五万字一文读懂 汽车四轮转向系统（4WS）

欢迎关注我的微信公众号：阿宝1990，每天给你汽车干货，我们始于车，但不止于车。

一 前言

随着现代道路交通系统和现代汽车技术的发展，人们对汽车的操纵性能和行驶稳定性的要求日益提高，对主动安全性日益重视。车辆的操控性是消费者非常看重的一点，而转向系统是判断整车操控性的重要因素之一，车辆的操纵稳定性是关系车辆安全行驶的一项重要性能。

整车厂推出的新车，其轴距更是一代比一代长，使得马路上的大型车越来越多。笨重的

▲国内日渐拥堵的城市道路，使拥有长轴距的车越来越举步维艰。

身躯是否会让以后的交通变得寸步难行呢？汽车的体积和灵活性是一对矛盾体，最直观

的感受就是越大的汽车，转弯抹角越“笨”，也就是转向半径越大。所以通常轴距越短的车越容易改变行驶轨迹，不论是在郊外的羊肠小道、老城的小胡同还是在赛道上。但是汽车是有功能属性的，比如卡车要载货、公交要拉人，家用车太小也会影响空间，而且轴距越短越不利于直线稳定性，这也是赛车不能轴距过短的原因。

目前世界上最主流的汽车驱动与布局方式为前置发动机前轮驱动设计，俗称FF，这样做的目的不仅可以在理论上降低制造成本，同时也可提高车内空间容量。不过从这车型配重的角度上说，前轮驱动毕竟舍去了传动轴以及后差速器等等因素，所以在客观上会普遍导致车头重量要比车尾沉出不少的情况发生，影响操控且容易产生转向不足，这还会受到车轮的悬挂几何设定等因素影响。

为了解决直线稳定性（转向不足）和灵活性（过度转向）这个矛盾，车企与零部件供应商可以说是想尽了一切办法。从倒车影像到倒车雷达，从360度全景影像到自动泊车，虽然车身在不断加大，但是新手司机操作的难度越来越小，停车也越来越便捷。这些配置能较大地帮助新手司机更好地操纵两轮驱动的车辆，但还没从根本上解决问题。对于提高长轴距车型的操控灵活性，工程师们想到了四轮转向甚至多轮转向这个方案。

作为改善汽车操纵性能最有效的一种主动底盘控制技术，提高主动安全性的方法之一——四轮转向技术。四轮转向（4WS)技术是主动底盘控制系统的重要组成，是现代车辆提高操纵稳定性和主动安全性的发展趋势。在固有的思维里，转向或许只是前轮的事情，但在未来，提升转向性能和安全还有一个利器——后轮转向。普通汽车的转向轮都是前轮，四轮转向系统将后轮也作为转向轮，虽然这是大多数人能想象到的方法，但是到20世纪80年代末才被实际应用在汽车上，并伴随着现代汽车工业的发展而不断发展。

近年来，本田、日产、马自达等汽车厂商纷纷推出了带有四轮转向控制系统的概念车，并把一些成熟的四轮转向技术应用到了它的普及型汽车中，提高了其汽车的主动安全性。日产Skyline GT-R向世人证明四轮转向有操控特性的价值。通过电脑辅助，日产的超级HICAS系统启用了严密控制的直排轮刹车。当面临弯角的挑战时，后轮将首先逆向转向，以便提升初始转向响应的敏锐度。然后，当传感器感应到汽车回应转向操控时，后轮将在与前轮相同的方向转向，从而立刻导致后胎的滑动响应，这种响应可有助于调整拐弯的角度。由于电脑在监控着整个过程，转向过度量将一直得到抑制。一些大型卡车和赛车使用了这四轮转向技术，极大地提升了大型车辆的操纵性、稳定性、安全性及舒适性，改变了大型车辆的未来，并可望于未来的几年内成为大型车辆最受欢迎的选装件之一。

为了应对前轮驱动车可能出现的转向不足问题，许多厂家很多年前就推出了一个叫做后轮随动转向的技术，当前轮做出转向动作时，后轮的束角也会有轻微改变，帮助车辆以更好姿态和更稳定的走线过弯，减少类似转向不足的现象出现。其实就有许多带有后轮随动转向的车型，老款的例如富康、塞纳，还有本田PAWS第八代雅阁与讴歌RLX所配备的PAWS技术。

随着对四轮转向技术这一领域研究的不断进展，出现了多种不同结构形式、不同控制方案的实用四轮转向系统，控制和驱动后轮转向机构的方式不同，四轮转向系统有不同类型。四轮转向系统最简单的实现方式就是在前轮转向系统的基础上，在后轮的驱动部分也加一套类似的系统，实现主动转向功能。

四轮转向在多款车型中都有应用，除了能增强车辆的操控灵活性外，还能够提升车辆的操控性能甚至提高行驶稳定性。通过将后轮转向与前轮相反的方向，可以减小车辆转弯半径，显著提高在狭小空间中的灵活性，而前后轮同向，则可以提高车辆高速稳定性。

▲这辆车可不是后轴被撞变形了，而是拥有四轮转向技术，可以缩小汽车的转弯半径，使车身操控变得灵活。

后轮转向同样适用于电动汽车，因为电池在底盘上的布置，电动汽车普遍会有比较长的轴距，长轴距通常会带来较大转弯半径，有了后轮转向后可以提高整车操控性能。

四轮转向可以很好地解决弯道减速问题，很容易实现漂移，也可以降低侧方位停车的难度，但没有普及是有原因的。一方面是，要想实现四轮转向，就不得不在后轴增加一套转向机构（转向机、转向拉杆），以前还需要有一根转向杆从方向盘把扭矩传递到后轴，既占空间又增加重量。现在虽然方向盘的转角能通过电信号传递给后轴转向机，但需要多个传感器监控车辆状态，这些结构都会增加车辆的复杂性，发生故障的概率也更大。现如今，后轮转向系统更多的是出现在高性能的车型上增加它的运动能力，起到锦上添花的作用，还有在类似A8L这种豪华运动轿车或者大型商用车上面作为噱头大于实际的配置，就像后排多媒体一样。

另一方面是，电子稳定控制系统ESP和横向偏摆控制系统TC以及能实现左右轮动力分配的四驱系统统越来越先进，在对车身高速过弯的稳定性上的帮助可以代替4WS的作用，这些系统都在一定程度上替代了后轮转向的功能，通过将动力分配给外侧车轮或对内侧车轮进行一定程度的制动，都能主动给车辆带来带来一定的偏航角度，既能实现辅助过弯的功能又能降低重量和复杂性，能够使四轮转向系统一样纠正转向不足/过度转向，而不会导致成本和重量增加过多不利影响。比如雷克萨斯LX570，在越野模式下，通过电子系统巧妙地对转弯内侧后轮施加制动，这样转向半径就大大缩短，硕大的身躯在山间小路转不过来的问题就迎刃而解了，还省去了一套转向机构的重量和空间。因此，四轮转向在汽车技术舞台上始终有一席之地，却不是所有汽车都需要四轮转向的，并没红得发紫，因此从根本上看4WS的风格属于运动派。

车辆动态稳定ESP系统所衍生出来的功能非常之多，除了基本的高速行驶时的防车轮打滑，纠正车辆姿态这一最基本的功能，ESP还能通过延长释放刹车力，衍生出坡道起步辅助功能，就是当松开刹车时，车辆自动帮多刹车几秒，防止溜坡；还有一些纠偏性能的车辆，像GTI和高尔夫R上面的XDS，其作用就是过弯时，对内侧车轮施加一点制动力，造成内外车轮的轮速差，辅助过弯，减少推头的产生，其实就是模拟机械式限滑差速器（LSD）的效果，所以后轮转向在低速时使转弯半径更小的功能以及在高速过弯时防止失控的功能都能在大部分的情况下被ESP代替掉。

最后是，相比普通的前轮转向汽车，四轮转向技术可以有效提升低速灵活性与高速稳定性，看起来是十分完美的方案，但是因为要通过切换两种不同偏转规律，才能实现这项效果，所以需要精准判断道路场景与驾驶员意图。四轮转向技术最难做的不是结构设计和电子系统，而是如何精准判断驾驶员意图。

传统四轮转向技术的主要依据车速判断，低速逆相位偏转，高速同相位偏转，但方式仍过于粗糙，依然存在弊端。这也是目前限制四轮转向技术发展的最大难题，所以目前乘用车采用的四轮转向系统通常放弃逆相位偏转，将重点放在提升高速稳定性上面。低速时汽车仅依靠前轮转向，车速超过某一限定速度后，后轮才参与进行同相位偏转。不过，由于这种方案的使用场景有限，目前主流的电控液压动力系统还在灵活性、准确性方面受到限制，未能得到普及。

每一项技术都有其时代特征，主动转向通过后桥转向机构让车辆更灵活，然后牵引力控制系统的出现又产生了新的主动解决方案。放眼未来，电动汽车的时代，轮毂电机的出现将会带来更为先进的四轮转向技术。

四轮转向车辆可控自由度高，能有效改善车辆行驶的操纵性、稳定性及安全性，是汽车未来发展的重要方向之一。

二 概述

1.从自动驾驶角度出发，综述了四轮独立驱动/转向电动汽车（4WID-4WIS EV）的底盘配置和控制技术，还包括4WID-4WIS EV样机展示和性能分析等。最后针对4WID-4WIS EV的成本、线性模块集成技术和控制技术等方面的难点提出了一些展望。

对四轮独立驱动/转向电动汽车(4WID-4WIS EV)的底盘配置和控制系统的相关研究进行了综述和讨论。首先介绍了4WID-4WIS EV的一些样机和线控集成模块，并对4WID-4WIS EV的底盘配置进行分析。然后总结了4WID-4WIS EV常用的控制模型，即动力学模型、运动学模型和路径跟踪模型。此外，介绍并讨论了4WID-4WIS EV的控制框架、控制策略和算法，包括稳定性控制、防侧倾控制、路径跟踪控制和主动容错控制。最后，从自动驾驶的角度讨论了4WID-4WIS EV面临的挑战和发展前景。

以底盘配置和控制技术为重点，对4WID-4WIS EV进行了文献综述和展望。介绍了各种4WID-4WIS EV样机和集成化X-by-wire模块。比较并分析了不同的底盘配置和机械结构。此外，讨论了4WID-4WIS EV的转向方式和转换逻辑。总结了4WID-4WIS EV常用的控制模型，包括运动学模型、动力学模型和路径跟踪模型。通过不同的控制模型，可以实现控制目标，包括操纵稳定性控制、防侧翻控制、路径跟踪控制和主动容错控制。对于不同的控制目标，综述并分析了控制算法。最后，对于4WID-4WIS EV的开发和应用提出了一些挑战和展望，包括成本、机械设计、控制技术等。

2.介绍了电控电动式四轮转向（4WS）系统的基本组成结构工作原理，对四轮转向系统的转向电机、整车驱动电机，以及传感器的选取做了较详细的介绍分析。在研究现有4WS电控技术的基础上，提出了在助力转向条件下前、后轮分别由电机驱动，同时由电控单元（ECU）监测控制的四轮转向技术。对未来四轮转向电控技术和展趋势做了进一步的分析展望。

三 定义

四轮转向，顾名思义就是指后轮和前轮一样具有一定的转向功能，四个轮子都能转弯，方向盘向任一方向转动时可以后轮跟前轮一起转向，使四个车轮同时转动，但是后轮转动的角度不会和前轮一样大，一般在5度之内。

所谓四轮转向(four wheel Steering , 4WS)是指汽车在转向过程中，4个车轮可根据前轮或行车速度等信号同时相对车身偏转。在汽车前轮设置转向装置的基础上，后轮也设置有转向装置，转向时四个车轮相对自主偏向车身，后轮可相对车身主动转向，使汽车的四个车轮都能发挥转向作用，称为四轮转向系统(four wheel steering，简称4WS)。四轮转向系统刨去基本上每台车都具备的前轮转向，实际上就是一种后轮转向的技术。通常开的汽车都是前轮负责左右转动，拐弯时方向盘通过转向机控制前轮转动继而带着车身移动，一般的两轮转向车在转弯过程中受到横向力，后悬架的衬套变形后使后轮向内侧变化，被动的使后轮前端改变方向。如果后两个轮子也能左右转动一定角度，那就成了四轮转向(four-wheel steering)。

采用四轮转向系统的汽车在转向时，以改善汽车的转向机动性、操纵稳定性和行驶安全

性。相比起普通的前轮转向(2WS)，采用四轮转向则是主动的控制后轮的转向角。四轮转向汽车的后轮可以与前轮同向偏转，可以反向偏转，如下图所示。

后轮相对于前轮的转向有固定的称法，四轮转向不仅可以与前轮同方向转向，称为同相位转向，或称为同向控制模式。其转弯半径比两轮转向的转弯半径大。四轮转向汽车与两轮转向汽车在高速转弯时转向操纵的比较图，

汽车在40km/h以上行驶时，后轮同向偏转角为2.5°。其作用是汽车在转向时车身与行驶方向的偏转角小，减少了汽车调整行驶转向时的旋转和侧滑，提高了操纵稳定性，且能保证汽车在潮湿路面上稳定地转向。

也可以与前轮反方向转向，称为逆向位转向，或称为反向（逆向）控制模式，其转弯半径比两轮转向的转弯半径小。四轮转向的汽车与两轮转向的汽车在低速转向时，所产生的转弯半径的比较，

低速时后轮逆向偏转角最大为5°，适用于汽车驶入车库和在狭窄的拐角处转弯。随着车速的升高，后轮转向角变小，在车速达到达40km/h时转向角变成0°。这就提高了汽车停车或在狭小空间转向的机动性。

四轮转向以方便驾驶者根据意愿改变汽车的行驶方向，若后轮能在转弯时也能偏转一定角度可抵消这样的侧偏。在高速行驶的时候四个轮子往一个方向转，后轮相对于前轮同向偏转，从而迫使汽车横摆角度和横摆角速度大大减小，可以理解为在车辆变线的时候有平移到另一个车道的趋势，便于由一个车道向另一个车道的移动调整，在轿车高速行驶时以减少调头时的转弯半径，保证了高速转弯时车辆的稳定性，避免侧滑、推头等现象的产生，提高行驶的操纵性、稳定性和舒适性，增强轿车在高速行驶或在侧向风力作用下的操纵稳定性，确保高速行车安全。

在低速有限空间进行转弯时，转弯的角度会非常受限，在转弯转向盘转动角很大时，后轮转向反向，其后轮相对前轮反向偏转，这样可以大大减小转弯的半径，在一些空间狭小，运动环境较差的环境中，当汽车急转弯、掉头、避障或进出车库时，转向半径减小，使用四轮驱动四轮转向可以提高机动性、转向的响应速度，使车辆在低速转弯时更加灵活，改善低速时的操纵轻便性。

图：像这种全地形车，在狭小的路段调头或者转向时，四轮转向系统可以帮助其最大化利用狭小的空间。

四 组成

1.机械式四轮转向系统组成

下图所示为机械式四轮转向系统，在两轮转向装置(2WS)的基础上，增设前轮转向器、后轮转向器和中央轴等元件。其前后轮都设置有转向器，两转向器之间用机械装置连接，前轮转向角决定后轮转向角。通过一根轴直接连接前和后转向器，前轮的转动角度通过一定的齿比决定后轮的转动角度。

机械式四轮转向

当转动转向盘时，前轮转向器中的小齿轮由齿轮—齿条式转向器的齿条带动，将齿条的左右运动再变换为小齿轮的转动，经中央轴使后轮转向器的转向齿轮产生动作。

当转向盘转动量小时，后轮与前轮同向偏转；当转向盘转动量大时，后轮与前轮反向偏转。这样可以提高汽车高速时的操纵稳定性，并可以减小汽车的转弯半径。

2.液压式四轮转向

主要由前轮动力转向器、前轮转向油泵、控制阀及后轮转向动力缸、后轮转向油泵、控制阀及后轮转向动力缸、后轮转向油泵等组成。后轮转向系统由控制阀、后轮转向油泵和后轮动力缸组成。控制阀的内腔被柱塞分割成几个工作油腔，左、油腔分别与前轮转向动力缸的左、右油腔相通，往。。。如下图，

1-储油罐 2-转向油泵 3-前轮动力转向器 4-转向盘 5-后轮转向控制阀 6-后轮转向动力缸 7-铰接头

8-从动臂；9-后轮转向专用油泵

液压式四轮转向

3.电控电动式四轮转向系统

结构简单很多，只有电控三大件，通过输入信号控制输出执行机构电动机的转向。

电控电动四轮转向系统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。

电动四轮转向系统由微机控制单元、前后轮转向执行器、主副前轮转向传感器，主、副后轮转向传感器、后轮转速传感器、车速传感器等组成。后轮转向执行器包括一个通过循环球螺杆机械驱动转向齿条的电动机。执行器内的复位弹簧在点火开关关闭时或四轮转向系统失效时将后轮推到直线行驶位置。一个后轮转角传感器和一个副后轮转角传感器安装在后轮转向执行器的顶端。

典型电控电动式4WS系统主要由前轮转向机构（前后轮转向执行器）、传感器（主、副后轮转向传感器、后轮转速传感器、车速传感器、主副前轮转向传感器等）、电控单元（微机控制单元ECU）、步进电动机、减速器和后轮转向机构等组成。如下图，

电控电动式4WS系统是指采用电子控制、电机助力的4WS系统，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，结构上相互独立。采用电子控制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。

本文介绍的电控电动式4WS系统前轮仍采用传统的转向系统，后轮采用电子控制、电机驱动的直接助力式电动转向系统，结构如下图。

转向时，前轮转角、车速、横摆角速度传感器等信号送入ECU进行分析计算，ECU确定后轮转角并向步进电机输出驱动信号，通过后轮转向机构驱动后轮偏转以适应前轮转向，实现四轮转向。

主要部件

（1）传感器

传感器的功用是检测汽车转向时的有关运动物理量，并转换成电信号，输入到ECU中，供ECU进行分析计算。

1 ）前、后轮转角传感器

分别安装在前、后轮转向机构靠近车轮的一侧，采用非接触型霍尔元件传感器，用来检测前、后车轮的瞬时偏转角。

2 ）车速传感器

安装在车速里程表的转子附近，采用光电式车速传感器，将汽车前进速度检测出来，以脉冲信号的形式输出，送入四轮转向系统ECU，同时将电信号输入到自动变速器ECU。

3 ）车身横摆角速度传感器

安装在汽车质心处的车身上，采用压电射流角速度传感器，检测汽车转向行驶时的车身横摆角速度，以电信号的形式输入ECU，ECU输出控制信号，实时控制汽车的转向运动，保证汽车转向行驶时的动态稳定性。

（2）电控单元（ECU）

ECU是4WS系统的核心，其功用是根据制定的控制方案，按照编制的程序对各种传感器输入信号进行分析、计算、处理，输出一定的控制信号指令，驱动步进电动机动作。其电控单元的控制框图如下图，4WS系统ECU主要由输入信号调理电路、微处理器、输出信号处理电路、电源电路等硬件部分和控制程序、软件平台等软件部分组成。为保证控制系统可靠地工作，电控单元还必须采取有效的抗干扰措施和故障自诊断处理措施。

后轮转向执行器包括一个通过循环球螺杆机械驱动转向齿条的电动机。执行器内的复位弹簧在点火开关关闭时或四轮转向系统失效时将后轮推到直线行驶位置。一个后轮转角传感器和一个副后轮转角传感器安装在后轮转向执行器的顶端。

（3）步进电动机

电动机采用步进电动机，其功用是根据ECU的指令输出适宜的转矩和转角，驱动后轮转向机构，控制后轮的转向，是后轮转向系统中的驱动执行元件。步进电动机是一种数字控制电动机，将数字式电脉冲信号转换成角位移，控制性能好，非常适合于单片机控制。采用步进电动机的主要优点是：步进电动机的角位移与输入脉冲数严格成正比，随动性好，可与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统；动态响应快，易于实现起停、正反转及变速；具有自锁和保持转矩能力；结构简单，坚固耐用，抗干扰能力强。

（4）减速机构

减速机构的功用是降低步进电动机转速，增大步进电动机传递给转向传动机构的转矩，常采用蜗轮蜗杆机构或行星齿轮机构。

（5）后轮转向传动机构

不同的车型，后轮转向传动机构的结构形式也不一样，可采用传统的转向机构形式，也可根据汽车后悬结构和行驶转向要求，设计特定结构形式的后轮转向机构。

发动机工作时，如果转动转向盘，四轮转向控制单元接收所有传感器的信息并进行分析，通过内部预设的控制模式，确定后轮的偏转角。然后控制后轮偏转机构中的电动机驱动球形滚道螺母转动，推动球形滚道螺杆移动，使后轮发生偏转，电控单元再根据后轮偏转机构中的主、辅偏转角传感器反馈信号，对后轮的偏转角进行修正。

当车辆高速行驶时，后轮与前轮同向转动，通过后轮同向内摆，强行拖拉可抵消因车身高速行驶转弯而产生的离心力。四轮同向同角度转弯，在高速上可以平行超车；低速行驶时，后轮与前轮反向转动，实现减小转弯半径，让车身更灵活；高速直线行驶时，后轮向内收，形成内八字，增加车身稳定性，类似于前轮的负前束。

更多的汽车厂商，通过增配后轴转向系统/电机，选择采用更智能化的后轮主动转向技术。它们在后轮轴上安装了由汽车计算机控制的转向机，根据车速、方向盘转角等信息，由电脑计算出后轮需要偏转的角度。这样的系统显然更加“聪明”，但是造价也更高，目前还只局限于中高端豪车汽车上，比如保时捷多款新车宝马7系、奥迪A8(参数|询价)、凯迪拉克CT6等。未来整体的发展还取决于市场接受度和制造成本的下降。

4.电控液压式四轮转向

下图所示的是电控-液压驱动四轮转向系统。主要由电控三大件（传感器、ECU和执行器），液压油和管路组成，通过油路流向变化产生不同方向的液压力，从而推动左或右转动；

电控-液压驱动四轮转向系统

下图所示为一种液压式四轮转向系统。它由1、储油罐 2、油泵 3、后轮控制阀 4、节气门位置传感器 5、真空助力器 6、转向盘转角传感器 7、4WS电控单元（ECU）8、车速传感器 9、轮速传感器 11 、动力缸 10 、电磁阀等组成。

电控-液压驱动四轮转向系统

这种电控液压式四轮转向系统对汽车的运行状况随时进行综合判断，可以精确控制后轮偏转角，从而提高汽车中、高速行驶过程中的操纵稳定性。液压油自油泵输入到电磁阀和后轮控制阀，根据4WS电控单元的指令，然后进入能控制后轮偏转角的动力缸。4WS电控单元对后轮偏转角的控制分成两部分：基本控制和修正控制。基本控制包含稳定性控制和回正控制。

汽车高速行驶时，慢速转动转向盘，后轮与前轮同向偏转，进行稳定性控制；汽车低、中速行驶时，在转动转向盘的最初阶段，后轮与前轮逆向偏转，然后逐渐回正，即进行回正控制。修正控制则是根据道路交通状况和驾驶员的操作情况对后轮的同向偏转量或逆向偏转量进行修正，使后轮达到期望的偏转角度。该转向系统的后轮最大偏转角较小，汽车最小转向半径的减小有限。

（1）组成

1）电子控制单元

2）传感器

①主前轮转角传感器

②副前轮转角传感器

③主后轮转角传感器

④副后轮转角传感器

⑤后轮轮速传感器

⑥车速传感器

3）后轮转向执行器

（2）转向特性图

五 原理

1.内轮差的定义

可能会遇到这种情况，往往前轮已经转过来了，后轮却碰到马路牙子，甚至轮毂擦到路肩了，原因是车辆转弯时，前、后车轮的运动轨迹是不重合。车辆转弯时前内轮的转弯半径与后内轮的转弯半径的差值就是内轮差。

2.四轮转向技术的两种偏转规律

一般来说，四轮转向技术根据行驶条件的差异，前后车轮可出现不同的转角角度，帮助车辆更好的过弯或变道。早期四轮转向技术仅有转角随动型机械结构，前后车轮恒定为逆相位转向，因为这种状态仅适合低速场景，严重影响高速稳定性，所以只有一些军用车辆和工程车辆应用。随着后期技术的发展，又研发出车速感应型四轮转向技术，可以根据车辆速度的不同，实现逆相位转向与同相位转向两种偏转规律。

在低速转弯或方向盘转角较大的情况下，前后车轮呈逆相位转向，偏转方向相反，后轮角度通常还会随着转角增加，在一定范围内增大（一般为5°），进而缩小车辆的转弯半径。在环境复杂的越野道路、狭窄小路、停车等场景中，逆相位转向可以有效提升车辆灵活性。

高速状态下，四轮转向技术改为同相位转向，偏转角度相同，但由于这时车速提升，后轮的偏转范围远小于逆相位转向（一般为1°）。采用同相位转向的车辆，可使高速行驶时的车身横摆角速度减小，有效抑制车身发生动态侧偏的倾向，提升操控稳定性。

3.转向特性

汽车电子控制四轮转向在低速和高速时的转向特性是

（1）提高汽车在高速行驶或在侧向风力作用时的操作稳定性；

（2）能在整个车速范围内提高车辆对转向输入的响应速度；

（3）改善在低速下的操纵轻便性，以及减小汽车转弯半径，改善机动性。四轮转向汽车在低速转弯时，前后车轮逆相位转向，可减小车辆的转弯半径；在高速转弯时，前后轮主要作同相位转向，能减少车辆质心侧偏角,降低车辆横摆率的稳态超调量等，进一步提高车辆操纵稳定性。

（1）低速时的转向特性

低速转向：前轮转向和后轮转向的方向相反。不同厂家对低速的界定范围不一样，像保时捷panamera就是以50km/h为界，雷诺则是60km/h。

下图所示的是汽车低速时转向特性如下图。前轮转向（2WS）汽车的情况是后轮不转向，所以转向中心大致在后轴的延长线上。4WS汽车的情况是对后轮进行逆向操纵，转向中心比2WS汽车靠近车体处。在低速转向时，若两车前轮转向角相同，则4WS汽车的转向半径更小，内轮差也小，转向性能好。数据显示对轴距为2700mm的乘用车而言，如果后轮逆向转向5度，则可以减少最小转向半径0.5米，内轮差约0.1米。

当汽车车速低于29km/h时，转动转向盘，后轮会产生与前轮转向相反的方向转动；当车速为零时，后轮最大转向角是6°。后轮转向角减小的程度随车速变化而变化，在29km/h时后轮转角几乎为零。

（2）高速时的转向特性

改善稳定性

直行汽车的转向实际上是两个运动的合成，即汽车的质心点绕改变前进方向的转向中心的公转和绕自身质心点的自转运动。

如下图所示为两轮转向车辆高速转向时的运动状态：前轮转向时，前轮产生侧偏角a并且产生旋转向心力使车体开始自转。高速时两轮转向的转向特性如下图。

当车体出现偏向时，后轮也出现侧偏角β，且产生旋转向心力。4个车轮分担自转和公转的力，一边平衡一边转向。但是，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。为了使后轮产生与此相对应的侧偏角，车体就会产生更大的自转运动。但是，车速越高，车体的自传运动越不稳定，容易引起车辆的旋转或侧滑。高速时两轮转向的转向特性如下图。

理想的中高速转向的运动状态是前轮转向和后轮转向的方向相同，减小转向过程中的横向移动，尽可能使车身的倾向和前进方向一致，这样才能使后轮产生足够的旋转向心力，以防多余的自转运动，提高转向灵活性和稳定性。通过对后轮的同向转向操作，使后轮也产生侧偏角a，使它与前轮的旋转向心力平衡，从而抑制自转运动，这样就有可能得到车身方向与车辆前进方向一致的稳定转向状态。如下图所示。

高速转向时2WS与4WS汽车运动状态比较

当车速增至大于29km/h时，转向盘在最初的200°转角内后轮转向与前轮一致。在这个车速范围内，转向盘转角大于200°时，后轮会与前轮转向相反方向偏转。当车速提高到96km/h且转向角为100°时，后轮将会与前轮相同方向转动约1°。此时方向盘转动50°，后轮将会沿前轮相反方向转动大约1°。

当汽车方向盘的转角和车速确定的时候，那么前轮转向（FWS）汽车的行驶状态是单一的，而四轮转向汽车的行驶状态则会随着后轮与前轮之间的角度不同或相同而变得多种多样，产生不同的行驶状态，以满足汽车安全性、机动性操纵稳定性等性能需求。汽车在做高速直线行驶时，由于受到不平路面和侧向风的影响经常会走偏。这时有四轮转向装置的汽车的微处理机就会根据车速和前轮转角加以计算，确定后轮的转角数值，以变动对变动来保持车子行驶的稳定性。

4.工作原理

1）机械式四轮转向

当转动转向盘时，前轮转向器中的小齿轮由齿轮—齿条式转向器的齿条带动，将齿条的左右运动再变换为小齿轮的转动，经中央轴使后轮转向器的转向齿轮产生动作。

当转向盘转动量小时，后轮与前轮同向偏转；当转向盘转动量大时，后轮与前轮反向偏转。这样可以提高汽车高速时的操纵稳定性，并可以减小汽车的转弯半径。

2）液压式四轮转向

这种液压式四轮转向系统对汽车的运行状况随时进行综合判断，可以精确控制后轮偏转角，从而提高汽车中、高速行驶过程中的操纵稳定性。液压油自油泵输入到电磁阀和后轮控制阀，根据4WS电控单元的指令，然后进入能控制后轮偏转角的动力缸。4WS电控单元对后轮偏转角的控制分成两部分：基本控制和修正控制。基本控制包含稳定性控制和回正控制。

汽车高速行驶时，慢速转动转向盘，后轮与前轮同向偏转，进行稳定性控制；汽车低、中速行驶时，在转动转向盘的最初阶段，后轮与前轮逆向偏转，然后逐渐回正，即进行回正控制。修正控制则是根据道路交通状况和驾驶员的操作情况对后轮的同向偏转量或逆向偏转量进行修正，使后轮达到期望的偏转角度。该转向系统的后轮最大偏转角较小，汽车最小转向半径的减小有限。

3）电控电动式四轮转向

四轮转向系统前轮采用传统转向系统，后轮采用直接助力式电动转向系统

发动机工作时，如果转动转向盘，传感器（前轮转角、车速、横摆角速度传感器）将前轮转向的信号和汽车运动的信号送入ECU，ECU进行分析计算，通过内部预设的控制模式，确定后轮转角，向步进电动机输出驱动信号，步进电动机动作，通过后轮转向机构控制驱动后轮偏转：控制后轮偏转机构中的电动机驱动球形滚道螺母转动，推动球形滚道螺杆移动，使后轮发生偏转。同时ECU进行实时监视汽车状况，电控单元再根据后轮偏转机构中的主、辅偏转角传感器反馈信号，计算目标转向角与后轮实际转向角之间的差值，来实时调整后轮的转角，对后轮的偏转角进行修正以适应前轮转向。这样可以根据汽车的实际运动状态，实现汽车的四轮转向。

系统可设有两种转向模式，既可进入4WS状态，也可保持传统的2WS状态，驾驶员可通过驾驶室内的转向模式开关进行选择。当4WS汽车在行驶过程中电子控制系统出现故障时，后轮自动回到中间位置，汽车自动进入前轮转向状态，保证汽车像普通前轮转向汽车一样安全地行驶。同时仪表板上的4WS指示灯亮，警告驾驶员，故障情况被存储在ECU中，以便于维修时检码。

上述的电控电动式4WS系统后轮转向装置属车速感应型，其工作特点是后轮偏转的方向和转角大小主要受车速高低的控制，同时也响应前轮转角、横摆角速度的变化。ECU根据设定的控制策略，通过程序控制，实现汽车的四轮转向。在低速行驶或者方向盘转角较大时，前、后轮实现逆相位转向，且后轮偏转角度随前轮转角增大而在一定范围内增大。这种转向方式可改善汽车低速时的操纵轻便性，减小汽车的转弯半径，提高汽车的机动灵活性。在中、高速行驶或方向盘转角较小时，前、后轮实现同相位转向。使汽车车身的横摆角速度大大减小，可减小汽车车身发生动态侧偏的倾向，提高汽车高速行驶的操纵稳定性。

5.四轮转向技术专利

丰田的四轮转向技术

丰田汽车已经向美国专利商标局，申请了一项全新的“四轮转向”专利。从专利介绍中可知，该专利中的车辆，四个车轮均搭载独立的轮毂电机，并且可以自由改变前进方向，由轮毂电机驱动车轮前后移动，继而实现转向功能。该专利文件还展示了车辆的横向、斜向和原地旋转的运动方式。由于车辆的各种运动方式不同于传统车辆，因此需要新型“声学或光学”提示信号，让车辆附近的驾驶员和行人了解该车辆接下来的运行情况。例如，当四个车轮均旋转90°时，可以实现车辆的横向移动。在路边停车时，也不再需要运用各种侧方停车的技巧了。只要前后距离合适，就可直接将车辆横着开进车尾，简单粗暴，省时省力。

根据丰田的专利信息显示，这次申请四轮转向专利是通过在每个车轮上安装独立电机，使单个车轮最大转角可达90°，可以实现同相位转向和逆相位转向两种偏转规律。其采用的电机相比电控液压动力系统在控制性能、系统布置、节能等方面，也有着更好的表现。

而如果每个车轮，分别往前后两个方向的内侧，旋转45°，就可以实现车辆的原地转圈掉头，在狭窄的道路上，这项功能十分实用。

不同于传统四轮转向系统，丰田的专利不再受限于辅助提升低速灵活性与高速稳定性，而是实现更多灵活场景应用。该专利的车轮转角范围大幅提升，前后车轮均可实现90°偏转，也就是说可以进行原地掉头或平移驶入车位，在一些特殊路况和停车场景下，拥有更强的适用能力。另外，丰田的专利也支持四轮同角度偏转，进行斜向行驶。

为了配合这套四轮转向系统的特别功能，丰田还在专利中申请了新型的声光提示信号，通过特殊规律的灯光闪烁或图像信息，告诉其它交通参与者接下来的运动方向。

与传统四轮转向技术不同，丰田新型四轮转向技术不仅保留了优化车辆动态性能的能力，还可以为车辆提供更多行驶方式，解决了更多现实的需求。当然，这种方式依然存在相同的问题，四轮转向技术想要真正普及，还需等待高阶自动驾驶时代的到来。

虽然汽车车轮随意改变角度，实现横向或者原地掉头的设想，很早之前就已提出，但目前还没有量产车型上使用该设计。而此次丰田的相关专利亮相，或许意味着这项技术可能很快就会出现在我们的生活之中。

福特汽车将为一项全新的全轮转向技术申请专利，并想要将这项技术应用道福特F系列卡车上。

全轮转向并不是多新鲜的技术了，这项技术在80年代左右就开始应用了，如保时捷911、布加迪Chiron、兰博基尼Huracan Evo等高端汽车都有应用。除了高端车型外，作为“老三样”的雪铁龙富康也使用过四轮转向，不过，富康身上的这套四轮转向系统并不是多么复杂的高科技，只是对后扭力梁悬挂进行了独特的设计，让其与车身间形成软性连接，这种四轮转向又被称为后轮随动转向，虽然能够提升一些性能，但是比较有限。

此外还有一种后轮主动转向，后轮主动转向功能一般配备与豪华车上，如宝马7系，奥迪Q7的高配车型等。主动式全轮转向系统还被广泛的应用到重型机械以及巨型卡车上，以提高其在狭窄路况下的灵活性。

从专利图片来看，F系列Super Duty（超重型）卡车将采用四轮转向新设计，而此种设计通常是保时捷911、兰博基尼Aventador SVJ和布加迪Chiron等现代超级跑车的最典型特征。

专利申请的日期是2019年12月12日，不过，为什么福特公司要开发此类系统，甚至投入量产呢？因为四轮转向有几个优点，如转向响应更好、转弯更稳定、转弯半径更小、在恶劣地形上驾驶时操控性能更好。

该系统利用了阿克曼转向几何学（Ackermann steering geometry），可让机械连接的车轮在转弯和转向时能够同时运动。此种悬架几何学不仅可以实现配备活动后轴的后轮转向，还能改善整体性能，而福特重型卡车就采用了活动后轴悬挂配置。阿克曼转向几何学可以在车辆转弯时，防止轮胎绕不同点转弯。也就是说，可以减少轮胎摩擦，从而可以改善操控性。

如果福特卡车采用了该新型转向技术，将提升其性能和机动性，也会是福特首次将全轮转向技术应用其车辆上。

福特申请的全轮转向专利将以电子控制的方式进行激活和控制，也就是说这是一种主动式全轮转向系统。专利中还提到了使用阿克曼转向几何学，该几何学旨在防止在转弯时内外胎绕不同圆心转弯的问题。

主动式全轮转向系统能够极大的提升车辆的操控性以及灵活性。

6.四轮转向的最优控制

（1）关于轮胎侧偏特性对于转向性能的分析

1）汽车轮胎侧偏刚度对控制系统设计的影响

汽车轮胎的侧偏性是汽车稳定操作的重要因素，侧偏特性主要是指汽车运动过程中偏力、回正力矩与侧偏角之间的关系。侧偏力与侧偏角的符号相同，路面摩擦系数为特定的数值时，当侧偏力较大时，侧偏角则以较大的速率增长。曲线的斜率逐渐减小时，就会导致轮胎在接地面处发生部分的侧滑。最大侧偏力的值越大，汽车的极限性能就越好，汽车能够在正常的轨道上行驶。同时，值得注意的是，轮胎侧偏刚度超过线性区，轮胎的刚度会变小，而需要四轮转向控制策略计算出较大的车乱转角，使得较大的轮胎侧偏力来保持汽车的稳定性和安全性。

2）轮胎侧偏刚度的分区和设定

在汽车四轮转向系统中，汽车轮胎侧偏刚度主要的影响因素是轮胎气压、垂直载荷以及路面摩擦系数的影响。当预知路面附着系数的前提下，可以根据系数基础下的轮胎侧偏刚度特性对于车辆进行控制，可以采用最小二乘法对于所划定的轮胎侧偏刚度进行计算，从而根据实际的数学计算得出最优化的问题。

根据魔术轮胎模型计算出来的刚度特性曲线，得到如下的计算效果[2]。

（2）关于四轮转向数学模型的建立

1）二自由度的汽车四轮转向动力模型的简述

二自由度车辆模型可以方便快捷的说明车辆操作系统在动力发展方面的特征，对于车辆在转向过程中的车辆不足转向以及转向过度的特性具有实际的作用。二自由度车辆模型对于汽车控制来讲是一个简单的实用的数学模型下图为计算汽车自由度的动力学方程。

2）关于二自由度四轮转向权模型

在汽车二自由度四轮转向权模型建立时，一定要充分考虑轮胎侧偏刚度非线性特性的车辆运动情况。通过相邻的两个轮胎侧偏刚度之间的用权函数来解决，从而实现车辆转向过程中的平滑过度。为了验证权函数的选取是否合理，对于前轮单胎和后轮单胎的的偏力角变化曲线进行研究。在实际研究中，为了验证二自由度权模型的准确性，可以对二自由度线性模型、二自由度权模型的仿真对比分析，能够更加准确的得到汽车的实际情况。

在解决汽车四轮转向问题上寻求最优二次控制就是追寻最优控制的方法。在进行线性二次方程的计算中，要仔细考虑对终端误差的变化，严格讲终端误差的代价函数植入到方程的计算中，保证达到终端状态的误差最小化。在积分项的计算中第二项与消耗的控制中成正相关的关系，消耗的值越大，性能指标越大。总而言之，通过性能指标最小则表示用合适的控制量来保持较小的误差，最终达到能量消耗、动态误差以及终端误差的最优化。

（3）四轮转向车辆理想跟踪目标设计

在关于汽车转向的四轮稳定性能的控制上，一般是保持轨迹以及运动稳定性的问题。在轨迹稳定性问题上，可以将车辆作为一个质点，通过合理解决轮胎的纵向力和侧向力决定。汽车驾驶员在行车过程中沿着车辆的纵轴线方向，能够对于车辆质心侧偏控制在合理的范围。当汽车在低速行驶时，汽车的轮胎侧偏角很小，通过控制前后轮的偏转保持轨迹的稳定。但是，无论是高速行驶还是低速行驶，质心侧偏角维持在零左右[6]，一般有最佳的驾驶视野、能够更好的更完整的对于路面状况进行校正，得到合理的数据。

（4）基于权函数四轮转向的设计研究

对于四轮转向汽车而言，在权函数四轮转向的研究上，可以通过双移线行驶对比分析进行探讨。当前后轮胎侧偏角平均值达到6 度左右时，轮胎侧偏刚度实现了从线性区到缓平区的变化。一般来讲，四轮转向车辆的侧向加速度比前轮转向汽车要小，然而前轮转向汽车的质心偏角相对较小，这样车辆能够在行驶过程中，更加接近期望的目标轨迹。同时，当四轮转向汽车以80km/h 行驶时[7]，汽车的前轮转向基本能够实现期望的行驶性能。

（5）最优控制的现实意义

四轮转向汽车在稳定汽车操作，提高汽车动力性能方面具有潜在的研究价值和应用发展前景。研究汽车四轮转向的最优控制，不仅是提高汽车操作稳定性，保证汽车在低速行驶的灵活性，同时研究汽车四轮转向对于高速行驶的汽车的稳定性和安全性具有重要的意义。

四轮独立驱动/转向电动汽车配置与控制综述与展望

转向系统、驱动系统和制动系统都可以采用线控的方式，采用X-by-wire模块，车辆可以轻易地实现精确的动态控制以提高主动安全性。四个X-by-wire模块组成了四轮独立驱动/转向电动汽车（4WID-4WIS EV），其转向角和驱动/制动力矩可以被独立控制。因此，4WID-4WIS EV可以轻易实现多目标优化控制，如操纵稳定性控制、防侧翻控制和路径跟踪控制。因此4WID-4WIS EV被认为是一个理想的电动汽车开发平台。

近年来，4WID-4WIS EV被广泛研究。一些整车厂和大学设计开发了相关样机。此外，还研究了各种控制框架、算法和策略。但是4WID-4WIS EV的关键问题并没有被解决，这阻碍了其商业化应用的进程。针对自动驾驶，本文综述了4WID-4WIS EV的底盘配置和控制技术，最后针对4WID-4WIS EV的技术难点提出了一些展望。

本文其余部分内容如下：第2章介绍并分析了4WID-4WIS EV的底盘配置，第3章介绍了4WID-4WIS EV的典型控制模块，第4章综述了4WID-4WIS EV的控制框架和控制算法，第5章提出了4WID-4WIS EV未来发展的挑战和展望，最后第6章总结全文。

2 4WID-4WIS EV的底盘配置

该章节主要侧重于4WID-4WIS EV底盘配置分析。首先，将会介绍4WID-4WIS EV的典型样机并分析其配置。然后综述4WID-4WIS EV的关键部件——X-by-wire模块，并对不同模块进行了比较分析。最后分析了4WID-4WIS EV的转向方式，介绍了不同转向方式之间的切换逻辑。

2.1 4WID-4WIS EV的底盘配置分析

图1 4WID-4WIS EV的底盘配置

如图1所示，4WID-4WIS EV由四个集成了转向、驱动、制动和悬架系统的X-by-wire（线控）模块组成。线控模块中包括三种执行器：线控转向执行器、线控驱动执行器和线控制动执行器。线控转向执行器通常与转向主销集成在一起，该主销可以是虚拟主销亦可是悬架系统的一个部件。与轮辋集成的轮辋电机通常作为线控驱动执行器，与传统的集中式驱动系统相比，取消了减速器、差速器和半轴。电动液力制动系统（EHB）和电动机械制动系统（EMB）通常作为线控制动执行器。

由于采用X-by-wire模块，转向角和驱动/制动力矩可以被独立控制，因此4WID-4WIS EV相比于传统车辆有更多的自由度（DOF），这使其有更多的转向和运动模式。

2.2 4WID-4WIS EV样机

近年来，许多公司企业和大学正在着力研究4WID-4WIS EV，图2中展示了一些4WID-4WIS EV样机。作为一款外观前卫的车辆，丰田的Fine-T配备了4WID-4WIS技术，可以实现原地转向，有利于在狭窄区域内停车。此外，日产还设计了三代4WID-4WIS EV的概念车，即PIVO1,PIVO2和PIVO3。ROboMObil是一款4WID-4WIS自动驾驶的电动汽车。随着4WID-4WIS技术应用，它不仅展现了在低速情况下强大的机动性，如停车，还展现了高速情况下的操纵稳定性。DFKI EO Smart 2是一款专门为巨型城市设计的高度灵活的微型概念汽车。此外，4WID-4WIS可以改变汽车高度和长度以进一步提高机动性能。除单车自动驾驶外，EO Smart 2还可实现编队自动驾驶。通过智能转角模块，舍弗勒的Mover可以作为在城市空间中自动和可持续移动的解决方案。通过底盘配置重构，舍弗勒的Mover可以应用在不同类型的车辆上。除了汽车公司，一些大学也开发了一些4WID-4WIS EV样机.

图2 4WID-4WIS EV样机 (a) 丰田Fine-T;(b)日产PIVO3; (c)ROboMObil;(d) DFKIEO Smart 2; (e) 舍弗勒Mover;(f) 吉林大学;(g)CUHK OK-1;(h) MIT Hiriko; (i)UTM;(j) 同济大学

表1显示了几种4WID-4WIS EV样机的性能分析。大多数样机的转向角范围可达180°，有利于提高车辆的机动性。与高校设计的原型车相比，汽车公司开发的原型车具有更高的车速，更接近乘用车的性能要求。一些4WID-4WIS EV样机可以实现简单的自动驾驶功能，例如自动泊车。ROboMObil和DFKI EO Smart 2可以实现高级自主驾驶。

表1 4WID-4WIS EV样机性能分析

2.3 4WID-4WIS EV的集成线控模块

4WID-4WIS EV的关键部件是集成了转向、驱动、制动和悬架系统的集成线控模块。四个线控模块构成了4WID-4WIS EV的底盘。图3展示了四种典型的线控模块，其中前三个是成熟的产品样机，（b）和（c）已应用于Schaeffler Mover和ROboMObi。图（d）是由作者自行开发的。

图3 4WID-4WIS EV的集成线控模块

表2展示了四种集成线控模块的结构分析情况。四个线控模块的转向执行器具有类似的结构，即伺服电机和减速器。但是，四个转向执行器的布置位置不同，即位于车轮上方（图3a和b）、车轮内部（图3c）和车轮旁边（图3d）。由于转向执行器的布局位置不同，因此会产生不同的转向范围和控制问题。如果将转向执行器位于车轮上方，则可以实现零主销偏移从而降低转向阻力。但是会增加线控模块垂直方向上的尺寸。如果将转向执行器位于轮车旁，则线控模块垂直方向上的尺寸可以减小，但会带来较大的转向主销偏移量，对转向电机性能要求较高。如果转向执行器布置在车轮内，则可以减小线控模块垂直方向上的尺寸和转向主销偏移量，但会增大轮内空间布局的难度。

表2 4WID-4WIS EV的集成线控模块结构分析

种线控模块的执行器均采用轮毂电机。Protean 线控模块采用PD18轮毂电机，输出的功率和转矩是四种线控模块中最高的。制动执行器均采用液力制动和电机再生制动的混合制动系统。所采用的悬架系统可以分为烛式、纵臂式和双叉臂式三种。相比于烛式悬架和纵臂式悬架，双叉臂悬架有更好的横向刚度和侧倾刚度，有利于提升车辆在侧向加速度较大的情况下的安全性。从表1可以看出，ROboMObil的设计速度100 km/h是所有原型车中是最大的。

2.4 转向模式和切换逻辑

图4 4WID-4WIS EV的转向模式

（a）前轮转向（b）后轮转向（c）四轮转向（d）斜向移动（e）横向移动（f）原地转向

如上所述，由于采用了线控模块，每个车轮的转向角都可以独立控制。因此，4WID-4WIS EV比传统车辆具有更多的转向模式。如图4所示，包括前轮转向（FWS）、后轮转向（RWS）、四轮转向（4WS）、斜向移动、横向移动和在狭小空间内原地转向。主动四轮转向除了可以提高汽车低速条件下的机动性，还可以改善高速时的操纵稳定性。

为了应对不同工况，高效的转向模式切换是十分必要的。同济大学的陈辛波等基于转向中心连续原理提出了一种转向模式的切换逻辑，该方案可实现低速行驶时不停车的平稳切换。通过实车测试，研究了FWS和RWS、RWS和4WS的切换逻辑。为了使模式切换过程中车辆动力学参数的突变和能量消耗达到最低，研究者们提出了B样条曲线来设计切换轨迹，并用多目标遗传算法对其进行优化[45]。陈辛波等基于4WID-4WIS EV的运动学和动力学模型，设计并验证了转向模式切换策略[46]。为了在高速条件下实现FWS和4WS之间的切换控制，设计了鲁棒控制器[47]，旨在实现侧偏角和横摆角速度的平滑过渡。

3 4WID-4WIS EV的控制模型

该章节主要综述了4WID-4WIS EV常用的控制模型，包括车辆动力学模型、车辆运动学模型和路径跟踪模型。

3.1 车辆动力学模型

车辆动力学模型通常用于描述车辆高速条件下的动力学特性，主要通过牛顿定律推导。根据控制自由度的数量，车辆动力学模型有各种演变形式。一个复杂的动力学模型可以精确地描述车辆的动力学特性。然而，由于复杂模型具有很强的非线性和耦合性，这将给控制器的设计带来困难。虽然可以通过一些假设来简化车辆动力学模型，但在某些情况下假设条件是无效的。例如，线性轮胎模型的假设在极端条件下是不成立的。

在车辆动力学控制方面，研究人员通常考虑纵向运动、横向运动、横摆运动和侧倾运动。图5显示了4WID-4WIS EV的动力学模型。根据图5，四自由度车辆动力学模型可以用以下表示：

其中，vx是纵向速度，β是侧偏角，r是重心的横摆角速度，ϕ是侧偏角。另外∑Fx是轮胎的总纵向力，∑Fy是轮胎侧总侧向力，∑Mz是横摆力矩，∑Lx是侧倾力矩。Fw是空气阻力，Ff是滚动阻力。m是汽车的质量，ms是汽车的簧上质量。Iz是横摆惯性矩，Ixz是惯性积，Ix是侧倾惯性矩。δi (i=fl,fr,rl,rr)是每个车轮的转角（fl是左前轮，fr是右前轮，rl是左后轮，rr是右后轮）。Fxi和Fyi是每个轮胎的纵向力和侧向力。kϕ是悬架的侧倾刚度，bϕ是悬架的阻尼。∆Mz是因左右车轮受力不同而产生的外部横摆力矩。

其中，是左右轮胎中心距。根据不同的控制目标，上述的4自由度车辆模型可以被简化成一个3自由度车辆模型或者2自由度车辆模型。

图5 4WID-4WIS EV的动力学模型

方程组（2）表明车辆的动力学模型主要取决于轮胎的受力和。轮胎是车辆的一个关键部件，它的结构特点和力学性能（垂向力、纵向力、侧向力和回正力矩）对车辆的动态性能（行驶、操纵稳定性和安全性）有重大的影响。轮胎的力学性能主要受轮胎类型、侧偏角、滑移率、速度等因素的影响。轮胎模型描述了车轮受力和影响因素之间的关系。

轮胎模型主要分为三类：通过对轮胎的受力进行简化而得到理论模型和解析公式，通过分析和拟合轮胎受力特性试验数据得到经验模型，结合理论模型和试验数据分析的半经验模型[55]。大多数经验模型或者半经验模型具有表示简单、便于计算和对特定轮胎拟合精度高的优点，如魔术轮胎模型、Dugoff轮胎模型、UniTire模型、Burckhardt轮胎模型、HSRI轮胎模型等。理论模型不需要对试验的参数进行拟合，通用性较强，如Gim轮胎模型、String轮胎模型、Fiala轮胎模型等。轮胎模型的选择取决于所需要解决的实际车辆动力学问题，是需要更加精确的理论模型进行建模还是需要面向实际工程应用的经验模型。

为了降低控制器设计的复杂性，四轮车辆轮胎模型通常被简化为一个单轨模型，如图6所示。事实上，四个转向控制变量减少到两个。两种模型的转向角转换关系均遵循阿克曼转向几何学。

式中和分别表示前轮和后轮的转角，是轴距。

图6 4WID-4WIS EV的单轨模型

3.2 车辆运动学模型

车辆运动学模型通常用于解决车辆在低速条件下的运动规划与控制问题，如自动泊车控制。对于高速条件下车辆的运动控制，车辆的动力学模型更加适用。

4WID-4WIS EV的单轨运动学模型如下。

其中是车辆的纵向加速度，（X,Y）是车辆的位置坐标。

3.3 路径跟踪模型

根据目标路径的信息差异，即目标位置的坐标或者目标路径的曲率，路径跟踪模型可以分为两种类型：一种是基于给定的，X和Y，其目标是使以下误差最小化。

其中，和是目标路径的期望值。

第二种路径跟踪模型是根据目标路径的曲率信息推导出来的，如图7所示。为了使车辆精确地跟踪目标路径，路径跟踪问题等价于使横摆角误差和侧向偏移最小化，如下所示。

其中是目标路径的曲率。

图7 4WID-4WIS EV的路径跟踪模型

4 4WID-4WIS EV自动驾驶的控制

在本章节介绍4WID-4WIS EV的控制模型。综述并讨论了操纵稳定性的控制算法和策略、防侧翻和路径跟踪。最后介绍4WID-4WIS EV的主动容错控制算法。

4.1 4WID-4WIS EV的控制框架

4WID-4WIS EV的控制框架分为两个类型，即耦合控制框架[70]和解耦控制框架，如图8所示。在耦合控制框架中，纵向运动控制和横向运动控制耦合，这就产生了多目标控制，给控制算法的设计带来了挑战。在解耦控制框架中，纵向运动控制与侧向运动控制解耦，这减小了控制器设计的复杂性。

图8 4WID-4WIS EV的控制框架

（a）耦合控制框架 （b）解耦控制框架

从图8中我们发现耦合控制框架和解耦控制框架都由两个级别组成。高级是控制器设计。根据路径跟踪、侧向稳定性、操纵性能、防侧翻和速度跟踪的控制目标，来跟踪各种参考目标，如：目标路径、侧偏角、横摆角速度、侧倾角和速度。在路径跟踪控制过程中，必须考虑各种控制约束。所有的控制算法都采用集成控制器设计，然后集成控制器将控制信号输出到低级的控制系统，即分配层。

分配层次包括转向角分配和扭矩分配。转向角分配基于等式（4）。扭矩分配算法用于调整总纵向力 Fx 和外部横摆力矩 DMz，即直接横摆力矩控制 (DYC)。已经研究了各种扭矩分配算法，包括直接分配方法、仿射控制分配、序列最小二乘法、加权最小二乘法、动态分配、模型预测控制 (MPC)等。扭矩分配后，将计算出四个车轮的目标驱动/制动扭矩。

最后，分配级别将四个车轮的目标转向角和扭矩输出到 4WID-4WIS EV控制系统。对于闭环控制，车辆的运动状态和位置信息将反馈给集成控制器和速度控制器。由于4WID-4WIS技术的应用，4WID-4WIS EV动态控制有四种控制策略，即主动前转向（AFS）、AFS+DYC、4WS和4WS+ DYC，如表3所示。基于这些控制策略，4WID-4WIS 电动汽车在路径跟踪、操纵稳定性和侧翻预防方面与传统车辆相比有着卓越的驾驶性能。

表3 4WID-4WIS EV的控制策略

4.2 操纵稳定性控制

车辆的操纵稳定性控制被定义为跟踪所需的侧滑角和偏航率。对于传统的 FWS 车辆，只能控制前轮转向角。在高速条件下进行转向操纵时，前轮胎横向力可能进入饱和区，无法提供足够的力来保证车辆的横向稳定性。对于4WID-4WIS EV控制系统，由于可以独立控制每个车轮的制动和驱动扭矩，因此可以轻松实现DYC。因此，外部横摆力矩可以弥补轮胎侧向力的不足，增加操纵稳定性。在中，提出了一种基于 BP-PID 控制器的多模型控制系统，用于通过 DYC 提高横向稳定性。在中，设计了一种基于校正 LQR 的新型 DYC 控制算法来实现车辆动态稳定性控制。基于滑动模型控制（SMC），提出了一种基于DYC 的分层控制策略，以提高行驶极限时的横向稳定性。通过相平面法计算稳定性边界，设计了一种新的可扩展协调控制器来提高行驶稳定性和操纵性能，可以在AFS和DYC之间找到最佳平衡点。为了增强横向稳定性，将一种结构改进的鲁棒内模控制方法应用于AFS+DYC的集成控制器设计。控制图如图 9 所示。

图9 AFS+DYC控制系统的控制图

与DYC相比，4WS技术更容易实现零侧滑角。同时，不需要处理外部横摆力矩和总纵向力的分配。线性参数变化（LPV）模型用于简化非线性模型，解耦控制应用于速度跟踪控制和操纵稳定性控制。考虑到速度变化时的运动，LPV 控制器被设计用于 4WS 的操纵稳定性控制。此外，针对 4WS 车辆提出了对角线解耦（ADD）控制的衰减，这在解决不确定性和干扰方面表现出良好的鲁棒性。提出了一种内部模型控制（IMC）策略来解决稳定性控制系统的非线性问题。此外，采用多输入多输出 (MIMO) IMC 进行车辆稳定性控制。一种操纵修正方法被应用于4WS车辆的操纵稳定性控制。基于SMC，分散控制算法对任意横向扰动具有鲁棒性，并且可以保证车辆收敛到参考横摆率和零侧滑。由于鲁棒控制具有处理参数不确定性、外部扰动和传感器噪声强的优点，许多研究人员对鲁棒控制进行了研究，并将其应用于4WS车辆的操纵稳定性控制当中，包括H2控制、控制和综合控制。在中，H2/混合鲁棒控制器被设计用于稳定性控制。在中，具有性能的预补偿解耦控制应用于纵向运动控制和操纵稳定性控制。在中，使用综合鲁棒控制器提高了操纵稳定性和系统鲁棒性。在的车辆模型中考虑了参数的变化，并且-综合控制器是为 4WS 设计的。虽然鲁棒控制方法在处理参数扰动方面表现出很强的鲁棒性，但大范围的扰动会应用到高阶控制器，这给硬件带来了大量的计算。我们需要在控制器设计中找到控制性能和计算效率之间的良好平衡。

凭借 4WS 和 DYC 的优势，4WS 和 DYC 的组合为 4WID-4WIS 电动汽车提供了卓越的操纵稳定性。在中，设计了两个前馈和反馈控制器，通过4WS和DYC的集成控制实现零侧滑角和目标偏航率跟踪。将稳健的控制方法应用于4WS 和DYC 的协调控制，以提高极端条件下的操纵稳定性。模糊控制理论被用来设计4WS+DYC的反馈控制器，以提高高速条件下的横向稳定性。为了获得增益调度控制器，LPV 系统与最优控制理论相结合，用于 4WS 和 DYC 的操纵稳定性控制器设计。此外，考虑到轮胎非线性，4WS和DYC控制与主动悬架控制相结合，以提高操纵稳定性和乘坐舒适性。与AFS相比，4WS和DYC的协同控制可以提高AV在极端条件下的主动安全性。

4.3 翻车预防控制

虽然操纵稳定性控制可以在限制行驶条件下提高横向行驶安全，但对于一些大尺寸车辆，例如卡车和公共汽车，有必要考虑侧翻预防性能[108]。侧翻预防控制通常与操纵稳定性控制一起考虑[109]。侧翻指数（RI）通常用作防侧翻的控制性能指标。出了一种RI算来评估侧翻效应，基于RI算法和侧倾状态估计器设计了侧倾状态估计器，并设计了集成的侧翻缓解控制器，以达到在不损失车辆横向损失的情况下降低侧翻危险的目的。此外，提出了一种多侧翻指数（MRI）最小化方法来实现重型铰接式车辆的主动侧翻预防控制。

不同的控制算法被设计用于侧翻预防控制。线性二次静态输出反馈（LQSOF）方法应用于预防车辆侧翻的预览控制器设计。设计了一种非线性控制策略，可以在防止侧翻的同时保证操纵稳定性。设计了脉冲转向系统和液压机械脉冲转向系统，将操纵稳定性控制和侧翻预防控制集成在一起。线性时变 (LTV) MPC 应用于集成控制器设计，可以通过 4WS 技术提高横向稳定性、操控性能和侧翻预防。模糊SMC方法应用于4WS车辆的车辆动态控制，可以增强动态响应并处理系统非线性。为 4WS 车辆提出了一种新型的分层控制，它使用分数 SMC 来获得良好的鲁棒性，控制系统框图如图 10 所示。虽然SMC 在处理系统非线性方面表现出良好的性能，但控制器抖动仍然是该应用的关键问题。

图10 118文献中的4WS控制系统控制框图

此外，通常将4WS和DYC结合使用以提高防侧翻性能。使用4WS和DYC技术，提出了一种带转向的集成动态控制（IDCS）系统，以通过模糊逻辑提高操纵稳定性和侧翻预防性能。设计了一个切换式MPC控制器，通过主动转向控制和主动差速制动控制实现侧翻预防。基于SMC方法，提出了一种集成主动转向控制和驱动/制动力分配的分层协调控制算法，可以提高操纵稳定性和防侧翻性能。

4.4 路径跟踪控制

路径跟踪控制是自动驾驶汽车的主要控制任务。因此，近年来得到了广泛的研究，设计了各种控制算法。DYC用于提高路径跟踪性能，并将稳健的控制方法应用于DYC控制器设计。提出了一种基于DYC的耦合控制框架，并且速度跟踪控制和路径跟踪控制都与LTV MPC一起考虑。基于LQR技术，4WS和DYC都被用来提高路径跟踪性能。为了提高路径跟踪控制器的鲁棒性，使用反推SMC理论为4WID-4WIS农业机器人车辆设计了一个鲁棒的路径跟踪控制器。为了提高反步 SMC的控制精度，将前馈和反步SMC相结合的综合方法应用于4WID-4WIS EV 的路径跟踪控制。四轮SMC转向控制器设计用于4WID-4WIS EV 的路径跟踪。同时，纵向速度控制器采用SMC方法设计。

对于低速的自动驾驶考虑路径跟踪控制就足够了，但是随着车速的提高，车辆的操纵稳定性和防侧翻问题就越来越突出。路径跟踪问题需要与高速条件下的操纵稳定性问题一同考虑，尤其是在极端条件下。与传统车辆相比，4WID-4WIS EV有更多的控制自由度，因此更容易实现路径跟踪和操纵稳定性的集成控制。将一种LQR反馈控制器应用于4WS高速紧急避障条件下的路径跟踪。除了路径跟踪问题，也考虑了操纵稳定性的控制问题。然而LQR方法对系统非线性和不确定性具有较差的鲁棒性。通过集成AFS和DYC设计了具有鲁棒性的LQR控制器用于路径跟踪。基于SMC理论，设计了4WS车辆的自动路径跟踪控制器，该控制器对于处理转向功率扰动、路径半径波动、横向风扰动等系统不确定性具有很强的鲁棒性。将哈密顿能量函数控制理论应用于4WS+DYC控制系统的路径跟踪和侧向稳定性控制。除此之外，将鲁棒控制器应用在集成4WS+DYC控制系统不仅可以提高路径跟踪性能和操纵稳定性，而且对参数扰动也具有较好的鲁棒性。控制图如图11所示。

图11 文献134中集成4WS+DYC控制系统的控制图

此外，MPC被广泛地应用于AV的路径跟踪控制。基于MPC设计了一种耦合控制框架，综合考虑了速度跟踪控制，操纵稳定性控制和路径跟踪控制。此外，估计了道路附着系数以提高控制精度。基于非线性4WS车辆模型，通过非线性模型预测控制（NMPC）设计了一种综合考虑操纵稳定性和路径跟踪的集成控制器。尽管MPC相较于其他控制算法有更好的控制精度，但是实时优化给硬件带来了巨大的计算量。

最后，表4总结了4WID-4WIS EV的各种控制实例。可以发现，2自由度单轨模型是对4WID-4WIS EV最常用的控制模型。如果考虑纵向运动控制和防侧翻控制，则需要另一个控制自由度，这就产生了3自由度控制模型。为了提高操纵稳定性，防侧翻性能和路径跟踪性能，不同的控制策略如AFS+DYC,4WS和4WS+DYC等在4WID-4WIS EV的动态控制中广泛应用。而且，LQR、SMC、鲁棒控制和MPC是4WID-4WIS EV最常用的控制算法。LQR只能解决线性系统，SMC和鲁棒控制对于解决系统不确定性和扰动有很好的鲁棒性，但是它们的控制性能非常容易受到模型精度的影响。凭借模型预测和实时优化，MPC可以实现精确控制，但是实时优化会给硬件带来巨大的计算量。仿真、硬件在环（HIL）测试和道路测试是三种算法验证的方法。可以发现，大多数论文都是通过仿真来评价控制算法。只有很少的论文进行了道路试验。一个很重要的原因是4WID-4WIS EV所应用的技术还不够成熟，尤其是X-by-wire技术，其可靠性和安全性不能完全保证。道路测试涉及到一定的安全风险。

表4 不同控制实例的总结

其中HS、PT、RP、VC分别为操作稳定性、轨迹跟踪、防止翻车、速度控制的缩写

4.5 主动容错控制

虽然X-by-wire模块可以为4WID-4WIS电动汽车带来多种控制策略和转向模式，有利于提高驾驶性能。但是一旦其中一个X-by-wire模块出现故障，就会增加车辆不稳定的风险。为了解决这个问题，主动容错控制算法得到广泛研究。

设计了一种基于MPC的容错控制系统，其中一个MPC用于容错控制，而另一个MPC作为观测器对执行器故障进行评估和补偿。提出了一种基于模糊逻辑和MPC的多重的基于模型容错控制系统。采用双环SMC来处理轮毂电机故障。设计了一种自适应SMC容错控制器。在此基础上，将改进SMC应用到4WID-4WIS电动汽车的主动容错控制中，其中转向几何根据故障车轮所在位置重新安排。凭借自适应快速终端SMC设计了一种鲁棒自适应容错控制方案。此外，博弈论也被应用到主动容错控制中。通过微分对策设计了一种基于合作博弈的执行器容错控制策略。此外，结合反馈线性化和合作博弈论设计容错控制器。为了提高容错控制器的鲁棒性，设计了一种与模型无关的自校正容错控制框架，可以加强不同故障条件下纵向和侧向跟踪能力。

为了改善监控车辆状态的性能，设计了一种故障检测和诊断算法来监视车辆状态并且提供包含控制器错误信息的反馈。设计了一种主动容错控制框架，包含基线控制器、一组可重构控制器、故障检测和诊断机制和决策机制。

此外，控制分配方法已被广泛用于实现4WID-4WIS电动汽车的主动容错控制。提出了一种定向轮胎力分配算法以解决转向系统在路径跟踪过程中的故障。介绍了一种基于伪逆矩阵的控制分配方法来实现力和力矩的解耦。基于LPV框架，将重构控制应用于转矩分配，即使在线控转向系统发生故障时也可以实现速度和路径跟踪。基于故障检测和诊断模块，设计了一种可重构控制分配器，将广义力/力矩最优化地分配给四个轮子。

5 4WID-4WIS EV的挑战与展望

尽管4WID-4WIS EV相较于传统的车辆有更加卓越的性能，但是一些与机械和控制相关的关键技术问题还没有得到解决，这阻碍了其商业化应用。

第一个挑战是4WID-4WIS EV的高成本。由于X-by-wire模块的应用，4WID-4WIS EV 中要用到12个控制执行器。与传统的集中控制式车辆相比，更多的执行器会导致更高的成本。因此，成本的降低是首要考虑的。X-by-wire模块的高度集成化设计和可重构底盘的概念是很好的解决方案。通过高度集成化的X-by-wire模块，可以根据不同需求，使用不同数量的X-by-wire模块重构底盘，并且应用到不同的自主移动平台，例如，四个X-by-wire模块可构成自动乘用车，而八个X-by-wire模块可组成自动卡车。一旦任务完成，X-by-wire模块将被拆分，并为下一次任务做好重组准备。

第二个挑战是集成化X-by-wire模块的机械结构和集成技术不成熟，特别是在处理极端条件方面。从集成X-by-wire模块的文献综述中可以发现大多数X-by-wire模块采用简单的悬架结构，不足以承受巨大的侧向力。因此，现有的4WID-4WIS EV只能在普通的条件下行驶，不能处理严峻和极端的条件。因此有必要为4WID-4WIS EV的未来应用设计先进实用的X-by-wire模块。

第三个挑战是X-by-wire技术的可靠性。相比于传统的机械系统，X-by-wire技术的可靠性和安全性较差，通常是不可靠的。因为4WID-4WIS EV有12个涉及转向、驱动和制动的控制执行器，执行器的故障可能性仍是一个关键问题。另外，考虑到X-by-wire技术，尤其是线控转向技术不是一个成熟的技术，因此有必要设计有效的主动容错控制系统来保证系统功能安全性。

最后的挑战是控制技术，对于具有非线性MIMO控制系统的4WID-4WIS EV，用简单的控制算法来处理参数的不确定性、外部干扰和传感器噪声是不容易的，例如PID控制。

电动汽车四轮转向系统控制设计

基于轮毂电机和转向电机的 4WID-4WIS 电动汽车不但具备一般电动汽车在节能环保等方面的固有优势，还兼具了可轻松实现多种驾驶模式以及各种车辆主动安全技术的独有特色，该种类型的电动汽车符合行业发展要求。

基于轮毂电机与转向电机的四轮独立驱动、四轮独立转向(Four-wheelindependent driving and Four-wheel independent steering, 4WID-4WIS)电动汽车是一种全新的电动汽车形式。与传统汽车相比，该种类型的电动汽车在车辆节能控制、操纵稳定性控制等方面具有无可比拟的优势。同时，这也意味着 4WID-4WIS电动汽车动力学控制系统需要全新的研究与设计，设计的优劣将对整车性能产生至关重要的影响。

以4WID-4WIS 电动汽车为研究对象，基于改善汽车操纵稳定性的前提，针对四轮转向(Four-wheel steering, 4WS)系统、4WIS 系统、4WID 系统的控制方法以及 4WID 系统与 4WIS 系统的协调策略进行深入研究。具体研究内容包括以下几个方面：

(1) 搭建了包括车体动力学模型、GIM 轮胎模型、驱动系统模型以及转向系统模型在内的 4WID-4WIS 电动汽车动力学仿真模型，同时提出了一种基于横摆角度跟踪的驾驶员模型。针对整车动力学模型进行测试分析，验证模型的合理性，为后文中控制策略的研究奠定基础。

(2) 针对 4WS 系统，利用收敛速度快、不易陷入局部极小的径向基函数(Radial basis function, RBF)神经网络，设计了 4WS 系统的 RBF 神经网络控制器。

针对设计的 RBF 神经网络控制器，分别采用―直接离线训练‖和―离线训练在线修正‖两种不同方法进行训练。直接离线训练中提出了一个“前馈+反馈”训练数据采集单元，用于训练数据的采集。离线训练在线修正法中设计了一个闭环训练系统和一个 RBF 神经网络辨识器，前者用于离线训练，后者用于在线修正。仿真试验表明， RBF 神经网络控制器在汽车质心侧偏角的控制方面具有较好的控制效果，而对于横摆角速度的控制却有所欠缺，这与 4WS 系统的控制输出单一，无法同时很好地满足两个控制指标的本质有关。

(3) 为克服 4WS 系统的缺陷，进行了 4WIS 系统的研究。利用线性二次型(Linear-quadratic regulator, LQR) 最优控制理论，设计 4WIS 系统的模型跟踪 LQR控制器。随后，从车辆动力学角度出发，分析 4WIS 系统的转向动力学特性，以提高轮胎侧向力利用率为前提，提出一种基于车辆转向状态的 4WIS 系统车轮转角分配策略。利用 LQR 控制参数与控制输出之间的对应关系，将 4WIS 系统车轮转角分配策略映射为 LQR 控制参数调整策略。借助专家控制思想与遗传优化算法，设计了基于专家控制和遗传优化的 LQR 参数调节器；借助模糊控制逻辑，设计了基于模糊控制的 LQR 参数调节器。将设计的两个参数调节器分别与模型跟踪 LQR 控制器结合，构造变参数 LQR(Varying parameter LQR, VLQR)控制系统。仿真试验表明，设计的两个 VLQR 控制系统均能在 4WIS 系统中取得良好的控制效果，可同时满足质心侧偏角与横摆角速度两项指标，且对于强侧向风一类侧向干扰也具有很好的抑制能力。

(4) 设计了包括车速控制功能和辅助转向功能的 4WID 控制系统，并针对4WID 系统与 4WIS 系统间的协调策略进行了研究。对于 4WID 系统与 4WIS 系统可能相互干涉的转向工况，依据 4WIS 系统的车轮转角分配策略，提出了一种既不影响 4WIS 系统性能也不影响行驶车速的辅助转向附加转矩分配策略，实现4WID 系统辅助转向功能的同时，完成 4WID 系统与 4WIS 系统间的协调控制。

此外，对于汽车的驱动防滑问题，设计了一个基于滑移率门限值的驱动防滑控制器，进一步完善了 4WID-4WIS 协调控制系统功能。仿真试验结果表明，4WID-4WIS 协调控制系统在汽车稳定性提高、极限工况车道保持、驱动防滑等方面均能取得很好的控制效果，对于车辆行驶安全性的提升效果显着。

(5) 搭建了包括 NI PXI 实时系统硬件、交流伺服电机及其驱动器、角度传感器、数据采集卡、加速/制动踏板、方向盘、光电编码器以及上位 PC 机在内的硬件在环试验平台。针对搭建的硬件在环仿真试验平台以及设计的 4WID-4WIS 协调控制系统进行测试，结果表明试验平台运行良好，可用于 4WID-4WIS 电动汽车动力学控制方法、系统的实时环境仿真试验分析。设计的 4WID-4WIS 协调控制系统在实时环境下依然具有较好的控制效果，能够有效地改善汽车的操纵稳定性和行车安全。

由于纯电动汽车以电力作为能量源，采用电机作为执行机构，因而其驱动、转向系统极易实现如分布式驱动、四轮转向等灵活多变的布置模式。基于轮毂电机及转向电机的四轮独立驱动(Four-wheel Independent Driving, 4WID)、四轮独立转向(Four-wheel Independent Steering, 4WIS)电动汽车，是一种可实现各车轮转矩(包括驱动与制动转矩)、转速、转角独立控制的先进电动汽车。这种新型电动汽车的优势如下：

基于轮毂电机的 4WID 系统(包括独立驱动和独立制动功能，此处与后文中简称为 4WID 系统或驱动系统)，由内嵌于轮毂当中的电机直接控制车轮转矩，可轻松实现汽车的独立驱动与独立制动，无需使用传统汽车的离合器、变速箱等传动机构，这样不仅提高了传动效率，也为制动防抱死系统(Anti-skid BrakeSystem,ABS)，牵引力控制系统(Traction Control System，TCS)等多种汽车主动安全系统的设计带来了便利。通过双驱/四驱，前驱/后驱行驶模式间的转换，能够更加充分地发挥电动汽车在动力性和经济性上的优势。

基于转向电机的 4WIS 系统，放弃了转向梯形的机械结构，避免了机械结构对车轮转角的限制。此外，车轮转角可独立控制的特点使得主动前轮转向 (ActiveFront Steering，AFS)，四轮转向(Four wheel steering, 4WS)等主动转向技术，以及横移、原地转向等一些特殊转向工况可以轻易实现，满足不同环境下对车辆机动性的不同要求。基于轮毂电机及转向电机的 4WID-4WIS 电动汽车至少具有 8 个可控自由度，可同时满足多种车辆动力学优化目标。此外，通过协调或集成控制技术，可实现多种车辆主动安全技术间的配合，达到动力性与经济性、稳定性与机动性间的相互协调，以及车辆性能的综合最优。

由于4WID-4WIS电动汽车存在8个可控自由度，大于车辆平面运动的自由度维数(一般为纵向、横向、横摆 3 个自由度)，因此 4WID-4WIS 电动汽车实际上是一个冗余式系统。冗余式系统虽然使得系统的复杂性和控制难度有所增加，但同时也为容错控制技术奠定了硬件条件基础。对于一个可控自由度维数大于控制目标维数的系统而言，当执行器出现故障时，可通过相应容错控制策略实现控制目标的再分配，从而保证控制目标的实现，提高整个系统的可靠性。

综上所述，基于轮毂电机及转向电机的 4WID-4WIS 电动汽车不但具有其他类型电动汽车节能、环保的特点，还具有易于实现多种驾驶模式以及各种车辆主动安全功能的独有特色。从长远角度来看，4WID-4WIS 电动汽车具有很好的发展前景，符合汽车行业的未来趋势。4WID-4WIS 系统的控制与协调策略作为基于轮毂电机及转向电机的 4WID-4WIS 电动汽车研发的重要组成部分及核心，对整车动力性、稳定性、舒适性等产生决定性影响，针对这一方向的研究具有十分重要和深远的现实意义。为此，本文将以 4WID-4WIS 电动汽车为研究对象，深入研究 4WID 系统与 4WIS 系统的控制方法，以及 4WID 系统与 4WIS 系统间的协调策略。

电动汽车四轮转向系统控制设计：

V 型开发流程

硬件在环仿真试验平台结构

硬件在环仿真试验平台实物结构

蜗轮蜗杆减速器

伺服电机及驱动器

角度传感器

转向机械结构

转向机构总成

方向盘及光电编码器

电子加速与制动踏板

加速测试显示界面

转向测试显示界面

技术领域

涉及车辆转向控制领域，具体涉及一种四轮独立转向车辆的控制方法。

背景技术

控制策略是4WS技术的重要研究方面，通过调节后轮转角控制车辆质心侧偏角和横摆角速度，可有效改善车辆高速行驶的操纵稳定性和低速状态的机动灵活性。迄今，针对主动后轮转向的4WS控制问题，提出了前后轮转角成比例的前馈控制、横摆角速度反馈控制、神经网络控制等方法。直接横摆力矩控制(DYC)也是当前车辆动力学系统稳定控制中一种较为有效的车辆底盘控制技术，它通过对轮胎纵向力的分配产生横摆力矩以调节车辆的横摆运动，从而确保车辆行驶稳定性。目前，有关采用横摆力矩控制车辆稳定性的报道也较多，其 中包括最优控制、鲁棒控制、模糊控制等。

由于实际车辆轮胎与地面接触作用具有非线性特性，同时车辆参数(如整车质量、 车辆转动惯量等）的变化会对车辆车身状态的控制性能产生干扰作用影响。因此，无论是 4WS车辆的后轮转向控制还是DYC手段，单一的控制策略对改善车辆行驶的操纵稳定性有 限，特别是在车辆高速、急转弯等极限工况下，无法获得满意的车辆行驶操纵稳定性。

发明内容

旨在提供一种四轮独立转向车辆控制方法，该控制方法克服现有技术单一 的控制策略操纵稳定性弱的缺陷，具有控制效果好、稳定性高的特点。

技术方案，一种四轮独立转向车辆的控制方法，包括以下几个步骤：

A、预设理想车辆转向模型、干扰边界估计环节、后轮转角滑模控制器和横摆力矩 滑模控制器；

B、以车辆直行状态作为初始时刻，实时测量车辆的前轮转角、质心侧偏角及横摆 角速度，将实时前轮转角输入理想车辆转向模型，得到实时的期望质心侧偏角与期望横摆 角速度，将实时的期望质心侧偏角与期望横摆角速度与对应的实时质心侧偏角、横摆角速 度进行比较，从而得到实时的质心侧偏角控制误差、横摆角速度控制误差；

C、将实时的质心侧偏角控制误差、横摆角速度控制误差输入干扰边界估计环节， 得到实时的干扰边界参数；

D、将实时的前轮转角、质心侧偏角控制误差、横摆角速度控制误差以及对应的实 时干扰边界参数共同输入到后轮转角滑模控制器和横摆力矩滑模控制器，分别输出得到实 时的后轮转角和横摆力矩，并采用该实时的后轮转角和横摆力矩对车辆进行控制。

优选地，所述的步骤A中理想车辆转向模型的构造过程如下：

建立如下的车辆转向运动学模型：

式中:m是整车质量;vx、vy分别表示汽车质心速度V在x和y轴上的速度分量;Λ分 别表示汽车质心速度V在X和y轴上的加速度分量；γ是汽车横摆角速度，#则表示横摆角加 速度;a和b分别是汽车质心至前轴和后轴的距离，汽车轴距L = a+b;Fxl、Fyl*别代表汽车轮 胎的纵向力和横向力，其中下标i = l，2,3,4分别对应左前轮、右前轮、左后轮和右后轮;δϊ、 心分别是前、后轮转向角；Ιζ为汽车绕ζ轴的转动惯量;JwjP ω i分别为各轮胎的转动惯量及 转动角速度，兩表示各轮胎的转动角加速度;Mdi是差速器半轴上的输出扭矩;R表示轮胎半 径;M bl为轮胎所受的制动力矩;W为轮距，即前轮距Bf和后轮距Br均等于W;M表示车轮所受纵 向力所产生附加控制的横摆力矩：

M = a(Fxi+Fx2)sin5f-b(Fx3+Fx4)sin5r+〇 .5W[ (Fx2-Fxi)cos5f+(Fx4-Fx3)cos5r] (2);

车辆质心侧偏角：0 = arctan(vx/vy);

前后轮的侧偏角ai:

(3);

其中下标i = l，2,3,4分别对应左前轮、右前轮、左后轮和右后轮；

假定汽车处于正常时速范围的非紧急状态和小角度转向的行驶工况下，有Vx~V， 并只考虑车辆侧滑和横摆运动，即选择质心侧偏角和横摆角速度作为操纵稳定性的衡量主 要指标，结合式(1)和(3)可以获得车辆2自由度线性单轨模型的动力学方程：

(4)；

式中:Fyl+Fy2、Fy3+Fy4分别表示前、后轴轮胎的侧偏力

(5)；

其中kf和kr分别为前轴两侧轮胎的综合侧偏刚度、后轴两侧轮胎的综合侧偏刚度， 其数值是为前、后轮侧偏刚度的2倍；

定义系统状态矢量χ=[β，γ ]7和控制输入矢量u=[Sr，M]T，根据式(4)和(5)建立 如下的模型状态空间方程为：

i: = Ax+ Bu + CSf (6);

式中：ά·为[Af]T;系统矩阵

控制输入矩阵

考虑车辆转向系统参数的变化因素对系统的作用影响，则式(6)则变为

ά = (-4 + Δ^)Λ- + (β 十 Δ/ί)Μ + (('十 (7)；

式中：

bv别表示系统参数变化时系统 矩阵A、控制输入矩阵B和前轮转角输入矩阵C所对应的变化值；

式(7)可进一步整理为：

χ^Αχ + Βιι·1»· CS：+ d{i) (8)

式中d(t) = [di(t)，d2(t) ]τ= Δ Αχ+ Δ Bu+ Δ C5f，di(t)、d2(t)分别表示车辆参数变 化时，质心侧偏角和横摆角速度对应的变化值；

采用如下的理想车辆模型：

% = (9)式中：理想模型的状态矢量

，其中说、Yd分别为期望质心侧偏角与期 望横摆角速度;理想模型的系统矩阵

其 中系数kY和τγ分别是一阶滞后环节的比例增益和滞后时间常数，表达式如下：

式(9)即为理想车辆转向模型的表达式；

同时，结合式(8)和式(9)进一步推导出误差方程

(10)

式中：e为汽车质心侧偏角和横摆角速度的控制误差矢量，其定义为

(11)

其中ei!、eY分别表示质心侧偏角控制误差和横摆角速度控制误差。

优选地，所述的步骤A中干扰边界估计环节的具体构造过程如下：

定义干扰边界的自适应估计律如下：

(12)，

式中：sgn(.)表示符号开关函数；武、A分别表示干扰边界参数如和Φ2的估计值；^、£2分别称为干扰边界的估计系数，且均大于1;

假定方向盘转向初始时刻的h(〇) = 0和:(〇) = ()，干扰边界估计环节的数学表达式 如下：

(13)；

根据式(13)估计得出。

优选地，所述的步骤A中后轮转角滑模控制器及横摆力矩滑模控制器的具体构造 过程如下：

定义滑模面函数s = e，滑模控制器

ί中，滑模控制器u同时包含后 轮转角滑模控制器和横摆力矩滑模控制器，并以后轮转角和横摆力矩Μ作为控制量，ueq为 滑模等效控制器，~为切换控制器;忽略系统参数所引起的扰动变化d(t)，根据s = s = 0,并 利用式(10)可推导出滑模等效控制器ueq的表达式如下：

式中：K为待定的控制增益矩阵，

，1^和k2均大于零，其中 diag(.)表示对角矩阵；

切换控制器us的表达式如下：

(15)；

式中：-S 乂)为切换控制us中的控制增益；

根据式(14)和(15)可得到滑模控制器的表达式如下：

优选地，所述的步骤D具体为：

将矩阵A、Ad、B、C、Cd和K的元素代入式（16)，通过整理得到后轮转角控制器的具体 形式如下：

采用上述得到的后轮转角和横摆力矩对车辆进行实时控制。

本发明四轮独立转向车辆控制方法通过前轮转角传感器、干扰边界估计环节、后 轮转角滑模控制器及横摆力矩控制器的组合控制，使得汽车质心侧偏角和横摆角速度与理 想模型对应输出间的误差尽可能小，让车辆获得良好的跟踪控制特性，以满足行驶状态的 稳定性要求;后轮转角控制与横摆力矩控制的结合使得本发明方案在控制效果上优于单一 方式的控制方法，复合控制一方面能保证较好的转角观测精度，另一方面能获得较好的控 制效果特别是在车辆高速、急转弯等极限工况下，本发明控制方法具有更好的操纵稳定性；并且，本发明方案中的切换控制器设计可以抑制或减少系统参数变化带来的扰动对控制性 能的影响，提高汽车转向操纵稳定性的控制鲁棒性。

附图说明

图1为本发明提供的四轮独立转向车辆的控制方法的流程图

图2为本发明提供的四轮独立转向车辆的控制结构示意图

图3为车辆前轮实际转向的角阶跃波形图

图4为车辆前轮实际转向的角正弦波形图

图5(a)是本实施例滑模控制(SMC)、汽车车速30km/h、前轮按角阶跃波形转向时的 质心侧偏角控制波形图。

图5(b)是本实施例滑模控制（SMC)、汽车车速100km/h、前轮按角阶跃波形转向时 的质心侧偏角控制波形图。

图5 (c)是本实施例滑模控制(SMC)、汽车车速30km/h、前轮按角正弦波形转向时的 质心侧偏角控制波形图。

图5(d)是本实施例滑模控制（SMC)、汽车车速100km/h、前轮按角正弦波形转向时 的质心侧偏角控制波形图。

图6 (a)是本实施例滑模控制(SMC)、汽车车速30km/h、前轮按角阶跃波形转向时的 横摆角速度控制波形图。

图6(b)是本实施例滑模控制（SMC)、汽车车速100km/h、前轮按角阶跃波形转向时 的横摆角速度控制波形图。

图6(c)是本实施例滑模控制(SMC)、汽车车速30km/h、前轮按角正弦波形转向时的 横摆角速度控制波形图。

图6(d)是本实施例滑模控制（SMC)、汽车车速100km/h、前轮按角正弦波形转向时 的横摆角速度控制波形图。

图7 (a)是本实施例滑模控制(SMC)、汽车车速30km/h、前轮按角阶跃波形转向时的 车速变化曲线图。

图7 (b)是本实施例滑模控制（SMC)、汽车车速100km/h、前轮按角阶跃波形转向时 的车速变化曲线图。

图7 (C)是本实施例滑模控制(SMC)、汽车车速30km/h、前轮按角正弦波形转向时的 车速变化曲线图。

图7(d)是本实施例滑模控制（SMC)、汽车车速100km/h、前轮按角正弦波形转向时 的车速变化曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例具体说明本发明。

实施例1

如图1所示，本实施例提供的四轮独立转向车辆的控制方法包括以下步骤：

A、预设理想车辆转向模型、干扰边界估计环节、后轮转角滑模控制器和横摆力矩 滑模控制器；

所述的理想车辆转向模型的构造过程如下：

建立如下的车辆转向运动学模型：

式中:m是整车质量;vx、vy分别表示汽车质心速度V在X和y轴上的速度分量;分 别表示汽车质心速度V在X和y轴上的加速度分量；γ是汽车横摆角速度，f则表示横摆角加 速度;a和b分别是汽车质心至前轴和后轴的距离，汽车轴距L = a+b;Fxl、Fyl*别代表汽车轮 胎的纵向力和横向力，其中下标i = l，2,3,4分别对应左前轮、右前轮、左后轮和右后轮;δϊ、 心分别是前、后轮转向角；Ιζ为汽车绕ζ轴的转动惯量;JwjP ω i分别为各轮胎的转动惯量及 转动角速度，4表示各轮胎的转动角加速度;Mdi是差速器半轴上的输出扭矩;R表示轮胎半 径;M bl为轮胎所受的制动力矩;W为轮距，即前轮距Bf和后轮距Br均等于W;M表示车轮所受纵 向力所产生附加控制的横摆力矩：

M = a(Fxi+Fx2)sin5f-b(Fx3+Fx4)sin5r+〇 .5W[ (Fx2-Fxi)cos5f+(Fx4-Fx3)cos5r] (2)；

车辆质心侧偏角：0 = arctan(vx/vy);

前后轮的侧偏角ai:

(3)；

其中下标i = l，2,3,4分别对应左前轮、右前轮、左后轮和右后轮；

假定汽车处于正常时速范围的非紧急状态和小角度转向的行驶工况下，有vx~V， 并只考虑车辆侧滑和横摆运动，即选择质心侧偏角和横摆角速度作为操纵稳定性的衡量主 要指标，结合式(1)和(3)可以获得车辆2自由度线性单轨模型的动力学方程：

(4),

式中:Fyl+Fy2、Fy3+Fy4分别表示前、后轴轮胎的侧偏力 [0099]

(5)；

其中kf和kr分别为前轴两侧轮胎的综合侧偏刚度、后轴两侧轮胎的综合侧偏刚度， 其数值是前、后轮侧偏刚度的2倍；

定义系统状态矢量χ=[β，γ ]7和控制输入矢量u=[Sr，M]T，根据式(4)和(5)建立 如下的模型状态空间方程为：

x = Ax + Bu + Cdf：(6):;

式中：來为[A/'f;系统矩阵

控制输入矩阵

考虑车辆转向系统参数的变化因素对系统的作用影响，则式(6)则变为

i* = (A + AA)x + (B + AB)u + (C + AC )«>', (7)：

式中：

分别表不系统参数变化时系统 矩阵A、控制输入矩阵B和前轮转角输入矩阵C所对应的变化值；

式(7)可进一步整理为：

Χ·= Αχ + Βη Η- €ό\ + ά(ΐ) (8),

式中d(t) = [di(t)，d2(t) ]τ= Δ Αχ+ Δ Bu+ Δ C3f，di(t)、d2(t)分别表示车辆参数变 化时，质心侧偏角和横摆角速度对应的变化值；

采用如下的理想车辆模型：

x：d=AdXj+Cd5t (9):;

式中：理想模型的状态矢量

其中说、yd分别为期望质心侧偏角与期 望横摆角速度;理想模型的系统矩阵

其中系数kY和τγ分别是一阶滞后环节的比例增益和滞后时间常数，表达式如下：

式(9)即为理想车辆转向模型的表达式；

结合式(8)和式(9)进一步推导出误差方程：

(10)式中：e为汽车质心侧偏角和横摆角速度的控制误差矢量，其定义为

(11)

其中ee、eY分别表示质心侧偏角控制误差和横摆角速度控制误差。

所述的干扰边界估计环节的具体构造过程如下：

定义干扰边界的自适应估计律如下：

(12);

式中：sgn(.)表示符号开关函数；分别表示干扰边界参数!1^和如的估计值；^、£2分别称为干扰边界的估计系数，且均大于1;

假定方向盘转向初始时刻的Ά_(〇) =__〇和.A (〇).= 0 _，干扰边界估计环节的数学表达式 如下：

(Π)A、根据式(13)估计得出；

所述的后轮转角滑模控制器及横摆力矩滑模控制器的具体构造过程如下：

定义滑模面函数s = e，滑模控制器+

其中，滑模控制器u同时包含后 轮转角滑模控制器和横摆力矩滑模控制器，并以后轮转角^和横摆力矩Μ作为控制量，Ueq为 滑模等效控制器，~为切换控制器;忽略系统参数所引起的扰动变化d(t)，根据s = i = 0 ,并 利用式(10)可推导出滑模等效控制器ueq的表达式如下：

式中：K为待定的控制增益矩阵，

和k2均大于零，其中 diag(.)表示对角矩阵；

切换控制器Us的表达式如下：

(15)；

式中Viiagdv/Vi··#:)为切换控制us中的控制增益；

根据式(12)和(13)可得到滑模控制器的表达式如下：

B、以车辆直行状态作为初始时刻，实时测量车辆的前轮转角、质心侧偏角及横摆 角速度，将实时前轮转角输入理想车辆转向模型，得到实时的期望质心侧偏角与期望横摆 角速度，将实时的期望质心侧偏角与期望横摆角速度与对应的实时质心侧偏角、横摆角速 度进行比较，从而得到实时的质心侧偏角控制误差、横摆角速度控制误差；

C、将实时的质心侧偏角控制误差、横摆角速度控制误差输入干扰边界估计环节， 得到实时的干扰边界参数；

D、将实时的前轮转角、质心侧偏角控制误差、横摆角速度控制误差以及对应的实 时干扰边界参数共同输入到后轮转角滑模控制器和横摆力矩滑模控制器，分别输出得到实 时的后轮转角和横摆力矩，并采用该实时的后轮转角和横摆力矩对车辆进行控制；

具体为：将矩阵A、Ad、B、C、Cd和K的元素代入式（16)，通过整理得到后轮转角控制器的具体 形式如下：

采用上述得到的后轮转角和横摆力矩对车辆进行实时控制。

图2为本发明提供的四轮独立转向车辆的控制结构示意图；本实施例采用表1中的 参数进行模拟，将本实施例的滑模控制方法的4WS车辆以及无滑模控制的车辆(简称为FWS 车辆)进行对比仿真实验；

表1车辆及控制参数 「01481

~考虑车辆在不同车速和不同波形转向的汽车行驶工况，其中，车速工况为:30km/h (8.333m/s)、100km/h(27.778m/s);波形转向的波形工况为:非理想角阶跃波形、角正弦波 形(S形）；将车速工况与波形工况两两组合，形成4种组合工况;其中设定非理想角阶跃波形 第〇s开始跳跃，跳跃上升时间和幅值分别为0.5s和0.07rad;设置角正弦波形起始时刻2s， 周期、角幅值分别为4s和0.07rad，图3、图4分别示出了角阶跃波形和角正弦波形；

鉴于车辆参数中的质量和转动惯量易发生变化，因此对比试验中假定表1中的整 车质量和转动惯量均增加+15% ;

图5(a，b，c，d)_图7(a，b，c，d)分别示出了本实施例滑模控制条件下，不同组合工 况下的质心侧偏角、横摆角速度和车速的时域响应曲线，并与实际期望及无控制情况进行 对比。

通过对比图5(a，b，c，d)可见，对于无控制的FWS车辆，质心侧偏角稳态响应非零， 且高速时的数值较大并与前轮转角输入方向相反，这增大了车辆的甩尾和侧滑趋势;4WS车 辆在后轮转角与横摆力矩滑模控制条件下，即使车辆不同车速和不同波形转向，均能实现 车辆质心侧偏角为零，达到理想的期望稳定状态，使得4WS车辆能很好地维持车身姿态，具 有良好的路径跟踪能力，极大地改善了车辆的操纵性。

比较图6(a，b，c，d)看出，低速时，4WS车辆在滑模控制条件下，横摆角速度均能获 得稳定控制，其数值大于无控制的FWS车辆，这表明通过控制，使得4WS车辆要比FWS车辆少 打方向盘，可有效减少转弯半径，提高了车辆转弯的机动灵活性。高速运行时，FWS车辆横摆 角速度存在很大超调，且产生较大幅值的振荡波动现象，这反映出车辆行驶的不稳定性;在 滑模控制作用条件下，4WS车辆的横摆角速度都小于FWS车辆，且振荡现象明显得到抑制，特 别是在阶跃波形转向时，横摆角速度无超调和振动现象，这不仅表明的4WS车辆的稳定性得 到了提高，避免或降低高速行驶状态下驾驶员猛打方向盘造成的危险。

比较图7 (a，b，c，d)可见，车速为30km/h(8.333m/s)的低速转向时，滑模控制情况 下的车速均比无控制时有所下降，但下降程度均较少;车速为l〇〇km/h(27.778m/s)的高速 转向时，受控的4WS车辆车速保持效果要优于无控制的FWS车辆。这表明，滑模控制策略在保 证车辆获得较好转弯路径跟踪能力和车身稳定性的同时，车速降低程度并不大，这可使得 4WS车辆保持较大速度安全地按照目标轨迹进行转弯行驶。

1. 一种四轮独立转向车辆的控制方法，其特征在于包括以下几个步骤：A、 预设理想车辆转向模型、干扰边界估计环节、后轮转角滑模控制器和横摆力矩滑模 控制器；B、 以车辆直行状态作为初始时刻，实时测量车辆的前轮转角、质心侧偏角及横摆角速 度，将实时前轮转角输入理想车辆转向模型，得到实时的期望质心侧偏角与期望横摆角速 度，将实时的期望质心侧偏角与期望横摆角速度与对应的实时质心侧偏角、横摆角速度进 行比较，从而得到实时的质心侧偏角控制误差、横摆角速度控制误差；C、 将实时的质心侧偏角控制误差、横摆角速度控制误差输入干扰边界估计环节，得到 实时的干扰边界参数；D、 将实时的前轮转角、质心侧偏角控制误差、横摆角速度控制误差以及对应的实时干 扰边界参数共同输入到后轮转角滑模控制器和横摆力矩滑模控制器，分别输出得到实时的 后轮转角和横摆力矩，并采用该实时的后轮转角和横摆力矩对车辆进行控制。

2. 如权利要求1所述的四轮独立转向车辆的控制方法，其特征在于：所述的步骤A中理想车辆转向模型的构造过程如下：建立如下的车辆转向运动学模型：

式中:m是整车质量;vx、vy分别表示汽车质心速度V在X轴和y轴上的速度分量;色、轉分别 表示汽车质心速度¥在1轴和y轴上的加速度分量；Y是汽车横摆角速度，f则表示横摆角加 速度;a和b分别是汽车质心至前轴和后轴的距离，汽车轴距L=a+b;F xi、Fyi分别代表汽车轮 胎的纵向力和横向力，其中下标i二1，2,3,4分别对应左前轮、右前轮、左后轮和右后轮;S f、 Sr分别是前、后轮转向角；Iz为汽车绕z轴的转动惯量;J wi和《 i分别为各轮胎的转动惯量及 转动角速度，翁表示各轮胎的转动角加速度;Mdi是差速器半轴上的输出扭矩;R表示轮胎半 径;Mbi为轮胎所受的制动力矩;W为轮距，即前轮距B f和后轮距Br均等于W;M表示车轮所受纵 向力所产生附加控制的横摆力矩：M=a(Fxi+FX2)sin8f-b(FX3+FX4)sin5 r+0_5W[(Fx2-Fxi)cosSf+(FX4-FX3)cosS r] (2)；车辆质心侧偏角:0 = arctan(vx/vy); 前后轮的侧偏角A:

其中下标1 = 1，2,3,4分别对应左前轮、右前轮、左后轮和右后轮；假定汽车处于正常时速范围的非紧急状态和小角度转向的行驶工况下，有，并只 考虑车辆侧滑和横摆运动，即选择质心侧偏角和横摆角速度作为操纵稳定性的衡量主要指 标，结合式(1)和(3)可以获得车辆 2自由度线性单轨模型的动力学方程：

輸 式中:Fyl+Fy2、Fy3+Fy4分别表示前、后轴轮胎的侧偏力

(5)；

其中：kf和kr分别为前轴两侧轮胎的综合侧偏刚度、后轴两侧轮胎的综合侧偏刚度，其 数值是前、后轮侧偏刚度的2倍；定义系统状态矢量X= [e，Y ]T和控制输入矢量U= [Sr,M]T，根据式(4)和(5)建立如下 的模型状态空间方程为：

(6);

式中:灰为系统矩声

W. .，：， J . 控制输入矩阵

前轮转角输入矩f

考虑车辆转向系统参数的变化因素对系统的作用影响，则式(6)则变为

霞); 分别表示系统参数变化时，系统矩 阵A、控制输入矩阵B和前轮转角输入矩阵C所对应的变化值；式(7)可进一步整理为：

(B), 式中d(t) = [di(t)，d2(t)]T= A Ax+A Bu+A CSf，di(t)、d2(t)分别表示车辆参数变化 时，质心侧偏角和横摆角速度对应的变化值；采用如下的理想车辆模型：

概式中：理想模型的状态矢量

、其中说、Yd分别为期望质心侧偏角与期望横 摆角速度;理想模型的系统矩阵

；其中 系数1^和~分别是一阶滞后环节的比例增益和滞后时间常数，表达式如下：

式(9)即为理想车辆转向模型的表达式；同时，结合式(8)和式(9)进一步推导出误差方程

(1〇), 式中:e为汽车质心侧偏角和横摆角速度的控制误差矢量，其定义为

_ 其中ee、eY分别表示质心侧偏角控制误差和横摆角速度控制误差。

3. 如权利要求2所述的四轮独立转向车辆的控制方法，其特征在于：所述的步骤A中干扰边界估计环节的具体构造过程如下：定义干扰边界的自适应估计律如下：

.(嫌 式中：sgn(.)表示符号开关函数;於、:?％分别表示干扰边界参数如和(62的估计值;ei、e2 分别称为干扰边界的估计系数，且均大于1; 假定方向盘转向初始时刻的以(〇)=0和A(())=0，干扰边界估计环节的数学表达式如 下：

r,、％根据式（13)估计得出。

4. 如权利要求3所述的四轮独立转向车辆的控制方法，其特征在于：所述的步骤A中后轮转角滑模控制器及横摆力矩滑模控制器的具体构造过程如下：定义滑模面函数s = e，滑模控制器

其中，滑模控制器u同时包含后轮转 角滑模控制器和横摆力矩滑模控制器，并以后轮转角&和横摆力矩M作为控制量，Ueq为滑模 等效控制器，Us为切换控制器;忽略系统参数所引起的扰动变化d( t)，根据^ i = 0 ,并利用 式(10)可推导出滑模等效控制器Ueq的表达式如下：Ueq=B-1 [-Ke-Ae-(A-Ad)Xd-(C-Cd)8f 1 (14); 式中:K为待定的控制增益矩阵，

k1和k2均大于零，其中diag(.) 表示对角矩阵；切换控制器Us的表达式如下：

1:1.5); !制~中的控制增益；根据式(14)和（15)可得到滑模控制器的表达式如下：

5. 如权利要求4所述的四轮独立转向车辆的控制万法，其特征在于：所述的步骤D具体为：将矩阵A、Ad、B、C、Cd和K的元素代入式（I6)，通过整理得到后轮转角控制器的具体形式 如下：

采用上述得到的后轮转角和横摆力矩对车辆进行实时控制。

近年来，随着汽车智能化技术的飞速发展，轨迹跟踪控制作为智能车辆的重点研究问题，成为国内外学者广泛关注的热点。目前大多数的轨迹跟踪控制的研究集中于前轮转向的车辆上，而对四轮转向车辆的轨迹跟踪控制的关注较少。这篇文章提出了一种基于四轮转向自主地面车辆的路径跟踪控制方法，具有前瞻性的研究意义。

提出了一种新型四轮转向电动汽车作为自主地面车辆。目的是研究四轮转向自主地面车辆智能驾驶的路径跟踪控制算法。在单轨模型的基础上，建立了用于轨迹跟踪控制器设计的轨迹跟踪模型。接着建立了线性变参数系统模型，使路径跟踪控制器能够适应不同的纵向速度和路面摩擦系数。再者，设计了一种用于路径跟踪的线性二次型调节器控制器，并进行了稳定性分析。为了消除干扰引起的误差，将前馈控制与线性二次型调节器控制器相结合。为了验证所设计控制器的路径跟踪性能，基于在CarSim中建立的高保真整车模型进行了数值仿真。此外，还进行了实际道路试验。仿真和实验结果表明，所设计的控制器具有良好的路径跟踪性能。另外，路径跟踪控制器对不同的纵向速度和路面摩擦系数具有良好的鲁棒性。

设计了一个用于四轮独立转向无人小车的路径跟踪控制器，主要目的在于减小车辆的侧向位置误差和横摆角误差。为了简化控制器的设计，使用一个单轨模型来建立路径跟踪模型。将LPV系统模型应用于控制器设计，使路径跟踪控制器对纵向速度和道路摩擦系数等参数扰动获得良好的鲁棒性。路径跟踪控制器是在LQR和前馈控制的基础上设计的，前馈控制被用来消除干扰引起的误差。为了评估所设计的路径跟踪控制器的性能，进行了仿真和实车试验。仿真和实验结果表明，所设计的控制器不仅表现出良好的路径跟踪性能，而且还具有很强的鲁棒性，可以处理参数不确定性问题。

近年来，随着各种交通问题（包括拥堵和事故）的增加，自主地面车辆（AGV）已成为研究的热点。AGV的研究主要集中在环境感知、规划决策和运动控制方面。运动控制是AGV的基本能力和首要任务，主要包括纵向运动控制和侧向运动控制。AGV的纵向运动控制可以描述为跟踪目标纵向速度。AGV的侧向运动控制可以描述为路径跟踪控制，其目的是使AGV自动跟踪目标路径。

AGV的路径跟踪控制问题可定义为最小化侧向偏移和航向误差。各种控制算法已应用于路径跟踪控制，包括滑模控制（SMC）、最优控制、模糊控制、模型预测控制（MPC）、鲁棒控制和智能控制。然而，大多数路径跟踪控制算法是为前轮转向（FWS）的AGV设计的。与前轮转向的AGV相比，四轮转向（4WS）的AGV具有更多的运动控制自由度（DoF）。这表明4WS AGV具有更好的路径跟踪性能。

基于逆推方法为4WS AGV设计了一种路径跟踪控制器，该控制器能够很好地跟踪具有锐边的轨迹和圆形轨迹。为了处理系统不确定性，如转弯功率扰动、路径半径波动和侧风干扰，基于SMC为4WS车辆设计了自动的路径跟踪控制器，这也表明自动4WS控制器比FWS控制器具有更稳定和更精确的路径跟踪能力。采用MPC和前馈控制设计了一种集成路径跟踪控制器，可显著提高车辆稳定性和对期望路径的跟踪性能。尽管MPC路径跟踪控制器表现出良好的性能和鲁棒性，但它会带来大量的计算，并且难以在实际中使用普通硬件实现。为了减少车辆参数不确定性的影响，采用μ综合法为4WS AGV设计了鲁棒路径跟踪控制器。为了减少计算量并使控制器更实用，线性二次调节器（LQR）、比例积分微分（PID）和模糊控制广泛应用于路径跟踪控制器的设计。同时，采用遗传算法对控制器参数进行优化，使控制器更加具有自适应能力。

所设计的控制器应具有良好的路径跟踪性能和自适应能力。此外，控制器还应具有很强的鲁棒性，以应对系统不确定性和外部干扰。已经使用H鲁棒控制和μ综合法设计了一些用于路径跟踪的鲁棒控制器算法。为了提高对参数不确定性和干扰的鲁棒性，设计的鲁棒控制器的阶数通常非常高。使用普通车辆电子控制单元（ECU）进行测试很困难。为了满足上述性能要求，使控制器更加实用，采用线性变参数（LPV）系统和LQR算法，并结合前馈控制设计了4WS AGV的路径跟踪控制器。

六 分类

四轮转向系统的分类（1）按转向方式分1）同相位转向：改善汽车高速行驶的操纵稳定性。

同相位转向方式：普通的2WS在转动转向盘，车身方向改变后，固定的后轮与车身的行进方向产生差距，产生偏离度了，从而发生转弯力。所以，在前轮转弯后，后轮才开始转向，与四轮转向车相比，车身转动方向的变化大，缺少稳定性。四轮转向的同相位转向，车身方向变化与实际行进方向没有很大的差别，在高速行驶时具有稳定性。由于四轮转向车具有上述特性，所以它对于高速公路的改变车道行驶，或遭受侧风以及路面倾斜等外部干扰，驾驶人也可以自如地操纵转向盘保证行驶路线。

2）逆相位转向：减小汽车的转弯半径。

逆向位转向方式：这种方式是前后轮转向不同，且可转小弯，起到了缩短轴距的效果。它很相似于叉车，后轮也可以利用转向盘转向。这种功能的效果极大，以前需要反复倒车转弯多次才能通过的地方，四轮转向逆向位转向方式便可轻松的转弯通过。四轮转向逆向位转向方式可有效地改善作为FF车弱点的转小弯性能，考虑到日常的使用方便，可以说他比同相位转向方式更实用。

（2）按后轮转向机构控制和驱动方式的不同分 按后轮转向机构控制和驱动方式的不同分为机械式、液压式和电控式四轮转向系，主要类型有机械式、液压式、电控机械式、电控液压式和电控电动式等几种类型。目前使用最广泛的4WS系统为电控液压式，主要用于前轮采用液压助力转向系统的汽车中。

（3）按前、后轮的偏转角和车速之间的关系分

1）转角传感型。前轮和后轮的偏转角度之间存在一定的应变关系，即后轮可按前轮偏转方向作同向偏转，也可作反向偏转。2）车速传感型。根据事先设计的程序，当车速达到某一预定值（通常为35~40km/h）时，后轮与前轮同方向偏转；低于某一预定值时，后轮与前轮反方向偏转。

（4）分为随动式（被动式）和主动式两种。

1）后轮随动转向系统并不复杂，依靠对于后轮与后悬架的被动控制来完成。仅仅只是在后轮与悬挂、悬挂与车身之间布置了一些橡胶软垫，通过橡胶把悬架与车身柔性连接。由于橡胶存在一定弹性，而在弹性限度内又有相当高的强度，所以在汽车转弯时，在横向力的作用下能发生一定程度的弹性形变，从而带动后车轮一定角度的前束角变化，做出一个很小角度的转向，本质上属于悬架一种。这种结构并不灵活，所产生的后轮角度改变非常小，而且还要达到一定速度才起作用。

由于在过弯时前后轮都可以实现转向角度的改变，其转弯半径将会降低，减缓了一般前驱车辆转向不足的转向特性。虽然利用了橡胶垫变形的方式来实现后轮的随动转向功能，但是其转向角度非常小，只能进行与前轮同方向的转向，并且只有在车速并不是太低地时候才会起作用。

雪铁龙的这套后轮随动转向系统在技术层面上来说并不需要增加什么特殊的机械结构，只是对扭力梁后悬挂进行了独特的结构设计，在后扭力梁和车身之间不做刚性固定，在安装点使用了弹性橡胶块来与车身间形成软性连接。当车辆在拐弯的时候，在离心力的作用下，分别在车身两边的橡胶受力不同而产生形变差，从而改变扭力梁相对于车身的角度，实现了后轮束角的变化。当然，这种后轮转向是不可以人为控制，而且转动的角度也不大，只能在一定程度上解决转向不足的现象。这种不可人为操纵的四轮转向系统，也叫后轮随动转向。

▲作为汽车老三样之一的富康，由于采用设计独特的后扭力梁悬挂，能在一定程度上实现后轮转向功能。但这种较为被动的后轮转向，被称为后轮随动转向，性能也。

这样后轮就可以跟随车身的扭转而产生小角度的摆动，车尾可以更灵活地过弯，因此这些车的弯道操控特性堪称一绝。最早进入中国市场的雪铁龙就采用了这项技术，后轴没有转向机的结构，属于被动式的，低廉的成本换来优异的性能，并成为它的一大卖点。在雪铁龙富康、赛纳、爱丽舍等等这些车上就已经应用。

雪铁龙的后轮随动转向在九十年代固然厉害，但是跟今天流行的主动式四轮转向相比，就是小巫见大巫了！

2）主动四轮转向

既然有不可人为操纵的后轮随动转向，那肯定就存在可以人为操纵的后轮转向系统，结构更为复杂的主动式后轮转向，一般称为后轮主动转向。

狭义的主动式四轮转向，是指后轴也像前轴那样，有一个转向机，通过转向拉杆控制后轮的左右转动。主动式后轮转向更加灵活，与传统后轮悬架结构相比，带有主动式转向机构的悬架多了一套转向系统。

这项技术大多用于长轴距的豪华车上，使得车辆在弯道更加灵活。

宝马5系与7系上配备的后轮主动转向系统

在低于60km/h的速度行驶过程中，这套主动转向系统能够让后轮向前轮相反的方向扭转2.5度，这也使得转向更加轻便灵活。

当行驶速度高于60km/h的时候，后轮则会与前轮的转向方向完全一致，配合动态阻尼控制(自适应悬挂)和动态防倾杆，在减少后排乘客晃动感的同时也大大提高了高速行驶中的安全性。

当然，后轮的转动角度不像前轮那么大，一般是5度之内，如果太大了车子会灵活到失控......

▲ 你能脑补开着这款车上高速么...

大多数车型都采取这样的策略：车辆速度较低时，后轮和前轮转向相反，这样车子会绕着一个近似的弯内的圆心转过去，转弯半径一般缩小20-30%；而当车速较高时，后轮和前轮转动方向相同，这时车辆在弯中会有一点点“横向滑移”的特性，高速转向更稳定。

当然，也有其他脑洞大开的方式，比如上图这辆2005年推出的Jeep Hurricane概念车，除了前后轮同向转动的“横行”模式，还能四个轮子转动呈一个圆，从而实现原地掉头！不过毕竟只是概念，没有量产。

后轮主动转向，有别后轮被动转向如雪铁龙富康，也不是后轮转向如叉车，它只是一种对操控更讲究的转向技术，代表是运动范，是现代汽车的一类技术。

现在新车的四轮转向技术都是主动式的，车的后轴上也装上了转向电机，后轮转向角度由电脑更为精确的控制，整体比随动式的四轮转向更加智能、也更加强大！

有别于配置在廉价车型上的随动转向系统，后轮主动转向功能一般都配置在豪华车型和运动车型上。比如宝马7系，奥迪Q7等，其高配车型都有涉及到主动四轮转向系统。这种被装配在豪华高端车型上的主动四轮转向系统，对车辆的行驶性能起着积极的影响。

▲随着技术的发展，像奥迪Q7这类豪华车型，使用了由电脑控制的四轮转向系统，使车辆的操控性有了明显的提高。

1）工作方式

现在的主动四轮转向系统，一般有三种工作方式，分别对应低速转向，高速转向以及高速行驶三种状态。

在低速转向的情况下，后轮的转动方向与前轮的转动方向相反，这样可以缩小车辆的转弯半径，能让长轴距的汽车获得一定的灵活性，方便在狭小的停车场或窄路上通行；在高速转向下，后轮的转动方向则与前轮的转动方向一致，这样能减小车辆相对于行驶方向的旋转角度，使一部分的离心力得以抵消，在一定程度上减少了车身的侧倾，增加了车辆的弯道稳定性和操控性；而在高速行驶的状况下，两侧的后轮则向内旋转，使前束增加，能增强车辆的高速行驶和制动时车身的稳定性。

2）优点

配有四轮转向的车，在低速时后轮反向偏转可以使汽车更加灵活。

而高速转向运动就不是这样了。理想的高速转向运动状态应该是使车身的倾向和前进方向尽可能一致，这样才能使后轮产生足够的旋转向心力。有四轮转向的汽车可以通过对后轮同向转向操纵，使后轮也产生侧偏角，使它与前轮的旋转向心力相平衡，从而抑制自转运动，得到车体方向和车辆前进方向一致的稳定转向状态。所以高速时后轮与前轮同向偏转可以提升高速过弯的稳定性。

简单来说有了主动式四轮转向，车在低速时，后轮偏转方向和前轮相反，缩小了车身的转弯半径，让车在停车入库、窄路掉头时更加灵活。

而车速超过某一速度值（40~60km/h）后，后轮偏转方向和前轮相同，在高速并线、过弯时，车辆自身的偏转角度更小，更不容易侧滑失控，行驶更加稳定。

3）缺点

虽然主动四轮转向既能提升操控性，又能提升安全性，但目前主动式四轮转向技术只在大型豪华车和跑车在用，原因在于：一方面目前这项技术成本较高，暂时还不能下放到低端车上。对于较低端的车型，通常主打就是性价比，对于这种客户感受不那么明显的配置自然是不会采纳。四轮转向系统会使车辆的成本提高，特别是研发的成本，汽车底盘多一个活动的构件，在调校上要花的功夫更多，导致成本的增加；还有对于小型车，在原本后排空间就很局促的情况下，在后桥上增加一套转向系统显然是不现实的；再有就是可靠性了，毕竟不是纯机械式控制，现在的主动式后轮转向系统，其控制和动力来源均为电子设备，所以需要大量的电子元件，有可能使车辆故障率上升，可靠性自然会稍差一点。第二方面由于绝大多数的四轮转向系统中，后轮的转向角度非常小，日常普通驾驶并不能为驾驶员提供明显的感受。也就是说，四轮转向系统所能提升的那么一点灵活性，到头来却还是会被驾驶员的操作抹杀掉，形同虚设。第三方面现在越来越先进的电子车身控制系统，已经能通过对单侧车轮制动的方式达成提高汽车过弯速度的功能，四轮转向系统的价值显得越发不重要了。然而大型豪华车和跑车对四轮转向有更加迫切的现实需求，对于大型豪华车来说，车身尺寸太大，需要四轮转向技术来缩小转弯半径，让车在停车、调头时更灵活。对于跑车来说，四轮转向技术更大的现实意义是可以提升过弯速度和赛道成绩。随着四轮转向技术成本的降低，这项技术会逐渐普及到越来越多的车型上来。

4）应用

时至今日，拥有主动四轮转向系统的汽车品牌越来越多，虽然不同汽车品牌对各自技术的命名各异，但其原理、结构以及实现方式的差别并不大。特别是在现在汽车技术同质化现象越发严重的今天。虽然主动四轮转向有着这样那样的问题，但这完全不能磨灭它拥有的强大能力。目前应用这种技术的车型主要都是高端车型。配有主动式四轮转向技术车型如下，

▲ 新一代奥迪Q7主动式后轮转向系统

▲由于四轮转向系统带来的高成本，目前只有为数不多的豪华高配车型上才会搭载四轮转向系统。

▲比如凯迪拉克CT6，一辆车长超过5.1米，轴距超过3.1米的中大型豪华车，转弯半径仅需要5.65米。

▲再比如宝马7系，加持了主动转向后整车的驾驶感受完全不像是笨重的D级轿车。

▲还有保时捷918、911TURBO、法拉利GTC4Lusso等等超级跑车都选择了这项技术。足以说明其强大的能力。

▲奔驰：AMG GT R和AMG GT C

▲宝马：5系、7系

▲奥迪：A6、A7、A8、Q7

▲保时捷：911、卡宴、Panamera

▲凯迪拉克：CT6

▲雷克萨斯：RC、GS、LC、LS

▲讴歌：TLX、RLX

▲法拉利：812 Superfast、GTC4 Lusso

▲兰博基尼：Aventador S、Urus

现代的主动四轮转向系统是一项对于操控和安全都有提升的技术，虽然仍有不足之处，在不久的将来会将这些缺点一一攻破，让主动四轮转向变成现代汽车的主流配置。

2. 从机械结构方面或工作方式还能将后轮转向系统区分为“机械式、液压式、电动式”系统，按照后轮转向机构控制和驱动方式的不同，四轮转向可分为机械式、液压式、电控机械式、液压式、电控机械式、电控液压式和电控电动式等几种类型。按照车轮偏转执行机构的动力形式可以分为液压四轮转向系统、机械液压四轮转向系统和电子控制四轮转向系统（电控-电动四轮转向，电控-液压驱动四轮转向）等三大类，目前使用最广泛的4WS系统为电子控制液压式，主要用于前轮采用液压辅助转向的汽车，现在市面上的高端车型基本拿上都是最后一种电动式系统了，像是不久前刚上市的奥迪A8L就是搭载了最新的系统。

（1）机械式四轮转向系统

（2）电控-液压驱动四轮转向系统

根据控制方式的不同，可分为

1）横向加速度车速感应型

其结构是在前轮的动力转向器上，再安装一个后轮专用的控制阀，产生一个大致于横向加速度成比例的，与前轮转向器阻力相平衡的油压，把该压力的油液送到后轮执行机构，在执行机构中，装入高刚性弹簧，当与送来的油压达到平衡状态时，输出杆便产生位移，从而带动后轮开始转向。

横摆角速度比例控制式4WS系统

横摆角速度比例控制，是一种根据检测出的车身横摆角速度来控制后轮转向量的控制方法。它与转向角比例控制相比，具有两方面优点：一是它可以使汽车的车身方向从转向初期开始就与其进行方向保持高度一致（只有极小偏差）；二是它可以通过检测车身横摆角速度感知车身的自转运动。

横摆角速度比例控制式4WS系统组成：轮速传感器、车速传感器、油面高度传感器、挡位开关、转角比传感器、横摆角速度传感器、电动机转角比传感器、转向控制电动机、ABS-TeMSE ECU和4WS-ECU等。横摆角速度比例控制式4WS系统的组成如下图，

①前轮转向电机：转向盘的转动可传到齿轮齿条副上，随着齿条端部的移动又使控制齿条左、右移动，带动小齿轮转动。由于前带轮与小齿轮制成一体，故前带轮也随小齿轮一起进行正、反方向转动。同时前带轮的转动又通过转角传动拉索传递到后轮转向机构中的后带轮上。控制齿条存在一个不敏感形成，转向盘左、右约200°以内的转角正好处于此范围内。因此，在此范围内将不会产生与前轮联动的后轮转向，由于高速行驶时转向盘不可能产生这样大的转角，所以汽车高速行驶时的后轮仅由脉动电动机控制转向。前轮转向机构如下图，

②后轮转向机构：当转向盘向左转动时，后带轮向右转动，此时控制凸轮轮缘是向半径减小的方向转动，将凸轮推杆拉出，是阀套筒向左边移动。当转向盘向右转动时，控制凸轮轮缘是向半径增大的方向转动，把凸轮推杆推向里面，使阀套筒向右边移动。来自液压泵的压力油油路根据阀套筒与滑阀的相对位置进行切换。当转向盘向左转动时，阀套筒向左方移动，将来自液压泵的压力油输进液压缸右室，驱动功率活塞向左移动。与功率活塞制成一体的液压缸轴就被推向左方，带动后轮向右转向。相反，当转向盘向左转向时，功率活塞被推向右方，带动后轮向左转向。

控制原理

①后轮转角控制

②使汽车滑移角为零的控制

③受到横向风作用时的控制

④ABS作用的控制：转向盘转角与后轮转角之间的关系如下图，

小转角控制（同向转向）如下图，

2）前轮转角车速感应型

在该系统中，从油泵出来的油液直接流入电磁阀，车速传感器、转速传感器分别将车速和前轮转角信号输入计算机。按计算机指令，控制油液流入后轮执行机构。

①前轮转角感应型

为了把前轮转角传给后轮，在前轮齿轮齿条式转向器的齿条轴上，安装了后轮转向齿轮，其角位移通过中间传动轴传给后轮转向器。后轮具有小转角同相转向、大转角逆相转向的功能。在微小转向的高速行驶时，形成了同相转向，获得了行驶稳定性，在大转角转向的极低速行驶时，变成逆相转向，获得了小半径转向性能。

②前轮转角比例车速感应型

在动力传至后轮转向轴之前，与前者基本相同，但后轮的执行机构由相位控制部分和动力补助部分构成。动力补助部分以油压为动力，由后轮滑阀和动力缸构成。相位控制部分能实现对后轮同相位和逆相位的控制。

转向角比例控制式4WS系统

转向角比例控制，就是使后轮的转角与转向盘的转角成比例变化，并使后轮在汽车低速行驶时，相对于前轮反向转向；在汽车中、高速行驶时，相对于前轮同向转向。

系统组成：ECU、转角比例传感器、车速传感器等。转向角比例控制式4WS系统构成如下图所示，

偏置轴与转向枢轴构造如下图所示，

偏置轴与转向枢轴工作原理如下图所示，

4WS转换器的结构如下图，

转角比传感器结构原理如下图，

控制原理：ECU根据转角比传感器、车速传感器等输入信号，进行控制。

①转角比控制：工作中，ECU可根据车速传感器和转角比传感器的输入信号，计算处车速与转向角的实际数值，然后把它们的实际数值与标准数据做比较，向主电动机发出控制指令，控制主电动机驱动从动杆转动。在此过程中，驾驶员可使用4WS模式切换开关，选择“NORMAL"或”SPORT“模式。

②2WS选择控制：当2WS选择开关设定在ON（导通）位置，且变速器被挂入倒挡位置时，ECU就设定后轮转向角的转向量为零。

③安全保障控制：转向角比例控制式4WS系统控制原理如下图所示，

转角控制图如下，

（3）电动式四轮转向系统

3.按功能分为后轮小角度偏转系统和后轮在中高速时小角度偏转在低速时大角度偏转系统。

4.四轮转向系统按照前后轮的偏转角和车速之间的关系分为两种类型：

一种是转角传感型，转角传感型是指前轮和后轮的偏转角度之间存在着一定的因变关系，即后轮可以按前轮偏转方向做同向偏转，也可以做反向偏转。

另一种是车速传感型，车速传感型是根据事先设计的程序规定当车速达到某一预定值时(通常为35-40km/h)，后轮能与前轮同方向偏转，当低于某一预定值时，则与前轮反方向偏转。

目前的四轮转向轿车既有采用转角传感型，也有采用车速传感型，还有二者兼而用之的。例如马自达929型轿车的四轮转向就是具有两种类型的特点。

图：诞生于HD平台的第四代马自达929车型（1991年至1996年）便带有四轮转向系统，这在那个年代是个非常稀奇的技术。

图：宝马1992年推出的850csi曾以选装配置的方式出现过四轮转向技术。

图：宝马7系（F01-04）便具备四轮转向的技术，这不仅可以明显提高操控性和弯道性能，还能减小转弯半径，方便停车。当然，后轮摆动幅度是很小的，肉眼几乎难以察觉，后轮转动幅度只有2.5度左右。

七 作用

1.四轮转向技术解决了如下几种尴尬：

体积巨大的卡车或公交车在狭窄的道路上灵活移动；

具备一定装载能力的越野车在复杂路况的脱困能力；

提升运动型汽车的弯道操控性。

2.四轮转向系统的主要作用是：

四轮转向系统4WS的后轮与前轮一起参与转向，是一种提高车辆反应性和稳定性的关键技术。

（1）以与前轮相同的方向转动后轮（同相位转向），可以减少车辆转向时的旋转（摇摆）运动，能减少车辆质心侧偏角，降低车辆横摆率的稳态超调量等，从而提高汽车在高速行驶或在侧向风力作用时的转向稳定性；

（2）中低速行驶时，以与前轮相反的方向转动后轮（逆相位转向），使低速行驶时转弯半径尽可能减小，改善机动性，能够改善车辆在低速下的操纵轻便性，提高中速行驶时操纵性快速转向性（响应性能）；

（3）能在整个车速范围内提高车辆对转向输入的响应速度。

八 特性

1.电动电子控制四轮转向系统的应用越来越广泛，其特点是：

（1）车辆的操纵性能好

在使用4WS的场合，转向系统不受发动机停、转的影响，即使在停车时，驾驶员也可以获得最大的转向动力。汽车在行驶过程中， 因为后轮随着前轮的转动而作与前轮方向相反（逆相位）的转动，所以其最小转弯半径和传统的转向系统相比就小些。同时由于电子控制部分可以通过调节转向助力的大小来改善驾驶员的 “路感”，因此，车辆的整体操纵性能大大提高。

（2）转向助力特性可变

电子转向四轮转向系统可以十分灵活地修改扭矩、 转向角和车速信号的软件控制逻辑，可以自由地设置转向助力特性。

所谓可变转向比，可以简单理解为方向盘转动的角度与对应的车轮转动角度的比值。

（3）抗外来干扰的稳定性效果好

由于四轮转向系统采用了后轮随动的技术，从而使其在路面附着系数发生突变的情况下可以依然保持较高的附着能力，对抗外来干扰的稳定性较好。同时利用电机惯性的质量阻尼效应可以使转向轴的颤动和反冲降到最低。

（4）可以提供更优化的转向返回特性

通过对转向角进行回复控制和转向角进行的阻尼控制可以提高更为优化的转向返回特性。

（5）具有向智能化方向发展的潜力，便于与汽车上其他技术联合使用，增强汽车的智能化水平。

2.电控电动式4WS系统的特点分析

（1）电控电动式4WS与普通2WS系统对比分析

与普通的2WS汽车相比，电控电动式4WS汽车具有如下特点：

1）转向操作的响应加快，准确性高。

2）转向操作的轻便性和行驶稳定性提高。低速时，转弯半径小，转向操作的机动灵活性提高。

3）超车时，变换车道更容易，减小了汽车产生摆尾和侧滑的可能性。抗侧向干扰的稳定性效果好。

（2）电控电动式4WS与电控液压式4WS系统对比分析

与电控液压式4WS系统相比，也具有显着的优势：

①采用步进电动机作为后轮转向系统的驱动执行元件，动态响应快，改善了瞬态转向灵敏度，有效地降低了电控液压式转向系统的转向滞后特性。

②步进电动机的角位移与输入脉冲数严格成正比，在转动过程中，无累积误差，随动性好，转向控制精度高，回正性好。

③系统刚性大，有较高的惯性力矩，抗外界干扰的能力强。结构紧凑，体积小，质量轻，装配布置方便。

④步进电动机由蓄电池供电，发动机动力消耗。没有液压系统装置，系统的调整和检测方便，装配自动化程度高，能缩短系统产品的生产和开发周期。

3.四轮转向系统具有以下显著的优点：

（1）转向能力强。较小的转弯半径，车辆在停车掉头时可以转的更灵活。车辆在高速行驶和在湿滑路面上行驶时的转向特性更加稳定和可控。（2）转向操作的响应加快，准确性提高。在整个车速变化范围内，汽车对转向输入的响应更迅速和准确，在驾驶员转动车轮时会感觉更加灵敏。

（3）抗侧向干扰的稳定性效果好，直线行驶稳定性好。四轮转向使车辆更易于控制，因此可以在更高的速度下进行更多的控制。在高速工况下，汽车的直线行驶稳定性提高，路面不平度和侧风对车辆行驶稳定性的影响减小。（4）转向操作的机动灵活性和行驶稳定性提高，能更快的换道，换车道时稳定性好。当四个车轮都向同一方向旋转时，车辆将更快地换道。汽车高速行驶换车道的稳定性提高。

（5）安全性更高，稳定的汽车更安全。四轮转向使车辆进入弯道可以减少车辆的侧倾，能有效控制车辆，减少发生事故发生。超车时，变换车道更容易，减小了汽车产生摆尾和侧滑的可能性。

特斯拉Cybertruck增加后轮转向功能，使其具有高机动性，可以紧急转弯。

（6）在转向时能够基本保持车辆质心侧偏角为零，且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。当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，有效降低/消除车辆转弯时因后轮抓地力不足而发生侧滑事故的发生几率甚至安全隐患，明显改善车辆高速行驶过程中的稳定性及安全性，进而缓解驾驶者在各种路况下（尤其是在风雨天）高速驾车的疲劳程度。

（8）低速机动性好。低速时，后轮朝前轮偏转方向的反向偏转，使车辆低速转向时的转弯半径大大减小，因而更容易控制。在低速转向时，车辆因前后轮的反向转向能够缩小转弯半径达20%。四轮转向技术使大型车辆具有如同小型车辆的操纵及泊车敏捷性。汽车的体积和灵活性一般都会成反比，块头越大，转弯半径越长，四轮转向系统的出现就能帮助体积大的卡车或客车在狭窄的道路上灵活转向，摆脱尴尬困境。提高了车辆的挂车能力，通过转向后轴对挂车的转向牵引，四轮转向系统极大地提高了转向操作随动性和正确性，改善了车辆挂车行驶的操纵性、稳定性及安全性。

（9）是对新车司机的福利，四轮转向可以缩短低速转弯时的转向半径，在需要侧方停车时，它将变成一项神技能。

（10）可以提高汽车转向躲避前方障碍物的能力，通过后轮转向对后轴的推动，可以使整车以看似侧向行驶的形式绕开前方障碍物，同时最大可能保障车身的平稳，躲闪能力提升。

3.缺点

（1）转向系统结构复杂，成本和价格高，故障率有点高，可靠性不太高。额外增加一套系统增加了成本，还有后桥空间本来就那么点大，不得不在后轴上增加一整套转向系统（转向机、转向拉杆），从前还需要有一根转向杆从方向盘传递到后轴，因其工作时需运动而不与周边干涉致空间捉襟见肘，布置困难，也增加重量；从其发展来看，在早期的四轮转向中，模式固定，通过液压机构来让橡胶衬套变形，则意味着可靠性也会变差，而车辆的偏心轴和行星齿轮这类机械结构也无法判定行车速度，所以在一定的程度上增加了操控的不确定性。虽在新一代的四轮转向上基本解决了这些问题，但由于后悬架必须是多连杆，这也就意味着成本高昂。因方向盘的转角需通过电信号传递给后轴转向机，而需要大量传感器等电子元件监控车辆状态，无论是电控液压式的还是电控电动式的，都会增加车辆的复杂性，发生故障的概率也就更大，可靠性上自然就差一点了。尽管四轮转向系统较安全好用，但目前主要用于一些高端车型，与传统的转向系统相比，它们需要更多的组件和匹配工作，因此要付出相应的成本。

（3）维护困难。由于四轮转向系统具有更复杂的机械和电气组件，因此，如果其中一个发生故障，则可能会损害整个转向系统。由于四轮转向系统较为复杂，因此维修时间也较长，同时用户还要考虑这部分的费用支出。

（4）可替代性强。是现代科技的发展使这个系统被更为低廉，更为有效的方式所替代。

九 发展趋势

目前在成型的4WS汽车中主要采用电控液压式4WS系统。由于液压动力转向系统在结构、系统布置、密封性、能耗、效率等方面的不足，尤其是在转向过程中存在着响应滞后的固有缺陷，使得电控液压式4WS系统在适应现代四轮转向汽车的转向灵敏性、准确性方面受到了束缚，不能满足汽车高速行驶稳定性的要求。随着EPS系统的出现，在EPS技术的基础上，电控电动式四轮转向系统应运而生，电控电动式4WS将是4WS的发展趋势。虽然电控电动式4WS系统发展较晚，相应的技术还不够成熟，存在动力小、ECU复杂、成本高等不足之处，但随着现代电子技术、计算机技术、电机技术的飞速发展和在汽车中的广泛应用，电控电动式4WS系统在技术上将不断完善，在转向控制性能、系统布置、节能等方面也将越来越显示其优越性，其应用前景广阔，必将取代电控液压式4WS系统，并成为4WS系统发展的主流。它的发展趋势有以下几点：

　　（1）针对4WS系统，进一步开发、设计高性能、高精度、高灵敏度的传感器，以便于正确地检测汽车的运动信号。

　　（2）将先进的控制理论与控制方法应用于4WS控制器的研究中，提高转向控制性能。

　　（3）改进步进电动机的结构和控制技术，消除步进电动机工作时存在的振荡、失步、振动、噪声等不足。

　　（4）研究、设计结构合理、布置方便的后轮转向传动机构，实现后轮的正确转向。

　　（5）进一步简化系统，减小系统结构的体积，控制生产成本。

　　（6）把4WS技术与其它主动安全技术（如4WD、ABS、ASR、ASC、DYC等）相结合，实现汽车主动底盘技术的综合控制，这是主动控制4WS系统研究的长期目标。L5需要某种形式的线控转向系统（SBW），但很可能会有一定比例的L4和L3车辆采用带后轮转向解决方案的SBW，以便在一个系统出现故障的情况下为SBW提供冗余系统， 具备后轮转向的SBW的未来前景在很大程度上取决于自动驾驶的成功。

上述系统虽然可以实现后轮在一定程度上的转向或车辆原地掉头，但后轮起到的作用大都是辅助前轮，并不可以像前轮一样操纵自如，实现大角度转弯。严格来讲，具有这类转向系统的传统汽车算是准2维，实际1.5维的机械，是以前后X向运动为主，靠轮子摆角产生侧向力Y叠加在X向上转向。如果实现了真正的四轮转向，汽车可以把运动方向360度任意转换，这样车子就真正成为了2维机械。不妨大胆地想象一下：如果四个轮子都能任意转向的话，停车会是一件多么轻松而愉快的事情。不用转弯掉头可以原地实现，甚至每个人都可以完成漂移等高难度动作。所以说前面的三种系统与要说的“四轮转向”系统相比，有着本质上的区别。

适应一项新的革命性技术，需要其他无数的配套技术发展才能实现。在这场变革之中，原先的车辆构造与相应的技术会发生转变，比如轮胎与座椅。

圆形轮胎更像一个“平面”，并不适合2维机械，车辆真正需要“立体”的球形轮胎。在2016年日内瓦车展上，固特异发布了基于3D打印技术的球形概念轮胎，以磁悬浮的方式安置在车下，内置传感器，可以感知到路面的变化，以及时作出调整。虽然这种“球形轮胎”离我们有点远，但是固特异认为他们的产品理念代表了固特异未来的发展方向，以及对未来的理解。

球形轮造成的自由度提高，会进一步加大驾驶技术的分化。“四轮转向”会使车的操控发生本质改变。既然汽车的操控不一样了，适应原先操控技术的传动结构会发生改变，球形轮胎对整车控制软件的智能化也提出了更高要求，传统汽车的方向盘或许会演变为类似于飞机控制杆的控制机构。

此外，整车转向方式的改变，会让汽车没有了传统意义上的车头与车尾，汽车或许会从长方形进化为圆型，就像飞碟那样。车内的布局也会随之发生改变，其中可以随意调节朝向的智能座椅会是车辆最主要的组成部分之一。在2020年的CES上，麦格纳展出了其智能座舱，其座椅可以根据需要进行折叠，也可以调整朝向。

“四轮转向”作为汽车技术的前瞻性概念，是否会成为车企与供应商的主流选择现在还是个未知数，原因就在于，四轮转向有大量的问题需要攻克，而攻克这些问题的代价与四轮转向所带来的好处是否成正比，目前还没有一个清晰的答案。但可以肯定的是，“四轮转向”这一技术对人类未来的改变将非常巨大。