基于驾驶机器人的室内汽车排放耐久性试验系统的研究与工程实现

摘要

汽车保有量的快速增长，使得汽车排放的尾气对环境的影响日益严重，针对汽车排放的法规也日益严格。我国GB 18352.2-2001《轻型汽车污染物排放限值及测量方法(Ⅱ)》中规定汽车必须按照Ⅴ型试验的循环行驶工况进行8万公里的试验以检测车辆排放控制系统的耐久性能，该试验如果由试验人员在汽车试验场的道路上进行，需要投入大量的人力和财力，试验时间长，而且试验受天气和人为因素的影响，实验的客观性、准确度和重复性均难以控制，导致排放法规难以执行。 本论文以汽车排放耐久性试验系统项目为背景，研究利用驾驶机器人替代人类试验人员在室内的底盘测功机上进行汽车排放耐久性试验的方法，论文的主要研究内容包括： 1．对汽车道路行驶动力学特性的室内模拟与加载方法进行了研究，着重解决了汽车排放耐久性道路试验的室内模拟原理和方法，采用底盘测功机作为试验环境。 2．在研究汽车动力学特性的基础上构建驾驶机器人的汽车尺寸与性能自学习方法。详细分析了汽车发动机空载和有载模型、制动器特性、变速器换挡规律、换挡品质和油门/制动切换控制特性，为驾驶机器人的运动控制奠定基础。同时为提高驾驶机器人的车型适应能力，研究了汽车性能的自学习方法。 3．设计并工程实现了汽车驾驶机器人系统。提出驾驶机器人执行机构必须具备的自由度和操作特性，同时研究了驾驶机器人油门机械腿、制动机械腿、离合器机械腿和换挡机械手的驱动方式，并设计了相应的伺服控制回路。完成汽车驾驶机器人的传感检测控制系统的硬件电路设计，对进行试验所必须具备的各类传感器信号进行调理，并设计了基于WEB服务器的多驾驶机器人组网以及远程监控系统，实现试验的远程维护和监控功能。 4．研究驾驶机器人综合控制策略，实现循环行驶工况的车速跟踪。提出驾驶机器人多层递阶控制模型，在分析各种循环行驶工况的基础上完成驾驶指令的定义。提出驾驶机器人多手/腿协调配合控制模型以实现油门/制动/离合/换挡的协调配合控制。设计了相应的控制算法，完成汽车起动、换挡、加速、等速、减速等工况的车速跟踪控制。同时为了保证长时间试验的控制精度，提出了控制参数的补偿优化算法、行驶路程补偿方法和离合器接合区自补偿算法。 5．排放耐久性试验研究和结果分析。利用驾驶机器人在底盘测功机上进行了长时间汽车排放耐久性试验，并和汽车试验场上的由人类试验人员进行驾驶操作获得的试验曲线进行对比。 经过历时三年的研究开发和多种车型长时间的排放耐久性试验，结果表明：利用驾驶机器人进行试验对于减轻人类劳动强度，降低试验环境对试验人员的伤害，提高试验效率、试验结果的客观性和准确度，节省试验费用，进而加速汽车研发进度都有重要的意义。本文的研究成果已经通过了国家环境保护总局组织的鉴定。

目录

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声明

第一章绪论

1.1汽车尾气排放污染及其危害

1.1.1汽车尾气排放对大气的污染情况

1.1.2汽车尾气排放污染物及危害

1.2汽车排放法规的发展与现状

1.3我国汽车排放法规及其试验要求

1.3.1我国汽车排放法规及其发展过程

1.3.2汽车排放耐久性试验法规

1.4汽车排放耐久性试验系统项目的提出

1.5汽车排放耐久性试验系统效益分析

1.5.1生产企业效益

1.5.2使用企业效益

1.5.3社会效益

1.6汽车排放耐久性试验系统构成

1.7汽车驾驶机器人的需求背景

1.8国内外驾驶机器人的研究

1.8.1国外汽车驾驶机器人发展情况

1.8.2国内汽车驾驶机器人发展现状

1.8.3驾驶机器人主要参数对比

1.9本论文主要研究目标和内容

1.9.1研究目标

1.9.2研究内容

1.10论文结构

1.11本章小结

第二章汽车道路行驶动力学特性的室内模拟与加载方法研究

2.1.底盘测功机基本原理

2.2.汽车道路上试验受力分析

2.3.汽车在底盘测功机上的受力分析

2.4.惯性质量分析

2.5.行驶阻力室内模拟与加载方法的研究

2.6.滑行法测定汽车道路行驶阻力

2.7.排放耐久性试验的其他保障措施

2.7.1底盘测功机系统构成

2.7.2底盘测功机与驾驶机器人的配合

2.8.本章小结

第三章汽车动力学特性的研究与汽车性能自学习方法的构建

3.1动力传动系统模型

3.2发动机模型

3.2.1发动机空载模型

3.2.2发动机有载模型

3.2.3发动机辅助制动

3.2.4油门控制特性

3.3制动器特性辨识

3.3.1底盘测功机上制动过程分析

3.3.2制动特性分析

3.4油门/制动切换控制特性

3.5换挡规律

3.5.1最佳动力性换挡规律

3.5.2最佳燃油经济性换挡规律

3.5.3驾驶机器人挡位决策理论与技术

3.6换挡品质研究

3.6.1换挡过程分析

3.6.2换挡品质的评价指标

3.6.3换挡品质的影响因素

3.6.4离合器接合规律分析与控制

3.6.5换挡过程中油门开度的控制

3.7汽车尺寸和动力学特性的学习

3.7.1汽车尺寸示教和学习

3.7.2汽车性能自学习

3.8本章小结

第四章汽车驾驶机器人系统设计与实现

4.1驾驶机器人构成

4.2驾驶机器人技术指标

4.2.1基本要求

4.2.2操纵功能

4.2.3执行机构

4.2.4控制系统功能

4.3 驱动方式选择及执行机构设计

4.3.1油门机械腿

4.3.2制动器、离合器机械腿

4.3.3换挡机械手

4.4执行机构的运动控制

4.4.1油门位置控制

4.4.2制动踏板下压力量控制

4.4.3离合器结合速度控制

4.4.4七连杆换挡机械手位置伺服控制

4.5驾驶机器人传感检测系统设计

4.5.1待测传感器类别

4.5.2主要传感器选型

4.5.3检测控制系统

4.5.4驾驶机器人控制软件设计

4.6基于WEB服务器的多驾驶机器人组网

4.6.1 WEB服务器硬件平台

4.6.2 WEB服务器软件设计

4.6.3具体工作过程和原理

4.7本章小结

第五章汽车驾驶机器人综合控制策略的工程研究

5.1多层递阶控制模型

5.2循环行驶工况分析

5.3驾驶指令策略的研究

5.4多手/腿协调配合控制模型

5.5驾驶机器人车速跟踪控制策略研究

5.5.1变工况车速跟踪

5.5.2静止起动工况

5.5.3连续换挡加速工况

5.5.4等速巡航工况

5.5.5减速制动工况

5.5.6油门/制动切换控制

5.6补偿、优化与容错问题

5.6.1基于RLS优化的学习参数的优化

5.6.2离合器接合区位置的补偿

5.6.3行驶路程的补偿

5.6.4软件容错控制

5.7本章小结

第六章汽车排放耐久性试验研究与结果分析

6.1试验环境

6.2试验结果对比及分析

6.2.1 V型试验试验人员试验结果

6.2.2 V型试验驾驶机器人试验结果

6.3排放耐久性试验结果的检定方法

6.4其他车型的试验场景

6.5本章小结

第七章全文总结与展望

7.1全文总结

7.2主要创新点

7.3存在问题及进一步工作建议

7.4展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文、从事的科研工作及获奖情况