基于模糊控制的四轮转向车辆自动泊车系统研究（可编辑）

基于模糊控制的四轮转向车辆自动泊车系统研究（可编辑） 基于模糊控制的四轮转向车辆自动泊车系统研究 分类号 单位代码 鱼璺 坐鱼圣 密级 学 号 星墨鱼 墨廑交通丈謦 硕士学位论文 论文题目: 基于模糊控制的四轮转向车辆自动泊车系统研究 研究生姓名:王堡磊 导师姓名、职称: 杨志刚 教授 工 学 申请学位门类: 专业名称: 车辆工程 论文答辩日期: 学位授予单位: 舒红宇 答辩委员会主席: 评阅人:罗虹 年月四 ~~ 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其它个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体, 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 日期: 学位论文作者签名:圣绰& 枷弓年 月弓日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。 本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索, 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本人学位论文收录到《中国学位论文全文数据库》,并进行 信息服务包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等,同时本人保留 在其它媒体发表论文的权利。 指导教师签名: 学位论文作者签名:五军曩 书刎 日期:例年易月日 日期:汐,;年月;日 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊光盘版电子杂志社系列 数据库中全文发布,并按《中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程》规定 享受相关权益。 学位论文作者签名:互竿藐 日期:哪年月口摘 要 随着生活水平的提高,汽车保有量的逐年增加,致使城市道路越来越拥挤, 车辆行驶的空问越来越紧张。为了避免车辆发生泊车碰撞事故,提高主动避障能 力,增加泊车过程的舒适性和安全性,于是研发具有四轮转向技术的自动泊车系 统尤为重要。 首先以吉普为原型车开发比例为:的具有四轮转向的模型车,阐述 了模型车的总体结构设计,详述了电动机选型、转向系统设计等。通过对模型车 的四轮转向的设计与改造,为自动泊车系统提供了开发平台。 然后以四轮转向模型车为研究对象,根据车辆低速转向的运动学特性,建立 四轮转向模型车的差速模型,分析车辆在前行或者倒车时以不同车速不同前后轮 转角情况的各车轮的运动规律。 然后以四轮转向车辆为研究对象,建立了包括车身横摆角、质心侧偏角和前 轮、后轮转向角的四轮转向车辆的运动学模型,分析车辆低速倒车时,车辆的避 碰约束空问、停车位几何尺寸以及垂直泊车轨迹。 最后,通过对垂直泊车轨迹的分析,确定车辆预泊车区域和初始位置,针对 三种碰撞建立避碰约束空间,初步确定泊车车位的几何尺寸。在中搭建 汽车的运动学模型以及模拟自动垂直泊车的倒车环境模型。从总结专业驾驶员的 泊车经验出发,结合模糊控制理论设计自动垂直泊车转向控制器,将转向控制器引 入所建立的系统中模拟该汽车的垂直泊车过程。通过仿真验证了该策略 垂直泊车的可行性。 关键词:自动垂直泊车、四轮转向、车辆定位、运动学模型、模糊控制 ,. .., .,, :. 姗:眦. ,, . , . , ...,/ . , . , 【, ? . . . .: , , , ,目 录 第一章绪论?。 .研究背景及意义? .国内外研究现状和发展动态?。 ..国外自动泊车技术研究现状?。 ..国内相关研究现状 ..实车应用现状?。 .研究的主要内容及创新点??。 ..研究的主要内容一 ..创新点?一 第二章模型车的设计与改进? .模型车的构造?.. .电动机选型 .模型车主要部件的改造 ..减速机构设计?. ..轮胎的选用及安装..转向系统. .差速器系统??. ..运动分析。 ..转矩分配. ..仿真分析. .本章小结 第三章模型车的定位?.. .泊车过程 ..泊车过程分析?. ..成功泊车??一 .自动泊车系统的组成.感知系统 ..测距传感器..角位移传感器? .模型车的定位?。 ..确定停车位上限 ..绘制泊车感知地图??. ..车速分析.,、结第四章车辆垂直泊车运动学模型分析 . 汽车的二种转向运动??. .建立车辆模型.. 车辆的运动学模型. .. 车辆低速运动学模型??。 .确定汽车碰撞约束空间. ..停车位尺寸的确定..预备泊车起始区域的确定??. .垂直泊车轨迹规划??. .误差分析. .本章小结. 第五章垂直自动泊车控制器软件设计??. .控制理论概述?. .模糊控制理论的简要介绍.搭建仿真模型?一 ..搭建运动学模型. ..搭建转向模型??. ...搭建避碰约束模型.模糊控制器的设计..垂直泊车的逻辑系统建立..隶 属度函数??. ..模糊规则集.仿真实验 ..不同航向角和停车位几何尺寸..不同车速和起点位置? ..实验总结。 .本章小结. 第六章总结与展望?. .总结??.. .问题与展望??. 致谢. 参考文献??印 在学期间的研究成果和发表的论文?.第一章绪论 第一章 绪论 .研究背景及意义 近年来,随着汽车工业的迅猛发展,全球汽车保有量逐年增加。根据美国汽 车行业权威杂志公布,截至 年月,全球汽车包括轿车、卡车 以及公共汽车等的总保有量已突破亿辆,其中我国汽车保有量增速名列世界 第一位。年月,公安部交通局发布信息,截至年月底我国机动车保 有量达.亿辆,其中汽车.亿辆。据中国汽车工业协会统计,年我国 全年累计生产汽车.万辆,同比增长.%,销售汽车.万辆,同比 增长.%。在年月,据中国行业研究网信息显示,我国私家车保有量已 达万辆占汽车保有量总量的.%,比年底增.个百分点。如图图 .所示年我国汽车月度销量情况。 圜年?年口年 ,、 溪 \ 爿 莓 皿? 毒七贮 峥 一月二月三月;四月五月六月七月八月;九月十月 圈年』坠. .堕里...二。丝一.?曼卫星幽 。一. . ?生一堕里臣. ?堕?..二盟~., ~.?~,. ???幽. ..坠?』鲤.盟.二』坠 一;:旦塑~. 口年一 图. 年国内月度汽车销量 ? .. 汽车保有量的持续增加,不仅反映了百姓生活水平的提高,而且反映了民众 的出行方式的转变:过去,城市交通主要以公共交通工具为主,现在逐渐向个体 交通转换,这种趋势在今后将越来越明显。在这种情况下,一方而增加了城市道 路的交通负担,加剧了拥堵,致使车辆行驶空问减小;另一方面由于城市规划的 停车场、停车库等增幅缓慢,难以满足增加的汽车数量,导致城区停车位紧张。 第一章绪论 加上城市建设的发展,可以扩展空间有限,为了节省空间,停车场的停车位设计 越来越苛刻,致使停车场过于拥挤,车辆运行空间有限。在泊车过程中,除了车 位窄小,对经验不足的驾驶员来说,判断汽车与停车位的距离,操作转向盘、离 合器和制动的时机也是一个问题。再者,若不熟悉的环境或者车位狭窄的情况下, 驾驶员要扭头观察车身周围的真实情况时,容易造成失误操作,由此引发的泊车 事故并不罕见。据美国密歇根大学交通研究所的 的研究?显示,一 年密歇根市发生的汽车事故中,由于泊车导致的事故分别占.%、.%和 .%,随着人们对车辆安全性的重视,泊车问题日益受到重视。 如何消除安全隐患,实现快速、安全、可靠的泊车,提高人们驾驶的舒适性 和安全性,人们将目光转向了汽车先进技术上。在国外,自动泊车和辅助泊车系 统的汽车产品已经并不罕有,越来越多的高档进口车会将该系统列为标准配置。 在国内,无论是国企、民企,还是合资企业,它们生产的汽车配置辅助泊车系统 或自动泊车系统的车型屈指可数,而且多为中高档汽车配置。这些泊车系统不仅 提高了车辆价格,难以满足市场需求。为了提高汽车舒适性和安全性,各大汽车 厂商和零部件厂商顺应这种趋势,给予汽车电子更多的关注,研究具有智能化的 车辆。因此,研发具有自主知识产权的自动泊车系统具有良好的发展情景和市场 意义。 .国内外研究现状和发展动态 随着汽车保有量的增加,不仅出现大量的“堵车”现象,而且造成汽车行驶 的道路空间越来越紧张,车辆碰撞事故时常发生。在这种大背景下,智能交通系 统 应允而生,俨然已经成为世界交通 运输科学的前沿技术。近年来,自动泊车系统作为的一部分越来越受到人们 的重视和欢迎,成为智能车辆技术研究的热门问题。 ..国外自动泊车技术研究现状 目前,国内外解决泊车问题的主要途径有两种,一种是基于路径规划,另外 一种是基于经验基础的智能控制方法。 路径规划:根据车辆的运动学和动力学特性,搭建车辆的运动学和动力学 模型,并结合停车位几何尺寸以及泊车过程中的倒车环境,建立避碰空问约束, 规划预先到达停车位空间的参考路径。对于泊车参考路径,常见的参考路径有由 若干段曲率不同的圆弧构成,有由正弦线和直线段衔接而成,有由五次多项式 曲线拟合汽车的运动轨迹。 第一章绪论 芝加哥大学的..和.瞳’提出了非完整约束条件下的平行泊 车方法。在倒车过程前,车辆通过传感器获取停车位空间信息,确定停车位最 初 位置。为了保证车辆倒车时不与周围的障碍物发生碰撞,根据停车位的长宽以及 车辆距离障碍物的距离进行离线查表,生成一条无碰撞的正弦曲线的轨迹路线, 车辆通过控制转向角和速度沿着轨迹路线完成泊车。.和.通过超 声波传感器系统获取车辆周围障碍物信息,经自动泊车中央控制器对数据处理后 控制车辆完成依照参考路径自动泊车。.通过选择两断相切的圆弧组成一 个‘’形路径为倒车轨迹,同时他提出了“ ”禁区的概念:假 如有车身的参考点进入了禁区,则表明车身与周围的障碍物发生了碰撞。 经验基础:通过运用模糊逻辑控制理论和神经网络控制理论等,结合熟练 驾驶员驾驶车辆的泊车经验设计车辆转向的控制算法,根据车身与停车位的相对 位置,控制车辆的方向盘和车速,规划出车辆泊车的路径曲线。 斯坦福大学的 ..和 喳,首次发表了基于神经网络的自学 习控制系统,能够控制拖车回到货架;...【】提出了自主模糊行为控制器 模型,研究了四轮式移动机器人的路径规划、轨迹跟踪;..口引入了一种时 变的模糊滑模控制器作为本地路径跟踪器,取得了良好的控制效果; , , 哺提出了融合遗传算法的模糊控制系统,能自动 调整原有模糊控制器的参数,提高了控制器参数的有效性;同样还有 .研究的基于人工神经网络技术的自动泊车模型, .和 将神经网络和模糊控制结合,拓宽了神经网络处理信息的能力,同时也提高了模 糊控制器的控制效果。 对于泊车过程,路径规划与智能控制的方法相比较,路径规划属于开环控制 方法,依赖于控制器的精确性和传感器系统探测得感知地图的准确性。然而控制 效果并不完全可靠,比如车辆出现滑转、滑移。开环控制策略不能补偿位置误差, 在停车过程中,虽然可以通过多次前进后退来弥补位置误差,但与此同时增加了 泊车运行时间和成本。相反,属于经验基础的智能控制方法神经网络与模糊算法 等生成的控制策略为闭环控制,可以及时的弥补运行中产生的位置误差。模糊控 制不仅可以减小了汽车倒车过程中引起的位置误差,同时避免因应用神经网络产 生的高计算量,而且模糊控制和路径规划在依赖环境的模型和传感器的数据上大 体相似,具有不确定性,模糊系统能够在不确定性和部分知识下仍能够做出鲁棒 性的推理,取得良好的控制效果伊。。 第一章绪论 ..国内相关研究现状 目前,在国内从事自动泊车研究的单位主要是高校和科研院所,其中杰出的 代表院校有清华大学和吉林大学。虽然尚处在理论仿真和实验模拟阶段,但是在 控制理论和硬件结构上都取得了一定成果: 上海大学的吴志坚等采用多维模糊控制器,成功地实现了给定平面内任意一 点上的小车的倒车控制副。台湾国立成功大学的 .一..和 等 提出了自主模糊泊车控制,同时设计了基于模糊控制方法的自动泊车系统, 验证了平行泊车和垂直泊车控制算法的有效性 。北京师范大学的杨昔阳等针对 卡车设计了一种自适应模糊控制器,通过仿真实验验证其具有较高的普适性和灵 敏性“。吉林大学依托其汽车动态模拟国家重点实验室的资源,在郭孔辉院士等 人潜心研究,进行了关于平行泊车。朝和垂直泊车心町的转向控制方法研究。 ..实车应用现状 早在年德国大众汽车就推出了概念车,这款车采用了四轮转向技 术而设计的自主泊车系统,配备了红外激光器控制距离等传感器系统,在无人操 作条件下,能够顺利完成自主泊车。由于当时这些先进技术的采用,很大程度上 提高了的售价,使这套自主泊车系统并没有投入量化生产。 在年第届东京车展上,丰田汽车公司与联合研制的泊车系统 “,如图.所示。该泊车系统配备了影像设备,能够在液晶面板上显示 车辆后方环境情况,根据位于车体后方的摄像头拍到的实时影像合成车辆规划的 几何路线,而且能够通过语音提示驾驶员,指挥泊车操作。该辅助泊车系统优点 是可以实现垂商泊车和平行泊车,缺点是要求驾驶员自己控制油门和刹车。 萋选篷圣至谨匡 图. 系统示意图 ..第一章绪论 在年,沃尔沃汽车与瑞典林克沃平大学合作研制了首款具有自动泊车功 能的轿车,与先前丰田汽车推出的泊车系统相比较,整个泊车过程无需驾驶者 动手便可以自动完成。该车辆还安装了自动变速箱、电子驾驶装置和全新电脑系 统,泊车系统运行效率高,自动泊车过程持续时问不超过秒钟。 同年月,雪铁龙汽车也推出一款拥有智能泊车的新车,如图. 所示。该车能够自动检测车身周围的环境,确定自身以及周围障碍物的位置。当 泊车系统探测到合适的停车位后,系统便会发出声音提示和液晶显示屏显示来引 导车辆前进或后退,过程中无需操纵方向盘便可实现泊车。 图. 自动泊车 . 目前国内泊车产品与国外相比有一定的差距,仍停留在“报警”“可视上, 而应向真正的自动泊车方向发展。在泊车系统发展的历程巾,东莞银声电子有限 公司和广东好帮手电子有限公司走在了前列,银声电子开发了智能倒车方向辅助 系统,好帮手开发了智能轨迹倒车辅助系统,但是他们都没能实现自动泊车。对 于自动泊车系统,比亚迪股份有限公司于年月向国家知识产权局提出了自 动泊车系统的实用新型专利申请,并在年获得授权砼?。在年月推出了 新型轿车速越,该车配备了自动泊车系统,采用先进遥控驾驶技术,能够实现泊 车。如图.所示,比亚迪速越自动泊车。 图.比亚迪速越自动泊车 第一章绪论 .. 在年,上海大众汽车推出了配稀有泊车系统的途观轿车。该车在速 度低于/时,装在前后保险杠上的超声波雷达探头自动侦测泊车环境,并能 成功完成与侧方障碍保持.米距离的停车位进行扫描,寻找并判断停车位是否 合适,根据测算的起始泊车位援,规划车辆泊车的几何行车路线。此时,驾驶员 挂入倒档,松开方向盘,控制好油门与脚刹,通过倒车影像精确控制车辆与后方 障碍物的距离,保证安全可靠的将汽车驶入泊车位。如图.所示,图为途观轿 车的泊车系统仪表显示平台,图为途观轿车的泊车系统视屏显示平台。 .上海大众途观智能辅助泊车系统 ...研究的主要内容及创新点 ..研究的主要内容 基于模糊控制的四轮转向车辆自动泊车系统作为“挑战杯”智能识别自主控 制四轮转向车项目的发展组成部分,从模型车的数学建模,、三维设 计、零部件加工及组装,到后来本田雅阁四轮转向设计及改造,再到相关参数检 测实验,已经进行了多年的开发。本论文是在往届研究生研究成果的基础上,通 过对车辆运动学模型、泊车路径规划及控制方法进行讨论,并对已有的控制器平 台提出修改性建议,最后设计车辆泊车转向控制器,模拟了垂直自动泊车的 可行性。 本文做了以下主要工作: 第一章首先概述了论文写作背景及研究的意义,然后收集并整理了国内外有 关泊车系统的发展现状,以现有的泊车系统应用,简述了本文的主要工作和内容 安排。 第二章根据已建立的数学模型,利用三维软件,对模型车进行了四轮 转向设计和改造;对乜机进行了选型;介绍了电子差速器的实现方法;对前后转 第一章绪论 向机构进行了参数调整。 第三章简要介绍车辆泊车过程确定了成功泊车的评价标准,同时描述了 车辆感知系统的组成,确定了泊车坐标系、停车位建模和泊车车速等参数。 第四章根据低速运动学特性,建立了运动学模型,并利用模型确定避碰 约束空问,初步确定了停车位几何尺寸、预备泊车区域和垂直泊车的轨迹规划。 第五章对垂直泊车轨迹的分析,确定车辆预泊车区域和初始位置,针对三种 碰撞情况建立避碰约束空间,初步确定停车位的几何尺寸。在中搭建汽 车的运动学模型以及自动垂直泊车的倒车环境模型。从总结专业驾驶员的泊车经 验出发,结合模糊控制理论设计自动垂直泊车转向控制器,将转向控制器引入 /所建立的系统中模拟该汽车的垂直泊车过程。通过仿真验证了该策略垂 直泊车的可行性。 第六章总结全文,对于垂直自动泊车系统提出下一步工作,对未来研究 情景进行了展望。 ..创新点 本文创新点有三个: ?完善了模型车的差速模型。以模型车为研究对象,从运动学角度 出发,建立了车辆差速速度和驱动轮力矩分配模型,并进行了仿真验证分析。 ?完善了泊车过程中的运动学模型。根据车辆在泊车过程中的运动学特 性,搭建了车辆的运动学模型和垂直倒车环境,通过几何算法估算某型车可 以实现垂直泊车的车位尺寸以及预备泊车区域。 ?设计了基于经验基础的四轮转向模糊控制控制器:通过总结专业驾驶员的 泊车经验,结合模糊控制理论设计自动垂直泊车转向控制器;将转向控制器 引入 建立的系统中,模拟车辆垂直泊车过程,验证了所设计的转向控制器 的可行性。量 第二章模型车的设计和改进 第二章模型车的设计与改进 由于模型车选择以吉普为原型车,设计制作:的四轮转向模型车。 设计改造了模型车的底盘结构和主要部件整体布置;电动机的选型;底盘主 要部 件等等。在模型车的设计改造过程中使用了、等三维设计软件,完成了 减速机构、车轮、转向机构的设计。建立了四轮转向差速系统模型,进行了 运动 学分析和模拟仿真。 .模型车的构造 现代汽车种类很多,用途广泛,构造各异,由成千上万个零部件装配而成, 从整车构造而言,汽车主要由发动机、底盘、车身和电器设备四个部分组成。 本 文设计的模型车以为原型,通过结构简化采用车载蓄电池作为能源, 直流电机驱动:底盘与普通汽车类似,传动系、行驶系、转向系和制动系组成, 起到支撑作用,并保证车辆正常行驶。车身和电气设备进行了简化去除,如 图. 所示模型车示意图。 图. 模型车示意图. 由上届研究生设计瞳’的模型车参数进行了整理,以及对模型车的参数汇总 获得模型车基本参数表.和行驶参数表.。 表. 模型车基本参数表 . 第二章模型车的设计和改造 物理量 参数值 单位 参数名 参数值 单位 × 质心至前轴的距离 车身尺寸 . 整车质量 质心至后轴的距离轮距前悬 前轴垂直负荷 后悬? 后轴垂直负荷 前轮设计转向角 ? 后轮设计转向角 表. 汽车动力性参数表 . 物理量 数值 单位 物理量 参数值 单位最高车速眦 / 迎风面积 . . 滚动阻力系数 模型车质量转换系数 . . 空气阻力系数。 传动系机械传动效率。 .电动机选型 模型车采用电动机驱动,选择合适的电动机功率直接影响到电动车的动力 性。如果选择的电动机功率越大,模型车的后备功率越高,其加速性和爬坡能 力 越好,同时功率越大的电动机,增加了模型车的质量和体积,降低了车辆续驶 里 程。由于模型车主要用于实验研究,对于车辆的续驶里程要求不高,在选用 电动机时主要考虑模型车的动力性。 ?根据最高车速计算电动机功率 根据《汽车理论》汽车行驶功率平衡方程,计算模型车最高车速行驶消耗的 功率时,可以忽略坡道阻力功率和加速阻力功率的影响。 舶., 乙靠蟛喘 第二章模型车的设计和改进 将表.和表.参数代入式.得到: 舶. ..坠装竽】?形 。丽. ?根据最大爬坡度计算电动机功率 模型车的原型车虽然为,但是该吉普车采用四轮驱动,而模型车是前轮 驱动,其爬坡能力要比吉普小很多。根据我国的公路线路设计,模型车的 最 大爬坡度。设计为%。在测定汽车最大爬坡度时,车辆以为./稳定速度 爬坡,以此来估算最大爬坡度时的电机功率,可以忽略空气阻力功率和加速 阻力 功率的影响。 式. 孵一 赤耐 式中:最大爬坡度角为口一。 式. 一..。 将式.得到的最大爬坡角代入式.得到: ‰.淼×.×..?.讹‖式? 根据式.和式.可以确定电动机的峰值功率 : 式. .瓤.,‰一, ?电动机额定转速 电动机的最高转速对电动机成本、制造工艺和传动尺寸有很大影响乜。电机 转速?时称之为高速电机,以下称为普通电机。由于高速电机加工工艺复 杂,制造成本高,配套要求高,适用于电动轿车。而对于模型车,其结构尺寸相 对于电动轿车小得多,应选用最高转速的普通电机。 电动机最高转速与额定转速的比值也称为电机扩大恒功率区系数,当值增 大时,电动机在低转速区域可以获得较高的转矩,进而提高了车辆加速性和 爬坡 能力;但是值过度增加会使电动机的工作电流增大,增加了功率损耗。因此值 要适中,一般取~,计算得到的电动机额定转速范围为~。又 根据模型车设计的最高车速为/,对应的电机转速为。因此选择电 动机的转速为,即可满足要求。 ?确定电动机额定电压 电动机额定电压的选择与汽车电池纽电压密切相关。在相同输出功率条件 下, 第二章模型车的设计和改造 电池组电压越高,则电流越小,对导线和开关等元器件要求越低,但电压越 高, 需要越多的单体电池串联,这增加了整车质量,降低了车辆的动力性,同时也增 加了成本。因此模型车电动机电压的选择要从成本、模型车质量、电池布置、动 力性等方面综合考虑,选取了作为电动机的额定电压。 综合上述,模型车选用了型号为?,额定功率,额定转速为 ,额定转矩。..,电压。电动机安装在模型车前轴的上方, 独立驱动前左右车轮。 .模型车主要部件的改造 对于普通汽车,汽车传动系统是将发动机的动力传递给驱动车轮的装置,一 般位于发动机与驱动车轮之问。模型汽车的传动系统位于电动机与驱动车轮之问, 以蓄电池作为能量来源,采用双电机独立驱动,通过减速机构减速和改变传动方 向,通过半轴和万向节将动力传递给驱动轮。由于采用双电机独立驱动,前轴左 右两边的车轮是独立驱动,可以使用功率和结构尺寸较小的电动机,也便于模型 车转向动作。 ..减速机构设计 对于直流电动机的控制采用了调速技术,控制电动机的启停、变速、正 反转等运行,来实现模型车的起步、加速、倒车和停车,大大简化了传动传动 系 统,减轻了模型车质量,使汽车结构更为紧凑。减速机构将驱动电机的动力传递 给驱动轮,不仅可以减速增矩,而且改变了动力的传动方向。减速机构采用齿轮 传动,分为三级,如图单侧减速机构简图如图.所示。其中各齿轮齿数分别为 ,,,,齿轮传动的传动比为.。 图.减速机构.. 第二章模型车的设计和改进 在模型车的设计上,简化了传动机构,省略了变速器结构,减轻了自重,增 加了零部件的安装空问,也使动力能够直接从电动机传递到驱动轮。单个车轮的 转速: :.. .?玎 ,:边刀 式. 名 毛 ..轮胎的选用及安装 轮胎俗称汽车的鞋子,是汽车行驶系统重要组成部件,它不仅支承整车,缓 和路面冲击,而且与路面问存在附着作用产生驱动力和制动力。模型车采用某 厂生产的橡胶充气轮胎,型号.?,规格寸,最大载荷,最大气压。 在模型车装配完毕后,在水平而上静止测得静力半径。根据欧洲轮 胎与轮辋技术协会....推荐公式.可计算滚动圆周: ,剐 式. 其中为计算常数,这里参考子午线轮胎,取.;为轮胎亢径。在最大载 荷、规定气压和车速条件下,其滚动半径: 式. /.×/×. ..转向系统 本文设计的模型车的转向系统主要由转向控制单元、减速电机、传动机 构等三部分构成。前轮转向采用开式梯形机构转向方案,后轮采用独立转向 方案, 共使用部型号为 ?驱动,其额定功率。为,额定转速。为 ,额定转矩。为..,电压,额定电流。.。转向电机配套 有减速机,减速比为:。如图所示转向电机布置。如图.所示模 型车的转向系统。 图.模型车转向系统 .第二章模型车的设计和改造 .差速器系统 模型车采用双电机前轮独立驱动的形式,这种结构降低了电动机的要求, 同时便于模型车实现差速功能。 模型车的差速系统由直流电动机、差速控制器、电动轮、传感器等结构组成。 模型车使用电动轮结构,其动力的传递方向由电动机传给固定速比减速装置 冉传 给单侧车轮上,这不仅简化了传动系统,提高了传动效率,降低了对电气以及机 械传动零部件的要求,适合传递大转矩。本文涉及的直流电机控制系统由如下几 个部分组成:电机、转速传感器、蓄电池、控制器。差速器结构图如图.所示。 差速器主视图 差速器俯视图 图。差速器图. ..运动分析 于本文是基于四轮转向车辆的差速控制系统,模型小车也采用四轮转向的 转向模式。四轮转向汽车的转向模式主要概括为三种:后轮不转动,此种模式 与前轮转向汽车孝订同。前后轮反向转动,减小转弯半径。前后轮同向转动, 第二章模型车的设计和改进 且前轮转角大于后轮转角,运于提高行驶稳定性。可以参考前轮转向汽车阿克曼 转向几何学原理,即在汽车转向时四个轮胎都近似围绕着一个中心点 进行旋转来保证汽车的行驶稳定行,在不考虑汽车质心侧偏、横摆角,以及路面 情况变化和侧风等情况下,可以得到汽车的转向几何模型图如图.所示。 .后轮不转动 .逆向位转向 蛞 .同相位转向 图.四轮转向汽车转向几何模型 . 图中岛,露分别为前轮左右轮转角,霸,露分别为后轮左右轮转角,为 轮距,为前后轮轴距。由图巾我们可以得出三种情况下前后轮转角关系如下: 第二章模型车的设计和改造 后轮不转时: 三 式. ? 一一 前后轮反向转时:三 式. 哇一, 睁一 一.一?? 前后轮同向转时: 三 式. 召 畦一, 彦一 模型车以前轴既作为驱动转向轴,在低速泊车过程中,为了实现模型车的 差速功能,电子差速器以前轴左右两轮转速为控制目标。首先进行如下假设:刚 性车体:车轮作纯滚动,不考虑发生滑移、滑转;行驶时所有轮胎都未离开地面; 轮胎侧向变形与侧向力成正比;不考虑侧倾时垂直载荷对内、外侧车轮的影响: 车轮转向时,驱动轮的转向中心一致。其中,为车速;三为车辆轴距;曰为车辆轮 距;艿打,艿序,矗,疋车辆各轮的转向角;,,为前轴和后轴中心点的等效转 角:为瞬时转向中心;尺胪步、如、如分别为前后各轮的转向半径;厅、矿、 一、,分别为各车轮车速;为车轴中心连线上某点的转弯半径。转向模型如图 .所示。 图.车辆四轮转向模型 . 根据图.可知,模型车以点位瞬时转向中心,为角速度运动。各个 车轮满足: 第二章模型车的设计和改进 国:兰:皇:竺:盟:旦 式. 印 , 式中:尺由式.得到。 模型车通过定前后轮转向比控制四轮转向,即/。根据式.和图 .中的几何关系: 式. 厄万研 式. %厄瓦订丽 式. / 式. ,瓜瓦孑砑 式中叫,墨觚/。可以得知各个车轮的线速度主要与车速和 前轴中心等效转角有关。 根据式.~.可以得前轮速度差?,和后轮速度差?,: 式. %一% 式. ?? ..转矩分配 由于模型车采用前轮直流电机独立驱动,车辆前后轮转向电机转动一定 角度之后,前轴两侧的驱动电机与之协同,保持两侧车轮形成一定速度差,车 辆 即可进入转向控制状态。车辆两前驱动轮的转矩比嘶为: :? ~.、 寻罟~ 式. 。 脚?卜薪 式中:,为模型车速度:为模型车质心到地面的高度;为重力加速度,取 ./。 为了让驾驶员驾驶汽车时,拥有与传统车辆相似的驾驶感觉,在对电动 轮进行转矩控制时,应保证信号输入与输出具有良好的线性响应特性。驱动 电机 的电磁转矩为: 式. 乙,巾 其中:/口万为电机转矩常数;?/为电机绕组总导体数;驴为绕组 第二章模型车的设计和改造 电流。 由式.知,对于采用永磁直流电机的模型车,其电机的电磁转矩也与电 枢电流成正比,因此对电机转矩的控制可以等效为对绕组电流的控制。车辆 在转 弯过程巾前轴两侧的转矩差?瓦为: 引. 划。 ?耳渊 母捌 当车辆转弯时,其内外侧车轮实际分配转矩为 式. 乙已一?耳 式. ‰乙?耳 ..仿真分析 通过以上分析,对前轮毂电机模型车电子差速器进行仿真。选用的电机 型号是?永磁直流电动机,电压,额定功率,额定转速 ,转子极对数为,电动轮直径为。取,一./,一. 代入式.~.,得到前后轮转速图..以及内外侧车轮的差速度图 .。 车轮轮速 宅 碟 缎 图.倒车时%与/速度对比 ~ ~ 第二章模型车的设计和改进 图.倒车时一与,,速度对比 . ’,, ,? 萋尊?; 越 童露 争毛 篡矗 。. 图. ,与?,差速度图. , 分别取./,一.:/,.;/,.:/, 一.:/,一.;/,一.分别代入式.~.,对前 轮两侧车轮速度,。和什,后轮两侧车轮速度,,和进行结果对比。如图所示, 仿真结果图.和图.。第二章模型车的设计和改造 图.%与%速度对比 . ~ ~即 第二章模型车的设计和改进 鬻囊 黛 不褥车速对应盼右后轮轮逮 一一? 鬻蠹? ?? 黧 ??, ??, / 萋黎 ??、, 。奠 ??, 瀵翌 饕攀 篓囊 鬻囊 鬻 攀孽蔫 ;鬻螽 图. ,,与,速度对比. 模型车在低速泊车运动或者倒车转弯时,即,前、后轮转向角度相反。 由图.一.,前轮两侧车轮速度曲线可以得知,当前后轮转角, 模型车直行,疗序,且?’,。当模型车前轮转向角在~. 。~.。 范围内时,车辆向车身左后方倒车,有占,,,同时打序,,。 当模型车前轮转向角在一.~ 一.。~。范围内时,车辆向车身右后方倒 车,有,,同时啊%,?吁。 如图.所示,前后轮的差速度图,通过观察比较,在模型车前轮转向角为 一.~. .。~.。范围内时,前后轮内外两侧的速度差接近相等。 如图.~.所示,车辆在不同的车速下低速前行转弯时,满足前后轮转 角为,时,车辆内外侧车轮速度相等,车辆直行;车辆左转弯时,,, ,,车辆内侧车轮速度小于外侧车速;车辆右转弯时,,,占,,车辆 内侧车轮速度小于外侧车速。 由图.观察可知,后轮轮速也成差速变化,与前轮轮速变化趋势基本相同, 不同的是后轮轮速变化幅度小一些。 .本章小结 本章通过对模型车的设计改造,熟悉并运用、软件进行二维和三维 建模,对模型车进行了总体设计改造,又分别从模型车电动机的选型、传动机 构 和转向系进行了介绍和分析,同时进行了基于模型的差速器建模,做了运动 学仿真。 时, 第三章模型车的定位 第三章模型车的定位 本章介绍了垂直自动泊车过程以及成功泊车的评价,主要分析了模型车的定 位。从建立泊车系统出发,建立了泊车感知系统,泊车绝对坐标系、停车位模 型 以及停车位尺寸大小和倒车车速等。 .泊车过程 ..泊车过程分析 如图.所示,根据熟练驾驶员操作经验,将车辆垂直泊车过程进行归纳: ?首先将车辆驶进待停车区域路边或停车场,开启自动泊车系统,搜寻合 适的泊车车位,如图.巾的过程。 ?当发现停车位之后,传感器系统开始扫描停车位,如图.中过程。自 动泊车系统开启后,自动检测车身两侧的环境信息和泊车车位的信息,并判 断泊 车车位是否符合泊车的条件。如果不符合,继续寻找;如果符合,通过微调将 车 驶入预备倒车区域,准备泊车。 ?开始垂直泊车,如图?过程。首先驾驶员将档位挂入倒档位,控制好油门, 以平稳的车速垂直泊车,直到车辆尾部接近泊车空问底部,车辆航向角 车辆主轴线与轴的夹角,通过陀螺仪检测得到为接近。为宜,不与车位空 问有碰撞,留有足够的行走及开起车门的空问。此时停车,完成泊车任务,结 束 泊车。 预备倒 开始 检测泊 车区域 泊车 车车位 图. 汽车泊车示意图 .第三章模型车的定位 再根据汽车的泊车步骤,确定自动泊车的流程,如下图.所示。 图.泊车流程图 . ..成功泊车评价标准 根据熟练驾驶员的驾驶经验,以及为了避免泊车事故的发生,制定如下成功 泊车的评价标准: ?倒车过程中,车辆不与两侧路缘、停车位周围障碍物发生碰撞; ?泊车入位时,尽可能使车辆与停车位两侧障碍物的保持距离一致,便于驶 离停车位,也有利于开启车门和人的通行。车辆尾部与车位底部预留.. 安全间距。 .自动泊车系统的组成 自动垂直泊车系统是一个闭环控制系统,主要由感知系统、决策系统和控制 系统组成,如图.所示。汽车感知系统是通过传感器获取路面环境和车身姿态 信息,完成停车位扫描和车身定位;决策系统根据感知系统获取的外部环境 参数 和停车位参数,判断有效停车位,并以此为基础规划泊车转向控制策略;控制 系第三章模型车的定位 统接收到决策系统发出的指令后,控制前后轮转向电机和车轮驱动电机动作, 不 停地改变车身与停车位之问的距离和航向角,执行泊车运动。 感知系统 决策系统 控制系统 超声波、红外 模糊控央 方向盘、油门和 线、陀螺仪、车速 控制单元 刹车系统 传感器等 车身姿态 目标车 路面环境 垂直泊车 停车位环境 图.自动泊车系统..感知系统 感知系统由布置在车身周围的测距传感器超声波传感器和红外线传感器、 车速传感器、位置传感器、惯性导航仪等、陀螺仪、角位移传感器、电机 转速传感器等获取车身姿态信息、停车位信息以及路面环境,为泊车系统传 输实 时信息。 ..测距传感器 在模型车上,测距传感器主要由超声波传感器和红外线传感器,超声波 传感器和红外传感器各个,具体安装位置和方向如图.所示。位于车身两侧 的超声波传感器和红外线传感器不仅可以搜索合适的停车位,而且可以测量 车身 与路缘的距离;位于车头车尾的超声波和红外线传感器,可以测量车身前后 与障 碍物之间距离。超声波和红外传感器一起组成的测距系统,实时监测运行中 的车 辆与车身周围障碍物的距离,避免发生碰撞事故。如下图.所示超声波和红外 线传感器在车身的安装位置。 第三章模型车的定位 ?一激 超声波 传感器 图.测距传感器安装位置 . ?超声波传感器 图.超声波传感器 .超声波模块能够非接触精确测量、一的范围,测量的精度可 达,测量的角度可达。,如图.所示。该超声波传感器主要由超声波发 射器、接收器和控制电路组成。根据时序图.所示,表明?提供了一个 至少为的脉冲触发信号,该模块内部将自动发出个周期电平并检测 回波。当检测到回波信号后输出回应信号。通过发射信号与收到的回波信号 的时 问问隔计算距离:测试距离高电平时问×声速//。 雌信号 厂 徭块内部 四咖 唧一 与俭淹离雕比恻一 图. 的时序图 信号??一 ? .?红外线传感器 红外线传感器的测距原理通过发射器不断发射出频率为 的红外线,经 第三章模型车的定位 障碍物反射,接收器接收到反射波信号,通过发射的红外光与接收到的反射光强弱 对比处理后,将其转变为电信号。测出发射波与接收到反射波的时问差,即可求 出距离:/.式中,为光速度,一般取/。由于探测距离的远近直 接影响反射光的强弱,进而影响探测的精度。所以采用三角测量法,可以降低因 环境温度、物体的反射率等地影响。如图.所示,该型传感器以模拟电压为输 出,探测范围为~。 图.红外传感器 .由于超声波传感器波长短,绕射现象小,方向性好,探测距离远,而且成本 低,不受光照、烟雾等的影响,满足模型车测距的需要。然而由于超声波传感器 存在测量盲区问题,采用红外线传感器可以弥补这种缺点,又避免了单独使用红 外线传感器测距短的不足,满足了测距系统测量精度、探测距离不少于 。 ..角位移传感器 角位移传感器是感知系统中重要的传感器之一,用于测量模型车运行时 前、后轮的实时转向角,确定转向参数 和 。本论文设计的模型车采用的是 导电塑料角位移传感器,如图.所示。 图.导电塑料角位移传感器. 第三章模型车的定位 导电塑料角位移传感器是一种利用电阻分压原理,以电压输出与旋转角度呈 线性关系的高精度位移传感器。它利用导电塑料在电气性能、工艺性能和机械性 能等各方面的优异性能,替代原理的碳膜和金属膜电阻,使传感器在精度、寿命、 输出平滑性及分辨率等各方面的性能都大大提高瞳剖。导电塑料角位移传感器主要 由转轴、电阻体及电刷组件等几部分组成。模型车采用由慧仁电子生产的导电塑 料角位移传感器,其额定功耗。,理论电气转角?。,机械 寿命”周,使用环境 ?,抗振动冲击较好。安装在模型车转向电 机轴的末端,共有三只。 .模型车的定位 ..确定停车位上限 停车位的大小直接影响驾驶员泊车操作的难易程度乜,所以停车位尺寸是确 定泊车控制策略时必须考虑的一个重要因素引。 汽车停车位不仅由《汽车库建筑设计规范》中的设计规范决定,还与车辆轮 廓外形、倒车速度、道路条件、泊车起始位置和汽车航向角、周围障碍物等 条件 制约。所以对于不同地点的停车位的尺寸进行测量,得到的测量数据表.如 下: 表.不同地点的停车位尺寸图 .廿 孤【 地点 停车位长? 停车位宽向 . . 学校 . . 医院 . . 银行 . . 饭店 . . 车站 由上表计算得到停车位的几何尺寸,长度均值为.,宽度均值为.。 表.《机动车驾驶证申领和使用规定》要求的车位尺寸 . 》 非前驱动车:倍车长 车位长度 前驱动车:车长. 大客、大货、中客车:车宽. 车位宽度 小型汽车、四轮低速汽车:车宽. 道路路宽 车长的.倍 第三章模型车的定位 根据《机动车驾驶证中领和使用规定》中科目二的考试要求晗。,对于停车 位 的尺寸要求如上表。 本文研究车辆为模型车,在分析停车位几何尺寸与其真实停车位尺寸差 异较大,为了便于确定实际的停车位尺寸,为车辆规划停车位作参考,选用 某车型为研究对象。其车身长为.,宽为.,轴距为.,轮 距为.。根据《机动车驾驶证申领和使用规定》要求试验车的停车位长度 为.,宽度为.。通过观察参照表.,发现不同地点的停车位尺寸的 平均值比由表.计算获得的车位尺寸都要小,为了测得车辆停车位几何尺 寸,表.得到停车位尺寸相对保守,表.实际的停车位尺寸对于车辆可 以泊车,对于改造后的车辆同样合适。于是将表.获得的停车位的尺寸圆 整,长度为,宽度是.,作为停车位几何尺寸的上限值。 车辆通过传感器系统搜索到停车位后,测量停车位几何尺寸,判定停车位是 否合适。 俸车 到位 整迭. 障 ? 或轮者廓 、停车位中有障碍物 整迭. 图.搜萦合适的停车位 .当车辆在停车场、车站等地点停车时,停车空间往往不像规划中的那样是一 个规则的矩形:有可能停车位空问里面有杂物、消防水管等,如图.中所示; 有可能因为其他车辆或环境原因导致停车位非“规则矩形’’,如图.中所示。 在遇到这些情况时,车辆通过超声波传感器和红外线传感器,对停车位空问 进行 扫描,根据有效的空问进行停车位规划,与要求的停车位空问尺寸进行比对, 判 断该泊车位是否满足条件,假如满足条件,停止搜索;否则继续搜索,直到合 适 的停车位。 ..绘制泊车感知地图 感知系统通过布置在车身周围的传感器摄像机、激光需达,陀螺仪,车速 第三章模型车的定位 传感器和超声波传感器获取路面环境信息和车身姿态信息,将信息转化为电信 号上传到决策系统,完成泊车车辆感知地图的绘制。泊车车辆感知地图根据道路 两侧信息和合适泊车位信息,确定泊车的绝对坐标系,建立车身位置和姿态模型、 停车位空问模型、路面状况模型以及避碰约束空问模型,为泊车车辆路径规划或 者模糊控制自动倒车提供基础信息依据。 ?建立绝对坐标系 通过传感器系统检测并判断适合泊车的停车位后,根据停车位的停车空问, 建立绝对坐标系: 根据泊车位尺寸大小,常令泊车位底部宽度的中点为原点,停车位横向方向 向右为轴正向方向,车辆入口的停车位方向为轴方向。 图.汽车泊车坐标系不意图 . ?车辆姿态模型和停车位模型 如图.所示,汽车位置取决于三个变量、、。在汽车泊车过程中,自动 泊车系统通过安装在车身上的红外线、超声波传感器和陀螺仪不断检测汽车 位置 和航向角,,确定车身上个顶点、、、坐标,、,、,、 ,。根据四个顶点与前后轴中心点、之问的几何关系,可以确定点 艺/,此/、/,儿/的相对坐标。 在汽车低速泊车运动过程中,忽略车身侧倾带来垂直载荷的变化,不考虑操 作转向机构和传动机构对于汽车的影响,认为汽车质心在泊车过程位置不 变。则 汽车质心&,,,。第三章模型车的定位 & ‘ ? 口一 只 岛 盱 口一 协讹 小引心引 厂,??/,,?一/矿 叫 如图.所示,停车位形状为,建立停车位模型。根据.节确定的停 车位几何尺寸。停车位各顶点坐标为:一彬烨/,日赫/、岷孵/, ‰/、‰/,、一‰/,。 ..车速分析 车辆速度对于自动泊车系统影响很大,其限制车辆速度的因素是自动泊车系 统的硬件结构限制。 从泊车系统的的角度来考虑,如果车速过快,处理器中的转向控制策略 的执行速度需要更快,这就会要求处理器的硬件的加大运算量,提高系统硬件处 理的速度,否则会导致处理器处理速度过慢。从模型车的传感器系统角度来看, 如果车速过快,就要传感器的数据采集、处理和传输效率要提高,否则会使得获 取的环境信息滞后,导致数据失真。从转向电机的角度来看,转向电机控制转向 机构的动作随着车速的相应增加而增加,转向电机过于频繁动作,增加了电机的 负荷,降低了电机的使用寿命。因此,车速过快,将使自动泊车系统的控制器、 传感器和转向电机等地设计或者选用要求都大为提高,也增加了研发成本。 通过对模型车的设计,设计模型车最低稳定倒车车速为/,所以本篇论文中 泊车车速取最低稳定车速/。 .小结 本章概述了四轮转向车辆泊车过程以及成功泊车评价标准:模型车通过布置 在车身周围的传感器组建车辆的感知系统,获取车辆和停车位的参数,初步建立 泊车绝对坐标系、停车位模型,进一步确定定位车辆,为泊车路径规划建模提供 技术准备。 第四章车辆垂直泊车运动学模型分析 第四章车辆垂直泊车运动学模型分析 根据四轮转向汽车的运动学特性,建立车辆运动学模型,分析垂直泊车的避 碰约束空问,确定车辆泊车的最小停车位空间和预备泊车区域,规划垂直泊车轨 迹。 . 汽车的二种转向运动 一般来说,汽车在转向过程中,根据不同的行驶条件,前轮和后轮转向角 遵循一定的规律。在低速转向中时,汽车前轮与后轮逆向转向;在高速转向中时, 前轮与后轮应同向转向。 同相位转向 逆相位转向 图.四轮转向示意图 ..汽车在高速转向时,后轮应与前轮同向转向,如图.同相位转向。在高速 行驶时,方向盘的轻微抖动都会引起汽车明显的横摆,此时采用四轮同向转向, 可以使车身横摆角度和横摆角速度大为减小,从而可以显著提高汽车高速行驶的 操纵稳定性?。 汽车在低速转向时,前、后轮逆向转向,逆向转向角度应随方向盘转角增大 而在一定范围内变化,如图.逆相位转向。汽车在转急弯、掉头行驶、避让障碍 物、或进出车库时,行驶速度一般均较低,最小转弯半径要小,要求汽车转向机 动性、灵活性、随动性好,此时采用反向转向方式。 第四章车辆垂直泊车运动学模型分析 .建立车辆模型 .. 车辆的运动学模型 根据车辆的行驶速度不同,其转向运动学模型有两种形式。一种是车辆在高 速转弯行驶过程中前后轮同向转向,车辆侧向加速度比较大,不能忽略,而且轮 胎与地面之问存在侧向的滑移运动,不满足非完整性约束的限制,这时须考虑轮 胎的侧偏角问题。虽然这种运动模型更能够准确描述车辆的实际运行情况,但前 提是要计算出车轮的侧偏角心。另外一种是车辆低速转弯过程中,前、后轮逆向 转向。由于车辆转向角小于最大值,而且忽略离心惯性力引起的轮胎的侧向运动, 便于分析车辆的自动泊车问题。 为使泊车过程便于理解,将车辆简化成有四个轮子的矩形刚体,如图. 汽车运动学模型示意图所示。车辆在低速泊车时,车辆所受的侧偏力小,忽略侧 偏角的影响,车辆只做滚动和侧转。基于阿克曼转向几何的运动学模型,建立汽 车运动