車輛逆縱向動力學(xué)系統(tǒng)建模分析概述目錄TOC\o"1-3"\h\u12767車輛逆縱向動力學(xué)系統(tǒng)建模分析概述 1282131.1引言 1196331.2安全車間距模型 1209821.3加速控制模型 436911.4制動控制模型 7104771.5加速制動切換邏輯 81.1引言上位控制器的作用發(fā)出的控制指令將車輛逆縱向動力學(xué)模型轉(zhuǎn)變?yōu)槔硐霠顟B(tài)，并將理想狀態(tài)的數(shù)據(jù)輸入到車輛縱向動力學(xué)模型，從而自動控制汽車加速、勻速和減速行駛，從而達(dá)到自適應(yīng)巡航的目的。車輛在行駛過程中，車輛加速和制動減速是分別進(jìn)行操作的，加速時踩踏油門，從而達(dá)到增大節(jié)氣門開度使車輛動力增加的目的。制動時首先松開油門，利用發(fā)動機(jī)倒拖、車輛內(nèi)部結(jié)構(gòu)相互摩擦、風(fēng)阻和路面對輪胎的滾動阻力等多種形式進(jìn)行制動；接著，為了進(jìn)一步增大制動壓力可以踩制動踏板，主動施加制動壓力，增大車輛的減速度。應(yīng)盡量避免頻繁踩踏油門和制動踏板，以保證乘員駕車舒適性和車輛可靠性。本章首先在Simulink中建立車輛的車間距控制策略，加速控制模型、制動控制模型，為車輛切換控制模型做好準(zhǔn)備。然后進(jìn)行加速/制動切換邏輯模型的建模，對車輛需要進(jìn)行的模式控制做判定。1.2安全車間距模型在進(jìn)行任何活動之前，首要考慮的便是安全性，所以對于輔助駕駛技術(shù)來說，安全也是需要放在首位考慮的。圖1.1安全車距各段作用目前對于安全車間距算法大體可分為兩類：固定車間距算法和可變車間距算法。固定車間距算法則是使本車與前車始終保持一定安全距離，這段安全距離為定制，并不會受到兩車車速或者道路工況等條件的影響；可變車間距算法則是采集本車車速以及道路工況等信息，對不同工況提供不同的安全距離要求。固定車間距算法由于保持兩車間距處于一個定值，所以進(jìn)行計算，過于簡單，所以當(dāng)前車變速行駛或者道路工況多變時，無法滿足安全要求，所以固定車間距無法適應(yīng)復(fù)雜的交通環(huán)境?？勺冘囬g距離算法又分為兩類：可變時距和固定時距?？勺儠r距需要考慮到多方面的影響，在可變時距車間算法中，車間時距為變量，會受到兩車車速、路面狀況、兩車間距等信息的影響，算法復(fù)雜，且會頻繁更改安全車間距導(dǎo)致系統(tǒng)在加速制動之間頻繁切換，不利于行車穩(wěn)定性，同時會降低車內(nèi)零件可靠性。固定時距則較為簡單，且穩(wěn)定性強(qiáng)，至今仍被廣泛采用。所以本次論文采用固定時距的可變車間距算法。車間時距指的本車以當(dāng)前速度勻速行駛經(jīng)過長度為前車尾部至本車頭部這段距離所需要的時間。如公式所示：（3-1）式中：為車間時距（s），為兩車實際距離（m），為自車車速（m/s）。采用的車間距離公式：（3-2）式中：為安全車間距離（m），為停車狀態(tài)下兩車安全距離（m），為車間時距（s）。由經(jīng)驗可得，靜止?fàn)顟B(tài)下，兩車安全距離一般取值為2~7米，本文取值。自適應(yīng)巡航模式下，采用的車間時距取值一般為1~3秒，本文取值，可得到安全車距與車速關(guān)系圖：圖1.2安全車距與車速關(guān)系由圖1.2可看出，安全車距與車速符合一次線性關(guān)系，安全車距會隨車速的增大而增大，符合現(xiàn)實條件。圖1.1安全車間距模型1.3加速控制模型當(dāng)車輛需要進(jìn)行加速，則系統(tǒng)切換為加速控制，需要按照預(yù)期加速度的要求，經(jīng)過模型計算得到期望發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)矩，再通過發(fā)動機(jī)逆向模型查到期望節(jié)氣門開度。首先對車輛進(jìn)行縱向動力學(xué)分析，忽略旋轉(zhuǎn)部件換算質(zhì)量不計，可得到車輛運動方程：（3-3）（3-4）式中：期望加速度m整車質(zhì)量路面作用于車輛的驅(qū)動力路面作用于車輛的制動力車輛所受各種阻力之和空氣阻力系數(shù)迎風(fēng)面積空氣密度車輛速度重力加速度滾動阻力系數(shù)在不考慮傳動系變形、車內(nèi)零件相互磨擦損耗等的情況下，可得車輛所受驅(qū)動力為（3-5）式中：機(jī)械效率發(fā)動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩液力變矩器渦輪轉(zhuǎn)速發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速變速器檔位速比主減速器減速比力變矩器轉(zhuǎn)矩特性函數(shù)r車輪滾動半徑一個可實時觀測變量其中為一個可實時觀測變量：（3-6）當(dāng)車輛處于輸出控制工況時，此時制動力，根據(jù)變速器當(dāng)前的檔位和速比可得到發(fā)動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩為：（3-7）使用Carsim車輛模型的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩特性數(shù)據(jù)，取不同轉(zhuǎn)速輸出不同轉(zhuǎn)矩所需要的節(jié)氣門開度，就能獲得節(jié)氣門開圖特性曲線圖，如圖1.2所示圖1.2發(fā)動機(jī)節(jié)氣門開度特性脈譜圖圖1.3節(jié)氣門控制模型1.4制動控制模型定義車輛期望加速度為，車輛最大減速度，由加速/制動基本邏輯可以判斷：當(dāng)時，應(yīng)當(dāng)為加速控制，時，應(yīng)當(dāng)為制動控制。不存在制動加速同時出現(xiàn)的情況。在系統(tǒng)邏輯判定需要車輛進(jìn)行制動的時候，通過期望加速度可以求出期望制動力，從而通過制動器逆向模型求得此時車輛制動壓力，并將制動壓力通過執(zhí)行器加載到車輛動力學(xué)模型對車輛模型進(jìn)行制動控制。此時發(fā)動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩、節(jié)氣門開度均為0，也就是說車輛此時的驅(qū)動力=0，可將式（1-1）簡化為：（3-8）在路面最大制動力大于制動壓力時，制動力和制動壓力在一定程度上趨于正比，所以可近似表達(dá)為線性關(guān)系：（3-9）式中：Kb為一系數(shù)。由于式（3-8）和（3-9）聯(lián)立可得：（3-10）式中：為制動力；為空氣阻力系數(shù)；為滾動阻力系數(shù)；為制動力和制動壓力比值；對于前輪和后輪制動力矩，則通過對車輛模型輸入恒定的制動壓力并在Carsim運行，而后在輸出數(shù)據(jù)中便可獲得：（3-11）式中：為實際制動壓力；為前輪制動力矩；為后輪制動力矩。但由于本文僅考慮車輛縱向運動，不考慮車輛橫向運動，因此可將前后輪制動力矩均設(shè)為0。利用Simulink建立分層控制器模型和逆縱向動力學(xué)模型，且在Carsim提供各種信號之后，通過計算可獲得期望節(jié)氣門開度和制動壓力，并將計算所得的期望節(jié)氣門開度和制動壓力輸入到Carsim自帶的車輛動力學(xué)模型中，以完成對車輛縱向減速、勻速和加速運動的控制。圖1.4制動壓力控制模型1.5加速制動切換邏輯在車輛正常行駛時，一般來說，不會對車輛同時進(jìn)行加速和制動控制，加速控制和制動控制屬于同一等級，不存在同時運行的情況。加速控制是通過增大節(jié)氣門開度從而加大發(fā)動機(jī)扭矩實現(xiàn)的；減速控制是通過調(diào)節(jié)車輛制動器的制動壓力實現(xiàn)的。車輛減速狀態(tài)有兩種，一是節(jié)氣門開度為零時，此時汽車由于內(nèi)部機(jī)構(gòu)的摩擦阻力、空氣阻力和滾動阻力等對車輛進(jìn)行減速制動。二是由于制動力不足，為避免車輛在自由滑行的過程于前方障礙進(jìn)行碰撞，所以此時需要踩踏制動踏板人為地產(chǎn)生制動力，從而使車輛達(dá)到減速制動目的。在現(xiàn)實生活中，由于頻繁的加速和減速制動會影響乘員的駕乘舒適性和燃油經(jīng)濟(jì)性，所以駕駛員一般都會控制加速或減速制動的頻率。這兩種控制的切換會采取平滑過渡，本次設(shè)計的加速和減速制動切換控制策略便是使用該原理。在發(fā)動機(jī)開始運行時，為使汽車怠速運行的狀態(tài)，節(jié)氣門會以最小開度保持，此時發(fā)動機(jī)扭矩大小剛好能夠克服發(fā)動機(jī)內(nèi)部機(jī)構(gòu)之間產(chǎn)生摩擦阻力；為達(dá)到勻速行駛，則需加大節(jié)氣門的開度，讓發(fā)動機(jī)輸出扭矩恰好能夠克制車輛行駛帶來的風(fēng)阻和地面對輪胎作用的滾動阻力，使得加速度保持為零，從而達(dá)到勻速行駛；為達(dá)到加速行駛，則需要進(jìn)一步加大節(jié)氣門開度，使得發(fā)動機(jī)輸出扭矩大于車輛行駛帶來的風(fēng)阻和地面對輪胎作用的滾動阻力。而當(dāng)車輛需要減速制動時，首先是駕駛員緩慢減小油門，將節(jié)氣門開度降至最小，先利用發(fā)動機(jī)內(nèi)部機(jī)構(gòu)磨擦所產(chǎn)生的阻力、空氣阻力以及地面的滾動阻力產(chǎn)生的減速度使得車輛速度緩慢降低，若是需要更大的減速度，則需要踩壓制動踏板，增大制動壓力從而達(dá)到制動效果。設(shè)計加速與制動切換模型，為了避免系統(tǒng)加速/制動模式在之間頻繁切換，預(yù)設(shè)置大小為的過渡區(qū)間。對比同類型其它研究，一般取：。設(shè)定車輛的期望加速度，設(shè)定車速v由計算輸出不同車速對應(yīng)最大減速度，根據(jù)邏輯切換原則