（机械工程专业论文）商用车主动侧向稳定器的研究.pdf

摘要 汽车的舒适性不仅对小汽车很重要，而且对商务车，特别是 对长途的旅游观光车和运送货物的卡车也很重要。当采用传统的 被动悬架系统时，车辆的乘坐舒适性和操纵稳定性是相互对立的。 因此，必须通过改变悬挂系统来解决二者的矛盾。 本文设计了一种低成本、能量消耗小的主动侧向稳定器，其 机械部分由“u ”形稳定杆，单杆双作用液压缸，支秆和车架组成。 控制系统采用前轮转角前馈控制模式，以负荷传感器测定的轮重 为基础，计算前轴及后轴至质心的距离，再由车速及前轮转角预 测侧向加速度，将其输入车辆控制模型，由车载控制器计算达到 期望侧倾角所需要的控制压力。控制器每隔1 0 m s 对控制压力进行 采样和计算，然后向压力控制阀发出操作液压缸的指令信号。通 过液压缸经稳定器杆对车身施加反侧倾力矩，以抵消由侧向加速 度产生的侧倾力矩，使车身的侧倾角减小，提高车辆的行驶安全 性。试验及仿真结果显示，本文所设计的主动侧向稳定器系统是 可行的。 关键词：主动侧向稳定器悬架系统仿真 a b s t r a c t v e h i c l ef i d ec o m f o r ti si m p o r t a n tn o to n l yf o rp a s s e n g e rc a r s b u t a l s of o rc o m m e r c i a lv e h i c l e s ，e s p e c i a l l ys i g h t s e e i n gb a s e sa n dt m c k s f o rl o n g d i s t a n c et r a n s p o r to fg o o d s h o w e v e r , w h e nc o n v e n t i o n a l p a s s i v es u s p e n s i o ns y s t e m sa r eu s e d ，t h e r ei s at m d e - o f fb e t w e e n v e h i c l er i d i n gc o m f o r ta n dd r i v i n gs a f e t y a c c o r d i n g l y , c o m p r o m i s ei s n e e d e dw h e nt u r n i n gt h es u s p e n s i o n 1 1 1 ea c t i v er o l is t a b i l i z e rm e c h a n i s mc o n s i s t so fau - s h a p e d s t a b i l i z e rb a r , as i n g l e r o dd o u b l e a c t i n gh y d r a u l i cc y l i n d e r , ar o da n d l i n k s h y d r a u l i c a c t u a t o rf o r c ei s a p 口j i e d t ot h el e f te n do ft h e s t a b i l i z e rb a rt op r o d u c ea na n t i - r o l lm o m e n tt h a tc o m p e n s a t e sf i t h e r o l lg e n e r a t e db yt h el a t e r a la c c e l e r a t i o na c t i n go nt h ec e n t e ro f g r a v i t y o f t h ev e h i c l eb o d y n er o l lm o v e m e n to f t h eb o d vi st h u ss u p p r e s s e d l o a ds e n s o rs i g n a l sa 卵f e dt ot h ee l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ( e c u lw h i l e t h ev e h i c l ei ss t a n d i n gs t i l lt oc o r r e c tt h ev e h i c l es p e c i f i c a t i o n si nt h e e c u t h ee c ue s t i m a t e st h el a t e r a la c c e l e r a t i o nb yu s i n gt h es t e e r i n g a n g l ea n dv e h i c l es p e e ds e n s o rs i g n a l sa si n p u t s n l ee c uc a l c u l a t e s t h eo b j e c t i v eh y d r a u l i cp r e s s u r e sf o rb o t ha c t u a t o r se v e r yl o m sa n d s e n d sc o n t r o ls i g n a l st ot h ep r e s s u r ec o n t r o lv a l v e 5p r o d u c ea n t i m l l m o m e n ti nt h e a p p r o p r i a t e d i r e c t i o n r e l i a b i l i t y o ft h e s y s t e m - s i m u l a t i o nm o d e la n de x p e r i m e n tr e s u rs h o wt h a tt h ef u l l y a c d v eh y d r o p n e u m a t i cs u s p e n s i o ns y s t e mi si m p r a c t i c a l k e y w o r d s ：a c t i v er o l ls t a b i l i z e rs u s p e n s i o ns y s t e m s i m u l a t i o n 长春理工大学硕士学位论文原刨性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士( 或博士) 学位论文，论文题 目是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：童) 翅i ! 净生月土日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、 博士学位论文版权使用规定”。同意长春理工大学保留并向国家有 关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 窒) 主当圭 22 年丛月丑日 指导导师签名： 丞i 遮丑 22 年生月卫日 第一章绪论 1 1 汽车安全性研究的意义 随着经济进步与汽车科技的发展，公路交通呈现出行驶高速 化、车流密集化和驾驶员非职业化的趋势。频繁的交通事故使公 路的交通安全成为一个广泛关注的社会性问题。 1 9 6 5 年，r a l p h n a d e r 著书在任何速度下行驶都是危险的， 成为重视汽车安全性的“导火线”，自此汽车工业发达国家开始重 视汽车安全性的研究。美国1 9 6 6 年由联邦政府运输部( d o t ) 和 国家公路交通安全局主管联邦机动车安全法规的制定和监督实 施。其他国家也相继制定或修定了自己的安全法规。1 9 7 0 年，由 美国d o t 发起的，多国政府参与的试验安全车e s v 计划开始实 施，于是在政府部门、汽车制造商以及许多研究机构的共同努力 下，西方发达国家的交通安全得到了很大改善，汽车事故和死亡 人数得到了有效的控制。 目前，各国汽车厂家将许多先进技术、部分研究成果引入汽 车的安全设计。相信在不久的将来，汽车的安全性能够得到很大 改善，驾驶汽车是相当安全的。 1 2 汽车安全性的研究方法及发展现状 汽车的安全性包含两方面的内容，即被动安全性和主动安全 性，汽车的被动安全性系指发生事故时，汽车保护乘员的能力。 人们常考虑的汽车被动安全部件有：车身结构、安全带、安全气 囊、能量吸收式转向柱、座椅、头枕及内饰件等。 汽车的主动安全性系指汽车防止事故发生的能力。具体来说 汽车主动安全性包括照明灯、信号灯的性能、汽车前后视野性能、 操纵性能、制动性能以及轮胎性能等。被动安全技术和主动安全 技术是保证汽车乘员安全的重要保障。现在汽车设计师们更多考 虑的是主动安全设计，使汽车能够自己“思考”，主动采取措施， 避免事故的发生。在这种汽车上装有汽车规避系统，包括装在车 身各部位的防撞雷达、多普勒雷达、红、外雷达等传感器、盲点 探测器等设施，由计算机进行控制。 文献【1 】就影响汽车主动安全性的汽车诸特性中，按影响程度 大小排序为：1 、转态的瞬态响应特性：2 、转弯制动性能；3 、直 线制动性能；4 、转向的稳态响应特性；5 、视见性；6 、耐倾覆性； 7 、抗干扰性；8 、回正性；9 、可靠性。九种因素中，其中有五种 因素属于操纵稳定性范畴。由此可见操纵稳定性在汽车主动安全 性中的重要性。总之，主动安全性是指汽车具有的在所有交通状 况下尽可能安全地避免事故的一种性能。 几十年来，如何设计汽车以获得良好的主动安全性，尤其是 操作操纵稳定性，始终是各国学者和设计师们的主要研究方向之 一。操纵性指汽车能够遵循驾驶者通过转向系及转车轮给定的方 向行驶；稳定性指汽车在遭到外界干扰时，能够抵抗干扰而保持 稳定行驶的能力。 汽车的操纵稳定性不仅影响到汽车驾驶的操纵轻便程度1 2 l ， 而且也是保证高速行驶车辆安全的一个主要性能。对于一辆行驶 中的汽车，外界对它的作用( 即输入) 有三个方面：驾驶员的操 作( 通过转向盘、加速踏板和制动踏板等) 、路面作用力( 通过轮 胎) 和空气作用力( 通过车身和轮胎) 。就汽车的操作稳定性来讲， 驾驶员对汽车的输入引起的响应是汽车的操纵性问题，即汽车是 否听驾驶员的指挥，路面和空气对汽车的输入引起的响应是汽车 的稳定性问题。 小型客车( 面包车) 和商用车( 尤其是小型载货汽车和大型 客车) 相对于轮距的质心高比乘用车高，当汽车在转弯或曲线行 驶过程中，容易发生侧倾现象。侧倾对驾驶员的视点和姿势变化 有很大影响。侧倾过大驾驶员容易产生疲劳和增加不安全感。在 悬架系统上安装侧向稳定器，可明显提高侧倾角刚度，但对原车 的乘坐舒适性产生影响。为了解决这一矛盾，目前国内外采取下 列两种措施：一种是悬架系统上安装开关式侧向稳定器，但应用 不理想。另一种是可以在汽车上采用主动悬架，它能够显著地改 善侧倾和舒适性的对立关系，但由于主动悬架有两个缺点：一是 消耗能量大，二是造价高，目前仅限于在轿车开发和使用，限制 了它在其它车辆上的使用范围。 本文从开发低成本，消耗能量小的主动悬架为着眼点，以中 型载货汽车为例，通过仿真分析和实车试验，研究主动侧向器对 降低侧倾，改善乘坐舒适性和提高车辆行驶安全性的效果。 1 3 本文的主要研究内容 本文提出的主动侧向稳定器a r s ( a c t i v er o l ls t a b i l i z e r ) 的基 本结构是在开关式被动式侧向稳定器上安装一个可产生作用力的 装置，当汽车发生侧倾时，它在稳定器杆上施加一定的作用力， 而产生反侧倾力矩，达到降低侧倾的目的。本文在对主动侧向稳 定器进行仿真分析的基础上，通过实车试验来研究降低侧倾的效 果和对乘坐舒适性的影响。 本文主要迸行了如下几个方面的研究工作： 1 为了全面反应汽车侧倾时的工作状态，本文建立了包括横 摆、侧移、前车身侧倾、后车身侧倾与转向系五个自由度的车辆 模型及相应的五自由度人车路闭环系统模型。同时，也建立了驾 驶员操作动作模型和道路模型。 2 利用已有的实验室数据对所建立模型的有关参数进行确定， 提高仿真模型的解析精度。采用单一正弦波和连续正弦波等形式 输入，对采用的数据进行仿真分析，确定仿真模型的相关参数如 质心高度、驾驶员操作动作微分常数和迟滞时间、车身扭转刚度 等。 3 利用实车实验对a r s 系统降低车身侧倾角以及对原车乘 坐舒适性的影响进行试验分析。 第二章本文相关的基础知识 众所周知，汽车行驶安全取决于驾驶员、汽车、道路三大要 素。下面介绍一下与本文相关的人一车一路闭环系统模型、试验理 论以及研究方法等有关基础知识。 2 1 人一车一路闭环系统模型 汽车操纵稳定性的优劣，不但取决于汽车本身的结构参数， 还涉及驾驶员和道路交通环境等主客观因素 3 1 。驾驶员汽车道路 环境闭环系统图如图2 1 所示。 图2 - 1 驾驶员汽车道路环境闭环系统图 2 1 1 汽车模型 为了从理论上对汽车的操纵稳定性进行研究，人们建立了不 同复杂程度的各种汽车模型，下面将按自由度数多少的顺序进行 介绍。 1 二自由度汽车模型 这是最早建立和使用的汽车模型，也是目前汽车操纵稳定性 各种文献中仍在继续使用的基本的和重要的汽车模型【4 j 。所说的两 个自由度是指汽车的横摆运动自由度和汽车的侧向移动自由度， 按理论力学中的概念，是把汽车看成做平面运动的刚体，由于在 进行操纵稳定性研究时【5 】，通常假定汽车的行驶速度为常数，因此 平面运动刚体的三个自由度中，存在一个约束，这样就剩下两个 4 自由度。= 自由度汽车模型的运动方程为两个一阶微分方程，可 以得到解析解，因此，利用二自由度汽车模型可以从理论上进行 稳定性分析、操纵性分析，得出一般性的结论，这是更多自由度 的汽车模型无法做到的。 2 三自由度汽车模型 在进行定量研究时，在侧倾转向效应较小的情况下，二自由 度模型可以得到较好的效果，但在侧倾转向效应较大时必须计 入侧倾自由度的影响。在考虑整车横摆运动和侧向运动的二自由 度模型基础上，加入悬架上的侧倾运动，便得到三自由度汽车模 型。文献 6 】利用三自由度汽车模型对操纵性能进行了仿真研究， 结果表明，后轴侧倾转向系数增加，虽能增加汽车不足转向值， 但可能使汽车失去稳定性，通过增大后轮侧偏刚度而提高不转向 值【7 l 则不会有这种恶劣影响。与侧倾运动有关的侧倾阻尼系数( 指 前、后悬架侧倾阻尼系数之和) 对整车的运动几乎没有影响，但 对侧倾角的影响较大。 此外还有九自由度汽车模型、十二自由度汽车模型和十七自 由度汽车模型。 以上所述仅仅是具有代表性的几种汽车模型，各种模型在功 能、复杂程度、自由度数及所需原始数据上有所不同，使用时应 当根据具体问题来选择最合适的模型。一般说来，二自由度模型 多用来进行定性的理论分析，例如四轮转向汽车的操纵稳定性研 究，人一车一路闭环系统的稳定性研究；进行定量的数值分析时，在 一定条件下亦有一定的精确度。三自由度以上的模型用来进行数 值分析，总是针对具体车型和具体问题进行仿真研究h j ，得出实用 的结论，例如各种悬架设计对汽车操纵稳定性的影响研究，本文 使用的汽车模型是根据二自由度模型和三自由度模型建立的，见 第三章。 2 1 2 驾驶员模型 汽车在驾驶员的操纵下沿指定路径行驶，其跟随性能如何， 不但取决于汽车本身，还取决于驾驶员的技术和生理限制等，因 此按控制论的观点，必须把驾驶员、汽车、甚至道路及环境统一 作为一个系统来考虑，这样才能揭示各环节间的相互联系并正确 评价整个系统及单个环节的性能，所以建立一个准确实用的驾驶 员模型就显得必要了。现在国内应用较多的是“预瞄最优曲率模 型”。 2 1 3 道路模型 目前在驾驶员- 汽车道路闭环系统的仿真中的道路输入数学 模型主要还是定性的。不同驾驶员所遇到的路都是随机的，冈此， 基于熟练驾驶员驾驶同一型号汽车的驾驶员汽车道路闭环系统 的仿真，要更真实地预测实车试验可能出现的结果，将道路输入 视为随机过程是合理的和必要的9 1 。 2 2 汽车操纵稳定性常见的试验评价方法 目前，各国采用的揉作稳定性试验评价方法 1 种类颇多，不 同的厂家和研究人员各有所好，并不一致。下面简单介绍本文采 用的有代表性的、常见的试验评价方法。 2 2 1 “蛇行”穿杆试验 试验布詈如图( 2 - 2 ) 所示【l “。汽车反复穿过所有的橡皮锥体 标杆，越快地穿过全程就说明汽车的蛇行穿杆能力越强。因此通 常用穿越全程所需的时间作为评价指标。以不碰杆和不翻作为能 力的极限。大多数采用等杆距的试验规范，高速车采用较长的杆 距，低速车采用较短的杆距。对小轿车通常采用3 0 m 杆距，全程 7 个间隔共2 1 0 m 。这种试验往往使汽车处于某种转弯能力的极限 状态，在一定程度上表现出转向运动的综合性能。 图2 2“蛇行。穿抒试验图 2 2 2 “移线”试验 用标杆围成平行改变汽车行驶轨迹的跑道( 图2 3 ) 1 ，通常 6 以穿越全程所需的时间来表示这种改变行驶路线的能力。这种试 验可以说是对超车动作的仿真试验，也在一定程度上表现出汽车 转向运动的综合性能。 瞰2 - 3“移线”试验圈 2 2 3 稳态圆周试验 本试验可对系统做出线性区评价，从汽车的转向特性来说可 判断其究竟属于中性转向、不足转向、过度转向的哪一类。一般 来说，只有具有适度的不足转向的汽车才会有良好的操纵稳定性。 具体地讲就是当保持转向盘转角不变，在缓慢加速或以不同车速 等速行驶时，随车速的增加，汽车转弯半径r 有不同的变化；r 不断增大时称之为不足转向：r 不变时称之为中性转向；r 减小时 称之为过度转向这是极其危险、现实中不允许出现的情况。测量 参数有汽车横摆速度、车速、车身侧倾角、转向盘转角、侧向加 速度等。 2 3 控制系统的试验方法 本文所研究的主动侧向稳定器属于控制系统，我们要对它进 行分析、综合和设计，并且对它进行试验研究，因此很有必要了 解关于控制系统试验研究的方法，概括起来有解析法、试验法和 仿真试验法三种“。 l 解析法是运用已掌握的理论知识对控制系统进行理论上的 分析、计算。但在工程实际中有很大局限性。 2 试验法具有简明、直观与真实的特点，在一般的系统分析 与测试中经常采用，在实际中常常难以实现。 3 仿真试验法就是在模型上( 物理的或数学的) 所进行的系 统性能分析与研究的实验方法，它所遵循的基本原则就是相似原 理。随着计算机与微电子技术的飞速发展，人们越来越多地采用 数学模型在计算机( 数字的和模拟的) 上进行仿真试验研究。在 数学模型上所进行的仿真试验是建立在“性能相似”基本原则之 上的。具有非时性与离散的特点，是一种经济、快捷与实用的试 验方法。通过适当的手段和方法建立高精度的数学模型是其前提 条件。鉴于上述原因，在数学模型上进行的仿真试验研究方法对 控制系统进行分析、设计与研究是十分有效的方法。本文所采用 的方法正是此方法，下节将对仿真试验进行阐述。 2 4 仿真试验的分类与性能比较 按计算机类型分类，可以分为模拟仿真、数字仿真和混合仿 真等【1 3 】 t 4 1 。 1 模拟仿真是在计算机上进行的试验研究，不适合本文试验。 2 数字仿真采用数学模型，在数字计算机上借助于数值计算 的方法进行的仿真试验。它具有简便、快捷、成本低的特点，同 时还具有如下优缺点： ( 1 ) 计算与仿真的精度较高； ( 2 ) 对计算机控制系统的应用比较方便； 3 ) 仿真试验的自动化程度较高，可方便显示、打印等功能； ( 4 ) 计算速度比较低，在一定程度上影响到仿真结果的可信性。 3 混合仿真是以上两种方法结合起来的混合仿真系统。 还有其它仿真方法等，考虑到实际情况，本文采用数字仿真。 2 5 系统、模型与数字仿真 1 。系统：是由一些特定功能的、相互闯可以以一定规律联系 着的物体所组成的有机整体。 2 模型：是对系统的特征与变化规律的一种定量抽象，是人 们用以认识事物的一种手段。 3 数字仿真：数字仿真试验包括三个基本要素，即实际系统、 数字模型与计算机。联系这三个要素，则有如下三个基本活动， 即模型的建立、仿真试验与结果分析。以上三要素及三个基本活 动的关系可用图2 - 4 来表示【搭1 。由图可见，将实际系统抽象为数 学模型，为一次模型化，它还涉及到系统辨别技术问题，统称为 建模问题；将数学问题转换为可在计算机上运行的仿真模型，称 之为二次模型化，这涉及到仿真技术问题，统称为仿真试验。 图2 4 数字仿真的基本内容 9 第三章主动侧向稳定器仿真模型的建立 3 1 汽车侧倾简介 为了改善车辆乘坐舒适性等目的，车身和车轮之间在上下方 向是采取柔软弹性连接的，即悬架系统。一旦有惯性力伴随车辆 的侧向运动而作用于车身质心，则车身会沿惯性力作用的方向倾 斜，即所谓的车身侧倾( 如图3 1 ) 1 6 】。汽车侧倾主要包括悬架上 ( 车身) 侧汽车内侧车轮离开地面，这时汽车处于非稳定状态而发生 侧翻。另外汽车的侧倾会带来下列危害：使汽车的轮胎磨损加剧， 驾驶员的视点和乘坐姿势发生变化，这样就会使驾驶员容易疲劳 和增加不安全感“。 3 2 人一车一路闭环系统模型的建立 为了降低侧倾，提高车辆的行驶稳定性和安全性，本文提出 的主动侧向稳定器的基本结构是在开关( o n o f f ) 式被动侧向稳 定器上安装一个可产生作用力的装置，以液压缸作为动力源，图 3 2 为其安装简刚【博】，工作原理如图3 3 所示l 【1 8 1 。当车辆发生侧 倾时，液压缸根据传感器的信号产生一定的作用力，施加在稳定 器杆上，使稳定器杆产生反侧倾力矩，从而抵消车辆的侧倾力矩， 达到降低侧倾的目的。 图3 - 1汽车车身侧倾图图3 - 2 主动侧向稳定器结构图 1 0 图3 - 3 主动侧向稳定器工作原理图 3 2 1 车辆数学模型的建立 本文以中载货车为研究对象，即研究的系统为车辆，所以先 将它简化为五自由度运动模型，然后对它进行力学分析，得出车 辆的数学模型。 1 车辆运动模型与坐标取法 考虑汽车以一定的速度作等速行驶，略去汽车的垂直振动和 轮胎挠度的变化以及空气动力对侧向力与力矩的影响。为了全面 反应车辆侧倾时的运动状态，并且由于载货汽车的车身较长，前 后车身的侧倾不同，本文把车身分为前后两部分，并且假想整个 车身具有弹性，建立车辆模型，图3 4 为车辆的结构简图i l9 】。它 的坐标系是这样取的：以整车的质心铅垂线与侧倾轴( 假想的前后 车身侧倾中心连线) 的交点为原点，以汽车的纵向水平轴为x 轴。 以过原点与x 轴垂直的方向为y 轴( 以汽车的左侧方向为正向) ， 过原点的垂直轴为z 轴，向上为正。这样的坐标取法符合右手定 则【2 0 l 。在水平平面上的所有角度( 前轮转角、侧偏角、方位角等) 及对应的角速度与角加速度均取逆时针方向为正( 办符合右手法 则而与z 轴正向一致) 。 图3 - 4 五自由度车辆运动模型 将驾驶员给转向盘的力矩看作己知输入时，则汽车的运动状 态可用五个广义坐标来近似表示，它包括车辆侧向位移y 、车辆的 横摆角妒、车辆的侧倾角( 前车身侧倾声，、后车身侧倾角x ) 和转 向盘转角占s w ( 或前轮实际转角艿= ! ! ) 。按右手定则，y 、矿、艿 均以与z 轴方向一致为正向。矿f 、矿r 以与x 轴方向一致为正向。 侧向力f f 、f r 的方向与y 轴方向相反为正向。由于转向系与 悬架系不是绝对刚性的，故在侧向力作用下，前后轮有附加转角。 这种附加转角可以看成与所受的侧向力成正比，而且可忽略其与 侧向力的相位差，因而也是与轮胎侧偏角同相位的。因此，可将 前后轮侧向力造成的附加转角与前后轮胎侧偏角合在一起，看成 是总的“有效侧偏角”万i 与j 2 。这样，转向盘转角占s w 就可以按 刚性转向悬架系的传动关系折算为前轮实际转角。 2 车辆运动的微分方程 在考虑车身扭转刚度后，车辆模型的自由度为五个，即车辆 横摆运动、车辆侧向运动、前车身侧倾运动、后车身侧倾运动以 及转向系转动。为了确定仿真模型所需参数，提高仿真模型的解 析精度，这里先不考虑主动侧向稳定器产生的控制力。只考虑加 入车身侧倾后的车辆运动，并加以分析。由图3 4 按达朗贝尔原 理列出力与力矩的平衡方程【2 ”。 沿y 轴力平衡方程式( 侧向运动) ： m ， + v 协一ms f h f 掂一m 。h r 善r = f f + r0 n 绕z 轴力矩平衡方程式( 横摆运动) ： iz 译一ms f 矗p b f 垂f + m s r h r l 帆疹r = f f ，l f + f r - l r ( 3 - 2 ) 前车身绕x 轴力矩平衡方程式( 侧倾运动) ： l 帮f m h f i u + y 。鳓一m j h f 。k 1 孕23 - 3 、 一g f 9 f c 妒口f k 。婶f 一4 0 j。 后车身绕x 轴力矩平衡方程式( 侧倾运动) ： 靠j m 船。+ 矿+ m m 。k 妒= 一g 卵散( 3 - 4 1 一c k ，如一k ( 靠一靠) 、7 转向轮绕主销力矩平衡方程式： ! 巧2 聪：7 ，- a 。) - c 爻s6 _ 2 。( a s + c 斥疋) ( 3 - 5 ) 嫡一# v l f 审 y + r f 母f 、 另外，由于 耳= 2 c 斥- 4 斥= 2 c b 磊 及几何关系： 6 l = 6 一，i v l i 牵| v + r f 争f 6 2 = 一， y + l r 争l y + r r 争f 可得轮胎侧向力： 纠f p = 2 c p r 品矿乏g 妒f c e v + l 我繁 p 6 ， 最= 2 ( r 妒矿+ 靠) 其中各参数含义： m 、m s f 、m s r ：车辆总质量、前车身( 悬架上) 质景、后车 身( 悬架上) 质量( k g ) i z ：车辆横摆惯性力矩( n m 2 ) i 中f 、i , r ：前、后车身侧倾角惯性力矩( n m 2 ) i s ：转向系惯向力矩( n 砰) l f ll r ：前、后车轮至车辆质心点的距离( m ) l w f l w r ：前、后车身质心点至车辆质心点的距离( n 1 ) hf h r ：前、后车身侧倾力力臂( 质心点至侧倾中心点的距离 ( 1 1 1 ) c p f ，c p r ：前、后轮胎侧偏刚度( n m r a d ) a s ：回正尉度( n m t a d ) n ：转向系传动比 k 。：车身扭转刚度( n m r a d ) r f r r ：前、后轴侧倾转向系数 c 中f 、c s r ：前、后悬架侧倾角阻尼系数( n m s r a d ) f 、g o r ：前、后悬架侧倾角刚度( n m r a d ) g f = g 妒一m 镕弧 g g 斟= g m m m h r g k s ：转向系扭转刚度( n m r a d ) c s ：转向系阻尼系数( n m t a d ) t c ：主轴后倾拖矩( i t i ) js w 占：转向盘转角、前轮实际转角( m d ) v ：车速( m s ) 矿、妒、庐：车辆的横摆角( r a d ) 、横摆角速度( t a d s ) 、横摆角 加速度( r a d s 2 ) y 、y 。、j ，：车辆的侧向位移( m ) 、侧向速度( m s ) 、侧向加 速度( m s 9 庐、f 、方f ：前车身的侧倾角( t a d ) 、角速度( r a d s ) 、角加速度 ( r a d s 2 ) 矿、r 、r ：后车身的侧倾角( r a d ) 、角速度( r a d s ) 、角加速度 ( r a d s 2 ) b f ，b r ：前、后稳定器的跨距( m ) f 中f 、f ：前、后稳定器的控制力( n ) f f = a f a f = a r 口f 、d r ：前、后车身侧倾角目标控制增益( 。m s 2 ) a f 、a r7 ：预测的前、后车身质心点侧向加速度( z s 2 ) 3 车辆仿真模型的建立： 对上述6 个方程式分别进行拉酱拉斯变换1 ，并将式( 3 6 ) 代 入( 3 - 1 ) 一( 3 - 5 ) 可得： y ( s ) 【 ，+ 2 ( c p f + c p r ) s v = 妒( s ) s 1 2 ( c p r z r 一 饵0 ) v - m 明+ 办( s ) 。( 肘口s 2 + ( 3 - 7 、 2 ，1 0 昂。r f ) + 靠0 ) ( m s r h r ，+ 2 c p r 三r ) + 2 - c p r 8 ( s 1 矿( 苫) i z s 2 + 2 j ( c p f l f 2 一c p r l r 2 ) 矿】= 一2 “j ) 小( c p e 岛+ c p r 。厶) + ( m ”k s 2 + ( 3 - 8 ) 2 c 斥k 如) 办( s ) 一( m 。h r 厶。s 2 2 c b k r r ) 办( j ) + 2 c p r l f 0 8 ( s ) 办( 8 ) ( o ，+ 。5 ，+ k 2 y ( 3 ) 。g s g k 52 + ( 3 - 9 ) 妒( j ) ( f 铲厶印h f j 2 + 略v 5 ) + q 办( s ) 靠( 5 ) ( ，+ 。3 ，+ 髟) 。y ( 5 ) + m m k 5 2 一( 3 - 1 0 ) 妒( s ) ( 肘鲫- s 2 一肘r 矿s ) + 毛办( f ) j ( s ) 仉s 2 + c s + k + 2 ( 4 + c 斥疋) 】= j ，( j ) s 2 ( 4 + c 昂珏) 矿+ 妒( j ) j o 2 ( 4 + ( 3 - 1 1 ) c p f 。毛) v 一九( s ) 2 r f ( 爿，+ c 斥) + t 8 s n 令五维矢量 工) = 五 工2 而 矗 恐 y o ) 妒( j ) 如( j ) 靠0 ) 占( j ) 式( 3 - 7 ) - ( 3 1 1 ) 可合并为： 【m 】= c 】 q 2q ， q 4q ， 如锄i 吗z 锄0jf c 】= q 3 0l n s 2n n 0 n s s o o 0 o 垦盈 a l l = m s 2 + 2 ( c p r + c 致) s l v 1 2 1 22 一s 【2 ( c b l r c p p l e ) ，矿一m 矿 口i ，2 一( 肘口j 2 + 2 c p r - 如) q 4 = 一( ，期。j 2 + 2 c p n - 厶) = - 2 缉 啦l = 2 j 。( c p r l f + c p r - l r ) 呸2 = 五j 2 + 2 j ( c p e l f 2 - c p r r a ) v 。器= 一u u 掰h f l 卵3 2 + 2 c p r l f r 。1 屯3 蚝s 2 2r c p r 岛r r a b = 一2 c p l f 码l = m 口- 三p s 2 a n 。m l f h f s 2 + ms f h f v s 吼，= 一( k 占2 + c ，s + g 0 + ) = 配 a 4 i5 m m l 5 2 d 4 2 = 一( 膨嘏工脓靠j 2 一 彳脓h r 矿s ) 口4 3 = 一( 5 2 + c 柙s + g 柙+ k ) 。也 口”2s 2 ( a s + c p f - ) ，矿 吩22 s 。l f 2 ( 一s + c 砟) ，v 口幻= 一2 月，。( 彳s + c 昂毛) 2 一 i s s 2 + g s + k s 十2 ( 以+ c b 互) 】 ( 3 - 1 2 ) 1 6 一 订 数 n 系 ： 备 中 中 式 其 3 2 2 驾驶员模型的建立： 为了能从理论上预测汽车的易操纵性【2 ”，首先要提出一个合 理的能代替真实驾驶员的驾驶员模型。目前己研究出了驾驶员行 为的各种驾驶员模型，本文采用的是最优控制模型，它为描述驾 驶员行为特性提供了一个有效而又直接的方法。 驾驶员驾车的实际行驶过程中，其主要目标是使汽车的运动 轨迹尽可能与预期的轨道相一致，也就是既驾驶员控制转向盘使 汽车跟随预期路径，这样驾驶员汽车组成了一个“跟随系统”。由 于驾驶员反应的滞后，驾驶员必须提前一段时间预先观测所要跟 随的路径，这样驾驶员汽车又构成了“预测一跟随系统”l 2 3 j 。 在跟随过程中，驾驶员根据前方道路信息和汽车当前的状态， 按着汽车运动轨迹与预瞄路径误差最小的原则来断定一个最优曲 率轨迹( 在车速一定时是最优的侧向加速度) 。然后，驾驶员则考 虑汽车及其本身的动态特性，作出相应的转向盘控制，使汽车的 实际侧向加速度与预瞄所得的最佳加速度相等。 f ( 七十 f ( y ( t( t + t ) t 图3 - 5 人车闭环系统的路径跟随图 设汽车在一个预定的轨道上行驶，轨道中心线的方程为f ( t ) ，并 设f 时刻汽车的运动状态为y = y ( t ) 。驾驶员向前预瞄一个距离l 时，若汽车等速行驶，则相应的预瞄时间r = 告，驾驶员侧向预瞄点 的侧向坐标为厂o + f ) ，如图3 - 5 2 3 1 。假定驾驶员根据汽车的当前 状态选择一个转向盘转角j s w ，对应的汽车侧向加速度为y ( t ) ，经 少( f + f ) = y ( f ) + f 涉( f ) + ! 梦( f ) ( 3 1 3 ) 若考虑驾驶员着眼于预瞄区间( t i ，t 2 ) 的一段落，跟随性能目 j = r 【厂( ，+ f ) 一j ，( ，+ f ) 】2 m ( t ) d t ( 3 - 1 4 ) , d r n 式中c o ( t ) 是表示区间内各点重要性的任意非加权函数。此性 能指标表示预期路径，o + f ) 与汽车估计轨迹y o + r ) 之差平方的 加权积分。根据误差最小原则，即使性能函数j 最小，很容易求 出最优的侧向加速度夕o ) ： 州f ) _ 去嘣，) - y ( f ) 一q m 】 ( 3 - 1 5 ) ft 2 f ( t + r ) c o ( r ) d r 耻卜两：矿 2 2 3 c o ( r ) d r 勺2 蒜( 3 - 1 6 ) 在实际的预测跟随系统中，由于汽车的动态响应特性及驾驶 员的反应滞后，所以驾驶员必须对最优预瞄加速度进行校正，确 筹 f f f n r l 一2 = 勺 定一个最优的预瞄转向盘转角万s w ，以保证实际系统能尽可能接 近于理想的预测一跟随系统。驾驶员的滞后特性通常表示为： 琊，= 等= 而e - t a z ( 3 - 1 7 ) 式中，t n 为神经反应滞后时间，t h 为操纵反应滞后时间。6s w 和万s w 则分别代表实际转向盘转角和最优预瞄转向盘转角。 汽车的转向特性可用侧向加速度传递函数表示： ，= 器= 鼍等等 协 式中岛为稳念增益，互，瓦弓，弓为系统时间常数。 预瞄环节的传递函数j p ( s ) 为： m 1 ：竺塑竺 ( 3 1 9 ) 以曲2 节丽万 。 桫展为l + 甜；，+ 争+ ，可得： p ( s ) = 1 + a j + p 2 s 2 + p 3 s 3 + ( 3 2 0 ) 驾驶员的校正环节c ( s ) 一般由下式确定： c ( s ) = c o ( 1 + 疋s ) ( 3 2 1 ) 其中 白= 1 1 g 0 = 岛+ 瓦+ 五一t l 一口p 3 p 2 ( 3 _ 2 2 ) 其中，口= 0 1 为跟随阶数，当a = 0 时，为二阶跟随校正， 当口= 1 时，为三阶跟随校正，由式( 3 1 3 ) 式( 3 2 2 ) 构成一个 网 1 。一 图3 - 6人车闭环系统方框图 前面讨论的是在预瞄区段( f l ，f ：) 上的驾驶员最优预瞄加速度模 型，若驾驶员目标路段无限缩短，就变成了单点预瞄的情况，即 驾驶员仅瞄准前方一点进行操纵。此时的窗函数以f ) 可取为单位 脉冲函数，力( f ) = 8 ( r ) 。 则 耶印“小t s + 丁t z ( 3 2 3 ) 由式( 3 1 6 ) 及式( 3 - 2 3 ) 有： 只= q = t 。 r 2 最2 0 2 了 只= i t 3 ( 3 2 4 ) 上( e ) = ，u + y 。) 根据图3 - 6 ，可写出驾驶员模型的传递函数如下： l 一生s 日。2 鬲了i 2 函( 3 - 2 5 ) l + ( 瓦+ 詈) 甜芋5 2 ；孚 ( 1 + 瓦j ) 厂( s ) e r * - 1 + ( r + t ) s + r l s 2 抄( j ) 2 0 上式中，f ( s ) 、y ( s ) 分别为道路输入和汽车的侧向位移。其 它参数确定参见第四章。 3 2 3 道路数学模型的建立 双移线道路的理想轨迹如图3 7 示 2 4 1 。设汽车前进方向为x 轴，移线方向为y 轴。当汽车等速行驶时，x 轴即可是位移，也可 是时间。当x 轴表示为位移时，经圆滑后的侧向位移函数y 为： 其中， is ，；5eis ，；s i 5 ， 芒气= i 气i “ 图3 - 7双移线道路函数 y = 0 y = e o + b x + e 2 x 2 + e 3 x 3 y = b y = 五+ f l x + a x 2 + 石 y = 0 = 扣c 3 s 2 + 2 , s t ， 巳：掣( s i s 2 + + s o “ 巳2 r x 墨 膏s 2 x 屯 x 乩 x 屯 ( 3 2 8 ) 2 岛= 专，( 5 。丑+ 3 。屯) - 2 b 岛2 五= i b 。( 8 t + 8 2 + s 3 ) 2 k + 2 ( 8 1 + $ 2 + 8 3 + $ 4 ) 】( 3 - 2 9 ) 五= 警 当x 轴设为时间时，经圆滑后的侧向位移函数y 为： ) ，= 0t 吒 其中， y = g o + g l x + 9 2 x 2 + 岛x 3 f t 2 ( 3 3 0 ) y = b y = 十嚏x 十吃x 2 + 岛x y = 0 g o = 岛= 岛 ( f = 1 , 2 ，3 ) = 矗 鱼= z ( i = 1 , 2 ，3 ) 3 2 4 人一车一路闭环系统仿真模型的建立 t e t 3 t t 4 t t j ( 3 3 1 ) ( 3 - 3 2 ) 考虑式( 3 1 2 ) ，驾驶员模型与道路模型，整个系统的仿真模 型简图如图3 8 所示【2 5 1 。由图可以看出整个系统仿真模型包括六 个模块：驾驶员模块、车辆转向系统运动式模块、车辆横摆运动 式模块、车辆侧向运动式模块、前车身运动式模块、后车身运动 式模块，输出变量有车身侧向位移、侧向加速度、车辆横摆角、 车辆横摆角速度、前后车身侧倾角及角加速度。 注；( a ) 转向系运动式模块( b ) 车辆横摆运动式模块( c ) 车辆侧向运动式模块 ( d ) 后车身运动式模块( c ) 前车身运动式模块( f ) 驾驶员模块 ( g ) 车辆横摆角输出( h ) 车辆横摆角速度输出( i ) 后车身侧倾角输出 ( i ) 后车身侧倾角加速度输出( k ) 前车身侧倾角输出 ( 1 ) 前车身侧倾角加速度输出( m ) 车辆侧向位移输出 ( n ) 车辆侧向加速度输出 图3 8 人车路闭环系统模型仿真圈 3 3 系统仿真模型积分算法的选择 由于系统动态特性的多样性，因此，没有一种积分方法能够 精确而且有效地适用于各种模型的仿真。要获得快速、准确的仿 真结果，就必须精心选择适当的方法和适当的仿真参数 2 6 1 【2 7 j 。 对于不同的模型和不同的条件，仿真的性能( 如仿真的速度、 精度等) 是千变万化的。因此。在选择仿真方法时，必须时刻牢 记这些差异。常见的积分方法中，我们选取五阶龙格库塔方法r k 4 5 。这是一种对于大多数问题都比较适用的方法。当系统有高 度非线性或者不连续性时，这种方法比其他方法通常要显得优越。 对于连续和离散这类混合系统，rk4 5 这种方法的性能也比较好， 而且仿真速度相对更快、仿真精度相对更高。 2 4 第四章系统仿真模型参数的确定 4 i 主要设计参数的确定 4 1 1 轮胎特性 本试验车装备轮胎型号为b s 7 5 0 1 61 4 p r m r a ，其侧偏刚度 系数和回正刚度【2 8 】的回归方程式如下所示( 参照图4 1 、2 ) 。 c p = - - 0 2 7 9 7 + 5 4 8 7 1 6 1x1 0 。m 4 1 9 1xl f r 6 m “1 1 a s = 0 1 3 8 3 + 0 7 0 6 2 m + 5 2 6 x 1 0 1 m 2 - 1 3 8 4 x l f f 。m ( 4 - 2 ) 式中：c p ；轮胎侧偏刚度系数( n r a d ) ： a s ；回正刚度( n r a d ) ： m ：单位负荷( k g ) 。 8 0 0 0 0 黾 6