（控制理论与控制工程专业论文）汽车仿真平台及其若干问题研究.pdf

1 - - _ 一 ad i s t e e h n o l o s t u d yo v e h i c l e m a s t e rc a n d i d a t e ：h o n gw e ib i n s u p e r v i s o r ：p r o f c h e nw e i j u n e2 0 1 0 f a c u l t yo fa u t o m a t i o n g u a n g d o n gu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y g u a n g z h o u ，g u a n g d o n g 。pr c h i n a ，5 10 0 0 6 摘要 摘要 随着城市化进程的加剧，人与人之间的往来变得更为频繁，跨越的地域更广，这 使得人们对交通工具越来越依赖。汽车以其安全快捷成为我们日常工作与生活的基本 代步工具，市场的需求量越来越大。同时，随着经济的发展以及生活水平的提高，人 们对汽车的外观、性能、安全以及更新换代等各个方面提出了更高的要求。为了满足 人们的这种需求，新款汽车的设计周期只能变得越来越短。但是，汽车作为一种载人 工具，其操纵性、安全性以及相应功能的测试是必不可少的。为此，汽车仿真技术受 到人们关注，而计算机软、硬件技术的快速发展，也使仿真技术的实施成为可能。当 前，汽车仿真系统已成为汽车研究领域中的一个重要部分。本文的研究工作正是基于 这样的背景展开的。 首先，本文分析了汽车仿真平台的运行过程，探讨并建立了简化的汽车动力学模 型；对汽车滑转机制进行了分析，说明了滑转率对汽车附着力系数的影响。为了解决 驾驶过程中对路况识别的图像处理与存储量的问题，作者提出了一种以神经网络为存 储载体的图像处理技术，可以用于提高图像像素和减少图像存储空间。其次，本文介 绍了基于嵌入式系统的汽车仿真平台的硬件平台框架、设计了相应的电路原理图和 p c b 图；详细介绍了相应的软件平台框架及各功能模块；分析了上位机与嵌入式系统 之间的同步原理及实现了两者之间的时钟同步；描述了嵌入式系统对驾驶过程中的相 关数据包括油门、方向、制动等数据的采集：描述了嵌入式系统对副节气门步进电机 的位置控制以及驾驶过程中的方向指示；并对汽车仿真平台进行了仿真运行，包括以 神经网络为存储载体的图像处理技术在路况识别中的应用实验；汽车加速起步仿真实 验；加载a s r 的加速起步仿真实验以及相应的性能分析；对汽车的测试结果进行了相 关分析。最后，作者给出了本文的结论和展望。 本文的研究工作和成果主要是设计了汽车仿真平台，并基本实现了相应的功能， 为新款汽车的设计提供了一个基础平台；其次是提出了以神经网络为存储载体的图像 处理技术在仿真平台的应用以及其拓展应用的前景。 本论文课题由广州市科技攻关项目( 2 0 0 7 2 2 d 0 2 0 1 ) 资助。 广东工业大学硕士学位论文 真平台；神经网络；图像处理技术；防滑控制系统；逻辑 b e c o m em o r ef r e q u e n ta n dt h ec r o s s e dr e g i o n sm o r eb r o a d ，m a k i n gp e o p l e m o r ed e p e n d e n to nt r a f f i cv e h i c l e s c a r s ，f o rt h e i rf e a t u r eo fs e c u r i t ya n df a s t ， p r o v et ob et h ef u n d a m e n t a ld a i l yt r a v e l i n gt o o l s ，w i t ha ni n c r e a s i n gm a r k e t d e m a n d a tt h es a m et i m e ，w i t ht h e d e v e l o p m e n t o fe c o n o m i c sa n d i m p r o v e m e n to fl i v i n gs t a n d a r d ，p e o p l em a k em o r eh a r s hr e q u i r e m e n t st ot h e c a r s a p p e a r a n c e 、p e r f o r m a n c e 、s e c u r i t ya n du p d a t e t om e e tt h e s ed e m a n d s ， t h en e wc a r sd e s i g nc y c l eh a st ob em o r ea n dm o r es h o r t e n e d h o w e v e r ，a sa m a n n e dt o o l ，t h e i rm a n e u v e r a b i l i t ya n ds e c u r i t ya n dt h ec o r r e s p o n d i n gt e s t s a r e e s s e n t i a l t h e r e f o r e ，p e o p l el a y m u c he m p h a s i so nc a rs i m u l a t i o n t e c h n o l o g y ，a n dt h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rs o f t w a r ea n dh a r d w a r e m a k e si tp o s s i b l et oi m p l e m e n tt h i st e c h n o l o g y s of a r ，s i m u l a t i o ns y s t e m sf o r c a r sh a v eb e c o m ea ni m p o r t a n tp a r to fc a r s r e s e a r c ha r e a t h ew o r ko ft h i s p a p e ri sc a r r i e do u tu n d e rt h i sb a c k g r o u n d f i r s t ，t h i sp a p e ra n a l y z e dt h eo p e r a t i o np r o c e s so ft h ec a rs i m u l a t i o n p l a t f o r m ，a n dd i s c u s s e da n dc o n s t r u c t e dt h ec a r ss i m p l i f i e dd y n a m i c sm o d e l ； t o o k a n a l y s i s o ft h ec a r s s l i pm e c h a n i s m ，a n de x p l a i n e d t h e s l i p r a t e s i n f l u e n c eo nc a r sa d h e s i o nc o e f f i c i e n t i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e mo fi m a g e p r o c e s s i n ga n ds t o r a g et or e c o g n i z et h er o a dc o n d i t i o n ，t h i sp a p e rp r o p o s e da n e wi m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g yw h i c ht o o kn e u r a ln e t w o r ka s s t o r a g e c a r r i e r ，i m p r o v i n gt h eq u a l i t yo fp i x e l sa n dr e d u c i n gt h es t o r a g es p a c e t h e n ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h ec a r ss i m u l a t i o np l a t f o r m sh a r d w a r e f r a m eb a s e do ne m b e d d e ds y s t e m ，a n dd e s i g n e di t sc o r r e s p o n d i n gc i r c u i t p r i n c i p l ef i g u r ea n dp c bf i g u r e ；e x p l a i n e dw i t hd e t a i l t h es o f t w a r ep l a t f o r m a n de a c hf u n c t i o n a lm o d u l e ；a n a l y z e dt h es y n c h r o n o u sp r i n c i p l eb e t w e e np c a n de m b e d d e ds y s t e ma n dr e a l i z e dt h e i rc l o c ks y n c h r o n i z a t i o n ；d e s c r i b e dt h e e m b e d d e ds y s t e m sa c q u i s i t i o no fa c c e l e r a t o r 、d i r e c t i o na n db r a k i n gd u r i n g m o t i o n ； a l s od e s c r i b e de m b e d d e ds y s t e m sc o n t r o l l a b i l i t yt ot h e s t e p p i n g m o t o r sp l a c eo fa s s i s t a n tt h r o t t l ea n dt h eg u i d a n c et od i r e c t i o n ；o p e r a t e dt h e c a r ss i m u l a t i o np l a t f o r m ，i n c l u d i n ge x p e r i m e n tt h a tu s en e u r a ln e ta ss t o r a g e i i i i v 目录 目录 摘要 a b s t r a c t 目录 c o n t e n t s 第一章绪论 1 1 概述汽车仿真技术的研究意义1 1 2 汽车仿真技术的发展背景与发展现状2 1 3 多种汽车仿真平台介绍2 1 4 论文的主要研究内容3 第二章汽车仿真平台的动力学基础一4 2 1 整车仿真过程中的动力学方程一4 2 2 轮胎与路面的滑移率和滑转率1 0 2 3 驱动滑转率对附着力系数的影响1 1 2 4 本章小结13 第三章用于路况识别的图像处理技术1 4 3 1 用于路况识别的图像处理技术概述1 4 3 2 传统数字量图像处理的弊端15 3 3 传统数字图像处理技术连续化1 6 3 3 1 以神经网络为存储载体的图片处理技术的视觉效果1 6 3 3 2 以神经网络为存储载体的图片处理技术的存储的原理2 0 3 3 3 医学数字图像连续化实现2 l 3 3 4 以神经网络为存储载体的图像处理技术的实例总结2 5 3 4 基于新图像处理技术的路况匹配技术一2 6 3 4 1 汽车防滑系统如何识别路况2 6 3 4 2 识别附着系数和滑转率的关系曲线2 6 3 4 3 连续量匹配问题浮现2 8 3 5 汽车附着系数与滑转率离散测量曲线连续化实现3 0 v 广东工业大学硕士学位论文 3 5 1 附着系数与滑转率关系曲线的测绘3 0 3 5 2 以神经网络为存储载体的图像处理技术实现关系曲线的连续化3 l 3 6 更快更精确地识别不同路况从而防侧滑一3 2 第四章多功能汽车仿真平台3 3 4 1 汽车仿真平台嵌入式系统3 3 4 1 1 总电路概述3 3 4 1 2 电路框图3 3 4 1 3 嵌入式平台电路原理图3 5 4 1 4 嵌入式平台p c b 3 6 4 1 5 嵌入式系统细节3 7 4 2 基于w i n d o w s 系统的汽车仿真平台4 4 4 2 1 界面模块4 5 4 2 23 d 虚拟场景4 5 4 2 3 多维数据测绘系统4 6 4 2 4 汽车运行状况，气缸和碟刹3 d 回放功能4 6 4 2 5 数据存储与读入通道4 7 4 2 6w i n d o w s 系统与嵌入式系统进行实时同步程序4 7 4 2 7 内置的语义编译器方便用户对汽车、路况和控制策略进行实时 的程序语言描述4 7 4 3 汽车仿真平台中的路况识别功能4 8 4 3 1 数据点采集与离散量信息处理4 8 4 3 2 基于连续量处理技术的路况识别4 9 4 4 基于汽车仿真平台的阈值a s r 算法的实现5 l 4 4 1 汽车加速起步虚拟实验5 2 4 4 2 汽车车轮滑转曲线、速度曲线5 2 4 4 3a s r 控制下的加速起步实验5 3 4 4 4 汽车加载a s r 系统的性能分析5 4 4 5 本章小结5 6 结论与展望5 7 参考文献5 9 v i 目录 攻读学位期间发表的论文 独创性说明 致谢 v i i 3 1n e wi m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g yo v e r v i e w 1 4 3 2t r a d i t i o n a li m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g yo v e r v i e w 15 3 3c o n t i n u a n tt e c h n o l o g y 16 3 3 1v i s u a le f f e c tf o re o n t i n u a n tt e c h n o l o g y 1 6 3 3 2 s t o r a g em e c h a n i s mf o rc o n t i n u a n tt e c h n o l o g y 2 0 3 3 3c o n t i n u a n tt e c h n o l o g yi nm e d i c i n e 2 1 3 3 4c o n t i n u a n tt e c h n o l o g ys u m m a r y 2 5 3 4t r a f f i cm a t c h i n gt e c h n o l o g yb a s eo ne o n t i n u a n tt e c h n o l o g y 2 6 3 4 1a u t o m o t i v ea n t i s k i ds y s t e mt oi d e n t i f yt r a f f i c 2 6 3 4 2i d e n t i f i c a t i o no ff r i c t i o nc o e f f i c i e n ta n ds l i po ft h ec u r v e 2 6 3 4 3t h ec o n t i n u a n tm a t c hp r o b l e m 2 8 3 5c o n c a t e n a t et h ed i s c r e t eq u a n t i t y 3 0 v i 4 1 2c i r c u i td i a g r a m 3 3 4 1 3s c h e m a t i c ：；! ； 4 1 4p c b ：1 6 4 1 5c i r c u i td e t a i l s 3 7 4 2w i n d o w s - - b a s e ds i m u l a t i o np l a t f o r mf o rv e h i c l e 4 4 4 2 1g u i 4 5 4 2 23 dv i s u a ls c e n e 4 5 4 2 3m u l t i d i m e n s i o n a lm a p p i n gs y s t e m 4 6 4 2 4p l a yb a c kf u n c t i o n 4 6 一 4 2 5d a t a sm a n a g e m e n t 4 7 4 2 6p cs y s t e ms y n c h r o n i z ew i t hm c u s y s t e m 4 7 4 2 7b u i l t i nc o m p i l e r 4 7 4 3r o a dc o n d i t i o nr e c o g n i t i o nf u n c t i o ni nt h ep l a t f o r m 4 8 4 3 1d i g i t a ld a t a sp r o c e s s i n g 4 8 4 3 2t r a c km a t c h i n g 4 9 4 4t h r e s h o l da s rt e s to ns i m u l a t i o np l a t f o r m ! ；l z i 4 1i n i t i a ls t a r t i n gt e s t 5 2 4 4 2m a p p i n gd a t a sf o rr e s e a r c h 5 2 4 4 3a s ri n i t i a ls t a r t i n gt e s t 5 3 4 4 4a s r s y s t e mp e r f o r m a n c ea n a l y s i s 5 4 4 5 c h a p t e rs u m m a r y 5 6 c o n c l u s i o na n de x p e c t a t i o n 5 7 r e f e r e n c e 5 9 a c a d e m i cp a p e rd u r i n gt h em a s t e rp e r i o d 6 3 i x x 第一章绪论 第一章绪 1 1 概述汽车仿真技术的研究意义 目前，汽车仿真系纠1 1 是汽车研究领域中的一个重要组成部分。就汽车运行状况 虚拟系统有几点研究意义。 随着城市化进程的加剧，人与人之间的往来变得更为频繁，跨越的地域更广，这 使得人们对交通工具越来越依赖。 汽车以其安全快捷成为我们日常工作与生活的基本代步工具，市场的需求量越来 越大。同时，随着经济的发展以及生活水平的提高，人们对汽车的外观、性能、安全 以及更新换代等各个方面提出了更高的要求。 为了满足人们的这种需求，新款汽车的设计周期只能变得越来越短。但是，汽车 作为一种载人工具，其操纵性、安全性以及相应功能的测试是必不可少的。为此，汽 车仿真技术受到人们关注，而计算机软、硬件技术的快速发展，也使仿真技术的实施 成为可能。 每一项新技术的出现都为传统工业的进步提供了一个契机，也为落后者提供了追 赶的捷径。虽然我国的汽车开发能力与制造水平和世界汽车强国之间存在差距，但是 仿真样机及其仿真技术的应用将会加速中国汽车工业的追赶速度。 在传统的设计与制造过程中，首先是概念设计和方案论证，然后进行产品设计， 在设计完成后，为了验证设计，通常要制造物理样机进行实验。只有通过周而复始的 设计实验一设计的过程，产品才能达到要求的性能。因而设计周期无法缩短，对市场 反应迟钝。采用仿真技术，在设计早期确定关键的参数设置，能优化产品开发过程、 缩短开发周期，降低成本、提高产品质量。仿真技术的应用贯穿在整个设计过程之中。 在概念设计和方案论证中，设计师可以把自己的经验与想象结合在计算机里的仿真样 机之中。当仿真样机用来代替实际模型验证设计时，开发周期得到缩短，设计质量和 效率得到提高。 正是在以上各方面的驱使下，作者就汽车运行状况仿真展开了相关研究。 1 2 汽车仿真技术的发展背景与发展现状 从2 0 世纪8 0 年代开始，仿真技术逐渐变革传统轿车的开发程序。在轿车开发的 整个过程中，全面采用计算机辅助技术。采用这些技术，使得轿车开发的造型、设计、 计算、试验直至制模、冲压、焊接、总装等各个环节中的计算机仿真技术联为一体， 使得汽车的开发、制造都置于计算机技术所构造的严格的数据环境中。它在整个汽车 开发过程中至少能节约3 0 的开发成本，极大地缩短了汽车的开发周期。因此，全球 各大汽车公司都在积极推广仿真技术的开发【1 1 】。 2 0 世纪9 0 年代，德国奥迪汽车公司在仿真开发技术方面走在行业的前列。德国 大众汽车公司推广基于3 d 的工作过程仿真，深化仿真产品开发的重要性。福特汽车公 司选择e d s 公司作其为软件供应商和集成商，并将e d s 最先进的产品全生命周期管理 ( p l m ) 技术，集成到福特公司的新一代全球o p 系统环境中，使得福特汽车占据了 巨大的市场份额【”】。 进入2 1 世纪，汽车运行状况仿真也进入到一个高速发展时期。汽车仿真计算精度 不断提高，场景空间感不断增强。而到了本世纪，汽车运行仿真产业己发展到一个相 当完善的程度，以至于使汽车仿真运行比较贴近真车真实运行1 1 9 1 。 目前的汽车运行状况仿真就是以汽车仿真系统为基础，结合成像系统、噪音生成 系统、评价系统、传感系统及其它软硬件设备而研制的。其通过数据采集系统对驾驶 员操作进行数据采集。然后通过汽车仿真系统根据汽车动力学及其它物理原理，完成 运动数据分析【5 】；最终将各种数据结果通过传感器及其它设备传递给汽车运行状况评价 系统，从而形成与路况景物相类似的驾驶动态真实情景【1 9 1 。 1 3 多种汽车仿真平台介绍 近年来，全球研发出各种各样的汽车仿真平台。 汽车引擎仿真平刨2 1 1 ，最初由丰田汽车公司开发，并于上世纪8 0 年代开发成功， 平台用于汽车引擎温度检测控制。平台能仿真引擎内部各散热部件的运作状况，并分 析热传递流向。 汽车驾驶体现仿真平台1 2 2 1 ，用于新车试驾，是沃尔沃公司上世纪9 0 年代的研究成 果。此仿真平台能让顾客挑选到一台最适合自己的汽车。 2 第一章绪论 汽车风阻仿真平台，用于仿真汽车运行时所产生的风阻，是上世纪9 0 年代末宝马 公司属下的气体动力学部门所研发的。此仿真平台能让汽车设计师设计出风阻更小的 汽车外形，从而最大限度的减少空气阻力f 2 3 】。 汽车转向性能的虚拟平台，用于计算汽车的转弯半径，是德国汽车工程学院于2 0 0 0 年的研究课题。此平台能让工程师仿真汽车的转弯性能，更合理地设计出转向架构【2 4 1 。 本文的汽车仿真平台用于不同路面下，汽车运行状况的仿真。平台就不同的轮胎 与路面模型，对汽车运行状况进行仿真。 1 4 论文的主要研究内容 本文分析了汽车仿真平台的运行过程，探讨并建立了简化的汽车动力学模 型；对汽车滑转机制进行了分析，说明了滑转率对汽车附着力系数的影响。为 了解决驾驶过程中对路况识别的图像处理与存储量的问题，作者提出了一种以 神经网络为存储载体的图像处理技术，可以用于提高图像像素和减少图像存储 空间。其次，本文介绍了基于嵌入式系统的汽车仿真平台的硬件平台框架、论 文共分四章，各章内容安排如下： 第一章：绪论主要介绍了汽车仿真系统的发展现状，叙述了课题的研究背景和研 究意义，对课题前沿应用进行了探讨，以及本论文的主要研究内容。 第二章：介绍了汽车方面的动力学基础、滑移率、滑转率、和附着系数，汽车防 侧滑的附着条件，就汽车的直线行走转弯姿态调整等等。 第三章：提出了一种以神经网络为存储载体的图像处理技术，可以用于提高图像 像素和减少图像存储空间。并给出了一般性规则图像还原例子，和医学c t 数字化照片 的连续化例子，最后此技术用于了附着系数与滑转率离散关系曲线的连续化，并最终 实现汽车对路况的识别。 第四章：分析了上位机与嵌入式系统之间的同步原理及实现了两者之间的 时钟同步；描述了嵌入式系统对驾驶过程中的相关数据包括油门、方向、制动 等数据的采集；描述了嵌入式系统对副节气门步进电机的位置控制以及驾驶过 程中的方向指示；对汽车的测试结果进行了相关分析。 结论与展望：对所研究的工作进行了总结，指出了存在的问题和不足之处，以及 下一步需要进行的工作。 力学基础 稳定范围时，会使得车辆丧 是防止车辆加速度与转向过 生过分滑转，保持车辆行驶 的操纵能力以及提高加速性能和安全性【m 1 。本章主要介绍汽车动力学系统，及 相关滑移率、滑转率定义。 2 1 整车仿真过程中的动力学方程 车是外力作用下的一种运动系统。汽车相对于地面运动时，地面对轮胎的 作用力是左右其行驶性能的最主要的外在激励。其中，轮胎侧偏力是影响其转 向性能的主要因素。汽车在轮胎侧偏力作用下的运动方程式可以较好地描述汽 车转向性能。 如图2 1 所示，取固定于地面的坐标系为o a t ，原点与汽车质心c 重合，x 轴沿汽 车纵向，y 沿汽车横向的汽车坐标系为c 一矽。当汽车在地面上运动时，质心速度矿可 表示为 矿= u i + v j 一( 2 1 ) 式中，分别为了、了在x ，y 方向的单位向量，”、v 分别为矿在x 、y 方向的 速度分量。矿与汽车纵向上所成夹角称为汽车质心的侧偏角，p = a r c t a n ( q u ) 。 由式( 2 1 ) 可得c 点加速度 虿d v = 罢了+ 甜等+ 妄了+ ，等 ( 2 2 ) 一= i + 甜+ ，+ ，二 l z z i d td td td t j d t 、。 设汽车横摆角速度为c o , ，则固联于车身的单位向量了、了在a t 时间内的变化 量正、了可由图2 2 求得：a i = c o , a t ) ，了：一鳞厅。 4 o x 图2 1 汽车在地面固定坐标系中的运动描述 f i g u r e2 - 1c a ri nt h eg r o u n df i x e dc o o r d i n a t es y s t e md e s c r i b i n gt h em o v e m e n t 代入式( 2 1 ) 得： 图2 2 单位向鼙的时间微分 f i g u r e2 - 2u n i tv e c t o ro ft h et i m ed i f f e r e n t i a l 尘d t = 筑7 坐a t = 一q 云 一2 筑，生2 一q f ， ( 2 3 ) d 钢u i = - v s i n f l d 矿f l 叫p 等 ( 2 5 ) 鲁= 警= y 警 ( 2 6 ) 因此，式( 2 1 ) 和( 2 4 ) 可分别改写为 p = v t + v n j ( 2 7 ) 警= 一y ( 掣a t + 缉沥+ y ( 警+ q ) 了 ( 2 8 ) 由式( 2 5 ) 和( 2 6 ) 可知，d _ z _ 矿：0 ，两向量正交。表明很小时，质心 讲 。 加速度譬垂直于质心速度矿，其沿j ，方向的侧向分量为y ( 絮+ q ) 。 d l 。 、d l “ 设汽车以一定速度y 转向行驶时，前轮转向角为万，前后轮各侧偏角分别为 序- 、岛：、屏，、屏：，各侧偏力分别为。、昂：、露。、赡：，如图( 2 3 ) 所示。 当万、房、屏：、屏，、屏：较小时，。、：、昂。、露：方向与汽车侧向运动近 似一致，并假定所有侧偏力的力作用点均作用于前后车轴。 朋y ( 警+ q ) = 。+ 吩：+ 昂。+ 昂： ( 2 9 ) i 。d 衍c o = ，( 易，+ 巧：) 一( 。+ 昂：) ( 2 1 0 ) 式中：朋，易汽车质量、绕质心c 的转动惯量； ，质心c 至前、后轴的距离。 6 图2 3 a 汽车在水平面内的运动一车轮侧偏力 f i g u r e2 - 3av e h i c l ei nt h eh o r i z o n t a lp l a n eo fm o v e m e n t w h e e lc o r n e r i n gf o r c e 图2 3 b 汽车在水平面内的运动车轮速度 f i g u r e2 - 3bi nt h eh o r i z o n t a lp l a n em o v e m e n to fv e h i c l e s - w h e e ls p e e d 7 v c o s p v ，侧向速度 前后各车轮速度应是 所示。由此可分别确 即吣= 等舞讥+ 等一万 ( 2 1 1 ) 铪伽驴焉舞m + 等一万 ( 2 1 2 ) 小吣= 为最咿等 ( 2 1 3 ) 伽t 锄伽篇篆咿垃v ( 2 1 4 ) 其中，办、t 为前后轮距，且硼，吲，阱i 等l ，i 等卜可见，前后轮的 左右轮侧偏角分别相等，可分别表示为： 9 f _ 8 l 、= 9 | 。= f v o ) r 一6 q 。1 5 ) 屏= 屏。= 屏：= 一垒v 堡 ( 2 1 6 ) 因此，忽略车身侧倾运动，只研究在水平面内以一定速度行驶的汽车运动时，可 认为其左右轮侧偏角相等且其值很小，前轮转向角也很小。这种情形就相当于前后车 轮被分别集中于汽车前后轴中点而构成的一假象二轮车，其前后轮侧偏力分别为2 、 2 昂，如图( 2 4 ) 所示。 相应地，式( 2 8 ) 、( 2 9 ) 成为： 川警+ q ) _ 2 + 2 昂 ( 2 1 7 ) i 。d 出t o r = 2 1 ，f 7 2 , f r , ( 2 1 8 ) 8 图2 - 4 四轮汽车的等效二轮车模型 f i g u r e2 - 4t w o - w h e e l e de q u i v a l e n to ff o u r - w h e e lv e h i c l em o d e l 设前后轮侧偏刚度分别为、七，则有 乃= 吨房= 吲+ 等埘 f y r = - k r p r = 一k r t p l - n - 歹- 1 ) 代入式( 2 1 7 ) 、( 2 1 8 ) ，整理后，得 ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) 聊矿警+ 2 ( _ + t ) + m 矿+ 吾( 。一t ) ) q = 2 。万 ( 2 2 1 ) 2 ( 1 ，国，所以o s y 1 0 0 。车轮滑移成分越高，滑移率s y 的数值就越大。 汽车在驱动过程中，车轮可能相对于路面发生滑转，滑转的程度在车轮纵向运动 中所占的比例由滑转率表示，车轮滑转率的表达式【1 5 】： s ：r o ) - v o 1 0 0 r i o 式中s 车轮的滑转率。 上式中：，一车轮的自由滚动半径； 彩一车轮的滚动角速度； 1 0 ( 2 2 4 ) 当车轮 转率巳= o 。 的滑转率已 0 巳 1 0 0 。车轮滑转成分越高，滑转率已的数值就越大。 2 3 驱动滑转率对附着力系数的影响 附着力系数是路面附着力与垂直载荷之比1 1 7 1 。驱动轮动力不可能无限增大，受到 路面附着力的限制。路面附着力为垂直载荷与附着力系数的乘积。当垂直载荷不变的 情况下，附着力系数起着决定性的作用。附着系数的值取决于车轮和地面本身的状况 以及二者之间的运动状况，包括路面质量、干湿程度，以及车轮轮胎类型、气压、载 荷、花纹、运动状态等因素【1 8 】。车辆在特定的路面与车轮状况下，才能获得最大的路 面附着力。在不同的路面情况下，附着系数与滑转率有不同的曲线特性，在干混凝土， 干沥青，湿沥青，雪地等不同材质的地面，附着系数与滑转率的关系曲线差别较大， 如何辨识不同路面的最佳滑转率区域与峰值点的位置成为a s r 系统的技术难点之一。 汽车在驱动过程中，车轮可能相对于路面发生滑转，滑转成份在车轮纵向运动中 所占的比例可由滑转率来表示，车轮的滑转率，如公式4 2 4 所示。 当汽车在路面上行驶，其驱动力取决于传递到驱动轮的发动机输出转矩和轮胎、 路面之间的附着极限【2 0 1 。传递到驱动轮的发动机输出转矩是由发动机的外特性和传动 系的传递特性决定的，其中传递特性包括传动比、传动效率、驱动轮半径等参数特性。 轮胎与路面之间的附着极限与轮胎结构、路面状况、天气条件和车速等诸多因素有关， 附着力系数用来抽象地表示这些关系的变量。 由大量的试验证明，附着力系数与驱动滑转率存在一定的相互关系。当驱动滑转 率从0 开始增加的时候，附着力系数随之急剧增大；当滑转率达到某一个值( 一般在 8 0 o 3 0 之间) 时，附着力系数达到最大值。此时把这个峰值点的最大值记为姊。此 后，随着滑转率的继续增加，附着力系数反而下降。在驱动滑转率在肚之间，即曲 线的上升阶段，定义为稳定区。在该区域内可实现稳定驱动。在驱动滑转率从姊到1 0 0 广东工业大学硕士学位论文 ( 纯滑转状态) 之间，即曲线的下降阶段，定义为非稳定区，在该区域不能实现稳定 驱动。当车轮滑转率从零增大到峰值附着系数为姊时，尽管车轮滑转率不等于零，但 轮胎与路面之间并没有发生真正的滑转，滑转率不等于零，完全是由于弹性轮胎变形 产生的。因此，当车轮滑转率在这稳定区范围内，轮胎与路面间的纵向附着系数实质 上是它们之间静摩擦系数的表现。 所以，随着轮胎与路面间纵向相对滑动趋势的增大，其间的纵向附着系数就会迅 速增大【2 扪。当车轮滑转率达到峰值附着系数滑转 s r 时，弹性轮胎与路面之间即将发 生相对滑动，此时的纵向附着系数就是最大静摩擦系数的表现，即将进入非稳定区。 轮胎与路面之间的纵向附着系数就从最大静摩擦系数到滑转摩擦系数的过渡，轮胎与 路面间的纵向附着系数将是不稳定的。 当车轮与车身形成一定角度的时候，如转弯的时候，路面附着力可以分解为纵向 附着力与横向附着力。同时，路面附着力系数可以分解为纵向附着力系数与横向附着 力系数f 2 3 1 。这里定义驱动滑转率的联合参数s ，车轮纵向附着力系数s ，车轮横向附 着力系数乳，三者之间的关系可表达为： = 也2 + 2 ( 2 2 5 ) 轮胎与路面之间附着极限的附着力系数与驱动滑转率的关系，如图2 5 所示，从 图中可以看到，当滑转率从o 开始增加时，纵向附着系数以也随之增大，当滑转率达 到某一值时，纵向附着系数足达到最大值；滑转率继续增加，纵向附着系数毛反而随 之下降，当滑转率达到1 0 0 时，车轮发生纯滑转。横向附着系数随滑转率的增大而 急剧减小。如果横向附着系数& 太低，横向力很小，此时车轮遇到小的扰动，就会向 行驶的侧向滑动。 把滑转率控制在图2 5 中的灰色区域，使得车轮的纵向附着系数较大，同时也 有比较大的横向力系数，从而保证汽车不仅具有最大的驱动力，而且具有较大转向 力和防止侧滑的侧向力，提高了转向操纵能力和方向稳定性。 如何辨识在不同路面上，附着系数与滑转率曲线关系，得到最佳滑转率区域，从 而获得最佳目标滑转率。控制策略就是根据最佳目标滑转率，把当前的滑转率向目标 滑转率靠近，使得车辆在最佳状态下行驶。最佳目标滑转率的准确精度，成为整个控 制算法中控制效果优劣的重要指标。如何辨识附着系数与滑转率的关系，以及不同路 1 2 第二章汽车仿真平台的动力学基础 面的附着系数曲线特点，这需要综合路面识别技术和最佳滑转率确定技术，最后得 到最佳目标滑转率的区域与峰值点。 。、遵 潮岁 。、 i i 卜向附着系数 7 、n j o 2o 4 o 6o 81 滑转搴 图2 - 5 附着系数与车轮滑转率的关系 f i g u r e2 - 5w h e e ls l i pf r i c t i o nc o e f f i c i e n ta n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h er a t e 汽车在不同行驶条件下对行驶性能各方面的要求有所侧重，因此，在不同的滑转 率范围内就应以不同的原则