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运动型多功能汽车侧翻稳定性及防侧翻控制

作　者: 金智林
导　师: 胡海岩
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 车辆工程
关键词: 运动型多功能汽车侧翻稳定性动态稳定因子驾驶员侧翻反应模型动态侧翻指标侧翻预警模糊差动制动鲁棒性硬件在环仿真
分类号: U461
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
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引　用: 5次
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内容摘要

近年来,汽车侧翻事故作为重要的安全问题,受到越来越多的关注。美国高速公路交通安全管理局统计数据表明,在汽车事故中,侧翻的危害程度仅次于碰撞事故居第二位。然而,目前针对高速急转弯时汽车侧翻动态稳定性及预警方面的研究还很少。因此,本文以运动型多功能汽车为对象,研究了高速急转弯工况下汽车侧翻动态稳定性及基于预警的防侧翻控制策略。本文的学术贡献如下:(1)以运动型多功能汽车为研究对象,在车辆坐标系下建立了其线性三自由度侧翻模型。该模型包括横向、横摆以及侧倾方向的响应及其耦合影响,能反映影响运动型多功能汽车高速急转弯时侧翻的主要因素。此外,考虑汽车侧翻过程中引起的轮胎及悬架变形因素对车轮侧偏角的影响,建立了线性的轮胎动力学模型。根据上述汽车侧翻系统动力学模型并应用稳定性理论分析了前轮转角阶跃输入下等速圆周运动的稳态响应,侧翻平衡稳定性条件以及侧翻系统稳定性条件,并提出了汽车侧翻动态稳定因子来衡量汽车侧翻动态稳定性能。与传统静态稳定因子比较,汽车侧翻动态稳定因子不仅包含了重心高度,轮距宽度的影响,还包含了簧载质量、重心纵向位置、悬架侧倾刚度和阻尼、侧倾臂长、轮胎侧偏刚度、轮胎及悬架变形等结构参数,以及车速、前轮转角等操纵参数对汽车侧翻动态稳定性能的影响。选择四种典型工况下进行汽车侧翻动态稳定性能计算,结果表明根据动态稳定因子得到侧翻响应比静态侧翻响应更接近实际。(2)提出了驾驶员侧翻反应模型,并建立了汽车—驾驶员闭环侧翻系统模型,分析了闭环系统的稳定性。先在零时滞条件下对汽车—驾驶员闭环侧翻系统的稳定性进行分析,采用频域内数值计算得到了驾驶员模型参数对汽车操纵稳定性指标的影响。再考虑驾驶员时滞因素,运用广义Sturm判别法序列理论研究了汽车—驾驶员闭环侧翻系统全时滞稳定条件,不满足全时滞稳定条件时驾驶员模型参数对系统临界时滞的影响。然后,根据实际情况中驾驶员模型参数和车速的取值范围,以运动型多功能汽车为对象进行数值计算。结果表明,经验丰富操纵熟练驾驶员拥有适中的闭环增益及小的侧翻反应时间值或减小驾驶员及执行机构执行动作的滞后时间,可以提高时滞汽车—驾驶员闭环侧翻系统的稳定性。(3)根据汽车侧翻模型提出了一种基于动态稳定因子的汽车侧翻预警算法,并通过实例分析了预警算法的实时性和精确性,得到了最大预警时间值随汽车结构参数及操纵参数的变化关系。先根据侧翻动态稳定因子提出了动态侧翻指标及侧翻临界条件,通过侧翻模型计算将来一段时间内汽车动态侧翻指标的值,当汽车动态侧翻指标绝对值计算结果大于1时,停止计算得到汽车侧翻预警时间值。然后研究了汽车侧翻预警算法实时性及精确性,分析了不同处理器、采样步长、汽车侧翻预警时间极限值等因素对预警算法实时性的影响,通过分析最大汽车侧翻预警时间值随汽车结构参数和操纵参数的变化关系,得到了改善预警算法对汽车侧翻危险状况判别能力的理论设计依据。以运动型多功能汽车为研究对象应用预警算法进行了实例计算,结果表明基于动态稳定因子的汽车侧翻预警算法能够及时精确地计算出汽车侧翻时间值,并判别汽车侧翻的危险状况。(4)提出了基于汽车侧翻预警的模糊差动制动防侧翻控制算法,分析了控制算法的有效性和鲁棒性。先以汽车动态侧翻指标为反馈,设计了三自由度线性模型中基于预警的防侧翻控制算法,并分析了控制算法性能。再根据差动制动防侧翻控制的原理,计入汽车纵向运动、纵向与横向及横摆运动的非线性耦合影响后,建立了四自由度汽车侧翻模型。应用Matlab/Simulink软件仿真了模糊自适应整定PD控制算法和基于侧翻预警的差动制动防侧翻控制效果。典型工况下计算结果表明,基于侧翻预警的模糊差动制动控制既能防止汽车侧翻,提高汽车抗侧翻能力,又能减少作动器与执行机构的动作频率,节约能源,提高作动器与执行机构的使用寿命。且当汽车结构参数、操纵参数以及轮胎压力等不确定因素变化时,基于汽车侧翻预警的模糊差动制动防侧翻控制算法具有强鲁棒性。(5)研究了汽车防侧翻控制的硬件在环仿真技术,设计并研制了汽车防侧翻控制系统硬件在环实验平台。该实验平台由计算机、PCI-6024E多功能数据采集卡、SC-2075端子板、侧翻预警器、控制器、电子机械制动系统部分硬件及传感器组成。硬件在环实验系统以软件方式模拟汽车行驶环境,并计算控制输入下汽车侧倾状态;以硬件方式实现汽车侧翻预警、控制及驱动电子机械制动系统产生防侧翻力矩。研究中采用VC++与MATLAB混合编程的方法进行软件设计,平台具有友好的人机交互界面;以ARM7.0微处理器为核心进行预警器和控制器设计,实现了预警算法和控制算法;通过选购、设计及加工组建了电子机械制动系统的主要部分,包括力矩电机、减速器、滚珠丝杆及液压缸组件;运用软件编程通过采集卡、端子板及传感器实现硬件在环实验平台界面与实物之间的连接。对整个汽车防侧翻控制系统硬件在环实验平台调试后的实验结果表明,预警/控制器能实时地判别汽车侧翻危险状况并输出控制电压;电子机械制动系统能准确快速地输出制动力,形成抗侧翻力矩;基于预警的防侧翻控制方法能快速将汽车动态侧翻指标稳定在安全范围内;控制算法对汽车结构参数和操纵参数变化具有良好的鲁棒性。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-19
第一章绪论  19-35
  1.1 引言  19-20
  1.2 运动型多功能汽车的侧翻安全性  20-23
  1.3 汽车侧翻研究现状  23-34
    1.3.1 汽车侧翻动力学模型  23-25
    1.3.2 汽车侧翻稳定性研究方法  25-29
    1.3.3 汽车侧翻指标  29-31
    1.3.4 汽车侧翻预警研究  31
    1.3.5 汽车防侧翻控制研究  31-33
    1.3.6 汽车侧翻实验研究  33-34
  1.4 本文关注的问题及论文的结构安排  34-35
第二章运动型多功能汽车侧翻模型及动态稳定性分析  35-57
  2.1 汽车侧翻系统数学模型  35-42
    2.1.1 三自由度侧翻模型  35-38
    2.1.2 轮胎动力学模型  38-41
    2.1.3 汽车侧翻系统微分方程  41-42
    2.1.4 汽车侧翻系统状态方程  42
  2.2 汽车侧翻动态稳定性分析  42-48
    2.2.1 汽车侧翻稳态响应  43-44
    2.2.2 汽车侧翻平衡稳定性  44-45
    2.2.3 平衡点的汽车侧翻系统稳定性  45-46
    2.2.4 汽车侧翻动态稳定性及动态稳定因子  46-48
  2.3 运动型多功能汽车侧翻动态稳定性实例仿真  48-54
  2.4 典型工况下汽车侧翻稳定性分析  54-56
    2.4.1 汽车侧翻典型工况  54-55
    2.4.2 典型工况下稳定性分析  55-56
  2.5 本章小结  56-57
第三章汽车—驾驶员闭环侧翻系统稳定性分析  57-72
  3.1 汽车—驾驶员闭环侧翻系统模型  58-59
    3.1.1 驾驶员侧翻反应模型  58-59
    3.1.2 汽车—驾驶员闭环侧翻系统状态方程  59
  3.2 零时滞汽车—驾驶员闭环侧翻系统稳定性  59-64
    3.2.1 汽车—驾驶员闭环侧翻系统的Hurwitz 稳定性分析  59-61
    3.2.2 汽车—驾驶员闭环侧翻系统频域响应  61-64
  3.3 时滞汽车—驾驶员闭环侧翻系统稳定性  64-70
    3.3.1 汽车—驾驶员闭环侧翻系统全时滞稳定性  64-68
    3.3.2 汽车—驾驶员闭环侧翻系统临界时滞  68-70
  3.4 本章小结  70-72
第四章基于动态稳定因子的汽车侧翻预警  72-85
  4.1 汽车侧翻预警  73-77
    4.1.1 侧翻预警的度量指标  73-74
    4.1.2 汽车侧翻预警算法  74-75
    4.1.3 动态侧翻指标与侧翻条件  75-77
  4.2 汽车侧翻预警算法的性能  77-83
    4.2.1 预警算法的正确性  77-78
    4.2.2 预警算法的实时性  78-79
    4.2.3 最大侧翻预警时间  79-83
  4.3 本章小结  83-85
第五章汽车防侧翻主动控制及鲁棒性  85-100
  5.1 基于预警的防侧翻控制算法  86-90
    5.1.1 基于预警的比例-微分控制  86-88
    5.1.2 MATLAB 仿真及结果分析  88-90
  5.2 基于预警的模糊差动制动防侧翻控制  90-96
    5.2.1 差动制动防侧翻控制系统  90-92
    5.2.2 基于预警的模糊比例-微分控制算法  92-94
    5.2.3 典型工况控制效果对比  94-96
  5.3 基于预警的防侧翻控制鲁棒性  96-98
    5.3.1 轮胎压力变化不确定性  97
    5.3.2 汽车操纵参数不确定性  97-98
    5.3.3 汽车结构参数不确定性  98
  5.4 本章小结  98-100
第六章汽车防侧翻控制硬件在环实验与分析  100-122
  6.1 汽车防侧翻控制系统硬件在环实验平台  101-106
    6.1.1 人机交互界面设计  101-103
    6.1.2 通讯接口设计  103-105
    6.1.3 硬件在环实验平台软件设计  105-106
  6.2 汽车侧翻预警器及控制器的软/硬件设计与性能分析  106-110
    6.2.1 汽车侧翻预警/控制器硬件设计  106-109
    6.2.2 汽车侧翻预警/控制器软件设计  109-110
    6.2.3 汽车侧翻预警/控制器的性能  110
  6.3 电子机械制动系统设计及性能分析  110-115
    6.3.1 电子机械制动系统执行机构设计  111-112
    6.3.2 传感器选择及驱动电路设计  112-113
    6.3.3 电子机械制动系统数学模型及性能分析  113-115
  6.4 汽车防侧翻控制系统硬件在环实验  115-121
    6.4.1 汽车防侧翻控制系统硬件在环实验台  115-116
    6.4.2 汽车防侧翻控制系统硬件在环实验结果分析  116-118
    6.4.3 汽车防侧翻控制鲁棒性实验  118-121
  6.5 本章小结  121-122
第七章总结与展望  122-124
  7.1 本文的主要工作与创新  122-123
  7.2 未来研究工作展望  123-124
参考文献  124-135
致谢  135-136
在学期间的研究成果及发表的学术论文  136

运动型多功能汽车侧翻稳定性及防侧翻控制

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