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电控四轮转向技术实车应用研究

作　者: 胡家奇
导　师: 杨志刚
学　校: 重庆交通大学
专　业: 车辆工程
关键词: 四轮转向独立后轮转向 MATLAB/SIMULINK ARM7/LPC2148 uC/OS-II RS584
分类号: U463.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

四轮转向（简称4WS）技术就是在汽车转向过程中引入一定的后轮转角来增强汽车在高速行驶时的安全性和操纵稳定性并且改善低速行驶时汽车的机动灵活性。通过对国内外四轮转向控制策略、控制方法和发展现状进行研究分析，整体式后轮转向机构不能同时满足汽车高速和低速转向时四个车轮的旋转中心交于一点，这不仅加剧了轮胎的磨损，更使高速转向的稳定性变差。因此考虑两后轮独立转向的四轮转向汽车，提出了与之对应后轮独立转向机构的设计方案。对试验车后悬架进行了改造使其能够转向，完成零件的加工并对关键零件进行了有限元分析。根据四轮转向汽车控制的需要开发了以ARM7系列的LPC2148为核的控制系统电路板，完成原理图、PCB板的相关设计以及电路板的焊接工作和硬件调试。建立了四轮转向汽车的三自由度动力学模型和后轮转向系统的运动学模型，分别对四轮转向系统模型高速行驶的状况和后轮转向系统模型的控制进行了Matlab/Simulink仿真。对模糊选择的多模式控制方法进行了研究，找出指定车速和前轮转角情况下对应的最佳后轮转角以及后轮转向控制系统的最佳PID值，以此为理论依据进行了控制方案的程序设计。程序移植了uC/OS-II实时操作系统，并对系统进行了任务划分和设计，详细介绍了任务间的调度以及各任务的优先级和执行周期，给出了程序的流程图和相关的程序设计。重点介绍了传感器信号采集任务、电机控制任务和SD卡存储任务的执行算法。对电机控制任务做了详细介绍，并重点说明了控制器与电机驱动器之间的RS485通信，对工作流程以及通信协议进行了介绍。对模块的程序进行了调试并做了相关的实验。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-8
第一章绪论  8-12
  1.1 前言  8
  1.2 国外研究现状  8-10
  1.3 国内研究现状  10-11
  1.4 研究目的及意义  11
  1.5 本文研究的主要内容  11-12
第二章电控电动四轮转向系统总体方案  12-16
  2.1 实验车型选择及转向系统的组成  12-13
  2.2 系统结构和工作原理  13-14
  2.3 后轮独立转向  14-15
  2.4 本章小结  15-16
第三章电控电动四轮转向机构设计  16-27
  3.1 机械系统总体设计  16-17
  3.2 转向部分的设计  17-20
    3.2.1 转向节和拳形件的设计与加工  17-18
    3.2.2 其他零件的选用与设计  18-20
  3.3 驱动部分的设计  20-22
    3.3.1 电机及减速器和驱动器的选择  20
    3.3.2 滚珠丝杠选择及支撑方式  20-21
    3.3.3 丝杠支架的设计  21-22
  3.4 关键零件的有限元分析  22-26
    3.4.1 转向节的有限元分析  22-24
    3.4.2 拳形件有限元分析  24-25
    3.4.3 丝杠架有限元分析  25-26
  3.5 本章小结  26-27
第四章电控系统的硬件电路设计  27-36
  4.1 硬件电路的组成  27-28
  4.2 最小系统的介绍  28
  4.3 扩展板的设计  28-33
    4.3.1 电源和复位电路模块  28-30
    4.3.2 驱动器接口电路  30
    4.3.3 RS232 和 RS485 串行接口  30-31
    4.3.4 SD 卡存储模块  31-32
    4.3.5 CAN 总线模块  32-33
  4.4 PCB 板的设计和制作  33-35
  4.5 本章小结  35-36
第五章四轮转向系统的建模及仿真  36-54
  5.1 系统模型考虑的因素  36
  5.2 转向系统的建模  36-43
    5.2.1 无刷直流电机建模  37-38
    5.2.2 机械传动部分的建模  38-39
    5.2.3 转向部分的建模  39-40
    5.2.4 后轮转向系统控制及仿真分析  40-43
  5.3 三自由度四轮转向汽车动力学模型  43-48
    5.3.1 坐标系的建立  44
    5.3.2 运动学微分方程的建立  44-48
  5.4 控制方法的研究及模型仿真  48-53
    5.4.1 低速转向控制方案  49-50
    5.4.2 高速转向自适应控制  50-51
    5.4.3 系统仿真  51-53
  5.5 本章小结  53-54
第六章控制系统软件设计  54-66
  6.1 系统程序概述  54-55
  6.2 uC/OS-II 操作系统的移植  55-57
    6.2.1 开发环境  55
    6.2.2 uC/OS-II 操作系统简介  55-56
    6.2.3 uC/OS-II 的移植  56-57
  6.3 操作系统中任务的设计  57-59
    6.3.1 任务的划分原则  57
    6.3.2 任务的划分  57-59
  6.4 任务模块流程图和程序  59-65
    6.4.1 转角传感器信号采集任务  59-60
    6.4.2 速度传感器和陀螺仪信号采集任务  60-61
    6.4.3 电机控制任务  61-64
    6.4.4 SD 卡存储任务  64-65
  6.5 本章小结  65-66
第七章实验  66-72
  7.1 实验设备  66-67
  7.2 实验数据  67-70
  7.3 实验结果分析  70-72
第八章总结  72-74
  8.1 论文总结  72
  8.2 本文不足与后续工作  72-74
致谢  74-75
参考文献  75-77
附录  77-84
  I 硬件电路原理图  77-78
  II UART 通信程序  78-80
  III CRC 校验程序  80-81
  IV RS485 电机控制程序  81-84
在校期间发表的论文及研究成果  84

电控四轮转向技术实车应用研究

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