《線性2DOF車輛模型》課件

線性2DOF車輛模型本課件介紹了基于力學(xué)原理推導(dǎo)的線性二自由度(2DOF)車輛模型,包括縱向-橫向動(dòng)力學(xué)耦合表達(dá)式和相關(guān)參數(shù)。通過(guò)該模型可以分析車輛的穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)特性,為后續(xù)控制算法設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。byhpzqamifhr@線性2DOF車輛模型概述1車輛模型化針對(duì)車輛運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行抽象和簡(jiǎn)化2二自由度模型考慮車輛縱向和橫向運(yùn)動(dòng)特性3線性化假設(shè)假設(shè)懸架、輪胎等線性特性線性2自由度(2DOF)車輛模型是車輛動(dòng)力學(xué)研究中最基礎(chǔ)和常用的模型之一。該模型通過(guò)合理的簡(jiǎn)化和線性化假設(shè)，抽象出車輛縱向和橫向的運(yùn)動(dòng)特性，為后續(xù)的車輛穩(wěn)定性、操縱性和安全性分析提供了理論基礎(chǔ)。車輛運(yùn)動(dòng)學(xué)模型坐標(biāo)系定義定義車輛的三維坐標(biāo)系,包括地理坐標(biāo)系、車體坐標(biāo)系和輪胎坐標(biāo)系,為后續(xù)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析奠定基礎(chǔ)。車身幾何參數(shù)確定車身的長(zhǎng)、寬、軸距等幾何尺寸參數(shù),這些參數(shù)直接影響車輛的轉(zhuǎn)向性能和穩(wěn)定性。輪胎運(yùn)動(dòng)學(xué)分析車輪的滾動(dòng)和轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng),建立輪胎的幾何模型,描述輪胎的位置、速度和加速度等運(yùn)動(dòng)學(xué)特性。車輛動(dòng)力學(xué)模型1車輛運(yùn)動(dòng)分析描述車輛對(duì)外力作用產(chǎn)生的加速度、速度、位移等變化2車輪-地面力分析車輪與路面之間的摩擦力和側(cè)向力3車身質(zhì)量分布考慮車身重量和慣性矩的影響車輛動(dòng)力學(xué)模型描述了車輛運(yùn)動(dòng)時(shí)各種外力及車身質(zhì)量特性對(duì)車輛加速度、速度和位移等運(yùn)動(dòng)學(xué)量的影響。這是分析和設(shè)計(jì)各種車輛控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。我們需要建立橫向、縱向和轉(zhuǎn)向角動(dòng)力學(xué)三個(gè)子模型來(lái)全面描述車輛的動(dòng)力學(xué)特性。車輛縱向動(dòng)力學(xué)1發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出發(fā)動(dòng)機(jī)根據(jù)油門開度輸出相應(yīng)的扭矩,從而驅(qū)動(dòng)車輛前進(jìn)。這是車輛縱向動(dòng)力學(xué)的起源。2車輪-地面摩擦力車輪與路面之間的縱向摩擦力是推動(dòng)車輛前進(jìn)的關(guān)鍵力。這種力與車輪滑移率和路面附著系數(shù)有關(guān)。3車身縱向運(yùn)動(dòng)在推動(dòng)力和阻力的作用下,車身產(chǎn)生縱向加速度,最終達(dá)到一定的車速。這就是車輛縱向動(dòng)力學(xué)的核心過(guò)程。車輛橫向動(dòng)力學(xué)1側(cè)偏角車輪在地面上產(chǎn)生的側(cè)向力會(huì)導(dǎo)致車輪偏離前進(jìn)方向,產(chǎn)生側(cè)偏角。側(cè)偏角的大小依賴于輪胎特性和車輛轉(zhuǎn)向角。2橫擺角速度車輛在水平面上產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)角速度,即橫擺角速度。它反映了車輛對(duì)轉(zhuǎn)向的響應(yīng)。3側(cè)滑角車輛在水平面上的橫向運(yùn)動(dòng)與行駛方向之間的夾角,即側(cè)滑角。它表示車輛的橫向穩(wěn)定性。車輛橫擺角動(dòng)力學(xué)1橫向力由輪胎側(cè)偏力產(chǎn)生2滾轉(zhuǎn)力矩由重力和側(cè)偏力產(chǎn)生3橫擺角速度影響轉(zhuǎn)向和穩(wěn)定性車輛的橫擺角動(dòng)力學(xué)描述了車輛在水平面上的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)。主要包括車身產(chǎn)生的橫向力、滾轉(zhuǎn)力矩和橫擺角速度三個(gè)方面。橫向力是由輪胎側(cè)偏力產(chǎn)生的,影響著車輛的轉(zhuǎn)向和穩(wěn)定性。滾轉(zhuǎn)力矩則由重力和側(cè)偏力共同作用產(chǎn)生,會(huì)導(dǎo)致車輛的橫擺運(yùn)動(dòng)。而橫擺角速度則是車輛水平面旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵動(dòng)態(tài)參數(shù),也直接影響著車輛的操縱性和穩(wěn)定性。車輛轉(zhuǎn)向角動(dòng)力學(xué)1轉(zhuǎn)向輸入駕駛員通過(guò)轉(zhuǎn)向盤對(duì)車輪轉(zhuǎn)向角進(jìn)行控制2轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)將轉(zhuǎn)向盤旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為車輪轉(zhuǎn)向角3轉(zhuǎn)向角動(dòng)力學(xué)描述車輪轉(zhuǎn)向角與時(shí)間的變化關(guān)系車輛轉(zhuǎn)向角動(dòng)力學(xué)分析了駕駛員輸入轉(zhuǎn)向角時(shí)，車輪轉(zhuǎn)向角隨時(shí)間變化的過(guò)程。這一過(guò)程受車輛動(dòng)力學(xué)特性以及轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的影響。了解轉(zhuǎn)向角動(dòng)力學(xué)特性對(duì)于車輛穩(wěn)定性控制和駕駛員轉(zhuǎn)向感受的改善至關(guān)重要。車輛線性化模型簡(jiǎn)化假設(shè)基于車輛運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的分析,作出合理假設(shè)來(lái)簡(jiǎn)化模型,如忽略高階項(xiàng)、假設(shè)道路平坦等。線性化過(guò)程對(duì)非線性方程進(jìn)行泰勒級(jí)數(shù)展開,并保留一階項(xiàng),得到線性化表達(dá)式。推導(dǎo)出車輛的狀態(tài)方程和輸入輸出方程。模型參數(shù)確定根據(jù)車輛的幾何參數(shù)、質(zhì)量特性和力學(xué)性能,確定線性化模型中各個(gè)參數(shù)的數(shù)值,為后續(xù)分析奠定基礎(chǔ)。車輛狀態(tài)空間表示1狀態(tài)向量用關(guān)鍵狀態(tài)變量描述車輛動(dòng)力學(xué)2狀態(tài)空間建立車輛狀態(tài)方程模型3輸入輸出定義車輛控制輸入和輸出車輛狀態(tài)空間表示是建立車輛動(dòng)力學(xué)微分方程的一種矩陣形式。通過(guò)選擇合適的狀態(tài)變量和輸入輸出變量,可以得到描述車輛縱向、橫向和轉(zhuǎn)向等動(dòng)力學(xué)特性的狀態(tài)空間模型。該模型為后續(xù)的車輛控制設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性分析提供了重要的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。車輛狀態(tài)反饋控制1狀態(tài)空間建模根據(jù)車輛線性化模型,建立車輛狀態(tài)空間表示,包括狀態(tài)變量、狀態(tài)方程和輸出方程。2狀態(tài)反饋控制設(shè)計(jì)狀態(tài)反饋控制律,通過(guò)對(duì)車輛狀態(tài)變量的測(cè)量和反饋,實(shí)現(xiàn)車輛穩(wěn)定性和操縱性的提高。3控制器設(shè)計(jì)采用極點(diǎn)配置法或LQR方法,設(shè)計(jì)狀態(tài)反饋控制器,使車輛在閉環(huán)系統(tǒng)中具有理想的動(dòng)態(tài)性能。車輛狀態(tài)觀測(cè)器設(shè)計(jì)1狀態(tài)測(cè)量車身橫擺角速度、轉(zhuǎn)向角等2狀態(tài)觀測(cè)器利用來(lái)自傳感器的測(cè)量輸入,預(yù)測(cè)車輛狀態(tài)3狀態(tài)反饋控制利用觀測(cè)到的車輛狀態(tài)進(jìn)行閉環(huán)控制設(shè)計(jì)車輛狀態(tài)觀測(cè)器是實(shí)現(xiàn)車輛穩(wěn)定性控制與操縱性控制的關(guān)鍵?；趤?lái)自車身運(yùn)動(dòng)傳感器的測(cè)量信息,通過(guò)狀態(tài)觀測(cè)器預(yù)測(cè)車輛當(dāng)前的狀態(tài)變量,為上位控制器提供反饋。觀測(cè)器的設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮車輛模型的不確定性,具有良好的魯棒性與觀測(cè)收斂特性。車輛穩(wěn)定性分析動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性分析車輛在緊急操作或外界干擾下的響應(yīng),評(píng)估車輛保持穩(wěn)定行駛的能力,確保駕駛安全。靜態(tài)穩(wěn)定性評(píng)估車輛在靜止?fàn)顟B(tài)下的平衡狀態(tài),分析車輛重心高度、軸距、輪距等參數(shù)對(duì)穩(wěn)定性的影響。滾動(dòng)穩(wěn)定性研究車輛在急轉(zhuǎn)彎、高速行駛時(shí)的橫向穩(wěn)定性,分析懸架系統(tǒng)、輪胎特性對(duì)滾動(dòng)穩(wěn)定性的影響。車輛操縱性分析動(dòng)力學(xué)分析深入分析車輛的縱向、橫向和轉(zhuǎn)向動(dòng)力學(xué)特性,了解車輛動(dòng)力響應(yīng)和操縱靈敏性。操縱穩(wěn)定性評(píng)估車輛在不同操作條件下的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性,確保操縱性能可靠。轉(zhuǎn)向特性分析車輛的轉(zhuǎn)向特性,如轉(zhuǎn)向靈敏度、過(guò)渡特性和穩(wěn)態(tài)響應(yīng),確保優(yōu)良操控體驗(yàn)。車輛舒適性分析1平順舒適性減少車身晃動(dòng),提供平穩(wěn)駕乘體驗(yàn)2噪音隔離降低發(fā)動(dòng)機(jī)、輪胎等噪聲傳遞3懸架性能優(yōu)化懸架動(dòng)力學(xué),吸收路面沖擊車輛舒適性是評(píng)價(jià)汽車駕乘質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。它包括車身平順性、噪音隔離以及懸架動(dòng)力學(xué)性能等方面。通過(guò)優(yōu)化車身結(jié)構(gòu)、完善噪聲控制措施,以及精細(xì)調(diào)校懸架系統(tǒng),我們可以最大限度地提高車輛的整體舒適性,給駕駛員和乘客帶來(lái)更佳的駕乘體驗(yàn)。車輛安全性分析1整體安全性從車身結(jié)構(gòu)、碰撞保護(hù)、安全輔助系統(tǒng)等多個(gè)方面綜合評(píng)估2被動(dòng)安全評(píng)估座艙防護(hù)、安全帶和安全氣囊系統(tǒng)3主動(dòng)安全分析車輛穩(wěn)定性、制動(dòng)性和轉(zhuǎn)向響應(yīng)性車輛安全性是確保行車安全的關(guān)鍵因素。我們從整體安全性、被動(dòng)安全和主動(dòng)安全三個(gè)層面對(duì)車輛的安全性能進(jìn)行全面分析和評(píng)估。結(jié)合理論分析和實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù),確定車輛在各個(gè)方面的安全水平,并提出針對(duì)性的優(yōu)化建議。車輛模型參數(shù)標(biāo)定1實(shí)驗(yàn)測(cè)量通過(guò)實(shí)際道路試驗(yàn),采集車輛運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù),如速度、加速度、橫擺角速度等,為參數(shù)標(biāo)定提供基準(zhǔn)。2參數(shù)辨識(shí)利用最小二乘法等優(yōu)化算法,將車輛模型的參數(shù)調(diào)整,使其模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合。3模型驗(yàn)證將標(biāo)定后的參數(shù)代入模型,驗(yàn)證其預(yù)測(cè)性能,并根據(jù)結(jié)果進(jìn)一步優(yōu)化參數(shù)。車輛模型仿真驗(yàn)證1仿真場(chǎng)景建立基于實(shí)際車輛參數(shù),在仿真軟件中搭建與實(shí)際環(huán)境相符的虛擬場(chǎng)景,包括道路、交通信號(hào)等,為后續(xù)的模型驗(yàn)證做好準(zhǔn)備。2模型輸入?yún)?shù)化將從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)獲得的車輛動(dòng)力學(xué)及控制參數(shù)輸入到仿真模型中,確保仿真模型與實(shí)際車輛行為一致。3仿真算例設(shè)計(jì)針對(duì)不同工況,如加速、減速、轉(zhuǎn)彎等,設(shè)計(jì)一系列仿真算例,覆蓋車輛在日常行駛中可能遇到的各種情況。車輛模型應(yīng)用案例11場(chǎng)景仿真使用車輛模型進(jìn)行基于計(jì)算機(jī)的場(chǎng)景仿真2控制設(shè)計(jì)利用模型進(jìn)行車輛控制算法的設(shè)計(jì)和優(yōu)化3狀態(tài)估計(jì)基于模型設(shè)計(jì)車輛狀態(tài)觀測(cè)器車輛模型是實(shí)現(xiàn)智能駕駛、先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)等技術(shù)的基礎(chǔ)。在場(chǎng)景仿真方面,我們可以利用車輛模型對(duì)各種復(fù)雜交通環(huán)境進(jìn)行模擬分析,為實(shí)際應(yīng)用提供支持。在控制設(shè)計(jì)中,車輛模型能幫助我們優(yōu)化車輛的穩(wěn)定性、操縱性等性能。同時(shí),車輛狀態(tài)觀測(cè)器的設(shè)計(jì)也依賴于精確的車輛動(dòng)力學(xué)模型。車輛模型應(yīng)用案例21車道偏離預(yù)防基于車輛動(dòng)力學(xué)模型的車道偏離監(jiān)測(cè)和預(yù)警2緊急制動(dòng)輔助利用車輛縱向動(dòng)力學(xué)預(yù)測(cè)緊急制動(dòng)需求3智能巡航控制融合車輛動(dòng)力學(xué)模型的自適應(yīng)巡航控制車輛動(dòng)力學(xué)模型在先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)中扮演著關(guān)鍵角色。以車道偏離預(yù)防為例，系統(tǒng)可利用車輛橫擺角動(dòng)力學(xué)模型實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車輛狀態(tài)，及時(shí)預(yù)警駕駛員注意力下降。同時(shí)，緊急制動(dòng)輔助和智能巡航控制也需要依賴車輛縱向動(dòng)力學(xué)模型，預(yù)測(cè)車輛的制動(dòng)性能和跟車動(dòng)態(tài)，提高系統(tǒng)的響應(yīng)性和安全性。車輛模型應(yīng)用案例3虛擬測(cè)試?yán)媒５能囕v動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行虛擬環(huán)境下的性能測(cè)試,可以在實(shí)際試驗(yàn)之前評(píng)估車輛行為,優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)。主動(dòng)安全控制車輛動(dòng)力學(xué)模型可用于開發(fā)主動(dòng)安全控制系統(tǒng),如電子穩(wěn)定控制、車身高度調(diào)節(jié)等,提高車輛在復(fù)雜路況下的穩(wěn)定性和操控性。自動(dòng)駕駛功能動(dòng)力學(xué)模型可為自動(dòng)駕駛車輛的車身控制、路徑規(guī)劃等功能提供支撐,實(shí)現(xiàn)更加智能和安全的自動(dòng)駕駛性能。車輛模型應(yīng)用案例41虛擬測(cè)試場(chǎng)利用車輛動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行仿真2模型參數(shù)標(biāo)定基于測(cè)試數(shù)據(jù)校準(zhǔn)模型參數(shù)3控制策略評(píng)估驗(yàn)證先進(jìn)控制算法的性能在真實(shí)道路測(cè)試之前，車輛制造商通常會(huì)采用基于動(dòng)力學(xué)模型的虛擬仿真技術(shù)對(duì)車輛性能進(jìn)行評(píng)估。首先通過(guò)標(biāo)定模型參數(shù)，使模型能夠準(zhǔn)確反映實(shí)際車輛的動(dòng)力學(xué)特性。然后基于標(biāo)定后的模型，評(píng)估先進(jìn)控制策略在各種駕駛場(chǎng)景下的性能，為實(shí)車驗(yàn)證和調(diào)試工作奠定基礎(chǔ)。車輛模型應(yīng)用案例5被動(dòng)安全系統(tǒng)優(yōu)化利用車輛動(dòng)力學(xué)模型分析被動(dòng)安全系統(tǒng)性能,優(yōu)化氣囊展開策略和減震器參數(shù),提高碰撞乘員保護(hù)效果。主動(dòng)安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于車輛橫擺角和轉(zhuǎn)向角動(dòng)力學(xué)模型,設(shè)計(jì)主動(dòng)轉(zhuǎn)向和主動(dòng)懸架系統(tǒng),增強(qiáng)車輛穩(wěn)定性和操縱性。自動(dòng)駕駛功能開發(fā)利用車輛線性化模型構(gòu)建狀態(tài)空間表示,設(shè)計(jì)基于狀態(tài)反饋的自動(dòng)駕駛控制算法,實(shí)現(xiàn)車道保持和自動(dòng)泊車等功能。車輛模型應(yīng)用案例61車輛安全性評(píng)估分析關(guān)鍵車輛狀態(tài)量2碰撞損傷預(yù)測(cè)估算乘員傷害水平3駕駛員行為分析評(píng)估駕駛風(fēng)險(xiǎn)水平4智能輔助功能提升車輛自主化水平車輛模型在安全性評(píng)估中的應(yīng)用包括分析車輛關(guān)鍵狀態(tài)量以預(yù)測(cè)碰撞損傷水平，并結(jié)合駕駛員行為數(shù)據(jù)評(píng)估駕駛風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí),車輛模型還可用