基于驾驶行为和运动状态监测的汽车动力学特性初步研究

摘要

汽车动力学是研究所有与汽车系统相关的学科,它包括纵向动力学、操纵动力学和行驶动力学三个方面的内容。驾驶行为和汽车运动状态信息的监测是汽车动力学研究和设计的基本问题,也是汽车辅助驾驶系统实现的必要条件。
　　 汽车的运动状态主要取决于驾驶员对汽车的操纵行为,本文基于驾驶行为和汽车运动的监测开展汽车动力学相关特性的初步研究。
　　 针对驾驶员操纵行为和汽车运动状态信息的分类,利用MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)惯性传感器、GPS(GlobalPosition System)设计了驾驶行为和汽车运动状态监测系统,可以实现对驾驶员操纵动作的感知、汽车6自由度运动状态参数和汽车运行车速的实时监测。并从传感器的布置和六面体的设计两个方面介绍了测量汽车6自由度运动状态参数的微惯性测量单元(Micro InertialMeasuremem Unit,简写为MIMU)的设计方法。同时设计了传感器的标定系统,开展了传感器的标定工作。
　　 对与驾驶行为相关的汽车动力学特性进行了理论分析。通过汽车纵向动力学分析,可以看出驾驶员对油门踏板、制动踏板、离合器踏板和变速杆的操纵会引起汽车纵向运动车速和加速度的变化；并且进一步对汽车纵向运动过程进行了受力分析,得出汽车在纵向加速和制动过程中,还会引起车轮载荷的变化；建立了包括悬架在内的汽车制动动态垂直载荷数学模型。针对驾驶员转向行为,建立了汽车操纵动力学的二自由度和三自由度模型,并在二自由度汽车操纵动力学模型的基础上推导出了操纵逆动力学模型(方向盘转角识别模型)。
　　 搭建了驾驶行为和汽车运动状态监测系统的车载试验平台,开展了实车道路试验。试验结果表明系统对驾驶员操纵动作的感知能够很好的跟随汽车运动状态的变化,并且对制动踏板、离合器踏板和变速杆的感知效果较好,充分说明了驾驶行为和汽车运动状态信息监测系统的正确性和可行性。同时用实车试验数据验证了二自由度操纵动力学模型和方向盘转角识别模型的准确性,仿真结果与试验结果具有较好的一致性,从而也说明了角速度陀螺测量方向盘转角的准确性。
　　 结合试验用车,开展了汽车动力学相关特性的仿真分析。根据整车制动时的汽车动力学数学模型,用MATLAB／Simulink建立了仿真模型,进行了汽车制动工况的仿真,结果表明汽车制动时,前轮载荷显著增加,后轮载荷显著减少。基于ADAMS／CAR软件建立了实车的动力学模型,通过实车试验数据对模型进行了验证,对该车在不同方向盘角速度下的汽车的响应进行了仿真分析。结果表明了汽车在小的方向盘角速度(即缓慢转弯)的情况下具有较好的稳定性。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 课题的提出及意义

1.2 微机电系统(MEMS)技术简介

1.3 国内外相关领域的研究概况

1.3.1 驾驶行为和汽车运动状态监测技术

1.3.2 汽车操纵动力学研究现状

1.3.3 车轮动态载荷分配的研究现状

1.4 本文研究的主要内容

第二章 驾驶行为和汽车运动状态监测系统

2.1 信息需求分析

2.1.1 汽车主要操纵机构

2.1.2 驾驶员操纵行为信息

2.1.3 汽车运动状态信息

2.2 系统方案的设计

2.2.1 系统方案

2.2.2 方案的可行性

2.2.3 传感器的选择

2.2.4 系统构成及技术实现

2.3 微惯性测量单元的设计

2.3.1 传感器的布置

2.3.2 六面体的设计

2.4 传感器的标定

2.4.1 标定系统的设计

2.4.2 角速度陀螺仪的标定

2.4.3 加速度计的标定

2.5 本章小结

第三章 汽车动力学相关特性理论分析

3.1 汽车动力学研究的范围

3.2 汽车纵向动力学分析

3.2.1 汽车纵向动力学模型

3.2.2 汽车纵向运动车轮载荷分析

3.2.3 汽车制动动态垂直载荷数学模型

3.3 汽车操纵动力学分析

3.3.1 汽车坐标系的定义

3.3.2 二自由度汽车系统模型

3.3.3 三自由度汽车系统模型

3.4 汽车操纵逆动力学分析

3.4.1 汽车操纵逆动力学的应用研究

3.4.2 方向盘转角识别模型

3.5 本章小结

第四章 实车试验及数据分析

4.1 试验平台的搭建

4.2 试验方法

4.3 数据分析及处理

4.3.1 纵向动力学数据分析

4.3.2 操纵动力学数据分析

4.4 本章小结

第五章 汽车动力学相关特性仿真分析

5.1.汽车制动动态载荷仿真实例

5.1.1 MATLAB/Simulink软件介绍

5.1.2 系统仿真模型的建立

5.1.3 仿真参数的选取

5.1.4 仿真结果分析

5.2 基于ADAMS/CAR的操纵动力学仿真

5.2.1 ADMAS/CAR模块介绍

5.2.2 整车动力学模型的建立

5.2.3 整车模型的验证

5.2.4 不同方向盘角速度下汽车的响应

5.3 本章小结

第六章 总结与展望

6.1.论文总结

6.2 不足与展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表的论文