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汽车四轮转向技术研究综述
胡红元（上海汽车集团股份有限公司商用车技术中心，上海200438）
李兵（联创汽车电子有限公司，上海200120）
王阳阳（同济大学，上海200092）
【摘要】作为线控转向技术的应用场景之一，四轮转向（4WS）技术能够改善车辆低速行驶的灵活性和中高速行驶的操纵稳定性。文章主要从4WS结构方案、控制策略和失效容错方案3个方面进行文献综述，分析当前汽车4WS技术中的主要研究方法和成果，为进一步研发安全可靠的四轮转向系统提供借鉴。
[Abstract]As one of the application scenarios of SBW technology,four-wheel steering(4WS) technology can improve the flexibility of the vehicle at low speed and the handling stability at high speed.In this paper,the4WS schemes,the4WS control strategies and the4WS fault-tolerance de­signs are reviewed,the main research methods and achievements in the current4WS research are ana­lyzed,in order to provide reference for the further development of4WS system.
【关键词】四轮转向结构方案控制策略失效容错
doi:10.3969/j.issn.1007-4554.2021.04.04
0引言
随着线控技术的不断发展成熟，其在汽车上也得到更多的普及应用，线控转向、线控制动以及电子油门等已逐渐成为现代车辆的标准配置⑴O 而作为线控转向的应用场景之一，四轮转向（4WS）技术因其具备改善车辆行驶操稳性和驾驶灵活性的优势也得到快速普及。
4WS往往通过在传统车辆前轮转向的基础上增加后轮转向系统，以实现行驶过程中后轮能够跟随前轮进行主动或随动转向的功能。4WS车辆在低速行驶时，前、后轮反向转动，能够减小车辆的转弯半径，加快车辆响应速度；在高速行驶时，前、后轮同向转动，可提高汽车的行驶稳定性，增强车辆的循迹能力⑵。
本文对4WS技术的国内外研究现状和发展趋势进行总结论述，着重从4WS结构技术方案、控制策略以及失效容错处理3个方面加以说明，分析四轮转向技术的研究成果并做出总结与展望。
1四轮转向结构方案
四轮转向的概念最早在20世纪60年代就被日本研究人员率先提出，并在20世纪80年代得到迅速发展，其中日本的本田、马自达和三菱等公司都推出了各自的4WS车辆，但早期汽车的4WS 多通过纯机械
结构的方式来实现。
而随着线控技术在汽车上的普及使用，目前汽车上的4WS多通过在车辆后桥上增加由转向电
收稿日期：2021-01-03
杭州汽车违章查询上海汽车2021.04・19・
机控制的转向系统来实现后轮的转向。如采埃孚
公司研发的主动式后轮转向系统AKC，该系统主 要提供两种方案。一种是位于车辆后桥中部的系
统，其通过布置在后桥中部的线控转向电机带动
齿条移动来实现后轮的转向，其主体部件与整体
结构分别如图1和图2所示；另一种方案是在左、
右后轮边处各布置一个机电执行机构，通过调整
后悬前束杆的长度来调节后轮前束的角度。上述
两种方案在量产车型中均有应用。
奔驰m550图2采埃孚AKC 的机电执行机构
凯迪拉克CT6车型配备ARS 主动式后轮转
向系统，如图3所示。以12 V 伺服电机配合五连
杆悬挂系统，驱动后轮转向，且角度最大能达到
3. 5。，低速时与前轮反向转动，高速时与前轮同向
转动，可减小转弯半径并提升高速变道稳定性，是
恒大汽车市值暴跌当前已投入市场的一种典型四轮转向车型。
图3凯迪拉克CT6后轮主动转向系统
保时捷公司在其911 GT3车型上也采用了主
动后轮转向系统，其重量小于3 kg，可以使后轮实
现最大6。的转向角，其所能提供的最大转向力为
4 000 N o
保时捷公司的主动式后轮转向系统包括电
机、齿轮机构、失效锁止模块和传动机构，其结构
紧凑，对空间要求低，直接取代了悬架部件中的横 拉杆，在不改动悬架结构的前提下，就可以适配, 适用性比较强。
舍弗勒公司开发了 e-Corner 智能转向驱动模
块，主要由包含了转向电机和调节齿轮的转向支 柱、转向臂、减振器和下控制臂等几个部分组成。
该套系统每个车轮可独立控制，且转向角度均可
达到90。。
2四轮转向控制策略
4WS 控制策略是实现车辆四轮转向功能的
关键所在，其通过获取方向盘和整车实时状态
量输入，计算出当前时刻应输出的后轮转角
大小。
随着控制技术的不断发展,4WS 控制策略也
从线性控制到非线性控制、控制参数由少到多发 生变化，若将其按照由简单到复杂进行分类，则可
大致分为：（1）前馈型4WS 控制策略；（2）反馈型
4WS 控制策略；（3）具有自学习自适应能力的 4WS 控制策略。
2.1前馈型4WS 控制策略
早期有关四轮转向策略的研究大多是以
前馈控制为基础，特点是不能抵抗外界干扰， 对转向工况的适应性也较差。图4为前馈型 四轮转向系统，后轮转角Q 取决于前轮转角8（
的大小。
图4前馈型4WS 控制策略示意
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上海汽车2021.
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比例控制方案就是典型的前馈控制策略⑶，
其表达式为
® = K® (1)
a+Kj V
式中:a 、b 为汽车质心到前后轴的距离；矶为汽车
质量誇为汽车车速;Z 为车辆轴距;Kf 、K 「为车辆前
后轮总的侧偏刚度。比例控制系数K 的推导是在
汽车二自由度运动方程中，让车辆质心侧偏角的 稳态增益为0，以提升操作性能。本田公司早期的
四轮转向系统则是一个典型的前馈控制系统，它 根据方向盘的转角来调整前后轮的转角比例，属
于纯机械结构的四轮转向系统。
不同于上述比例控制策略中前、后转向比仅
是车速变化函数的方案，马自达公司在设计车速
感应四轮转向控制策略中，还将转向传动比K 的
取值同方向盘转动频率联系起来。在计算最优前
后转向比K 时，计算出与车速和方向盘转动频率 相关的转向传动比K，令二者相位滞后重合。
前馈控制的实现较为简单，多是通过对理想 车辆模型的计算来控制前、后转向比，较少考虑车
辆在行驶过程中的状态参数变化以及轮胎、车辆 模型等部分的非线性动力学特性，在多变的道路 情况下不一定满足车辆实际的行驶需求。
2.2反馈型4WS 控制策略
反馈型控制策略框图如图5所示。反馈控制
策略中的后轮转角不仅取决于前轮转角，同时也
和整车的运行参数有关，通常为车辆的质心侧偏
角和横摆角速度。当前大多数的研究都是在反馈
控制或“前馈+反馈”联合控制的基础上进行设计
的MT  ，相较于单一前馈型四轮转向控制策略有 更好的控制效果。
在国内已有许多学者针对四轮转向汽车控制
中的响应时间、理想模型跟踪性能、控制鲁棒性和 操纵稳定性等因素，将最优控制、模糊控制和模型
预测控制等控制理论应用在四轮转向控制算法设 计中。
三菱公司则是利用反馈控制技术进行四轮转
图5反馈型4WS 控制策略示意
向系统的设计，通过调整前轮的扭矩来控制后轮
转动。通过安装专用液压缸驱动后轮转向，但这 种系统的后轮只能以小角度和正相位旋转。
Russell ⑹提出一种“处理修正系统”(Handing
Modification  System )，是由前馈、非线性反馈和线
性反馈项组合而成的控制方案(见图6)。其中前
馈项与理想轮胎力相匹配，反馈控制部分采用了
线性反馈和非线性反馈的方法来实现横摆角速 度、侧向速度和纵向速度与理想参考模型之间误
差的最小化；实现了对汽车前后轮转角、驱动力矩
和制动力矩的综合控制。
操稳控制器
图6处理修正系统示意
相比前馈型4WS 控制策略，反馈型控制策略
多通过对车辆行驶中的质心侧偏角、横摆角速度
或者横摆力矩等状态量进行反馈补偿计算，提高
T  4WS 车辆在行驶中的操稳性和安全性，更能满
足车辆在复杂行驶工况下的控制需求。
2.3具有自学习能力的4WS 控制策略
在四轮转向的前馈型和反馈型控制中，大都
需要被控对象为精确的数学模型，为了克服或者
改善这种局限，不少学者对具有联想、自学习和自
适应特性的神经网络在四轮转向控制中的应用进
行了研究。
Nagai [7]考虑汽车轮胎和悬架非线性动力学特
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性，结合人工神经网络和线性控制理论，采用人工神经网络获取非线性知识，为四轮转向系统设计了一种非线性控制策略，在非线性影响较大的工作范围内，有效地提升了汽车的操纵稳定性。宋宇等⑻设计了一种车辆横摆角速度反馈与神经网络自适应的混合控制系统，有效解决了轮胎大侧偏角下的非线性问题，使神经网络权系数的在线修正速度快、难度低，赋予了系统自适应能力。
相比于前馈或反馈型控制策略，采用具有自适应、自学习能力的算法更能够适应车辆系统模型的非线性特性，但是其往往对控制器的计算能力和实时性有更高的要求。
3四轮转向失效容错方案
目前四轮转向的实现方式多为：在前轮采用机械式或助力式转向系统的基础上，在后轮使用转向电机进行线控转向。
虽然线控转向具有轻量化、可模块化、设计灵活等优点，但电子部件可能毫无预警地发生故障。所以，当4WS系统的某个传感器、执行机构或电子控制单元发生故障时，必须快速地以失效或容错方式进行处理。
现阶段针对4WS系统的失效容错方案，可大致分为硬件冗余容错方案和软件容错方案两大类。福特mad max
3.1传感器失效容错方案
对于传感器故障的处理措施，多直接选用市场上已经量产且符合ISO26262标准ASIL D等级要求的传感器产品，该类传感器在传感器内部集成了两套独立的模块，都具备完整的信号采集、处理和传输功能。
此外，也可采用硬件冗余加算法解析的方式来提高传感器的可靠性。何磊等人⑼提出了一种传感器容错设计方案，其将控制分为故障诊断和故障补偿。前者是根据硬件自身信号与状态估计得到的信号作差，计算得到故障诊断信息；而针对出现故障的传感器，则采用冗余硬件或算法解析的方式，对故障传感器的信号进行重构，保证系统中传感器的容错能力。3.2电控单元失效容错方案
针对汽车线控系统主控制器或者电机控制器的失效问题，目前大多采用双控制器容错方案，即用于线控转向系统的主、从控制器容错方案。两个主控制器和两个电机控制器使用同一套程序，主机和从机分别计算自己的控制命令，若二者差值超出设定范围，则从机用主机的控制命令重置自己的控制命令以消除差值。
3.3执行机构失效容错方案
在四轮转向系统中，除了上述对传感器或控制器的失效容错方案外，对转向执行机构进行容错设计也可提高整个系统的容错能力。温岭交警网违章查询
针对转向电机的容错方案，可采用双绕组或3个绕组，这样当电机中某一绕组发生故障时，剩余绕组仍能提供部分转向动力。此外，双转向电机驱动也是一种被广泛提及的方案，吉林大学的一项发明专利公开了一种双电机电控转向系统的冗余容错控制方法何，如图7所示。该方案的特点在于当主控电机或者辅助电机之一发生故障时，中央控制器对剩余正常工作的电机采取转角控制，使其承担正常的转向功能。
车速
方向盘转角
目
标
电
流
助
机
毗
SBW
中
控制器
目
标
转
角
车辆
反
馈
电
流
反
馈
转
角
戒
_
_
_
角
机
转
电
B
\
孵
图7双电机电控转向示意
此外，凯迪拉克、宝马等汽车厂家在采用后轮线控转向系统时，针对后转向传动设计了能够失效自锁的结构方案来保证车辆的行驶安全。如图8所示的凯迪拉克CT6后桥转向器采用同步带与丝杠螺母结合的传动方式，当后轮转向器出现故
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障时，可以实现丝杠到螺母的传动锁止，防止后轮受外力扰动而发生转动［山，但该方案只能够保证后桥锁止在某一角度，无法实现回正，驾驶过程中的安全性较难保证。
电机控制接苗
行程传感器接口
图8凯迪拉克CT6后轮转向器
4结语
本文从4WS结构方案、4WS控制策略和4WS 容错方案3个方面对4WS技术进行研究综述和分析，可以看出当前4WS研究的基础在于四轮转向结构的开发，而研究的重点和难点多在于控制策略和系统功能安全设计上。
4WS结构在当前情况下大多都只能实现较小角度的后轮转向控制，导致了四轮转向汽车相较于传统前轮转向汽车，在大幅提高生产成本的同时，带来的性能提升并不明显。
无法实现大后轮转角是由多个原因导致的：大后轮转角会导致汽车的操纵感与传统汽车相差过大，难以被多数驾驶员适应；当前四轮转向系统容错方案复杂、可靠性低且成本高昂，若在大后轮转角情况下发生失效，则安全性难以保证。考虑到以上种种原因，目前市场上的四轮转向汽车最大转角都局限在很小的转动范围内。
4WS策略从简单的前馈控制发展到“前馈+反馈”的控制，再到目前研究较多的神经网络等自适应算法的应用，可以预见，更准确和复杂的车辆多体非线性动力学模型会被应用于4WS车辆中，以实现更稳定可靠的4WS车辆行驶控制。
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