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南京航空航天大学硕士学位论文
i
摘 要
四轮转向是车辆主动底盘技术的重要分支,对改善车辆的操纵稳定性有着
重要的影响。论文以四轮转向车辆为研究对象,对其特性和控制方法进行了研
究。论文的主要工作如下:
1.车辆的非线性主要来自于轮胎的非线性,本文突出这一因素,建立了包
含轮胎非线性的三自由度四轮转向车辆模型,对模型状态方程进行了分析,指
出三自由度四轮转向车辆模型参数对车辆响应的影响,并在 Simulink 中建立了
仿真模型。
2.运用车辆稳定性评价指标分析了四轮转向车辆的运动稳定性,探讨了四
轮转向车辆的控制目标并提出了控制策略。采用 BP 神经网络 LM 算法,经过网
络结构参数比较选择,训练四轮转向车辆控制器,并在 Simulink 中仿真,结果
表明该控制器下的四轮转向车辆响应明显好于前轮转向车辆。
3.将神经网络四轮转向控制方法与其他四轮转向控制方法进行比较,结果
表明采用神经网络控制方法的车辆操纵稳定性较好。再将四轮转向控制与横摆
力矩控制结合起来分析,指出四轮转向技术应与其他主动底盘技术结合,共同
提高车辆操纵稳定性。
综上所述,本文在三自由度非线性车辆模型的基础上,揭示了四轮转向车
辆控制的内在规律,并设计了四轮转向车辆控制器,比较分析了不同四轮转向
控制方法的作用。研究结论对四轮转向车辆的理论分析与设计具有一定的借鉴
价值。
关键词:四轮转向,轮胎非线性,神经网络,操纵稳定性,仿真分析
基于 Matlab/Simulink 和神经网络的四轮转向车辆控制研究
ii
Abstract
Four-wheel-steering (4WS) is an important branch of active chassis control
technologies. It has great impact on handling and stability of vehicle. The
characteristic and control method of 4WS is studied in this paper. The main tasks of
this paper are:
1. To highlight nonlinear tire that has most contribution to the nonlinear
characteristic of vehicle, a three degree of freedom nonlinear vehicle model is
formulated. From studying the steady-state equation of vehicle model, some
parameters that influence vehicle’s response are considered. At last, the vehicle model
is established in Simulink.
2. The stability of 4WS is analyzed by the stability evaluation index. The control
aim of 4WS is illustrated and the control strategy of 4WS is introduced. This paper
uses BP neural network, LM arithmetic to train 4WS vehicle controller. Simulation
results show that 4WS with neural controller has better vehicle response than
two-wheel-steering vehicle.
3. By comparing with other 4WS control methods, the neural control 4WS has
better effect on handling and stability of vehicle. Considering 4WS with yaw moment
control, this paper indicates that 4WS together with other active chassis control
technologies will improve the handling and stability of vehicle.
In conclusion, some inherent rules and relations of 4WS control are revealed
based on the relatively complicated vehicle model in this paper. The 4WS controller
is designed and the comparison of various control method is done. The study result
will have some value on the handling and stability study as well as the 4WS design.
Key words: 4WS,Nonlinear Tire,Neural Network,Handling and Stability,Simulation
Analysis
南京航空航天大学硕士学位论文
v
图表清单
图
1. 1 两轮转向与四轮转向的对比… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 1
图 1. 2 阿克曼(Acker man)转向原理… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 2
图 1. 3 后轮转角是前轮转角函数的前、后轮转角关系… … … … … … … … … … … … … … 4
图 2. 1 二自由度四轮转向车辆模型… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 9
图 2. 2 三自由度四轮转向车辆模型… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 13
图 2. 3 轮胎坐标系与地面作用于轮胎的力和力矩… … … … … … … … … … … … … … … 17
图 2. 4 有侧向力作用时刚性车轮的滚动… … … … … … … … … … … … … … … … … … … 18
图 2. 5 前轮侧向力与侧偏角关系… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 21
图 2. 6 后轮侧向力与侧偏角关系… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 21
图 2. 7 三自由度四轮转向非线性车辆仿真模型… … … … … … … … … … … … … … … … 22
图 3. 1 前轮转向和四轮转向车辆转向行驶中的路径和车身姿态 … … … … … … … … … 26
图 3. 2 前、后轴侧滑抑制示意图… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 27
图 3. 3 BP 神经网络神经元模型 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 28
图 3. 4 BP 神经网络基本模型 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 29
图 3. 5 四轮转向控制器训练数据采集模型… … … … … … … … … … … … … … … … … … 33
图 3. 6 t ansi g 函数… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 34
图 3. 7 BP 神经网络迭代次数的确定 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 40
图 3. 8 BP 神经网络学习速率的确定 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 40
图 3. 9 四轮转向控制器子系统… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 41
图 3. 10 质心侧偏角时域响应… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 42
图 3. 11 横摆角速度时域响应… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 42
图 3. 12 侧向加速度时域响应… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 43
图 3. 13 车身侧倾角时域响应… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 43
图 3. 14 后轮转角、前轮侧偏角和质心侧偏角与前轮转角关系… … … … … … … … … … 44
图 4. 1 后轮转角与车速关系… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 46
图 4. 2 质心侧偏角与车速关系… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 47
图 4. 3 横摆角速度与车速关系… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 47
图 4. 4 侧向加速度与车速关系… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 48
基于 Matlab/Simulink 和神经网络的四轮转向车辆控制研究
vi
图 4. 5 车身侧倾角与车速关系… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 48
图 4. 6 车速 12m/ s 时两种控制的后轮转角比较… … … … … … … … … … … … … … … … 50
图 4. 7 车速 12m/ s 时两种控制的横摆角速度比较… … … … … … … … … … … … … … … 50
图 4. 8 车速 30m/ s 时两种控制的后轮转角比较… … … … … … … … … … … … … … … … 51
图 4. 9 车速 30m/ s 时两种控制的横摆角速度比较… … … … … … … … … … … … … … … 51
表 1 车辆参数… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 20
表 2 轮胎侧向力模型辨识参数… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 20
表 3 BP 神经网络隐含层结构的确定 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 39
承诺书
本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师指导下,独立
进行研究工作所取得的成果。尽我所知,除文中已经注明引用的内容
外,本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本
论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体,均已在文中以明
确方式标明。
本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件,允
许论文被查阅和借阅,可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数
据库进行检索,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。
( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书)
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