汽车操纵动力学建模与仿真开题报告.docx
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汽车操纵动力学建模与仿真开题报告
毕业设计开题报告(理工类)
设计题目
汽车操纵动力学建模与仿真
学生姓名
学号
专业
车辆工程
一、课题的目的意义:
汽车操纵动力学描述的是转向盘输入-车轮载荷-车身运动之间的关系,它表征着汽车的可操控性和抵抗外界干扰的能力,被称为“高速车辆的生命线”。
研究汽车操纵动力学对于汽车的操纵稳定性分析与性能设计具有重要的意义。
随着我国汽车工业的发展,高速公路、高等级公路的不断建设,汽车正逐渐进入家庭,成为人们日常生活中不可缺少的一部分。
但是驾驶员非职业化、车流密集化和车辆高速化,交通安全问题已成为世界性的社会问题,并引起了各国的高度重视。
市场竞争的日趋激烈,各个厂家在引进国外产品和技术的同时越来越重视自主开发和技术能力的形成。
对汽车操控稳定性进行全面的理论和试验研究,提高汽车的行驶安全性,具有积极的社会效益和明显的经济效益。
二、近年来国内外研究现状:
世界各国科学家及工程技术人员对汽车操纵稳定性进行了深入广泛的研究,其研究成果主要体现在如下方面:
1.汽车操纵动力学的发展
汽车操纵动力学的研究已经有70多年的历史。
首先要研究的问题是具有怎样运动规律和行驶性能的汽车容易为不同的人所驾驶,其次要研究优化设计方法来提高汽车的操纵动力学特性。
几十年来,国内外对汽车操纵动力学做了大量研究。
国内主要集中在长春汽车研究所、清华大学、吉林大学等单位。
国外主要集中在美国、日本和欧洲等汽车工业发达的国家和地区。
现有的研究方法可以归结为开环方法和闭环方法。
开环方法仅以汽车为研究对象,不允许驾驶员对汽车运动做出任何操纵修正动作,是汽车的固有特性。
闭环方法将驾驶员与汽车作为统一的整体,即人-汽车系统,而不能忽略驾驶员的分析、判断和修正等操纵的反馈作用。
一般认为,1956年10月9日在英国伦敦机械工程师学会上所发表的5篇论文是公认的汽车操纵动力学领域的经典著作。
其中的主要贡献是,把航空工业的“系统工程法”作为技术转移用于汽车操纵动力学。
从1956年以后到1969年的10余年间,尽管有关的基本理论有很大的发展,但基本特性并没有改变。
20世纪60年代以前,基本上都是开环方法,所应用的基础是经典控制理论。
20世纪70年代初,试验安全车(ESV)研究计划的实施,促使人们去研究实用的操纵动力学设计方法。
各国研究人员依据大量试验与理论分析,首先提出了稳态响应特性、瞬态响应特性、操纵回正特性和侧向滑移特性的安全容许极限,对操纵动力学特性进行客观评价。
70年代中期以后,开始利用驾驶员对汽车直线行驶性能、转弯行驶性能和转向轻便性等特性的感觉,进行主观评价。
然而,人们发现:
对汽车的瞬态响应等特性,客观评价与主观评价甚至不一致,难以有效设计汽车的操纵动力学特性。
原因是客观评价方法仍按照一般控制系统的要求提出,为开环方法。
而主观评价却是驾驶人员按照一定的跟踪要求操纵汽车时对操纵动作难易程度的感觉,这种感觉不完全取决于汽车本身的特性,还取决于人的行为特性,取决于道路跟踪的要求。
20世纪80年代初,人们逐渐认识到在应用汽车模型中有一个基本的障碍,那就是对驾驶员的特性缺乏基本的认识。
最早开始研究人-车闭环操纵系统的大概要算McRuer等,他们作了不少飞行员-飞机闭环控制的研究,并推广到汽车上。
但是这些工作没有考虑驾驶员的前视作用。
这个十分重要的因素。
为此,MacAdam与McRuer等于1980、1981年相继提出了不同的“最优预瞄控制模型”。
1982年郭孔辉提出了“预瞄跟随理论”和“预瞄最优曲率模型”,该模型仿真精度高、物理概念清晰、运算简单,并可应用于非线性系统。
另外,在试验方面,考虑到驾驶员模型的进展程度不能满足主动安全性闭环设计的要求,以及安全试验设计方法只能在样车试制后采用并受自然条件限制等缺陷,研制了开发型驾驶模拟器。
这种模拟器缓和了理论研究的发展程度与汽车主动安全性闭环设计要求之间的矛盾。
20世纪90年代初,郭孔辉提出了闭环系统主动安全性的综合评价与优化设计方法,Harada基于定常的驾驶员特性建立了以三个单项均方值指标为基础的综合性能指标,对汽车的主动安全性进行了较好的综合评价。
90年代后期,赵又群等从驾驶员—汽车闭环系统的角度,进行了系统模型建立、闭环系统微分方程求解的高精度方法、驾驶员不确定性的闭环操纵系统主动安全性评价、具有演变随机道路输入的闭环操纵系统主动安全性评价、驾驶员—汽车闭环系统主动安全性的优化设计等问题的系列研究,为驾驶员-汽车闭环系统主动安全性的客观评价与优化设计提供了一定的理论依据。
1998年Crolla等给出了汽车操纵性的主客观综合评价方法。
20世纪90年代以来,利用开发型驾驶模拟器进行驾驶员-汽车-环境闭环系统主动安全性研究,改善汽车操纵动力学特性,是国际上主要的发展方向之一。
对于汽车操纵动力学的闭环方法,理论研究和模拟试验都是从与主观评价指标相一致的易操纵性开始的。
每个驾驶员作为个体,他的驾驶技能是千差万别的。
因此,驾驶员的建模问题,始终是驾驶员-汽车闭环系统操纵动力学研究趋于成熟和实用化的一个“瓶颈”问题。
为了避开驾驶员建模的一些难以解决的问题,美国学者Bernard等较系统地研究了汽车操纵逆动力学问题。
从1986年起,针对线性二自由度汽车模型沿指定路线行驶时的驾驶员操纵输入进行了研究,利用求逆的方法对汽车行驶性能进行了优化设计。
2000年,英国的Casanova等研究了最速操纵问题,虽然没有提出一般的解法,但也可归结于汽车操纵动力学的“逆问题”。
到目前为止,关于汽车操纵逆动力学问题的研究还处于初期阶段。
2.四轮转向技术的发展
相对于传统的前轮转向汽车,四轮转向汽车在进行前轮转向的同时,还将根据汽车的各项运动状态信息(如车速、横摆角速度、侧向加速度等)对后轮转向进行控制。
从本质上讲,四轮转向的优点就是源于系统对后轮轮胎侧向力的独立控制能力。
由于四轮转向汽车可以同时改变前、后轮的侧偏角和轮胎侧向力,因而可以提高汽车转向的瞬态响应特性,并提高汽车的转向控制能力,调节汽车的不足转向度(即稳定性因数),从而提高汽车的操纵稳定性和主动安全性。
现阶段,国内外学者对于四轮转向系统的研究,主要是针对以下性能目标:
★保持汽车质心侧偏角基本为零;
★改善横摆角速度和侧向加速度的动力学响应性能;
★实现所希望的转向特性(参考模型跟踪)
★增加对工况变化的抗干扰能力;
★提高汽车的转向操纵稳定性和主动安全性;
随着汽车动力学和控制理论的发展,各种现代控制理论开始被逐渐应用于四轮转向系统的研究中,国外具有代表性的一些研究进展如下:
AllanY.Lee对四轮转向汽车在高速时的换道行驶进行了分析,对比了在换道行驶过程中,有经验驾驶员的操纵转向和四轮转向汽车的最优化控制转向,研究了驾驶员操纵四轮转向汽车的主观感受。
H.Inoue和F.Sugasawa提出了一种综合前馈和反馈控制的四轮转向系统,选择最优的控制系统常量,把对转向输入响应的控制和对抗外部干扰的稳定性控制分开,实现了两者的相互独立。
LaszloPalkovics文章中研究通过前轮和后轮的转向反馈补偿自动控制来提高汽车高速时的转向性能和在侧风干扰下的转向性能,提出了在参数变化下的系统响应问题。
分析了在后轮胎压低于正常情况下,汽车的过度转向以及控制系统如何稳定汽车的运动。
Higuchi应用最优控制理论提出了一种以减小质心侧偏角为目标的方向盘前馈加状态反馈的四轮主动转向控制律。
国内对四轮转向技术的研究起步较晚,涉及相关内容的论文如下:
吉林工业大学基于二自由度模型对四轮转向系统的控制方法进行了探讨,研究了轮胎侧偏特性对于四轮转向系统的影响。
对四轮转向汽车的运动稳定性进行了分析。
天津大学对四轮转向系统的非线性控制进行了研究,探讨了四轮转向系统发生随机Hopf分岔的参数区域。
尽管对开环系统较早、多轴转向的控制策略已近成熟,但操纵稳定性研究模型千差万别,模型实用性与模型精度上的矛盾使得开环系统的细致研究仍有重要意义。
本课题在两轮模型基础上深入研究四轮模型有助于深入研究四轮转向,并且特色鲜明地研究分析车身的侧倾运动对于操纵稳定性的重要影响。
参考资料:
[1]余志生.汽车理论(第三版)[M].北京:
机械工业出版社,2000-10:
130-161
[2]尹念东.汽车操纵稳定性的研究进展[J].黄石高等专科学院学报,2004,20(4):
1~4
[3]张会明.汽车操纵稳定性的研究[J].华东交通大学学报,2004,(02)
[4]周孔亢,陈昆山,陈龙.车辆理论基础[M].北京:
兵器工业出版社,2003:
62~68
[5]胡学英,王国业,邓英英.EBD四轮车辆的ADAMS建模与仿真[J].农机化研究,2006,(12)
[6]何焜.特种车辆整车建模与动力学仿真[D].南京理工大学,2005
[7]刘春辉,王增才,常英杰.一种四轮转向车辆操纵稳定性仿真分析[J].拖拉机与农用运输车,2008,(04)
[8]游学兵,杨峰.汽车四轮转向操纵稳定性的研究及发展.农机化研究,2005(3):
268-270
[9]张泽民,王国林,周孔亢.基于MATLAB/SIMULINK的车辆操纵稳定性分析[J].拖拉机与农用运输车,2008,(04)
[10]李白娜.汽车操纵稳定性的仿真分析研究[D].华中科技大学,2006
[11]张春秋,高秀华,杨旭,王云超.三轴车辆全轮转向操纵稳定性仿真分析[J].农业装备与车辆工程,2007,(09)
[12]李刚.车辆模型转向盘角阶跃输入运动的仿真研究[D].大连理工大学,2004
[13]于蕾艳,林逸,李玉芳.汽车线控转向系统综述[J].农业装备与车辆工程,2006,(01)
[14]黄震.汽车的操纵稳定性[N]..当代汽车报,2006,(2006-01-18)
[15]黄震.汽车的操纵稳定性(续)[N]..当代汽车报,2006,(2006-01-25)
[16]游学兵,杨峰,黄红霞.汽车四轮转向操纵稳定性的研究及发展[J].农机化研究,2005,(03)
[17]罗小美.基于ADAMS人体动力学的建模与仿真研究[D].广东工业大学,2006
[18]宗长富,郭孔辉,李铂.汽车操纵稳定性的理论预测与综合评价[J].汽车工程,2001,(01).
[19]宗长富,刘蕴博,孔繁森.汽车操纵稳定性的模拟器闭环评价与试验方法[J].汽车工程,2001,(03).
[20]黄伟.越野车操纵稳定性和平顺性仿真及应用研究[D].合肥工业大学,2007
[21]徐延海,宁凡坤.用于汽车操纵稳定性模拟的虚拟现实平台的研究[J].系统仿真学报,2007,(17).
[22]赵秋芳.基于ADAMS的汽车操纵稳定性仿真试验初步研究[D].大连理工大学,2006
[23]吕红明,横摆率跟踪控制的四轮转向汽车操纵稳定性.东南大学[硕士学位论文],2004-3
[24]刘关铎.重型货车操纵稳定性和平顺性仿真及研究[D].合肥工业大学,2008
[25]姚莉莉.基于CAE技术的桥式起重机动力学仿真研究.北京科技大学硕士学位论文,2008
[26]MathewC.Best,TimothyJ.Gordon.Real-TimeStateEstimationofVehicleHandlingDynamicsUsinganAdaptiveKalmanFilter.InternationalSymposiumonAdvancedVehicleControl-AVEC98,No.9836590.
[27]D.E.NewlandAnIntroductiontoRandomVibrationsandSpectralAnalysis.LongmanGroupLimited,1984
[28]OssamaMokhiamar,MasatoAbe.CombinedLateralForceandYawMomentControltoMaximizeStabilityaswellasVehicleResponsivenessduringEvasiveManerneringforActiveVehicleHandlingSafety[J].Veh.Syst.Dynamics,2002,37:
246~256.
[29]M.B.Priestley.SpectralAnalysisandTimeSeriesAcademicPressInc.(London)Ltd.,1982.
[30]ThomasD.Gillespie.FundmentalsofVehicleDynamics.SAENo.R-114.
[31]IS02631一1(1997).EvaluationofHumanExposuretoWhole-bodyVibration-Part1:
GeneralRequirement.1997-05-01.
[32]Weiwen(Kevin)Deng,XiaodiKang.ParametricStudyonVehicle-TrailerDynamicsforStabilityControl.SAEPaper,2003,No.011321.
[33]PacejkaHBetal.Tiremodelingforusevehicledynamicsstudies.SAEpaper870421,1987:
31~36.
[34]S.Horinchi,N.Yuhara,A.Takei.TwodegreeofFreedomH-InfinityControllerSynthesisforActiveFourWheelSteeringVehicle[J].VehicleSystemDynamicsSuppliment,1996,210(D4):
335~346.
[35]PahngrocOh,HaoZhouandKeinPavlov.Stabilitycontrolofcombinationvehicle.SAEpaper.2001,No.010138.
[36]AleksanderHac,MarkO.Bdie.ImprovementsinVehicleHandlingThroughIntegratedControlofChassisSystem.Int.J.ofVehicleDesign,2202,29(1/2)
[37]HugoS.RadtJr.,DonaldJ,VanDis.VehicleHandlingResponsesUsingStabilityDerivatives[J].SAEpaper960483.
三、课题研究的主要内容及关键技术:
本课题将汽车简化为理想刚体,研究包含侧倾自由度的汽车操纵动力学建模方法与瞬态响应、稳态响应计算方法。
主要的研究内包括:
1)不同类型汽车的空间运动微分方程;
2)汽车操纵动力学的自由振动响应、瞬态响应、稳态响应分析;
3)汽车操纵动力学的侧滑、侧翻的极限工况分析;
主要的关键技术:
1)汽车运动参数与轮胎载荷在车身坐标系和总体坐标系中的描述
2)汽车操纵动力学的状态空间描述与计算方法
四、设计方案的可行性分析和预期目标:
1.设计方案:
1)建立汽车坐标系
首先建立汽车辆坐标系,分析受力包括纵向力、侧向力、法向力以及侧倾力矩、俯仰力矩、横摆力矩,写出汽车质心及车轮在车辆坐标系中的坐标,并通过转换矩阵转换成在地面坐标系中的描述。
2)建立两轮模型运动微分方程
对于两轮模型,在车身坐标系中找出其运动学参数分析车轮受力,然后利用转换矩阵转化到整体坐标系中,在整体坐标系中利用牛顿第二定律建立两轮模型运动微分方程。
将建立的运动微分方程写成矩阵的形式,写成状态空间方程。
3)分析两轮模型的时域响应
汽车的稳态响应即是在系统的状态变量变化率为零时,求解汽车的曲率响应、质心侧滑角响应、横摆角速度响应、侧向加速度响应和侧倾角响应。
求解瞬态响应,包括在转向盘角阶跃输入下瞬态响应和零输入下的自由振动响应。
4)推广至四轮模型,建立四轮模型运动微分方程;
5)求解四轮模型的时域响应,分析四轮转向对汽车性能的影响
转向盘角阶跃输入下求解四轮模型的时域响应,与两轮模型的时域响应进行对比分析,包括高低速行驶时前轮转向汽车不同模型的时域响应对比和四轮转向汽车不同模型的时域响应对比;介绍后轮转角比例于前轮的控制策略,并在此策略的基础上对比分析车辆高低速行驶时前轮转向与四轮转向的时域响应。
6)汽车操纵稳定性的极限工况分析
根据汽车发生侧滑、侧翻的条件,由操纵动力学方程求解维持汽车行驶稳定性的驾驶员操纵要求,并进一步仿真分析如何提高极限工况的操纵稳定性。
2.可行性分析:
将汽车简化为理想刚体,研究侧倾时四轮转向车辆操纵动力学建模与仿真。
可以根据牛顿第二定律建立微分方程,推导、整理为状态方程,能够运用MATLAB软件对模型进行响应分析,,编制相应的计算程序,由此对汽车操纵稳定性进行优化改善。
通过大学四年的理论学习,掌握了一定量的专业知识(汽车理论、机械振动基础、理论力学等),在原先的软件学习的基础上通过此次设计对新软件熟练掌握具备了一定的分析和解决问题的能力,能够在老师的指导下借助相关仪器设备以及大量参考资料建立四轮汽车操纵动力学模型并对其进行动态特性分析。
图书馆中有丰富的资料,书籍期刊很全面,同时还有庞大的网络数据库,能够方便的了解到国内外的研究的最新情况以及发展方向。
指导老师组成小组,当学生提出问题时能够给与专业权威的解答。
实验室全天为学生开放方便学生进行实验。
3.预期目标:
1)深化对汽车理论、汽车结构、汽车系统动力学、机械振动基础等知识的理解及应用能力及用MATLAB编程的熟练性;
2)推导、整理模型的微分方程,利用MATLAB软件分析车辆的稳态响应、瞬态响应,分析四轮转向的优越性,分析车辆极限工况运动情况,按照设计方案的步骤逐步完成;
3)编写汽车四自由度操纵动力学程序,以便于车辆操纵稳定性的仿真分析;
4)整理建模和分析报告。
五、所需要的仪器设备、材料:
1、电脑及所需软件(MATLAB);
2、理论力学、机械振动基础、汽车理论等参考书。
3.数据资源库
六、课题分阶段进度计划:
序号
起止日期
工作内容
阶段成果
1
第1周
外文翻译
完成翻译
2
第2周
专用知识培训,学习MATLAB软件
掌握MATLAB的用法
3
第3周
课题调研,撰写开题报告
完成开题报告
4
第4周
修改开题报告开题
完成开题
5
第5-6周
建立两轮模型及时域分析
完成建模
6
第7周
两轮模型时域分析
完成时域分析
7
第8周
建立四轮模型
完成建模
8
第9-10周
四轮模型的时域分析
完成时域分析
9
第11-12周
四轮转向的性能分析
完成四轮转向仿真分析
10
第13-14周
极限工况的分析
完成极限工况分析
11
第15-16周
整理材料,撰写毕业设计手册(论文)
完成资料整理
12
第17周
毕业论文答辩
顺利完成答辩
指导教师意见:
签字:
2010年月日
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- 汽车 操纵 动力学 建模 仿真 开题 报告