基于VPG技术的越野车辆通过性评价系统研究

摘要

通过性是越野车辆整体性能的重要评价指标，本课题的任务是建立基于VPG技术的越野车辆通过性评价系统，研究其关键因素，构建系统模型，建立仿真算法，解决核心技术问题。课题在对项目的具体需求进行系统分析之后，综合利用目前可行的技术手段，分解了基于VPG技术的越野车辆通过性评价系统各功能模块，对系统中的关键技术作了较为深入地研究，并最终实现了该系统。本课题所作的主要工作和取得成果如下： 1.对车辆通过性起决定性作用的轮胎模型作了深入研究，建立了轮胎的粘弹性有限元模型。在对比分析现有轮胎模型的基础上，利用非线性有限元技术建立了面向通过性仿真的轮胎有限元模型。分析了胎压、材料的粘弹性及花纹等关键因素对轮胎模型的影响，提出了用于提高系统模型精度的系数修正法。推导了三参数标准线性粘弹性模型的本构关系，得到了四节点等参单元有限元的刚度矩阵，最终建立了轮胎的平面应力状态有限元模型。对轮胎与地面耦合作用时的接触问题进行了讨论确定了罚函数法的解决方案，并编制了相应的有限元解算程序。 2.为了解决轮胎和地面耦合作用时变形的测量问题，提出了基于机器视觉测量的变形测量方法。研究了机器视觉测量的基本原理、方法和步骤。在系统介绍了基于机器视觉的测量系统的构成和流程的基础上分析讨论了图像滤波算法，采用了改进的中值滤波方法对轮胎变形测量采集的原始图形进行了滤波处理。利用自适应阈值分割方法对图像作了二值化处理，并以改进的Sobel算子法对图像进行了边缘提取。通过设置标志圆的方法对测量系数进行了标定。编制了相应的视觉测量软件，实现了对轮胎变形的测量。 3.以多体动力学理论为基础建立了越野车辆的动力学模型，并对运动学方程解算算法进行了研究。介绍了车辆动力学建模的基本方法，建立了悬架的刚度-阻尼模型和多段梁模型。总结了多体动力学建模方法的步骤，利用多体动力学理论建立了面向越野车辆通过性虚拟测试的车辆动力学模型。根据拉格朗日法建立了车辆模型的动力学方程组，对比分析了动力学方程组的解法，编制了通用的的运动学微分—代数方程解算器。 4.研究了基于VPG技术的越野车辆通过性评价系统的体系结构，以虚拟现实技术和数据库技术从软件上实现了该系统。根据通过性评价系统的需求分析，按照地形通过性和地面通过性对系统的功能进行了细化。以数据库技术和HOOPS显示技术为主要手段建立了评价系统的软件平台，实现了仿真参数的人机交互和仿真过程的视景再现，最后以地形通过性和地面通过性仿真实例介绍了系统的工作流程和工作原理。 5.为验证系统模型的正确性，并实现对车辆动力学模型关键参数的标定，搭建了车辆通过性评价系统的标定验证平台，解决了通过性试验测试中的数据获取问题。以车轮六分力传感器、GPS、电子尺和机器视觉测量子系统为主要硬件手段，建立了通过性评价系统的标定验证平台，从而获得了车辆在进行地形、地面通过性测试过程中实时的轮力、车速、悬架位移、轮胎变形等数据，并解决了各参数之间的映射关系问题。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国外研究现状

1.2.2 国内研究现状

1.2.3 取得的进展及存在的问题

1.3 本课题的研究内容和关键技术

1.4 论文的结构安排

第二章 轮胎模型研究

2.1 轮胎模型研究的历史和现状

2.1.1 Gim轮胎模型

2.1.2 Magic Formula轮胎模型

2.1.3 幂指数轮胎模型

2.2 轮胎非线性有限元模型

2.2.1 轮胎模型关键因素分析

2.2.2 轮胎有限元模型

2.3 轮胎接触问题研究

2.4 小结

第三章 基于机器视觉的轮胎和地面变形测量

3.1 机器视觉测量方法研究

3.1.1 视觉测量方法类型及特性分析

3.1.2 视觉测量系统构成及过程研究

3.2 图像灰度预处理

3.3 图像滤波方法研究

3.3.1 图像均值滤波方法分析

3.3.2 中值滤波及改进的中值滤波方法

3.4 自适应阈值分割

3.5 边缘检测方法研究

3.5.1 边缘检测中的梯度原理

3.5.2 边缘检测中的Sobel梯度算子法

3.6 基于HOUGH变换的标志圆检测

3.7 视觉测量系统的标定

3.8 本章小结

第四章 面向通过性试验的车辆模型研究

4.1 车辆系统动力学建模方法研究

4.1.1 车辆多刚体系统动力学建模方法研究

4.1.2 多柔体系统动力学建模方法研究

4.1.3 车辆系统动力学分析方法研究

4.2 悬架模型研究

4.2.1 悬架的弹簧-阻尼模型

4.2.2 悬架的多段梁模型

4.3 面向实时性仿真的车辆动力学模型研究

4.4 车辆运动学方程数值解法研究

4.5 小结

第五章 通过性评价系统实现及仿真研究

5.1 通过性仿真系统的体系结构及系统实现

5.2 地形通过性仿真研究

5.3 地面通过性仿真研究

5.4 小结

第六章 标定与验证系统研究

6.1 车轮六分力传感器系统

6.1.1 车轮力的定义

6.1.2 轮力传感器八梁轮辐武弹性体设计

6.1.3 轮力传感器布片与组桥原理分析

6.1.4 轮力传感器解耦原理

6.1.5 车轮力传感器的总体设计

6.2 车速测量

6.3 悬架位移测量

6.4 轮胎变形测量

6.5 标定系统的整体构架及原理

6.6 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

攻读博士学位期间发表的论文及参与的项目

致谢

参考文献