论文摘要
车辆驾驶模拟器广泛应用于开发新型车辆、培训驾驶员以及其他各种科学研究。随着应用的不断深入和拓展,对模拟器的性能要求也越来越高。车辆动力学模型和六自由度运动平台系统是模拟器的两大重要组成部分。目前,在模拟器开发过程中,动力学建模与运动平台设计往往各自独立进行,后续联调过程中存在着匹配调试困难、危险性高等问题,缺乏理论指导。对此,本文首次建立了基于Vortex的车辆动力学与六自由度运动平台的联合仿真系统,将车辆动力学模型、六自由度平台模型以及运动学反解算法、洗出滤波算法等控制方法集成到该系统中。以Vortex多体动力学软件为工具,进行系统分析和研究,用联合可视化仿真的方法解决系统匹配问题。研究思路和方法可以推广到基于不同动力学软件、各种类型的模拟器当中,具有普遍意义。论文介绍了车辆驾驶模拟器的应用领域,对车辆驾驶模拟器的开发研究现状进行了全面综述,包括车辆动力学仿真模型的国内外研究现状以及六自由度运动平台的国内外研究现状。论文阐述了模拟器车辆动力学与六自由度平台联合仿真系统的组成和基本原理,包括系统的各部分功能以及执行原理、车辆动力学仿真子系统的运行原理和六自由度运动平台及其控制算法仿真子系统的执行原理,并总结了仿真系统的目的和作用。论文通过建立汽车双轴四自由度垂直振动和俯仰振动微分方程,分析了路面不平度输入后激励的传递过程及引起的动力学响应过程。参照奥迪某车型相关参数,建立了悬架非线性模型,针对该模型易使车辆行驶过程中出现非正常的加速度冲击现象,进行了模型优化。得出了基于行驶平顺性和稳定性的最佳阻尼比及其随车身垂向振动加速度、速度以及路面不平度系数的变化关系,并确定了三者的阈值。由于路面不平度系数难以实时获得,本文给出了一种利用车辆动力学参数来构造广义地面阻力系数的方法,并通过在平路和正弦路两种路况下的仿真,确定了变最佳阻尼比的广义地面阻力系数阈值,以此替代路面不平度系数阈值。提出了悬架非线性刚度的一种优化思想,即以车辆静平衡状态为参考,悬架弹簧伸缩量在某一区间内,刚度采用能够有效缓冲激励的较小值。针对优化后的悬架系统模型,进行了仿真验证。论文阐述了六自由度运动平台的系统组成,进行了运动学和动力学分析。建立了油缸伸缩速度、加速度与平台位姿的关系方程式,并针对平台的几种典型运动对所需驱动油缸的速度、加速度进行了仿真。针对车辆驾驶模拟器联合仿真系统,给出了基于Vortex的六自由度运动平台的建模过程。对于平台驱动油缸的初始位姿,提出了一种采用解析法建模的新方法。对平台模型铰点驱动的响应特性进行了仿真分析。论文阐述了洗出滤波算法,并在MATLAB/SIMULINK中建立了经典洗出滤波算法和运动学反解算法,并就虚拟车辆的两种典型运动进行了仿真测试分析。完成了从Vortex车辆动力学模型虚拟驾驶仿真到洗出滤波算法、运动学反解算法以及运动平台Vortex模型的洗出运动仿真,并通过绘制相关参数的变化曲线对整个离线仿真进行了分析。说明了离线洗出运动仿真和实时洗出运动仿真的区别以及各自的作用。进一步探索了平台洗出运动仿真在实物平台液压系统相关元件基本参数设计上的重要应用,提出了基于统计性仿真结果的设计方法,包括系统最大压力、最大流量以及油缸伺服阀流量的设计,并给出了较为实用的设计表达式。
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