电动代步车人机电综合系统联合仿真与分析【优秀毕业课程设计】

中文摘要 I 摘要 近年来，由于交通的拥挤、油价的持续上涨，以及老年人口比例的逐年增加，使得电动车的发展非常迅速。为了开发出新型的电动代步车，虚拟样机的仿真技术已成为一个重要的研究课题。 为了优化电动代步车的结构及设计尺寸、调整其控制参数，本文采用了计算机虚拟仿真技术，同时依靠软件间的协同合作平台，建立了电动代步车人机电综合系统模型，并对电动代步车的动态特性进行了仿真分析。 本文的研究主要内容包括： 1 基于多体动力学相关理论，在 件中分别建立了电动代步车的轮胎、人体、座 椅、柔性体支架、路面谱等子模型，并在 算环境下，通过添加约束的方式，把这些子模型组成一个整体，从而建立了电动代步车人机刚柔机械系统模型。 2 在 台上建立电动代步车永磁无刷直流电机模型，并对电机的动力性能进行测试。通过软件间的接口，搭建了 台。将生成的电动代步车人机刚柔机械系统模型与电机模型在此平台上进行联合仿真，从而建立了电动代步车人机电综合系统模型。 3 利用 件对电动代步车人机刚柔机械系统模型进行动态特性仿真分析。电动代步车操纵稳定性仿真分析内容包括： 、爬坡性能仿真分析、 、稳态转向仿真分析； 、转向回正性仿真分析； 、蛇形仿真分析；电动代步车平顺性仿真分析内容包括： 、随机路面的仿真分析； 、脉冲路面的仿真分析； 、凹坑路面的 仿真分析； 、台阶路面的仿真分析。并对仿真结果进行分析和总结。 4 建立电动代步车驱动系统控制方案，并对电动代步车加速和差速转向进行联合仿真，调解 数，观察 制效果，验证控制方案的可行性。 5 针对仿真过程中遇到的问题进行了归纳与总结，并提出了改进意见与展望。 本文的仿真分析与研究，对电动代步车产品的研发具有重要的推进作用，其分析计算结果对电动代步车样机的调试具有一定的指导意义，所提出的人 机电综合系统的仿真方法对产品的设计与参数的优化具有很强的参考价值。 关键词： 电动代步车；人机电综合系统；动态特性； 合仿真 of is of In to a of an In to of in on of of of of 1 on of an 2 of of by of to of 3 of of of of of 4 of of of ID 英文摘要 of 5 in of of of in a in of a to of of in a to of of V 目 录 中文摘 要 . I 英文摘 要 . 绪论 . 1 文研究背景与意义 . 1 内外研究现状分析与未来发展趋势 . 1 动代步车国内外开发现状 . 1 动代步车未来发展趋势 . 3 文研究的主要方法和内容 . 4 2 电动代步车机械系统模型的建立与分析 . 7 刚体动力学理论概述 . 8 胎模型的建立与参数的选取 . 9 面谱的建立 . 11 3 电动代步车人椅与电机控制系统模型建立与分 析 . 15 . 15 体动力学模型的创建与参数设置 . 15 椅系统数学模型的创建与分析 . 17 动代步车人机系统模型的建立与支架的模态分析 . 20 架柔性体中性文件的建立 . 20 动代步车动力学模型简化与建立 . 22 机系统模型的建立与参数选取 . 22 动代步车驱动系统仿真模型的建立 . 24 电耦合仿真模型的原理 . 24 磁无刷直流电机仿真模型的建立 . 25 枢电压控制的 真模型的建立 . 27 合仿真模型 . 30 合仿真模型的创建过程 . 31 合仿真模型的调试方法及注意事项 . 34 合仿真模型的封装 . 34 目 录 V 4 电动代步车人机电综合系统动态特性仿真与分 析 . 37 动代步车操纵稳定性仿真分析 . 37 坡性能仿真分析 . 37 态转向仿真分析 . 39 向回正性能仿真分析 . 43 形仿真分析 . 45 动代步车平顺性仿真分析 . 47 机路面的仿真分析 . 47 冲路面的仿真分析 . 51 坑路面的仿真分析 . 53 阶路面的仿真分析 . 56 章小结 . 57 5 电动代步车人机电综合系统的驱动联合仿真分 析 . 59 制及参数调整方法 . 59 制方法 . 59 数调整方法 . 60 动代步车 制的速度仿真分析 . 60 动代步车 制的差速转向仿真分析 . 67 章小结 . 71 6 总结与展望 . 73 文总结 . 73 一步的工作展望 . 73 致 谢 . 75 参考文献 . 77 1 绪论 1 1 绪论 文研究背景与意义 近年来小汽车不断进入千家万户，我国同世界其它发达国家一样，汽车社会时代到来的同时，也产生了一系列重大的社会问题：各大城市交通拥堵、停车困难，交通事故频发；废气排放和噪声污染严重；原油价格不断升高等，面向未来，安全、节能、环保将仍然是汽车研究的三大主题。因此交通运输“十二五”发展规划明确指出：建设资源节约型、环境友好型社会是我国一项长期的战略任务。 汽车轻量化是综合实现节能减排的重要途径之一。研究表明，约 75%的油耗与整车质量有关，降低汽车质量就可以降低油耗以及排放，汽车质量每下降 10%，油耗下降 8%，排放下降 4%。汽车质量的减少，会减小动力及其传动系统的负荷，因此可降低油耗，油耗下降又意味着二氧化碳（ 氮氧化物（ 有害气体排放的下降。由此可见，汽车轻量化 1意义明显，受到业界和政府高度重视，是汽车研究发展的重要方向。 汽车微型化又显然是实现轻量化的重要途径。另外，微型化可减少迎风 面积，降低汽车行驶时的空气阻力，能节省大量材料以及行车和驻车的交通空间。所以，根据用途不同，对乘坐和载运空间需求较小的交通场合应该尽量减小汽车尺寸，以减少浪费、实现节能减排。随着政府对节能减排的政策调控力度不断增强、城市化交通网络建设的进一步推进和完善、人们环保意识提高和消费观念进步，可以预见：未来私人交通领域中，当需要家人集体出行时，将采用多人座轿车，而在中青年人上下班出勤和老年人、家庭主妇的生活通行时，则采用双人甚至单人座的超微型小汽车。 因此，未来轻量化、微型化汽车发展具有很大的市场空间，国家政府也大 力支持和倡导微型汽车的研究发展 2。 内外研究现状分析与未来发展趋势 动代步车国内外开发现状 电动代步车在国外已经有了几十年的发展历史，在电动代步车主要零部件的基础研究、关键零部件动力学分析、不同结构类型的分析以及整车结构的优化设计研究等方面，计算机的虚拟仿真技术的运用已经相当深入和广泛，积累了丰富的经验和大量的数据资料，并成功地应用到了电动代步车产品的开发中，使得所生产的电动代步车在结构的可靠性和对乘员的保护方面都处于领先水平。最早研究电动代步车 的 法国人把 电动代步车 分为 A、 B、 C 三类 3，室内使用 为 A 类 ， 2 室内外两用 为 B 类，室外使用为 C 类。 将 操纵 加 速度、速度、制动 、 动力学稳定性 和 碰撞损伤 进行 综合考虑 。 现在 ， 采用最新的电动机直接驱动 的 法国 动代步车 ，操纵 起来 更加 轻巧、 灵活，并且 实现大的轻量化设计 。在整车设计上，安装了可调装置， 电动车 可以在高度、长度、宽度上都可以 分别 进行 调节，并且可以折叠，使代步车的存放、携带变得简单 、方便 。 当我国发明家刚刚迈入为老年人生产舒适、方便的代步工具的初步阶段 4时，国外的技术已经达到相当高的水平，例如： 2004 年 出的新产品88车拥有全球首创四轮避震系统，并荣获世界专利；充满创意的人性化设计包括：车辆可自转 360 度、左右边操控组可相互对调等；在开发制造车身的过程中完全秉承了人机工程学的原理；由于采用内建式充电器，因此，为用户提供了非常顺畅、平稳的行车速度 5。 在研究方法上，在汽车行业广泛运用多体动力学和 法，成为了电动代步车产 品开发最有力的工具之一。 1994 年亚利桑那大学的 T. Y. A. 表了便于求解大变形体动力学问题的新方法 6。西班牙的 A. 设计了为电动轮椅车提供在翻越楼梯和其他障碍时所需动力的前轮机电系统，试验表明：该系统具有很高的稳定性和实用性 6。 宾夕法尼亚大学的 . 统地分析了各种电动代步车技术的 发展前景 ，创 建了为了实现某种性能而消耗系统质量的模型。对个人电动代步车的开发与改进具有极高的指导意义 7。 在我国，台湾地区的电动代步车已有几十年的发展历史，不但拥有相当多的技术人才，而且加工制造技术娴熟，对于电动车的发展来说，已经具有良好的前提条件。此外，台湾生产的小型马达已达到国际先进水平，再加上电子和电机等配套产业的崛起，在发展小型电动车方面潜力十足。 了开发各种电动代步车，建立了人机工程学数据库，表现出了较高的技术水平和人文精神8。 大陆地区的电动代步车开发起步较晚，主要对引进的产品进行测绘、模仿等改进手段。相对来说，深入研究电动代步车工作和文献较少。要想早日赶上国外同行的步伐，最行之有效就是采用 法。李勇，来自昆明理工大学。他带领的团队对老年人用电动代步车的外形设计进行了详细研究，并提出了各种方案并对比了它们的优劣 9。 柯尊凤 ，来自北京科技大学。她带领的队伍采用虚拟样机方法将某电动代步车的动力学特性 10进行分析改进。舒红宇，重庆大学教授，他和他的团队在电动代步车领域研究多年，先后申请了十几项发明专利 11 12，并用虚拟样机仿真的方法 13 14，对电动代步车的动力学特性进行分析，并将其结构进行优化改进，然而，目前电动代步车的计算机仿真在国内的研究 还远远不够。虽1 绪论 3 然在电动代步车的外形、结构设计、关键零部件的动力学研究和计算机仿真模拟方面初步开展了一些工作，也取得了一些成绩，但是对电动代步车人机电综合系统的动态特性联合仿真分析方面做的比较少，。也不够全面，这方面与国外的差距依然很大。 动代步车未来发展趋势 人口老龄化是当今社会所面临的最严峻的问题之一，随着中国人口的不断增长，老年人在总人口中所占的比例也在不断增加。 电动代步车作为一种专为老年人及残疾人设计的轻便休闲代步工具，已经快速发展起来， 具有非常好的发展前景 15 16 17。 随着医学技术的快速发展，使得全球老龄化人口比重持续增长， 老 年 人 的 身体机能衰老 以 及 经常被 慢性疾病 困扰 ， 从而愈加依赖于代步工具。这极大地带动了市场对电动代步车的需求。例 如 ， 美国市场 是电动代步车 销售 量 最高的国家 ，就是 因 为他们 有较高的 保健支付体系。许多欧洲国家医疗保 健制度 比较完善 ， 人们的生活水平较高，代步车的销量也比较好 。 由于电动代步车不仅适用于老年人，还适用于有轻度残疾 的人、行动不便者等群体，如孕妇和小孩等，因此电动代步车相对其它电动车产品来说，能更快速的占据市场。在此背景下，电动代步车产品的发展将越来越受到世界的注目和青睐。 另外， 随着我国工业的快速发展、安全保障设施不完善、道路拥挤，导致意外事故发生频繁，残疾人人数也随之增多。同时， 21 世纪初，作为作为一个发展中国家却较早的进入老龄化社会 。 据 国家相关部门的研究与预测 ， 20 世纪末，我国 人口 老龄 化的人数 已突破 了 10%， 预计未来 40 年内 ，我国 人口 老龄化 的人数将 在 30%左右 ， 达到人口 老龄化 的顶峰。因此，针对 老年人和残疾人这一非 常特殊、庞大的群体，更应该得到社会更多的关爱，以便享受高质量的生活。 因此，迫切需要为他们提供一种操作简便、可靠性高的代步工具。 从经济发展角度出发，欧美日等发达国家对电动代步车的需求增加，使得我国电动代步车出口量也逐年升高，近五年的复合平均增长率达 65%以上，成为我国电动车辆出口主力。由于电动代步车的使用者多为残疾人或老年人，因此必须重视车子的稳定性及安全性，从而提高国产电动代步车的品质和市场竞争力。 因此，汽车电动化是世界汽车发展的主流，具有广阔研究发展前景。汽车电动化技术也更适宜于汽车的轻量化与微型化。 一方面，尤其是电机驱动的电动小汽车，由于没有笨重的内燃式发动机及其变速传动系统，结构简单、空间设计灵活，更容易实现轻量化和微型化，另一方面，由于电池容量和一次充电能量以及高电压、大电流等的限制，要实现大功率汽车运行要求，目前的汽车电动化技术还存在较大困难。正因如此，世界各国近年来在各种汽车展览会上不断推出各种 4 结构简捷新颖的超微型电动概念车型，其中，特别是专为 老年人与残疾人设计的电动代步车备受瞩目。 正因为电动代步车轻量化与微型化的特点，将会是未来城市化道路交通工具、家庭小轿车族的重要成员之一。但是，也正因为 其轻量化、微型化，在汽车运动稳定性和行车安全性方面将会面临新的难题。 这是因为： 一旦人体质量和大小尺度均接近甚至大于汽车以后， 人体和汽车间的动力学行为耦合作用就被显现出来，人体的力学特性、乘坐姿态的变换行为将对汽车行驶的动力学稳定性产生不可忽略的影响和作用。 文研究的主要方法和内容 本文研究的主要目的是对人机系统的电动代步车的操纵稳定性、平顺性等动态特性方面进行仿真分析，对其运动稳定性和行车安全性等方面做出合理的评价；建立电动代步车人机电综合系统，并对其加速、差速转向特性进行联合仿真分析，调整 制参 数，得到最佳控制效果。 本文研究的主要内容包括： 基于多体动力学相关理论，在 件中分别建立了电动代步车的轮胎、人体、座椅、柔性体支架、路面谱等子模型，并在 算环境下，通过添加约束的方式，把这些子模型组成一个整体，从而建立了电动代步车人机刚柔机械系统模型。 在 台上建立电动代步车永磁无刷直流电机模型，并对电机的动力性能进行测试。通过软件间的接口，搭建了 台。将生成的电动代步车人机刚柔机械系统模型与电机模型 在此平台上进行联合仿真，从而建立了电动代步车人机电综合系统模型。 利用 件对电动代步车人机刚柔机械系统模型进行动态特性仿真分析，并对仿真结果进行分析和总结。 建立电动代步车驱动系统控制方案，并对电动代步车加速和差速转向进行联合仿真，调解 数，观察 制效果，验证控制方案的正确性、准确性，为研发控制器提供有效数据。 论文所使用的研究方法如下： 静力学分析是指系统在不受外载荷作用的情况下的力平衡分析，当系统受到外界载荷作用时，就就要对系统进行动力学分析。机械系统在做静力学、动力 学、运动学分析方面常用的软件主要有：以刚体为主要研究对象的 件；以柔性体为主要研究对象的 软件。 前者分析对象以刚性体模型为主，后者以柔性体模型为主，在工程实际中，1 绪论 5 为了研究方便，一般的机械机构做运动学分析时一般不考虑其弹性变形，将构建都视为刚体。但实际实际过程中，由于机构往往受到较大的载荷作用，在加速或减速运动中，由于惯性的作用，可能某些构件会产生较大的弹性形变，为了能够真实的反映出机械系统的动态性能，往往将大形变的构件建立为弹性体，否则的话可能会造成很大的误差，机械系统的动态 特性也影响着各构件的力学性能及内部的应力、应变分布。由于 件在参数建模、有限元网格划分、控制系统建模上比较麻烦。所以在做这方面分析时，一般选择在有限元前处理和求解上功能比较强大的 件，因此，为了使仿真结果更真实可靠，往往将 件联合使用，大大提高工作效率。 在控制方面， 控制功能强大，但在有限元网格划分与机械系统仿真等方面却很不方便。 有双向数据接口，可以把建立好的控制系统导入到 ，进行机械系统动态特性仿真分析。将不 同软件的优点相结合，能快速有效的验证控制算法。 为了系统能顺利的进行仿真，必须要将各软件联合使用。 数据接口： 构件进行有限元网格划分，生成模态中性文件（ 件），可以通过 件导入 而就可以对构件进行模态分析，提高系统仿真的精度。 合仿真技术：利用 块连接在一起进行联合仿真，此时受控的物理模型是可以是线性和非线性的。 模块可以模型转化为 C+或者 码后导入作为广义状态方程。这样仿真就完全在 进行了。这种方法最大的好处就是机械系统和控制系统的积分求解器、积分步长、相对误差、绝对误差可以设为一致，避免了由于积分步长不一致带来的错误，大大提高了仿真的效率。 本文用 件 建立了新型电动代步车多体动力学仿真模型，在创建了控制模型，两个软件通过 口进行联合仿真，在多种路况下验证控制 算法，确定控制参数，经过反复调试，最终达到满意效果。 6 2 电动代步车机械系统模型的建立与分析 7 2 电动代步车机械系统模型的建立与分析 计算多体系统动力学分析时，首先提供一个便于建立多体系统的力学模型的界面，并在系统内部由多体系统动力学模型得到动力学数学模型；再通过积分求解器求解数学模型，在求解器的选择上，效率必须要高、稳定性必须要好，并要求其具有广泛的适应性；最后，还要有丰富的显示手段来查询求解结果。其中，最关键的部分是自动建模技术和求解器设计。 自动建模技术是指通过多体系统力学模型自动建立动力学数学模型过程的技术，设计求解 器时则需要结合系统的模型，求解时则需要用到特定的动力学算法。 一个机械系统，从最初建立几何模型到建立动力学模型，到对动力学模型的求解，到得到最后的分析结果，其整个流程如 图 示。 图 体系统动力学建模与求解的一般过程 计算多体系统动力学分析的整个过程之中，建模和求解是两个最为主要的组成部分。建模主要是指数学建模和物理建模的过程，物理建模是指通过物体的三维几何模型建立物体的物理模型的整个过程，数学建模是指在建立好物理模型的基础之上，用物理模型建立数学模型的整个过程。几何模型的建立可以利用动力学分析系统的几何模块，也可以利用通用的 3D 几何造型软件。模型建立后，可以在动力学分析软件中对其施加动力学约束、驱动约 束、力元等物理模型中所必须的要素，从而形成物理模型以表达系统力学模型。在建立物理建模的整个过程中，有时要通过运动学的约束和物体最初的位置等条件对建立的几何模型进行装配。对物理模型采用笛卡尔坐标或拉格朗日坐标建模方法，应用自动建模技术， 8 生成各系统运动方程中的各系数矩阵，得到系统数学模型。对系统数学模型应用求解器中的静平衡、动力学、运动学或逆向动力学的分析算法，迭代求解，得到仿真结果。联系设计目标，对求解结果再进行分析，从而反馈到物理建模、几何建模过程，如此反复，直到得到最优的设计结果。 刚体动力学理论概述 虚拟样机比较全面的体现了多种不同的技术，多体动力学、运动学模型的理论及其技术的应用都是它的核心部分。多体动力学由多刚体动力学和多柔体动力学 18两部分组成，是一门用来研究多体运动规律的科学。 研究多刚体动力学的主要方法 19有： 旋量方法 旋量方法也被称作牛顿 欧拉法，其主要特点是引入旋量这一概念，将矢量与矢量矩相结合，并利用对偶数作为工具，用简明的表达方式表达 N E 方程，从而使其在由开、闭链空间组成的机构的运动学和动力学分析中得到了十分广泛的应用 拉格朗日方程法 多刚体系统由于在建立动力学方程时十分复杂，采用 标特别困难，而采用笛卡儿广义坐标就要相对方便的多，不论是对于多余坐标的完整约束系统，还是对于多余坐标的非完整约束系统，一种比较规范的处理方法是用带乘子的拉氏方程处理。导出的以笛卡尔广义坐标为变量的动力学方程，是与广义坐标数目相同的带乘子的微分方程，还需要补充广义坐标的代数约束方程才能封闭。 RW 方法 美国的 R L 授与德国的 J 授提出 RW 方法，是分析多刚体系统较为普遍的方法。该方法的主要是利用数学工具和图论的概念来阐述多刚体系统的结构，把刚体间的相对位移选做广义坐标，推导出普遍形式的动力学方程适合多于任意的刚体系统。 凯恩方法 凯恩方法是用广义速率描来述系统的运动情况，根据达朗贝尔原理创建动力学方程，并把矢量力与达朗贝尔惯性力投影到基矢量方向，从而消除掉理想的约束力。 变分方法 变分方法是与凯恩方法不同的另一种全新分析方法，变分方法的基本原理是高斯最小拘束原理。该方法善于与控制系统的优化相结合来综合分析，而且因为其不受铰约束数目的影响，可以用于有多个闭环结构的复杂系统。 2 电动代步车机械系统模型的建立与分析 9 多刚体系统动力学理论的优点： 通用性强，应用广泛，不同类型的复杂系统都能用同一个方程式进行分析。只需简单的操纵计算机就能完成建模。 对于大位移的构件也可以用该理论分析计算，能够很好的解决非线性的问题，使计算结果更理想。 模型精度高，只需对计算机进行操作，系统就能生成多刚体动力学的模型，所以不必考虑推导公式的难易程度，所以能够建立准确的动力学方程，使仿真结果更符合实际。 胎模型的建立与参数的选取 轮胎是电动代步车重要组成部件，它的基本作用是支撑整车质量，传递制动力矩和驱动力矩，轮胎必须具有诸如低滚动阻力、耐久性、抗磨性、安全性等各种各样的性能和特点，从而保证车与路面的良好附着性能，保证车的正确的行驶方向，此外还有缓冲减震的作用，减少冲击，衰减振动。另外，由于轮胎的不均匀性以及轮胎的不平衡性 ，在车行驶过程中也会产生振动，因此，轮胎模型建立和参数的选取至关重要，也是进行电动代步车动态特性仿真分析的十分重要的环节。 供如下几种轮胎模型： 胎模型、 胎模型、 胎模型、 胎模型和用户自定义轮胎模型 2021，其中 胎模型及用户自定义轮胎模型是解析模型 ;胎模型、胎模型为试验模型。 每个轮胎模型的优缺点及使用范围如 表 示： 表 的轮胎模型 胎类型 所需参数 应用 本轮胎特性 操纵性、纯滑移 本轮胎特性 操纵性、复合滑 移 验参数 操纵性、纯滑移 验参数 操纵性、复合滑移 用户自定义 用户设定 用户确定 基于以上几种轮胎模型的优缺点，本文最终选取的是 胎模型，在， 胎模型是在下面四个假设之下的： 10 与路面的接触区域为矩形 忽略外倾角对轮胎力的影响 忽略轮胎松弛效应的影响 在接触区域内压力均匀分布 在轮胎与路面接触的过程中，采用了以下两种方法，当选择三维路面时，采用三维方法；当选择二维路面时，采用点追随法。所谓点追随法就是假设在轮胎和路面之间只有一个接触点，该接触点是轮胎平面与路面交叉线相切的点，因此轮胎在仿真的过程中，轮胎接触力方向始终与路面垂直，由于理论的原因，点追随法不能得到正确的纵向力曲线。而选择三维路面时，接触点不是一个单一的点而是一个区域，得到轮胎等效的接触点和垂直挠度，软件就会将轮胎自动默认圆柱体，因此后面所建立的路面都采用三维路面。 具体轮胎特性参数