（机械设计及理论专业论文）基于adams的四轮转向车辆仿真研究.pdf

摘要 分数阶微积分理论是当今研究的热点课题，本文在分数阶微积分理论的基础上，研究 了四轮转向汽车新的控制策略，并利用a d a m s 对车辆模型进行了动力学仿真，分析该控制 策略对车辆操纵稳定性的影响。具体内容如下： 简单介绍了本文所使用的工具一动力学仿真软件a d a m s 和数学软件m a t l a b s i m u l i n k ， 重点阐述了a d a m s 工作的理论基础。 建立了四轮转向汽车的二自由度车辆数学模型，分析了几种具有稳态侧偏特性轮胎模 型的建模方法以及公式中各项参数的物理意义。 在汽车专用模块a d a m s c a r 中建立整车动力学参数化模型，包括汽车车身子系统，悬 架子系统，轮胎子系统，以及转向机构子系统。在a d a m s 自带控制工具箱中输入控制策略， 控制后轮按预想方式转向。 对分数阶微积分和遗传算法作了介绍，研究了基于参考模型横摆角速度跟踪的控制算 法，在控制器中采用分数阶p i d 控制，并由遗传算法求出p i d 控制的各项参数。 按照国标要求对四轮转向车辆虚拟样机模型进行仿真，研究车辆的瞬态和稳态响应特 性。 仿真结果表明，对于采用参考模型横摆角速度跟踪鲁棒控制系统的四轮转向汽车，其 操纵稳定性能有了明显的改善，并且该控制系统具有很好的鲁棒性。 关键词：四轮转向a d a m s 分数阶微积分操纵稳定性横摆角速度跟踪控制 t h er e s e a r c ho ff o u rw h e e ls t e e r i n gv e h i c l e b a s e do na d a m ss i mul a t i o n a b s t r c t f r a c t i o n a lc a l c u l u st h e o r yi st h eh o tt o p i c si nr e c e n ty e a r s t h em a i nw o r ko ft h i sp a p e ri s d e s i g n i n gan e wc o n t r o ls t r a t e g yf o rt h ef o u rw h e e ls t e e r i n g c a ro nt h eb a s i so ff r a c t i o n a l c a l c u l u st h e o r y , s i m u l a t i n gt h ev i r t u a ld y n a m i cm o d e li na d a m s ，a n de v a l u a t i n gt h ec o n t r o l s t r a t e g yi n f l u e n c eo nh a n d l i n gs t a b i l i t y , s p e c i f i c sa r ea sf o l l o w s a no u t l i n eo ft h e d y n a m i ce m u l a t e s o f t w a r ea d a m sa n dm a t h e m a t i c a ls o f t w a r e m a t l a b s i m u l i n ki sp r e s e n t e d ，a n dt h et h e o r e t i c a lp r i n c i p l eo ft h ea d a m si si n t r o d u c e d s p e c i a l l y 4 w sm a t h e m a t i c a lm o d e l 、析mt w od e g r e eo ff r e e d o mi sb u i l t t h r e et y p eo ft h et i r e m o d e li sp r e s e n t ，a n dt h ep h y s i c a ls i g n i f i c a n c eo ft h ep a r a m e t r i ci nt h em o d e li si l l u s t r a t e d av i r t u a ld y n a m i cm o d e lo f4 w sv e h i c l ei sb u i l ti nt h ea d a m sb a s e do nc a rm o d u l e w h i c hi ss p e c i a l l yd e s i g n e df o rc a rs i m u l a t i o n t h ev i r t u a lm o d e lc o n s i s t so fv e h i c l eb o d y s u b s y s t e m ，s u s p e n s i o ns u b s y s t e m ，t i r es u b s y s t e m ，a n ds t e e r i n gs u b s y s t e m a n dt h e c o n t r o l a l g o r i t h mi ss e ti nt h ec o n t r o l t o o l b o xt oc o n t r o l 也er e a rw h e e l ，m a k ei tt u r na sw ed e s i g n e d t h ec o n c e p to ff r a c t i o n a lc a l c u l u sa n dg e n e t i ca l g o r i t h mw e r ei n t r o d u c e d ，a n dp r o p o s e da n e w4 w sv e h i c l ec o n t r o ls t r a t e g y ( b a s e do nr e f e r e n c em o d e ly a w - r a t et r a c k i n g ) w h i c hc o n t a i n f r a c t i o n a lp i dc o n t r o li nc o n t r o l l e r , a tl a s tg e tt h ep a r a m e t e ro fp i dt h r o u g ht h eg e n e t i c a l g o r i t h m a c c o r d i n gt or o a dv e h i c l ei s ot e s ts t a n d a r d ，s t u d i e s t r a n s i e n ts t a t ea n ds t e a d ys t a t e r e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ec a rw i t ht h e4w h e e ls t e e r i n gc o n t r o lm e t h o d t h er e s u l t si n d i c a t et l l a tr e f e r e n c em o d e ly a wr a t et r a c k i n gc o n t r o ls t r a t e g yc o u l di m p r o v e t h eh a n d l i n gs t a b i l i t yo ft h ev e h i c a l ，a n dt h ec o n t r o ls y s t e mh a sg o o dr o b u s t n e s s k e y w o r d ：f o u rw h e e ls t e e r i n g a d a m sf r a c t i o n a lc a l c u l u sh a n d l i n gs t a b i l i t y y a wr a t et r c k i n gc o n t r o l w r i r e nb y ：c h e ny e ( m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y ) s u p e r v i s e db y ：p r o f e s s o rc h e nn i n g 本论文中部分符号含义 符号物理意义 口 重心至前轴的距离 b 重心至后轴的距离 q 两前轮侧偏刚度之和 c r两后轮侧偏刚度之和 ，行 整车质量 五 车辆绕z 轴的转动惯量 f y l 前轮所受侧偏力 f y 2 后轮所受侧偏力 a s , 车辆侧向加速度 6 f 前轮转角 萨 后轮转角 前轮侧偏角 q f 瓯 后轮侧偏角 6方向盘转角 8 车辆质心侧滑角，在3 2 节中表示轮胎侧偏角 6 d 参考模型质心侧偏角 y 车辆横摆角速度 y d参考模型横摆角速度 v 车辆行驶速度 i i i 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行的研究工作 所取得的成果。尽我所知，除文中已经特别注明引用的内容和致谢的地方外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。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注明并表示感谢本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文例触予李吻卅年岁日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南京林业大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版( 中国科学技术 信息研究所；国家图书馆等) ，允许论文被查阅和借阅。本人授权南京林业大学 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，可以汇编和综合 为学校的科技成果，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论 文全部或部分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密z ( 请在以上方框内打“ 静 ) 羹莩? ：嚣羔劭 指导教师( 本人签名) ：眇彳 o 哆年月心日 卅年占a t fb 致谢 本论文是在导师陈宁教授的精心指导下完成的。在将近三年的研 究生学习和科研时间里，陈老师给我传授了很多知识，培养了我独立 思考和科研的能力，更是以自己的行动教会了我为人处事的方法，这 对我以后的学习、生活和工作产生深远的影响。在此，谨向敬爱的导 师表示衷心的感谢! 同时，在南京林业大学读研期间，学校的许多老师、领导和同学 都在学习和生活上给予我很大的帮助，在此，感谢机械电子工程学院 的陈慧明老师，王兆伍老师，黄小平老师在学习上对我的指导和热情 的帮助，感谢陈炎冬、邰永鹏、刘静、王乃洲、吴维珍、银花、张永 新等同学对我学习和生活的帮助。 感谢我的父母和爷爷奶奶在我求学期间对我生活上和精神上的 大力支持! 感谢我的女友唐明瑶对我的关心和照顾! 感谢所有给予我关心和帮助的朋友们。 陈烨 二零零九年六月 第一章绪论 随着社会生活质量的不断提高以及交通运输业的不断发展，汽车的驾乘舒适性和安全 性成为当今汽车技术发展的一个重要方向，作为提高汽车操纵稳定性和主动安全性的四轮 转向技术( f o u r - w h e e ls t e e r i n g ，4 w s ) 在这种背景下应运而生。 1 1 四轮转向汽车的特点 目前，汽车按转向方式的不同可分为前轮转向( f r o n t w h e e ls t e e r i n g ，f w s ) 和四 轮转向两大类。传统的前轮转向汽车只有两个前轮转动，用以改变车辆的行驶方向，存在 低速时响应慢，转向不灵活，高速时方向稳定性差等不足。为了解决这些问题，人们想到 将后轮也设计为可以转动的车轮，参与到汽车转向的过程中去，于是四轮转向的概念被逐 渐提了出来【lj 。 如图1 1 所示，车辆低速行驶时，侧向加速度值较小，轮胎的侧偏角也较小，二轮转 向汽车的旋转中心差不多在前轮法线与后轴的延长线交点上，四轮转向汽车由于后轮逆向 转动，旋转中心比二轮转向汽车更靠近车身，获得了更小的转弯半径，提高了灵活性，并 且可看出四轮转向汽车的内轮差也大幅的减小了i 引。 2 w s4 w s 图1 1 低速时2 w s 与4 w s 的对比 如图1 2 所示，车辆高速行驶时，四轮转向汽车的后轮与前轮同相转动，使得车身方 向与车辆行进方向几乎一致，减少了质心侧偏角【3 】。此外，四轮转向车辆增大了转向半径， 从而减小了车辆所受的离心力，更大程度上减少了车辆发生侧翻的可能性。同时，后轮的 主动转向消除了转向输入与后轮侧向力之间的时间滞后，从而有效减少车辆到达稳态转向 所需的时间，大大地改善了汽车转向的瞬态响应。 行进 l 2 w s 方向 亨力可 方向 于向l 0b ，l ，厂 it 一1 轮辋中心刭一一f 图3 2 轮胎构造的模型化图3 3 轮胎变形的模型 当侧向力作用于轮胎接地面时，轮胎产生侧向变形。因为轮辋是刚体，不发生变形， 所以首先是轮胎胎面基底产生侧向弯曲变形。进而，附着于轮胎胎面基底的无数的胎面橡 胶在轮胎胎面基底和地面之间产生剪切变形，上述轮胎侧向变形的情形如图3 3 所示。其 中，将地面前后端的轮胎胎面基底的侧向变形视为相等，并取连结接地面前后端轮胎胎面 基底中心位置的直线为x 轴，接地面前端垂直于x 轴的方向为y 铀。因此，石轴平行于轮 胎的轮辋中心线或变形前的轮胎胎面基底中心线。这样，石表示沿x 轴方向轮胎接地面与 前端的距离，y 表示轮胎胎面基底偏离x 轴的侧向位移，y l 表示在o x ，l 范围内接地面 中心线偏离x 轴的侧向位移，是轮胎和地面间不产生侧向滑动的区域；妮表示在，l x ， 范围内接地面中心线偏离x 轴的侧向位移，是产生相对滑动的区域。，为接地面的长度，b 为接地面的宽度。 3 - 一5 为轮胎侧偏角( 在其余章节中表示汽车重心侧滑角) ，k 为= o 时的侧偏刚度， 为地面附着系数，e 为垂直载荷。 轮胎侧偏力r 、回正力矩m 可由下式得到： f1 。1 二l ：矽一二矽2 + l 33 6 从。3 。 2 7 。 1 8 旦：! 一三z + 上矽s 一上 3 m 7 时z l 6 j6 j1 8 j1 6 2 j 在实际的模拟和计算中，f i a l a 轮胎模型存在着模拟精度不高的情况，但作为轮胎模 型建立的一个理论根据，f i a l a 理论是建立其它轮胎模型的基础。 3 2 2 p a c e j k a 的“魔术公式轮胎模型【2 2 ，2 3 】 “魔术公式”是由荷兰d e l f t 工业大学h b p a c e j k a 教授提出，又称d e l f t 模型，用 三角函数的组合公式拟合试验轮胎数据，得出了一套形式相同可完整表达纵向力、横向力 及回正力矩的轮胎模型公式。 其广义力y ( 轮胎侧偏力f y 、纵向力f x 和回正力矩m ) 的一般表达式为： f=d s i n ( ca r c t a n ( b f a ) ) + 品 3 8 缈= ( 1 一e ) ( x + 甄) + ( e b ) a r c t a n ( b ( x + 瓯) ) 3 - - - 9 式中：x 为广义位移( 纵向滑移率或侧偏角) ，求轮胎纵向力时，x 表示纵向滑移率， 纵向滑移率为负值时表示处于制动状态；求侧偏力和回正力矩时，x 表示侧偏角。d 为峰 值因子，表示曲线的最大值。b 表示刚度因子。e 表示曲线最大值附近的形状。c 表示曲 线形状因子，即曲线代表的是横向力、纵向力还是回正力矩。s h 表示轮胎初始侧偏角的 水平方向漂移。s v 表示曲线轮胎初始侧偏角的垂直方向漂移。 式中形状因子c 与载荷无关，具体的取值由轮胎的自身特性以及所需求解广义力的 类型而定。其余参数与载荷有关，表达式为： d = o l 巧+ 0 2 t 3 一】0 e = 口6 霹+ a t e z + 口8 3 1 1 求轮胎侧偏力时，横向力零点处的刚度为： b c d = a 3s i n ( a 4a r c t a n ( a 5 f ：) ) 3 1 2 求纵向力和回正力矩时，横向力零点处的刚度为： b c d = ( 口3 巧+ 口4 t ) e 口5 c 3 1 3 刚度因子： b = b c d ( c 宰d ) 3 1 4 侧倾角y 仅与曲线零点的水平、垂直漂移和刚度因子有关，所以仅对这三个因子进 行修正，即： 咒= a 9 y + a l o 足+ a l l ； 3 1 5 s ，= ( a 1 2 + a 1 3 c ) 厂+ a 1 4 疋+ a 1 5 3 1 6 计算侧向力和回正力矩时，对刚度的修正用( 1 一q 。lyi ) ，计算回正力矩时，对e 修 正用( 1 一口l ，ly1 ) 。这样，用根据数据拟合的参数口( i - - l ，1 7 ) 就可以表达轮胎的主要 力分量。 1 9 h b p a e e j k a 的“魔术公式”模型有下述特点： 用一套公式可以表达出轮胎的力特型，统一性强，编程方便，需拟合参数较少，且 各个参数都有明确物理意义，容易确定其初值。 无论对横向力、纵向力还是白回正力矩，拟合精度都比较高。 该公式是非线性特殊函数，参数的拟合较困难，有的参数与垂直载荷的关系也是 非线性的，因此计算量较大。 c 值的变化对拟合的残差影响较大。 3 2 3 郭孔辉的轮胎稳态指数统一模型【2 4 1 1 9 8 4 年，我国一汽研究所的郭孔辉同志以f i a l a 的理论为基础通过试验建立了侧向力 和回正力矩的半经验“指数公式”轮胎模型，并于1 9 8 6 年根据新的实验数据进行了改进。 轮胎的稳态侧向力f ”纵向力f x 与回正力矩m 可以用以下形式表达： i f 一= i - e x p h w 一( 去+ 珊3 】 l 1 只= 段e f c i 矽 l 一 1 e = 以，力矽 lq = ( 皿。+ 包) e x p ( 一日一皿红) 一d e ib = e k 【m = e 皿一只b 其中：多l = k x s xk p x f z ) 妒y = ky s y 父py f ：、) 母= 毒手：+ 娥 s ，= v 。v ，= ( v x i 国尺1 ) l 缈r s y = v 叫v ，。 式中：v r = c o r l ，0 3 为轮胎转速，r 为轮胎的滚动半径，陬为纵向摩擦系数，为侧 向摩擦系数，酗为侧向刚度，k y 为侧偏刚度，v 珂为侧向滑移速度，e l 为转折系数，d x 为回正力臂，d y 为轮胎的横向偏距，d x 0 、d 。、d i 和d 2 为与垂直载荷有关的参数： d 丙= c i + c 2 f z + c 3 f ；d e = c 4 + c 5 f z + c 6 f ； d 1 = c 7e x p ( 一t c 8 ) d 2 = c 9e x p ( 一只c l o ) 郭孔辉稳态指数统一模型的特点为： 模型采用无量纲的表达式，其优点是由一次台架实验得到的无量纲关系可以应用 于各种不同的路面，当路面改变时，只要给出该路面的特性参数，代入无量纲表达式即可 得该路面下的轮胎特性； 无论是在纯工况下还是联合工况下，其表达式是统一的。 可表达各种载荷下特性。 保证了可用较少的模型参数实现全域表达精度。可将幂指数转换为标准的多项式 形式，拟合方便，计算量小。 能拟合原点刚度。 2 0 在以上介绍的三种轮胎模型中，“魔术公式”轮胎模型和“指数公式轮胎模型的表 达式比较简单，仿真精度较高，在工程中运用较广。在a d a m s 仿真软件中自带多种轮 胎模型，其中包括上文中的f i a l a 轮胎模型和p a c e j k a 轮胎模型，调用比较简单，参数修 改也很方便，本文中将主要采用p a c e j k a 轮胎模型来完成四轮转向车辆的仿真工作。 3 3 基于a d a m s 的四轮转向虚拟样机模型 3 3 1a d a m s c a r 的建模特点 a d a m s c a r 是a d a m s 中专业用于汽车建模和仿真的模块，具有建模精度高，仿真 方便等特点。该模块分为“s t a n d a r d ”( 标准模式) 和“t e m p l a t eb u i l d e r ( 模板模式) ，在汽 车建模仿真过程中分别发挥着不同的作用。 图3 4 整车模型的拓扑结构 通常，设计人员在a d a m s c a r 中采用自下而上的建模顺序来完成车辆仿真工作，如 图3 4 所示，首先，工作人员在“t e m p l a t eb u i l d e r i n t e r f a c e ( 模板界面) 下建立自己需要 的各子系统的模板，然后在“s t a n d a r di n t e r f a c e ”( 标准界面) 下通过定义角色完成模板到子 系统的转换，最后，将子系统和测试平台进行组装，建立装配体。此时，我们对装配体给 出不同的分析命令，就可以完成指定工况下的仿真分析任务了。 在a d a m s c a r 中存在四种数据文件类型，分别为属性文件，模板( t p l ) ，子系统( s u b ) ， 装配体( a s y ) 。 属性文件是基于a s c i i 码文件，模板中各个组件( 如弹簧，轴衬等) 的数据都存放 在此。它按照类型进行分组，分别存在在相应的数据库子目录中，该文件为纯文本格式， 用户可以进行修改，创建和保存。 模板模型是一种参数化了的模型，是专家级用户在模板模式中建立的，模板用来定义、 2 1 组成子系统，它定义了子系统的几何拓扑结构，主要角色( m a j o r r o l e ) ，默认参数，连接 关系等，在没转变成子系统前无法在标准界面中使用。模板设计参数有硬点( h a r d p o i n t ) 、 参数变量和属性文件，我们可以通过这些参数来对模板进行修改。 子系统是以模板为基础的，包括悬架、轮胎、车身、动力传动装置、转向机构等，只 能在标准界面中使用，我们可以通过对子系统中模板参数化的数据进行修改来得到我们所 需要子系统。子系统中包含有模型组件的描述信息，如设计数据，引用的属性文件，引用 的模板等。 装配体是将子系统装配起来形成的模型，加上测试平台便形成了一个可以用于 a d a m s s o l v e r 分析的系统，如悬架装配体和整车装配体。 3 3 2c o m m u n i c a t o r ( 信息交换器) a d a m s c a r 与a d a m s v i e w 的建模方式有本质的不同，比如建立一个汽车模型， 在v i e w 模块的界面下可以将整个汽车模型完整的建立起来，在c a r 模块中则需要将汽车 部件进行独立建模，如悬架模型，轮胎模型等，最后将这些子系统模型进行装配，形成一 个整车模型。在整车模型中这些独立的子系统能协同工作关键在于有信息交换器 f c o m m u n i c a t o o 传递信息。 一个装配体中子系统的信息传递是双向的，因此，a d a m s c a r 中信息交换器分有两 种类型： 输入信息交换器0 n p u tc o m m u n i c a t o r ) ：从其他子系统或测试平台获得信息。 输出信息交换器( o u t p u tc o m m u m c a t o r ) ：为其他子系统或测试平台提供信息。 在装配体仿真过程中，各子系统间交换的信息种类很多，具体如表3 一l 所示。信息 交换器在创建时可以是单独的也可以对称的，在这么多种类的信息交换器中，实体类型( 矩 阵，微分方程，驱动，参变量，求解器变量以及曲线) 一般不会对称出现，因此，在创建 此类信息交换器时默认为单独的。 表3 1 信息交换器传递信息的种类 信息种类传递的信息内容 a r r a y a d a m s s o l v e r 矩阵名称 d i f f e r e n t i a l e q u a t i o n微分方程名称 m o t i o n驱动名称 p a r a m e t e rv a r i a b l e参变量名称 s p l i n e 曲线名称 s o l v e rv a r i a b l ea d a m s s o l v e r 变量名称，与a d a m s v i e w 中变量不同 m o u n t部件名称，用于装配时子系统间的部件连接 标记点的位置和部件信息，如果结构体系( c o n s t r u c t i o n m a r k e rf l a m e ) 是对称出现的，模板会为每个结构体系生成一个 输入信息交换器 j o i n t 接头名称 j o i n t 。f o r - m o t i o n 接头名称 b u s h i n g 衬套名称 硬点或者结构体系的位置，如果硬点是对称出现的，模板 l o c a t i o n 会生成两个输入信息交换器，每个硬点对应一个 p a r t 部件名称 o r i e n t a t i o n 结构体系方向c o n s t r u c t i o nf r a m e r e a lp a r a m e t e r 实数型参变量 i n t e g e rp a r a m e t e r 整数型参变量 在创建信息交换器时，都会出现次要角色( m i n o rr o l e ) 的选项，这个选项决定了信息 交换器的位置，a d a m s c a r 提供了5 种默认的次要角色： 1 ) f r o n t ( 前) 2 ) r e a r ( 后) 3 ) t r a i l e r ( 拖车) 4 ) i n h e r i t ( 继承) 5 ) a n y ( 任何) 次要角色的设定主要是考虑到有些子系统可以重复应用，如悬架子系统可以同时出现 在前悬架和后悬架的位置上，选定了次要角色就可以确定该信息交换器是和哪个悬架传递 信息，f r o n t 表示只可以和前子系统传递信息，r e a r 表示只可以和后子系统传递信息， t r a i l e r 用于出现拖车的情况，i n h e r i t 表示根据模板转换子系统时的设定而定，a n y 表示可 以与前和后同时传递信息。 信息交换器通过名称、种类以及次要角色来决定是否传递信息，此外，一个输入信息 交换器只能连接一个输出信息交换器，但一个输出信息交换器可以和多个输入信息交换器 相连，这样可以避免信息传递的混乱。假如输出信息交换器或者输入信息交换器没有匹配 的对象，仿真时不会出现错误，软件默认为该信息交换器无效。我们可以使用测试器( t e s t c o m m u n i c a t o r s ) 来检测信息交换器是否连接成功，保证仿真的精确性。 3 3 3 控制工具箱( c o n t r o l st o o l k i t ) 在四轮转向的仿真分析中，后轮的转向控制有两种方法实现，一是采用a d a m s 与 m a t l a b 的联合仿真完成后轮的控制，二是利用a d a m s 自带的控制工具箱来完成后轮 的控制，本文采用第二种方法来完成任务。 图3 5 为控制工具箱操作界面，a d a m s 中控制信号的传递不同与s i m u l i n k 的框图模 式，而是采用信号名称来确定连接的对象，护表示创建输入信号，首先要给输入信号一 个名称，再给输入信号赋值，可以是一个函数，也可以是测量值或者其它变量。其它图标 分别表示求和、增益、积分、低通滤波、超前滞后器、传递函数、二阶滤波、p i d 控制、 开关。这些工具可以让复杂控制方法出现在a d a m s 的仿真中。在使用这些工具对输入 2 3 变量进行处理时，首先要取个名称，然后再选择输入信号的名称，这可以是刚开始创建的 输入信号，也可以是输入信号处理的结果，通过这些工具的共同作用，最终将产生满足控 制要求的变量，此时可以使用点( 表示输出) 创建输出结果。 团匝墨墨墨墨e 譬罄! 到 剧型到到到剑 到到型纠 n 一厅焉石一 l t “e m i 到型上 ! 一j 一! 生_ j 堕 3 5 控制_ i = 具箱界面 在本文中将方向盘转角的测量值和横摆角速度的测量值作为输入信号，按照控制算 法在控审4 工具箱中对信号进行处理，最后得出满足控制要求的输出结果，将此输出结果用 f 后轮的驱动中，实现后轮在a d a m s 中按要求进行转向。 334 各子系统的建模 3 34 1 悬架 汽车悬架是保证乘坐舒适性的重要部件，也是或车身1 j 车轮之间作连接的传力机构， 是汽车中重要的部件。悬架可分为独立悬架和非独立悬架两大类。非独立悬架两侧车轮安 装于一根整体式车桥上，车桥通过悬挂与车架相连，具有结构简单、成本低、强度高、保 养容易、行车中前轮定位变化小的优点，但由于其舒适性及操纵稳定性都较差，在现代轿 车中基本上已不再使用，大多用在货车和大客车上。独立悬架的每个车轮单独通过一套悬 挂安装于车身或者车桥j 二，这种悬挂两边车轮受冲击时互不影响，而且由于非悬挂质量较 轻：缓冲与减震能力很强乘坐舒适。这种悬架的构造较复杂，承载力小，而且还会使驱 动桥、转向系变得复杂。但为，提高乘坐舒适性并且在高速行驶时提高汽车的行驶稳定 性，现代轿车前后悬架大都采用了独立悬架。 汽车悬架包括弹性元件，减振器和传力装置等三部分，这三部分分别起缓冲，减振和 力的传递作用。弹性元件多指螺旋弹簧，它只承受垂直载荷缓和及抑制不平路面对车体 的冲击。减振器指液力减振器或压缩空气减振器，作用是加速衰减车身的振动它是悬架 机构中最精密和复杂的机械构件。传力鼗置是指车架的上下摆臂等叉形刚架、转向节等元 件，用来传递纵向力例向力及力矩并保证车轮相对于车架( 或车身1 有确定的相对运动 规律。 目前使用较多的独立悬架有以下三种形式：职横臂式麦弗逊式斜角! 单臂式。 j 辱： 文中，前后悬架均采用双横臂式独立悬架。 图3 6 为前悬架模型，悬架左右对称，包括减振器，弹簧，上下控制臂，转向横拉杆， 立柱等部件。主轴通过转动副与立柱连接，上下控制臂通过球形副与立柱连接，上下控制 臂通过转动副与车身连接，减振器通过球形副和万向节分别与车身和下控制臂连接，转向 横拉杆通过球形副和万向节分别与立柱和转向齿条连接。单侧前悬架有两个自由度，分别 为轮胎受冲击时立柱的上下方向移动和转向时立柱的转动。 廛 图；。 3 6 前世架 图3 7 为后悬架模型，与前悬架相比，后悬架多了驱动轴和副车架两个部件。驱动轴 两端分别通过恒速副与主轴和发动机连接，下控制臂通过转动副与副车架连接。单侧后悬 架也为两个自由度。 曹 3 7 后悬粜 3 34 2 转向系 转向器的结构形式有搬多中其中齿轮齿条式转向器是目前应用最为广泛的。它的基 本结构是一对相互啮台的小齿轮和齿条，转向轴带动小齿轮旋转时齿条便做直线运动， 将其j 转向横拉杆相连，就可实现转向轮转向了。它的优点是剧性大，结构简单，成本低 廉，转向灵敏，体积小不过也有打手和摆振等不足。 术文中乜4 建的转向器模型为齿轮齿条式的，为了使车辆后轮能够转向，将原有的转向 器) j l l 以改动涿_ j j 了连接后怂架转向横拉杆的撕轮幽条。再在齿轮齿条问加上与前轮转角 相关的驱动，实现后轮的转向挖制。如图38 所示， - i _ _ _ _ _ * 3 8 转向系 转向系中，转向轴与方向盘通过转动副连接，前后齿条室( r a c kh o u s m g ) 与车身固 结，转向轴通过转动副与齿条室连接，齿轮通过转动副与齿条室连接，齿条和齿条室通过 平移副连接，耦合副将黹轮与齿条审的转动副和甲移副进行耦台，将转动量转变为移动景。 链个转动系仅一个门由度为转旧盘的转动。 3 343 轮胎及路面 轮胎和路面是影响车辆操作稳定性的重要因索。冈此，在车辆动力学仿真中轮胎模型 和路l 自】模型的选择是饭灭键的一步；轮胎和路面2 叫的接触力祁力矩士噩由轮胎的特性， 路面条件，轮胎相对于路面的运动状况决定。 a d a m s 中自带有多种轮胎模型，每种轮胎模型都有自己适_ i j 的场合，其中，基于魔 术公式的轮胎模型仿真鞘发较高，很适丁| 车辆操作稳定性研究使埘，木史将调用a d a m s 中p a c o k a 8 9 轮胎模型，其属性文件如下： $ 一一一一一一m d ih e a d e r i m d ii i e a d e r l f i l et y p e = f i r f i l ev e r s i o n = 20 f i l ef o r m a t = a s c i i ( c o m m e n t s ) c o m m e n t _ s t r i n g j t i r e x x x x x x 。p r e s s u r e - x x x x x x + 。t e s td a t e x ) ( ) x t e s tt i r e $ 一一- o l q l i s i u n i t s i l e n g t h = m m f o r c e = n e w t o a n g l e = r a d i a n s m a s s = k g t n 伍= s c c $ 一一一一m o d e l m o d e l 】 ! u s em o d e 1234 s m o o t h i n g xx c o m b i n e dxx p r o p e r _ t yf i l ef o r m a t = p a c 8 9 u s em o d e= 4 0 m e s i d e= l e f t $ 一一d i m e n s i o n d i m e n s i o n 】 u n l o a d e dr a d i u s= 3 2 6 0 w l d t h= 2 4 5 0 a s p e c tr a t i o= 0 3 5 $ 一一 p a ra m 匣t e r l v e r t i c a ls t i f f n e ss= 3lo 0 v e i u i c a ld a m p g= 3 1 l a t e r a ls t i f f n e s s= 19 0 0 r o l l i n gr e s i s t a n c e= 0 0 一p a ra t e r $ f o ran o n - l i n e a rt i r ev e r t i c a ls t i f f n e s s ( o p t i o n a l ) $ m a x i m u mo f10 0p o i n t s d e f l e c t i o n _ l o a d _ c u r v e 】 p e nf z ) o0 o 12 1 2 0 24 2 8 0 36 4 8 0 51 1 0 0 0 1 02 3 0 0 0 2 0 5 0 0 0 0 3 08 1 0 0 0 l a t e r a l _ c o e f f i c i e n t s 】 a 0 = 1 6 5 0 0 0 l o a dc u r v e l a t e r a lc o e f f i c i e n t s a l = 3 4 0 a 2 = 1 2 5 0 o o a 3 = 3 0 3 6 0 0 a 4 = 1 2 8 0 a 5 = 0 0 0 5 0 1 a 6 = 0 0 2 1 0 3 a 7 = 0 7 7 3 9 4 a 8 = 0 0 0 2 2 8 9 0 a 9 = 0 0 1 3 4 4 2 a 1 0 = 0 0 0 3 7 0 9 a 1 1 = 1 9 1 6 5 6 a 1 2 = 1 2 1 3 5 6 a 1 3 = 6 2 6 2 0 6 $ 【l o n g i t u d i n a l _ c o e f f i c i e n t s 】 b 0 = 2 3 7 2 7 2 b l = 9 4 6 0 0 0 b 2 = 1 4 9 0 o o b 3 = 1 3 0 0 0 0 b 4 = 2 7 6 0 0 0 b 5 = 0 0 8 8 6 0 b 6 = 0 0 0 4 0 2 b 7 = 一0 0 6 1 5 0 b 8 = 1 2 0 0 0 0 b 9 = 0 0 2 9 9 0 b 1 0 = 0 1 7 6 0 0 $ a l i g n i n q c o e f f i c i e n t s 】 c 0 = 2 3 4 0 0 0 c l = 1 4 9 5 0 c 2 = 6 4 1 6 6 5 4 c 3 = 3 5 7 4 0 3 e 4 = 0 0 8 7 7 3 7 c 5 = 0 0 9 8 4 l o e 6 = 0 0 0 2 7 6 9 9 e 7 = 0 0 0 0 n 5 1 c 8 = 0 1 0 0 0 e 9 = 1 3 3 3 2 9 - - - - - - - - - l o n g i t u d i n a l - - - - - - - - a l i g n i n g c 1 0 = 0 0 2 5 5 0 1 c 1 1 = 0 0 2 3 5 7 c 1 2 = 0 0 3 0 2 7 c 1 3 = 0 0 6 4 7 c 1 4 = 0 0 2 1 1 3 2 9 c 1 5 = 0 8 9 4 6 9 e 1 6 = 0 0 9 9 4 4 3 c 1 7 = 3 3 3 6 9 4 1 我们可以通过修改上面的参数来实现轮胎属性变化。 地面谱的编制要满足轮胎的要求：第一，地面谱的位置要处于轮胎的下方；第二，地 面谱向上的方向要指向轮胎所处的一侧；第三，地面谱的大小要根据仿真的需要确定。本 文采用水平地面模型。地面的属性如下： m 口) ih e a d e r l f i l et y p e = r d f l f i l ev e r s i o n = 5 0 0 f i l ef o r m a t=。a s c i i f c o m m e n t s ) c o m m e n t _ s t r i n g f i a t2 dc o n t a c tr o a df o rt e s t i n gp u r p o s e s $ 【u n i t s 】 l e n g t h f o r c e a n g l e m a s s t i m 匣 $ 一 m o d e l 】 匝t h o d f u n c t i o nn a m e r o a dt y p e $ 一 【g 心h i c s 】 l e n g t h w i d t h = m n l - = n e w t o n = r a d i a n s = k g = s e e = 2 d = a r c 9 0 1 = f l a t m d ih e a d e r u n i t s m o d e l 一一g ra p h i c s = 1 6 0 0 0 0 0 = 8 0 0 0 0 0 n u ml e n g t hg r i d s= 1 6 n u mw i d t hg r i d s= 8 2 9 l e n g t hs h i f t 21 0 0 0 00 w i d t h s h i f t 2 0 0 $ 一一一一一一一一- - - p a r a m e t e r s 【p a r a m e t e r s 】 m u=10 3 344 车身与发动机 车身模型和投动机模型对车辆的操纵稳定性影响可咀忽略不计，但在建模时要注意与 其他子系统的正确连接由于发动机质量较大，对整车的质心位置影响较大，在定位车辆 质心位置时应考虑这一因素。 3 345 整车模型 将以上各子系统进行装配便得到如图3 9 所示的整车模型( 为了看见底盘的结构，车 身已作半透明处理) 。此时，我们可以采用a d a m s c a r 自带的仿真菜单完成仿真工作。 3 9 整车模型 3 4 本章小结 本章建立了二自由度四轮转向车辆模型，为下文四轮转向控制方法的设计作了准备。 介绍了几种经煦的轮胎模型，分析了轮胎建模的方法及数学公式的含义。 对汽车专用模块a d a m s c a r 的建模特点，各个子系统间信息传递的方法，以及 a d a m s 中添加控制的方法作了介绍，给出了整车各个系统的详细建模过程，建立了四轮 转向整车动力学模型。 第四章二自由度四轮转向控制方法的研究 4 1 分数阶微积分的介绍 分数微积分是一个已经具有3 0 0 多年历史的数学概念，它的创始可追溯到普通微积分 建立之时，l e i b n i z 曾研究过分数导数，后来l e u l e r ，p s l a p l a c e ，j f o u r l e r ，n h a b e l ， j l i o u v i l l e ，b r i e m a n n ，g n m d a l d l e t n i k o v ( g l ) ，c a p u t o 等许多著名的数学家都研究过 分数微积分