车辆运动学模型 课件讲解

《车载智能技术》

无人驾驶汽车运动控制-车辆运动学模型主讲人：刘冰洁江西交通职业技术学院一、人-车闭路系统从驾驶车辆的过程来看，驾驶员与车辆之间组成了一个非常完整的车辆控制系统。可以看出，车辆行驶系统是一个非常典型的闭环控制系统，如图7-1所示。×××一、人-车闭路系统1.系统的传感器、控制器———驾驶员在车辆行驶的过程中驾驶员要对车辆自身性能、车辆行驶的道路、车辆前方障碍物及到障碍物的距离进行感知，只有在明确了自身的状态后才能准确地对车辆进行操控。一、人-车闭路系统2.被控对象———汽车从结构上讲，汽车综合了机械、电机及控制等学科，因为自身及外界环境的复杂多变，所以无法用一个确定的线性系统来描述。以转向系统单元为例，其动力学特性会随车速的变化而变化，另外，轮胎的侧偏现象会随着地面附着系数等因素的改变而改变。因此，可以说汽车这一被控对象是一个高度非线性系统。二、线性二自由度汽车模型的运动微分方程1.车辆坐标系在分析车辆运动时，用车辆坐标系来表示运动中的汽车。图7-2给出了空间直角坐标下的车辆坐标系。从图7-2中可以看到，原点经常被放在车辆质心点上，当汽车保持静止时，X轴表示车辆的纵向运动，Y轴表示车辆的侧向运动，Z轴表示车辆的上下运动。如图7-2所示。二、线性二自由度汽车模型的运动微分方程2.车辆动力学模型在对车辆进行动力学分析时，一般通过分析二自由度的车辆模型以便于对车辆动力学的学习研究。分析中忽略转向系统的影响，直接以前轮转角作为输入；忽略悬架的作用，认为车厢只做平行于路面的平面运动，即汽车Z沿轴的位移，绕Y轴的俯仰角与绕X轴的侧倾角均为零、前进速度u视为不变。二、线性二自由度汽车模型的运动微分方程这样一来，便可以用一简化为两轮车的模型来表示车辆的实际模型，如图7-3所示。借助车辆坐标系，对车辆进行动力学分析。这时车辆的质量参数呈均匀分布，转动惯量等可以用一常数进行表示，这也正是采用车辆坐标系的优越之处。这样只需要将车辆纵向运动的加速度与车辆侧向运动的角加速度、外力与外力距进行坐标分解，便可得出车辆的动力学微分方程。二、线性二自由度汽车模型的运动微分方程ax表示质心加速度沿x轴(车辆坐标)分量，ay表示质心加速度沿y轴(车辆坐标)分量；由图7-4可以得出在t+Δt时刻，沿OX轴速度分量的变化为:二、线性二自由度汽车模型的运动微分方程由于Δθ很小且忽略二阶微量，则式(7-1)可变为则质心加速度沿x轴的坐标分量ax为同理，可得汽车质心绝对加速度沿y轴上的分量ay为由图7-3可知，在考虑到前轮转角较小，即cosδ=1的情况下，车辆受到的外力沿y轴方向的合力与绕质心的力矩和为其中，Fy1、Fy2为地面对前、后轮的侧向反作用力。汽车前、后轴中点的速度为u1、u2，质心偏转角为β，则可以得出如下关系:二、线性二自由度汽车模型的运动微分方程3.车辆纵向运动的动力性与制动性1)汽车的动力性所谓汽车的动力性是指当车辆在良好的路面上直线行驶时，由汽车受到的纵向外力决定的、所能达到的平均行驶速度。评价车辆动力性主要有以下3个指标。01车辆行驶中能达到的最大车速umax，即在水平良好的混凝土或沥青路面上汽车能达到的最高行驶速度。02汽车从起动到速度达到所需用的时间t。二、线性二自由度汽车模型的运动微分方程汽车的行驶方程式为

Ft=∑F式中，Ft为驱动力；∑F为行驶阻力之和。汽车的发动机产生的转矩，经传动系作用于驱动轮上，如图7-6所示。03汽车能够通过的最大坡度imax。二、线性二自由度汽车模型的运动微分方程2)汽车的制动性评价汽车制动性的好坏主要看以下3个方面的性能指标。③制动时汽车的方向稳定性，即制动时汽车不发生侧滑、跑偏及失去转向控制能力的性能。②制动效能的恒定值，即抗热衰退性能。所谓抗热衰退性能是指汽车高速行驶或下长坡连续制动时制动效能保持的程度。①制动效能，即制动加速度与制动距离。三、汽车侧向运动与纵向运动之间的耦合关系1.纵向运动对于侧向运动的影响在不同的车速下对前轮摆角与车辆横摆角速度之间传递函数的阻尼规律及无阻尼振荡频率的计算结果，如图7-9所示。从图7-9中可以看出，阻尼率随车速不断减小，自然频率也有减小的趋势。三、汽车侧向运动与纵向运动之间的耦合关系2.侧向运动对纵向运动的影响当车辆匀速直线行驶时，若车辆突然进