裝配圖大學(xué)生方程式賽車設(shè)計(jì)（整體車架、標(biāo)準(zhǔn)安全系統(tǒng)、座椅及附件設(shè)計(jì)）（有cad圖+三維圖+中英文翻譯）,裝配,大學(xué)生,方程式賽車,設(shè)計(jì),整體,總體,車架,標(biāo)準(zhǔn),全系統(tǒng),座椅,附件,cad,三維,中英文,翻譯 設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)一個(gè)統(tǒng)一底盤控制系統(tǒng)在虛擬測(cè)試軌道上的車輛防側(cè)翻和穩(wěn)定性改進(jìn) 摘 要 本文介紹的是統(tǒng)一的底盤控制(UCC)系統(tǒng)的發(fā)展和在虛擬測(cè)試軌道（VTT）上控制系統(tǒng)的評(píng)價(jià)。統(tǒng)一底盤控制系統(tǒng)的目的是防止車輛側(cè)翻，并通過集成電子穩(wěn)定性控制（ESC）和主動(dòng)正轉(zhuǎn)向(AFS)來(lái)改善車輛的操縱性和其橫向穩(wěn)定性。防側(cè)翻通過速度控制可以達(dá)到，通過偏航速率控制可以改進(jìn)車輛的穩(wěn)定性。因?yàn)榻y(tǒng)一底盤控制器總是與驅(qū)動(dòng)程序一同工作，車輛的總體性能不僅依靠控制器工作的好壞而且依靠它和駕駛員的相互作用。通過全面的駕駛模擬器上由組成的實(shí)時(shí)汽車駕駛模擬器、 視覺動(dòng)畫引擎、 可視顯示和合適的人車接口的虛擬測(cè)試軌道研究了車輛性能和車輛、控制器和人力驅(qū)動(dòng)程序之間的交互作用。虛擬測(cè)試軌道已開發(fā)和用于對(duì)統(tǒng)一底盤控制系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室中的各種現(xiàn)實(shí)情況下的評(píng)估。并且使在實(shí)驗(yàn)室對(duì)底盤控制器的評(píng)估中不帶危險(xiǎn)和傷害的實(shí)地試驗(yàn)成為了可能。并且值得關(guān)注的是還承諾了可以節(jié)約發(fā)展成本同時(shí)也全部循環(huán)利用了整體發(fā)展周期。 1. 簡(jiǎn)介 車輛側(cè)翻在地面運(yùn)輸?shù)膮^(qū)域里是一個(gè)嚴(yán)重的問題，由國(guó)家公路交通安全管理局(NHTSA)出版的一份報(bào)告發(fā)現(xiàn)即使側(cè)翻構(gòu)成的所有意外只占有一小部分，但是只要它發(fā)生了，就會(huì)造成不成比例地大部分的嚴(yán)重和致命的傷害。在2002年，有近 1100 萬(wàn)輛乘用車、 SUV、 皮卡和輕型客貨車發(fā)生了撞車事故 ，然而只有2.6%的事故與側(cè)翻有關(guān)。但是，由于車輛側(cè)翻而導(dǎo)致的致命的車禍發(fā)生了約 21.1%，其相應(yīng)的百分比明顯高于其他類型的事故(NHTSA，2003年)。為了幫助消費(fèi)者了解車輛可能發(fā)生的側(cè)翻，NHTSA提出了使用靜態(tài)穩(wěn)定因子（SSF）側(cè)翻抵抗評(píng)級(jí)程序，這是利用高度重心 (CG) 的半履帶寬度的比率來(lái)確定的翻轉(zhuǎn)抵抗評(píng)級(jí)。SSF 在汽車行業(yè)內(nèi)受到質(zhì)疑，因?yàn)樗鼪]有考慮到懸架的偏轉(zhuǎn)、輪胎牽引方面或車輛控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)的影響。因此，2002年，NHTSA 發(fā)表了另一個(gè)公告就確定了動(dòng)態(tài)翻轉(zhuǎn)的測(cè)試程序 (NHTSA，2001年)。 大多數(shù)現(xiàn)有的側(cè)翻預(yù)防技術(shù)可分為兩類，即 類型(1) 是通過主動(dòng)懸架、 主動(dòng)防傾桿或正向穩(wěn)定器直接控制車輛翻轉(zhuǎn)動(dòng)作(陳 & 許，2008年)，這種類型可以通過提高側(cè)翻最低限值來(lái)防止車輛的側(cè)翻； 類型(2) 是通過差動(dòng)制動(dòng)和主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向來(lái)控制車輛的偏航運(yùn)動(dòng)從而間接影響車輛的側(cè)翻動(dòng)作的類型(韋蘭加 & 昌西，2000年)。一些有關(guān)側(cè)翻發(fā)現(xiàn)和側(cè)翻的預(yù)防措施的研究已經(jīng)開始做了。?？说热颂岢隽艘环N算法，可以發(fā)現(xiàn)懸置側(cè)翻和一種基本預(yù)估的側(cè)翻指數(shù)(海克、布朗&馬丁，2004年)。陳和鵬提出一種基于時(shí)間過度 (TTR) 公制的抗側(cè)翻算法(陳 & 彭，2001年)。在這個(gè)研究中，差動(dòng)制動(dòng)被選定為驅(qū)動(dòng)的方法。安格人和彭為防側(cè)翻評(píng)估車輛動(dòng)力學(xué)控制 (VDC) 系統(tǒng)(安格人 & 彭，2004年)。楊和劉韋防側(cè)翻制定了一個(gè)結(jié)實(shí)的主動(dòng)懸架(楊 & 劉，2003年)。 斯科菲爾德和海格隆德為防側(cè)翻制定了一種方法，即采用最佳的輪胎分布力 (斯科菲爾德 & 海格隆德，2008年)。月恩和易提出了一個(gè)翻轉(zhuǎn)指數(shù)，指示車輛側(cè)翻的危險(xiǎn)，和側(cè)翻緩解控制系統(tǒng)的基本指數(shù)一樣，通過電子穩(wěn)定控制 (ESC)來(lái)減少側(cè)翻的指數(shù)(月恩、基姆 & 易，2007年)。由于橫向加速度是車輛側(cè)翻的主導(dǎo)因素，很多研究防側(cè)翻已建議使用偏航運(yùn)動(dòng)控制以減少橫向加速度。然而，由于這些翻轉(zhuǎn)預(yù)防計(jì)劃只專注于減少橫向加速度，車輛的操縱性和橫向穩(wěn)定性就無(wú)法保證了(月恩、稠、酷、易，2009年)。因此，當(dāng)防側(cè)翻控制器工作以減少橫向加速度時(shí)，它就會(huì)傾向于向計(jì)劃相反的方向運(yùn)動(dòng)。這可能會(huì)導(dǎo)致車輛偏離道路，從而導(dǎo)致事故。喬等人為房側(cè)翻制定了車輛動(dòng)力控制系統(tǒng)（VDC）來(lái)確保車輛的橫向穩(wěn)定性 (喬、尤、杰昂、李 & 易，2008年）。在這個(gè)研究中，VDC被設(shè)計(jì)出來(lái)，以及優(yōu)先考慮了防側(cè)翻、過度側(cè)滑角度和車輛的不足轉(zhuǎn)向和過多轉(zhuǎn)向。然而，這種方法會(huì)導(dǎo)致車輛的可操縱性或防側(cè)翻的減少。 出于此原因，統(tǒng)一的底盤控制系統(tǒng)(UCC)被設(shè)計(jì)出來(lái)用于防止車輛的側(cè)翻。同時(shí)，通過結(jié)合各自的底盤控制模型來(lái)保證良好的操縱性和橫向穩(wěn)定性。例如，電子固定控制（ESC）和主動(dòng)前轉(zhuǎn)向（AFS）。設(shè)計(jì)了一種車輛速度控制算法以防止車輛側(cè)翻。另外一種用于控制偏航運(yùn)動(dòng)的算法旨在提高可操縱性和橫向穩(wěn)定性。擬議的統(tǒng)一底盤控制（UCC）工作以增強(qiáng)可操作性和在沒有側(cè)翻危險(xiǎn)的正常駕駛的情況下的橫向穩(wěn)定性。當(dāng)側(cè)翻的風(fēng)險(xiǎn)增加，啟動(dòng)統(tǒng)一底盤控制（UCC）來(lái)防止車輛側(cè)翻，同時(shí)可以確保車輛通過司機(jī)的駕駛可以在小路上不斷移動(dòng)。為了檢測(cè)即將發(fā)生的車輛側(cè)翻，側(cè)翻指數(shù)(RI)，已經(jīng)在事先的研究中被計(jì)劃使用了(月恩等人，2007年)。 因?yàn)榻y(tǒng)一底盤（UCC）控制器總是與司機(jī)的操縱一起工作，所以全部車輛的動(dòng)作將不僅僅依靠控制器工作的好壞，而且也依靠和司機(jī)的相互作用。因此，一個(gè)封閉的循環(huán)評(píng)估在（UCC）控制器設(shè)計(jì)中比開環(huán)模擬影響更大。所以人們總是規(guī)定了更有效的轉(zhuǎn)向(鐘 & 易，2006年)。此外，主動(dòng)安全系統(tǒng)，例如統(tǒng)一底盤控制（UCC），主動(dòng)巡航控制、碰撞預(yù)警、 碰撞躲避系統(tǒng)等，評(píng)價(jià)嚴(yán)重依賴實(shí)地測(cè)試，需要費(fèi)時(shí)和昂貴的試驗(yàn)，并往往產(chǎn)生重大的危險(xiǎn)(漢 & 易，2006年)?；谀Ｐ偷哪M使成為可能執(zhí)行詳盡設(shè)計(jì)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)前的評(píng)價(jià)。出于此原因，一個(gè)有關(guān)虛擬測(cè)試軌道（VTT）的全面的駕駛模擬器已經(jīng)被開發(fā)了。并使用在統(tǒng)一底盤控制的人權(quán)循環(huán)評(píng)價(jià)中?；诩彼倏刂疲≧CP）的概念，在虛擬軌道（VTT）中已經(jīng)在2004年被李描述過了。 在這篇文章中，統(tǒng)一底盤控制（UCC）算法的控制性能已經(jīng)被研究了。通過一個(gè)真實(shí)的循環(huán)仿真，并運(yùn)用在了虛擬測(cè)試軌道上（VTT）。在測(cè)試中，根據(jù)虛測(cè)試擬軌道，通過由十三名司機(jī)進(jìn)行控制和細(xì)節(jié)分析及總結(jié)的結(jié)果。 2. 統(tǒng)一底盤控制器設(shè)計(jì) 在這個(gè)研究中，統(tǒng)一底盤控制（UCC）系統(tǒng)旨在防止車輛側(cè)翻并提高操縱性和橫向穩(wěn)定性，通過結(jié)合獨(dú)立底盤控制模型。例如，電子固定控制（ESC）和主動(dòng)前轉(zhuǎn)向（AFS）?？偣灿腥N控制模式，分別是ROM、 ESC-γ和ESC-β。分別表示防側(cè)翻、可操縱性和橫向穩(wěn)定性。統(tǒng)一底盤控制（UCC）的工作是以增強(qiáng)可操作性和橫向穩(wěn)定性，這是在正常的沒有側(cè)翻危險(xiǎn)的情況下?？刹倏v性和橫向穩(wěn)定性的改善是通過在實(shí)際偏航比率和期望偏航比率之間減少偏航比率的誤差來(lái)實(shí)現(xiàn)的。該驅(qū)動(dòng)程序是建立在司機(jī)轉(zhuǎn)向輸入和車輛的側(cè)滑角的基礎(chǔ)上的。當(dāng)有高度側(cè)翻危險(xiǎn)時(shí)，啟動(dòng)統(tǒng)一底盤控制（UCC）工作，來(lái)減少車輛的側(cè)翻，同時(shí)，提高車輛的可操縱性和橫向穩(wěn)定性。如在上一節(jié)中所述，因?yàn)橹暗难芯靠紤]到了減少側(cè)翻的控制(ROM)，即基于 RI 的 ROM 控制(月恩等人，2007年)。只著眼于預(yù)防車輛的側(cè)翻，因此就不能保證車輛的操縱性和橫向穩(wěn)定性。由于車輛側(cè)翻確實(shí)會(huì)存在較大的橫向加速度，先前的側(cè)翻基本指數(shù)RI基于ROM的控制器就起作用了，從而減少了橫向加速度。此控制器的策略會(huì)傾向于司機(jī)控制車輛的相反的方向，可能會(huì)引起車輛偏離路面，從而導(dǎo)致交通事故。為此，側(cè)翻指數(shù) / 車輛基本底盤控制器就被設(shè)計(jì)出來(lái)，旨在防止車輛側(cè)翻并同時(shí)確保車輛可以在司機(jī)的控制下在小路上連續(xù)移動(dòng)。 圖1顯示的是一種側(cè)翻指數(shù)RI/車輛橫向基本統(tǒng)一底盤控制策略的概念算法。實(shí)施的統(tǒng)一底盤控制系統(tǒng)由高低級(jí)別的控制器組成。其中高級(jí)控制器確定控制模式，如防側(cè)翻、操縱性和橫向穩(wěn)定性 ；它也計(jì)算的所需的剎車力和為其目標(biāo)所需的偏航力矩。每個(gè)控制模式都控制一個(gè)偏航力矩和縱向輪胎力，在其軌道上帶著它一致的目標(biāo)。在低級(jí)別控制器中輸入控制模型時(shí)，它就計(jì)算出縱向及橫向輪胎力。如電子固定控制（ESC）和主動(dòng)前轉(zhuǎn)向（AFS）。 11 2.1 高級(jí)控制器：決定所需制動(dòng)力和所需的偏航力矩 高級(jí)控制器包括三種控制模式和一個(gè)邏輯開關(guān)。一種控制偏航力矩和縱向輪胎力由在軌道上的一致控制模型決定。所以，開關(guān)控制決定了它的基本起點(diǎn)。在司機(jī)的驅(qū)動(dòng)程序的輸入和傳感器信號(hào)的基礎(chǔ)上，高級(jí)控制器控制的模型就被選擇了出來(lái)，如圖2所示。 在此研究中，側(cè)翻指數(shù)RI被用于檢測(cè)即將發(fā)生的車輛側(cè)翻上。其中側(cè)翻指數(shù)RI是無(wú)量綱的數(shù)，它可以指明的車輛側(cè)翻風(fēng)險(xiǎn)。它是通過以下式子計(jì)算的： （1） 精確的橫向加速度，預(yù)估的翻轉(zhuǎn)角度Φ，估計(jì)的翻轉(zhuǎn)比率θ，和依靠車輛幾何學(xué)所得出的嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕Y(jié)果(月恩等人，2007年)。 在公式(1)中，、和都是正常數(shù)（0<<1,0<<1）。和是重量參數(shù)。與車輛的側(cè)翻情況和橫向加速度有關(guān)。是設(shè)計(jì)參數(shù)，由翻轉(zhuǎn)角度比率的幾何分析決定。公式（1）中的這些參數(shù)都是由在不同駕駛環(huán)境下的模擬研究所決定的。并調(diào)整出了這樣一個(gè)側(cè)翻指數(shù)RI以防止車輛側(cè)翻。一個(gè)由側(cè)翻指數(shù)所決定的細(xì)節(jié)描述在以前的研究中被發(fā)現(xiàn)了(月恩等人，2007 年)。橫向加速度可以輕松從傳感器中確定，并且已經(jīng)存在于車輛配備的電子固定系統(tǒng)（ESC）。但是一些傳感器需要確定翻轉(zhuǎn)角和翻轉(zhuǎn)比率，盡管它直接測(cè)量這些非常困難且代價(jià)也高(舒伯特、 尼科爾斯、沃爾納、空、斯基夫曼，2004年）。 由于這個(gè)原因，翻轉(zhuǎn)角度和翻轉(zhuǎn)比率總是被一個(gè)類似翻轉(zhuǎn)狀態(tài)預(yù)測(cè)器的基本模型所預(yù)測(cè)(帕克、月恩、易 & 基姆，2008年)。 制定側(cè)翻指數(shù)RI的預(yù)估應(yīng)用在車輛試驗(yàn)的數(shù)據(jù)是從曼多公司（MANDO）獲得的。記錄的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)應(yīng)用在這個(gè)評(píng)估中并不是出自統(tǒng)一底盤控制系統(tǒng)（UCC）。換句話說，曼多（MANDO）控制算法是不同于本文所描述的。所以測(cè)試得到的結(jié)果與預(yù)期結(jié)果相比較會(huì)顯示一些不同。圖4顯示的是車輛測(cè)試數(shù)據(jù)和翻轉(zhuǎn)指數(shù)，這是由國(guó)家公路交通安全管理局（NHTSA）發(fā)明的魚鉤實(shí)驗(yàn)。作為一個(gè)為動(dòng)態(tài)側(cè)翻傾向預(yù)測(cè)的動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的結(jié)果用于整車質(zhì)量評(píng)估上。魚鉤實(shí)驗(yàn)的操作步驟在圖3中所示。 圖4(a)中所示的是在兩種實(shí)驗(yàn)案例下車輛轉(zhuǎn)向角的時(shí)間歷程。其輸入速度分別是43.2和45.6英里/小時(shí)，但車輛橫向穩(wěn)定性控制輸入僅適用于45.6英里/小時(shí)的案例。在這兩種情況下，一個(gè)或兩個(gè)輪子被抬升了約 4.2 s，但是側(cè)翻趨勢(shì)卻一致增加了。因此，一旦選擇控制輸入，翻轉(zhuǎn)角度和橫向加速度均會(huì)下降，側(cè)翻指數(shù)也就一起隨著下降了，如圖4(b)–(d)中所示。與控制情況相比較，側(cè)翻角度、 橫向加速度和側(cè)翻指數(shù)在非控制情況中一同的增加了。因此得出，車輛 的側(cè)翻持續(xù)了大約6s的時(shí)間。 如果側(cè)翻指數(shù)（RI）超過特定的閾值，防止側(cè)翻的模型ROM就被激活了。另外，控制器既是可操縱性得模型也是橫向穩(wěn)定性的模型。在一個(gè)很小的側(cè)滑角下，可操縱性模式中的控制器，也就是ESC-γ就起作用了。如果實(shí)際偏航比率和所需的偏航比率之間的差值超過了特定的閾值，處于激活狀態(tài)下的橫向穩(wěn)定模型就由車輛的側(cè)滑角決定。如果側(cè)滑角超過它的臨界值，在橫向穩(wěn)定性模型中的控制器，也就是ESC-β，和側(cè)滑角就能被存在于車輛中的傳感器在有限的時(shí)內(nèi)成功的檢測(cè)到（尤、哈恩、李，2009年）。 可操縱性和橫向穩(wěn)定性由偏航力矩控制方法所保證。而防止側(cè)翻通過偏航力矩/速度控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。高級(jí)控制器計(jì)算出所需要的制動(dòng)力，，為防側(cè)翻和所需的偏航的力矩，的可操縱性和橫向穩(wěn)定性。在高級(jí)控制器中，所需的控制模式切換的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖見圖5。 用于狀態(tài)轉(zhuǎn)換的信號(hào)是偏航比率的誤差，側(cè)滑角β 以及側(cè)翻指數(shù)RI。以致于圖5中的每一項(xiàng)都代表了一個(gè)轉(zhuǎn)換器。并在表 1 中描述了其激活的條件。當(dāng)車輛的狀態(tài)是處于ESC-γ 或ESC-β時(shí)，正如圖5中所示的一樣，偏航力矩控制就被應(yīng)用到了，并生成所需的偏航力矩來(lái)跟蹤目標(biāo)偏航率。在ESC-γ中，目標(biāo)的偏航比率在司機(jī)的轉(zhuǎn)向輸入的基礎(chǔ)上生成了，目的是為了提高操縱性。在ESC-β中，目標(biāo)偏航比率的產(chǎn)生是為了減少過多的側(cè)滑角β。為實(shí)現(xiàn)車輛的橫向穩(wěn)定性。當(dāng)車輛狀態(tài)是ROM時(shí)，偏航力矩和速度控制被應(yīng)用了，并分別為車輛穩(wěn)定性生成所需的偏航力矩和防側(cè)翻的制動(dòng)力。 在表1中，側(cè)翻指數(shù)的起始值（）被設(shè)置為0.7，這是比較重要的數(shù)值。因?yàn)樗熊囕v的車輪都是與地面直接相接處的。的起始值（）被選定為0.06rad，這是在假定文章中的μ=0.3的前提下的。（拉賈瑪尼，2006年）。偏航比率誤差的起始值（）設(shè)定為0.08rad/s，是為了給出最大的偏航比率誤差。當(dāng)車輛從小路上以60km/h的速度行駛到干燥的柏油路上。 2.1.1.為可操縱性和橫向穩(wěn)定性預(yù)設(shè)偏航力矩（ESC-γ/ESC-β模式） 如果側(cè)翻指數(shù)RI很小，ESC-γ和ESC-β模型就被激活了。目的是為了分別實(shí)現(xiàn)所需的可操縱性或橫向穩(wěn)定性。在這種控制模式中，所需的偏航力矩被確定出來(lái)其目的是通過使用一個(gè)自行車模型計(jì)算目標(biāo)車輛響應(yīng)來(lái)減少偏航率誤差。這種線性模型在特定的區(qū)域內(nèi)可以表示線性輪胎特性，并且在許多出版的刊物中已經(jīng)被證實(shí)了(例如，納蓋、斯諾及高，2002年）。另外，因?yàn)檐囕v主動(dòng)安全控制應(yīng)該在車輛進(jìn)入任何危險(xiǎn)的情況之前被啟動(dòng)，此時(shí)，輪胎處于極限附著狀態(tài)附近，輪胎的特性已經(jīng)超出了線性區(qū)域之外，此時(shí)，控制就開始起作用了。因此，線性自行車模型能足夠設(shè)計(jì)出一個(gè)控制器，來(lái)確保車輛的穩(wěn)定性。 采用直接橫擺力矩控制的方法來(lái)確定所需的偏航力矩，圖6中顯示了2-D自行車模型，包括了直接偏航力矩。 2-D自行車模型的動(dòng)態(tài)方程表示如下所示： 一般情況下，通過公式(2)，所需的偏航比率，在司機(jī)的轉(zhuǎn)向輸入的基礎(chǔ)上，理論上根據(jù)線性輪胎力的2-D自行車模型確定。自行車模型的穩(wěn)態(tài)偏航比率已經(jīng)介紹過了。車輛的可操縱性又由司機(jī)的目的所反映，這就表示出了車輛的縱向速度和驅(qū)動(dòng)程序的轉(zhuǎn)向輸入功能，如下所示： 所需的偏航比率，如公式(3)中提到的，被作為參考ESC-γ控制模式的偏航比率。 一般情況下，如果側(cè)滑角超過了3°的話，橫向穩(wěn)定性就無(wú)法保證了。過度的車身側(cè)滑會(huì)引起車輛偏航動(dòng)作的延遲，從而使司機(jī)的轉(zhuǎn)向輸入增大，并威脅到了車輛的橫向穩(wěn)定性。如車輛的側(cè)滑角增加，穩(wěn)定偏航力矩就取決于轉(zhuǎn)向輸入的減少，因此，該車輛的橫向動(dòng)作就變得不穩(wěn)定。所以，控制就介入進(jìn)來(lái)以保持車身的側(cè)滑角在小于3°的范圍之內(nèi)合理的變動(dòng)，這樣就會(huì)按照需求提高車輛的橫向穩(wěn)定性(喬等人，2008年）。