。

3.1 电气系统硬件组成

为克服现有车辆的转向缺陷，笔者提出了一种新的四轮转向稳定系统用于飞机牵引汽车的四轮转向控制。该方案内容如下：车辆的前后轮安装角度传感器，用于检测前后轮的绝对角度和转向偏差，通过CAN总线技术实时采样车辆行驶速度，将上述信号接入车载控制单元中。在电子控制单元中对采集到的信号进行整定，值域限制，结合转向角模糊控制算法自动输出最佳PWM信号控制转向液缸，从而控制随动轮的转向角度。按技术方案设计的原理图如下：其中S3为选择开关，B13.B14为角度传感器，A11为车载PLC,A12为变速箱控制单元，Y5，Y6为随动轮控制电磁阀，H12为报警器 。

当S3拨至“两轮转向”模式时，四轮转向稳定系统并不投入工作，只有当S3拨至“四轮转向”或“蟹行转向”时，转向稳定系统才投入工作。B13.B14装在前后轮转向支架上，对前轮，后轮转向角度进行实施检测，并将角度的变化转化为电信号输入至车载控制器A11中进行处理，A11为带有CAN通信口的车载PLC,通过CAN通信口A11可以接受来自变速箱控制器A12的车速信号，目前变速箱一般会将输出轴转速按J1939通讯格式输出，A11将此信号通过简单的变换就可以得到实时车速信号，Y5，Y6为随动轮控制电磁阀，不同的PWM输出可以控制其开口的大小，从而达到控制随动轮转动速度和角度的控制目的。当系统出现故障时，H12输出报警，提示操作人员进行停车检查或恢复“两轮转向”模式。

3.2 软件编程

有了以上的硬件基础，我们就可以在车载PLC A11中编程来实现对汽车的转向控制。

四轮转向并非一个复杂的概念，困难的是有效地贯彻这个概念，从而在汽车的转向控制中获得良好的结果。目前常用的四轮转向控制方法有：1.固定前后轮转向比的4WS系统；2.前后轮转向比是前轮转角函数4WS系统；3.前后轮转向比是车速函数的4WS系统等。常用的算法有角度PID,逐次逼近算法等。上述控制策略与算法都是针对不同的车型及车辆工作状态做出的不同选择。针对飞机牵引车来说，其主要在机场机坪内活动，当其在顶推牵引飞机时车速很低，当其完成作业后回车库或待机工位时才会用到高一些的车速，又因为各个机场的要求不同，车辆的最高时速限制在28--32公里范围内，所以在设计程序时，必须充分保证车辆在低速状态下的转弯半径，以及在高速行驶时的稳定性，只不过牵引车的高速相对于一般道路车辆的速度低很多而已。另外在车辆行驶过程中，传感器的意外损坏必须考虑有相应的补救措施，否则极易产生随动轮转向过度，

或转向不足等故障，因此在程序的设计中包含对传感器状态的判定以及转向角度的限制，如果发生异常现象，立即通过报警器报警，并转换至“两轮”转向模式。在牵引汽车的程序设计中，将前轮的转向角作为后轮的跟踪目标，采用模糊算法进行跟踪，并将实时车速作为是否实施稳定算法的判据，当车速达到程序设定的限定值时，车速信号作为一个算法因子加入到对后轮转向角的控制，这样就既保证了低速车辆的转弯半径，也保证高速行车的稳定性，下图是牵引汽车的四轮控制的部分程序框图，该程序经过在国内外各机场的实际使用，表现稳定。

Four-wheel steering technology in the towing vehicle

Dang Tao
（Weihai Guangtai Airport Equipment Co., Ltd., Shandong Weihai 264200）

Brief four-wheel steering vehicle application technology, through the study of the airport towing vehicle wheel steering system, a new control method, the follower wheel angle to follow the vehicle speed control factor added on the basis of not only solve the high-speed driving stability problems, but also to ensure that the vehicle's low-speed cornering agility.

Four-wheel steering；Two steering；Control Systems；Program；Algorithms；Airport vehicles

U463.4

B

1671-7988(2014)11-78-03

党涛，就职于威海广泰空港设备股份有限公司。