車輛運動學(xué)模型 課件講解

《車載智能技術(shù)》

無人駕駛汽車運動控制-車輛運動學(xué)模型主講人：劉冰潔江西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院一、人-車閉路系統(tǒng)從駕駛車輛的過程來看，駕駛員與車輛之間組成了一個非常完整的車輛控制系統(tǒng)。可以看出，車輛行駛系統(tǒng)是一個非常典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖7-1所示。×××一、人-車閉路系統(tǒng)1.系統(tǒng)的傳感器、控制器———駕駛員在車輛行駛的過程中駕駛員要對車輛自身性能、車輛行駛的道路、車輛前方障礙物及到障礙物的距離進行感知，只有在明確了自身的狀態(tài)后才能準(zhǔn)確地對車輛進行操控。一、人-車閉路系統(tǒng)2.被控對象———汽車從結(jié)構(gòu)上講，汽車綜合了機械、電機及控制等學(xué)科，因為自身及外界環(huán)境的復(fù)雜多變，所以無法用一個確定的線性系統(tǒng)來描述。以轉(zhuǎn)向系統(tǒng)單元為例，其動力學(xué)特性會隨車速的變化而變化，另外，輪胎的側(cè)偏現(xiàn)象會隨著地面附著系數(shù)等因素的改變而改變。因此，可以說汽車這一被控對象是一個高度非線性系統(tǒng)。二、線性二自由度汽車模型的運動微分方程1.車輛坐標(biāo)系在分析車輛運動時，用車輛坐標(biāo)系來表示運動中的汽車。圖7-2給出了空間直角坐標(biāo)下的車輛坐標(biāo)系。從圖7-2中可以看到，原點經(jīng)常被放在車輛質(zhì)心點上，當(dāng)汽車保持靜止時，X軸表示車輛的縱向運動，Y軸表示車輛的側(cè)向運動，Z軸表示車輛的上下運動。如圖7-2所示。二、線性二自由度汽車模型的運動微分方程2.車輛動力學(xué)模型在對車輛進行動力學(xué)分析時，一般通過分析二自由度的車輛模型以便于對車輛動力學(xué)的學(xué)習(xí)研究。分析中忽略轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的影響，直接以前輪轉(zhuǎn)角作為輸入；忽略懸架的作用，認(rèn)為車廂只做平行于路面的平面運動，即汽車Z沿軸的位移，繞Y軸的俯仰角與繞X軸的側(cè)傾角均為零、前進速度u視為不變。二、線性二自由度汽車模型的運動微分方程這樣一來，便可以用一簡化為兩輪車的模型來表示車輛的實際模型，如圖7-3所示。借助車輛坐標(biāo)系，對車輛進行動力學(xué)分析。這時車輛的質(zhì)量參數(shù)呈均勻分布，轉(zhuǎn)動慣量等可以用一常數(shù)進行表示，這也正是采用車輛坐標(biāo)系的優(yōu)越之處。這樣只需要將車輛縱向運動的加速度與車輛側(cè)向運動的角加速度、外力與外力距進行坐標(biāo)分解，便可得出車輛的動力學(xué)微分方程。二、線性二自由度汽車模型的運動微分方程ax表示質(zhì)心加速度沿x軸(車輛坐標(biāo))分量，ay表示質(zhì)心加速度沿y軸(車輛坐標(biāo))分量；由圖7-4可以得出在t+Δt時刻，沿OX軸速度分量的變化為:二、線性二自由度汽車模型的運動微分方程由于Δθ很小且忽略二階微量，則式(7-1)可變?yōu)閯t質(zhì)心加速度沿x軸的坐標(biāo)分量ax為同理，可得汽車質(zhì)心絕對加速度沿y軸上的分量ay為由圖7-3可知，在考慮到前輪轉(zhuǎn)角較小，即cosδ=1的情況下，車輛受到的外力沿y軸方向的合力與繞質(zhì)心的力矩和為其中，F(xiàn)y1、Fy2為地面對前、后輪的側(cè)向反作用力。汽車前、后軸中點的速度為u1、u2，質(zhì)心偏轉(zhuǎn)角為β，則可以得出如下關(guān)系:二、線性二自由度汽車模型的運動微分方程3.車輛縱向運動的動力性與制動性1)汽車的動力性所謂汽車的動力性是指當(dāng)車輛在良好的路面上直線行駛時，由汽車受到的縱向外力決定的、所能達到的平均行駛速度。評價車輛動力性主要有以下3個指標(biāo)。01車輛行駛中能達到的最大車速umax，即在水平良好的混凝土或瀝青路面上汽車能達到的最高行駛速度。02汽車從起動到速度達到所需用的時間t。二、線性二自由度汽車模型的運動微分方程汽車的行駛方程式為

Ft=∑F式中，F(xiàn)t為驅(qū)動力；∑F為行駛阻力之和。汽車的發(fā)動機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，經(jīng)傳動系作用于驅(qū)動輪上，如圖7-6所示。03汽車能夠通過的最大坡度imax。二、線性二自由度汽車模型的運動微分方程2)汽車的制動性評價汽車制動性的好壞主要看以下3個方面的性能指標(biāo)。③制動時汽車的方向穩(wěn)定性，即制動時汽車不發(fā)生側(cè)滑、跑偏及失去轉(zhuǎn)向控制能力的性能。②制動效能的恒定值，即抗熱衰退性能。所謂抗熱衰退性能是指汽車高速行駛或下長坡連續(xù)制動時制動效能保持的程度。①制動效能，即制動加速度與制動距離。三、汽車側(cè)向運動與縱向運動之間的耦合關(guān)系1.縱向運動對于側(cè)向運動的影響在不同的車速下對前輪擺角與車輛橫擺角速度之間傳遞函數(shù)的阻尼規(guī)律及無阻尼振蕩頻率的計算結(jié)果，如圖7-9所示。從圖7-9中可以看出，阻尼率隨車速不斷減小，自然頻率也有減小的趨勢。三、汽車側(cè)向運動與縱向運動之間的耦合關(guān)系2.側(cè)向運動對縱向運動的影響當(dāng)車輛勻速直線行駛時，若車輛突然進