基于SIMULINK的参数化车辆模型及其实验验证.pdf

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1、第2 7 卷第6 期增刊2 0 0 6 年6 月仪器仪表学报C h i n e s e o u m a Io fS c i e n t i f i cI n s t r u m e n tV 0 1 2 7N o 6J u n e 2 0 0 6基于S I M U L I N K 的参数化车辆模型及其实验验证李剑峰高利刘碧荣(北京理工大学交通工程系北京1 6 0 0 B I)摘要建立了基于非线性轮胎侧偏特性的四轮车辆数值模型，考虑了轮胎垂直载荷的侧向转移，用该模型仿真计算了车辆的横摆角速度响应和侧向加速度响应并与陀螺仪测量的实验车数据进行了对比。实验结果表明，该车辆模型可为车辆设计人员提供设计

2、参考依据，也可用于车辆控制器的设计等。关键词车辆模型非线性轮胎模型侧向响应P a r a m e t r i cv e h i c l em o d e lb a s e do ns i m u l i n ka n di t se x p e r i m e n tv e r i f i c a t i o nL iJ i a n f e n gG a oL iL i uB i r o n g(B e i j i n gI n s t i t u t eo fT e c h n o l o g y，C e n t e ro fT r a n s p o r t a t i o nE n g

3、i n e e r i n g，B e i j i n g1 0 0 0 8 1，C h i n a)A b s t r a c tF o u r w h e e lv e h i c l en u m e r i c a lm o d e lw a sm a d eb a s e do nt h en o n l i n e a rl a t e r a ld y n a m i c s，a n di tc o n s i d e r e dt h ee f f e c t so f l a t e r a lw e i g h tt r a n s f e ro nt h en o r m

4、 a ll o a do ft h et i r e s T h el a t e r a la c c e l e r a t i o na n dy a wa n g u l a rv e l o c i t yr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c sw e r ec o m p u t e db yt h em o d e l T h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r ec o m p a r e dt ot h ee x p e r i m e n td a t ab yt h eg y r o s

5、 c o p e T h er e s u l t so fe x p e r i m e n ts h o wt h a tt h i sv e h i c l em o d e lc a np r o v i d er e f e r e n c ef r a m ef o rt h ed e s i g n e ra n db ea p p l i e dt ot h ed e s i g no fv e h i c l ec o n t r o l l e r K e yw o r d sv e h i c l em o d e ln o n l i n e a rt i r em o

6、 d e ll a t e r a lr e s p o n s e1引言车辆动力学模型对于现代车辆设计具有重要意义，随着计算机的普及，汽车设计行业正从人工设计向c A D c A M 等现代设计方法转化n 3 。早期研究人员采用二自由度的自行车模型分析车辆的响应特性n 1，但该模型只适用于侧向加速度不超过0 4 9 的情况，忽略了车辆的侧向载荷转移，并认为轮胎的侧向力只与侧偏角有关系且成线性变化。本文在考虑侧向载荷转移和非线性轮胎侧偏特性的基础上建立车辆参数化数值模型，并用陀螺仪对该数值模型进行实验验证。2 车辆数值模型2 1 非线性轮胎模型本文选择了一种非线性的轮胎模型，该模型考虑了轮胎侧

7、向力的非线性特性、垂直载荷的影响、轮胎与路面的摩擦系数随垂直载荷变化等情况。将轮胎的侧偏角p，垂直载荷F。作为输入量，输出量为轮胎受到的侧向力F，：F，=p R f(仃)(1)式中：p 为轮胎与路面间的摩擦系数，f(d)为力饱和函数，上述轮胎模型中参数详细定义见文献E s 。图1 给出了由上述轮胎模型计算出的侧向力随侧偏角变化的关系曲线，由图可见当侧偏角较大时，计算出的侧向力已呈现出强烈的非线性变化趋势。2 2 车辆模型如图2 所示建立车辆坐标系，在该坐标系中有侧向运动：m(+u O)=F，+F 妒+F，3+F，。(2)横摆运动：I,O=a(F，。+F，2)-b(F y 3+F y 4(3)式

8、中：m 为整车质量，u、v 分别为车辆坐标系中沿纵 万方数据第6 期增刊基于S I M U L I N K 的参数化车辆模型及其实验验证9 9尽越侧偏角d e g图1 侧向力随侧偏角变化曲线向和侧向的速度，0 为车辆横摆角，F，。、F，。、F”、F 为轮胎侧向力，I：为车辆绕Z 轴转动惯量。2+F y3F z 3圈2 军衲模型如图2 所示，考虑侧向载荷转移，则轮胎的垂直载荷为：F：，一罴E g 2 一h(o+u o)c(4)F z 2 瑞 g 2+h(v+u e)c(5)F a=是 g 2+h(+u o)c(6)F 硝=最 g 2 一h(+u e)c(7)式中：h 为车辆质心高度，g 为重力加

9、速度，C 为轮间距，F：，、F。z、F 扎F。为轮胎垂直载荷。根据上述分析，用S I M U L I N K 建立了参数化的车辆模型，该模型具有计算速度快，后处理方便等特点。3实验验证3 1实验方法在车辆的方向盘上装转角传感器，记录驾驶员的操纵情况；在车辆的质心处装陀螺仪，记录车辆的横摆角速度、侧向加速度等数据，将记录得到的方向盘转角数据输入车辆的数值模型，仿真计算车辆的动力学响应，若仿真结果与实验测得数据一致，则证明车辆数值模型的正确。文献 6 3 还记录了车辆的运动轨迹。3 2 数据处理陀螺仪测得实验数据，首先需要消除零飘，零飘可以通过计算初始数据的平均值进行估计。另外还需要对陀螺仪测出的

10、数据进行滤波处理，处理方法是先对实验数据进行F F r 变换，然后去除其中的噪声频率成分。3 3 实验结果在交通部公路试验场进行了实车实验，计算用到的车辆参数及实验所用的陀螺仪如表1 所示。典型的换道实验数据与通过车辆动力学仿真模型计算得到的结果对比如图3 5 所示。表1 车辆参数参数车辆质量车辆绕垂直轴转动惯量车辆质心到前轴距离车辆质心到后轴距离轮胎型号轮间距车辆速度车辆质心高度陀螺仪型号4图3 前轮转角从图4 和图5 可以看出实验用陀螺仪测得的车辆横摆角速度响应与仿真计算结果基本一致，从而验证了车辆模型的正确性。粤。D芝赵蚓艘麟一餐一图4 横摆角速度(下转第1 0 4 页)蒉篇m 鼬n 仆

11、n 加n吼他们埔铡揣L蕊，。眦 万方数据1 0 4仪器仪表学报第2 7 卷O。7O 6O 5O 4O 3O 2O 1OO0 0 10 0 2O 0 30 0 40 0 50 0 6C o r dl e n g t h(m)图4(c)电极电压与弦长的关系C o o r d i n a t ev a l u eo fY图4(d)电压与弦长比值和电极位置的关系参考文献 1 T A P PH S，A J P E Y T O N，As t a t eo ft h ea r tr e v i e wo fe l e c t r o m a g n e t i ct o m o g r a p h y I

12、nP r o c：3 r dW o r l dC o n g r e s so nI n d u s t r i a lP r o c e s sT o m o g r a p h y。B a n f f，C a n a d a，2-5S e p t，2 0 0 3：3 4 0-3 4 6 2 J a e-E u nC h a，Y e h-C h a nA h n，M o o H w a nK i m，F l o wm e a s u r e m e n tw i t ha ne l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e ri nt w o p h

13、a s eb u b b l ya n ds l u gf l o wr e g i m e s J F l o wM e a s u r e m e n ta n dI n s t r u m e n t a t i o n，1 2(5-6)，2 0 0 2：3 2 9 3 3 9 3 张小章基于流动电磁测量理论的流场重建 J 计量学报，1 9 9 8，1 9(1)：3 9 4 3 4 徐立军，王巫，董峰，等基于多电极电磁流量计的流速场重建 J 自然科学进展，2 0 0 2，1 2(5)：5 2 4 5 2 8 5 N D J i n，X B N i e，Y Y R e na n dX，B

14、L i u，C h a r a c t e r i z a t i o no fo i l w a t e rt w o-p h a s ef l o wp a t t e r n sb a s e do nn o n l i n e a rt i m es e r i e sa n a l y s i s J F l o wM e a s u r e m e n ta n dI n s t r u m e n t a t i o n，2 0 0 3，1 4(4-5)：1 6 9 1 7 5 6 M iW a n g，Y i x i nM a，H o l l i d a yN，Y u n f

15、e n gD a i，W i l l i a m sR A，L u c a sG，AH i g hP e r f o r m a n c eE I TS y s t e m J ，S e n s o r sJ o u r n a l，I E E E，2 0 0 5，5(2)：2 8 9 2 9 9 州1 1 1 _ 4 1 1 _ _+“1 1 l-_”-1|I”帅帅-一”t h,一t I I I t,“*l l 吣一”I I I l-，4 l I I)-，“-+咖+l l l l _“I l l I-一1 1 _ 州_ 1 l _ l m t i l t-。|1 _，_ H 1 1 一)t

16、l I I _ _ r 咖”|1 1 _“_ 1 1|l“)1 1 1”仙l i l t _ l l l|一I I _ 1 一t l l II I I II I I)I I I It i l lt i l l(上接第9 9 页)4论图5 侧向加速度 1 2 3 4 5 本文建立的参数化车辆模型能够快速方便的计算出车辆的响应特性，实车实验数据与仿真计算的结果验证了该模型的正确性，该车辆模型可为车辆设计人 6 员提供设计参考依据，也可用于车辆控制器的设计等。参考文献张国忠现代设计方法在汽车设计中的应用 M 沈阳：东北大学出版社，2 0 0 2 张健，雷雨成基于模糊综合评判的车型参数统计分析 J 公

17、路交通科技，2 0 0 2，1 9(3)：1 3 7 1 3 9 雷雨成汽车系统动力学及仿真 M 北京：国防工业出版社，1 9 9 7 S e g e l，L T h e o r e t i c a lp r e d i c t i o na n de x p e r i m e n t a ls u b s t a n t i a t i o no ft h er e s p o n s eo ft h ea u t o m o b i l et os t e e r i n gc o n t r o l A P r o c e e d i n g so ft h eI n s t i t

18、u t eo fm e c h a n i c a lE n g i n e e r s，1 9 5 6 A l l e n，R W，R o s e n t h a l，T J，S z o s t a k，H T S t e a d ys t a t ea n dt r a n s i e n ta n a l y s i so fg r o u n dv e h i c l eh a n d l i n g J S A EP a p e r8 7 0 4 9 5 高越，杨得军，宗长富，等汽车轨迹测量的速度积分方法及其实施技术I-J-汽车技术，2 0 0 2，9：2 3 2 6 一曰一uua2

19、02口焉=qu芑。暑雠目三qJou矗oQu口p-拦兰口_【量苦。苦巳o自、越制景尽翠结 万方数据基于SIMULINK的参数化车辆模型及其实验验证基于SIMULINK的参数化车辆模型及其实验验证作者：李剑峰，高利，刘碧荣，Li Jianfeng，Gao Li，Liu Birong作者单位：北京理工大学交通工程系,北京,100081刊名：仪器仪表学报英文刊名：CHINESE JOURNAL OF SCIENTIFIC INSTRUMENT年，卷(期)：2006,27(z1)参考文献(6条)参考文献(6条)1.高越;杨得军;宗长富 汽车轨迹测量的速度积分方法及其实施技术期刊论文-汽车技术 2002(

20、09)2.Allen R W;Rosenthal T J;Szostak H T Steady state and transient analysis of ground vehicle handling3.Segel L Theoretical prediction and experimental substantiation of the response of the automobileto steering control 19564.雷雨成 汽车系统动力学及仿真 19975.张健;雷雨成 基于模糊综合评判的车型参数统计分析期刊论文-公路交通科技 2002(03)6.张国忠 现代设计方法在汽车设计中的应用 2002 本文链接：http:/