车辆主动安全性能道路试验系统及评价方法研究

论文摘要

论文研究针对装备底盘主动运动控制系统车辆行驶安全性能检测的整车道路试验系统及其性能评价方法。在分析了国内外有关汽车主动安全性法规及典型底盘主动运动控制系统关键技术的基础上提出了车轮力和车身位置姿态同步测量道路试验系统,并就测试方法、提高测量精度和性能评价方法等展开了系统深入的研究。论文主要研究工作概括如下:（1）基于车辆主动安全性研究的需要和国内汽车道路试验技术现状,提出了车轮力和车身位置姿态同步测量道路试验系统,研制了车身位置姿态测量模块,列出了各测量参数及其技术要求并对传感器选型。系统采用基于CAN总线的分布式数据采集和集中数据后处理的系统架构。位置姿态测量模块硬件设计选用了高集成、高速控制器,电源、信号和数传通道都采取了隔离措施;软件设计采用了模块化结构,对所有片上外设采用中断管理的方式。模块基于控制器自带32位定时器作为系统时基,较好地解决了卡内各通道信号、卡间数据时间同步问题。试验室调试和实车试验证明了该模块工作的可靠性。（2）在课题组车轮力传感器已有研究成果的基础上,从传感器标定方法和静态维间解耦角度深入研究了车轮力传感器维间耦合现象。对在自制液压标定试验台上标定的三分力数据分别采用多元线型回归、最小二乘支持向量回归机和改进正交最小二乘算法径向基神经网络三种方法进行解耦分析。结果表明:标定主通道线性检验显著;自研轮力传感器静态耦合率与国外产品精度相当;最小二乘支持向量回归机方法能够较好地克服小样本、非线性、高维数、局部极小点等实际问题且在回归精度、泛化能力和算法稳定性方面均具有良好的性能;对标准正交最小二乘径向基神经网络算法停止学习条件进行修正,并对扩展常数基于交叉验证法进行筛选,能够克服经验确定网络参数的不足,参数确定符合泛化基本理论,方法可行。（3）深入研究了中低精度捷联惯性测量系统和高精度载波相位模式差分GPS位置/速度/航向角间接反馈松散组合方式下车辆位置姿态测量的基本理论和工程实现关键问题。详细推导了汽车道路试验表述下的捷联惯性解算算法,基于惯性测量单元线性误差模型建立了21阶误差校正Kalman线性滤波器,并从该滤波器出发研究了现场快速动基座组合初始自对准方案。在kalman滤波器算法中,综合了平方根算法和自适应Sage-Husa算法,较好地克服了计算误差和模型不确定误差对滤波效果的影响。仿真和实车试验结果表明了该车辆位置姿态组合测量方法的可行性。（4）为了进一步完善测量模型和提高车轮力传感器的动态测量精度,综合考虑车辆主动安全性试验特点和模型实用性,建立了10自由度的整车模型,并基于牛顿力学原理进行了详细推导。该模型10自由度包括:整车纵向、横向线运动和横摆角运动,簧上质量的垂直线运动、侧倾和纵倾角运动,以及四个车轮的旋转运动,并考虑了空气阻力、轮胎滚动阻力、主动/半主动悬架（简化成等效弹簧和等效阻尼两部分）等因素。另外,基于该模型和车身位置姿态信息推导了联合工况下车身质心和车轮侧偏角、车轮滑动率等参数计算公式,是进一步对车辆主动安全性能评价分析的理论依据。探讨了模型中车身转动惯量和惯性积的实车路试测试方案。对比了基于车轮力和基于整车功率平衡两种测试轮胎滚动阻力系数方法,试验结果表明在滑行工况下两种方法表现出良好的一致性。（5）对ABS车辆制动稳定性能、评价指标、试验规程等进行了系统深入的研究。分析了目前制动法

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外车辆主动安全性道路试验检测技术进展
• 1.2.1 车辆道路试验技术进展
• 1.2.2 轮力测量技术
• 1.2.3 车辆位置姿态测量及其信息融合技术研究进展
• 1.3 论文研究技术路线及项目支撑
• 1.4 论文内容安排
• 1.5 本章小结
• 第二章 车辆主动安全性检测系统架构及灵敏度确定
• 2.1 国内外车辆主动安全性法规及测试方法综述
• 2.1.1 有关直线制动性能法规
• 2.1.2 有关转向制动性能法规
• 2.1.3 有关操纵稳定性能法规
• 2.2 典型车辆主动安全性底盘电子控制系统及研究进展
• 2.2.1 联合工况充气轮胎路面附着特性
• 2.2.2 纵向防滑控制系统ABS / TCS
• 2.2.3 车辆动力学稳定性控制系统VDSC
• 2.3 系统架构的确定
• 2.3.1 测试变量及其要求
• 2.3.2 基于CAN 总线的分布式数据采集和集中数据后处理的系统架构的提出
• 2.3.3 车身位置姿态采集系统的设计
• 2.3.4 道路试验系统数据管理
• 2.4 传感器选型及灵敏度的确定
• 2.5 本章小结
• 第三章 车轮多分力传感器性能评价及静态解耦研究
• 3.1 电阻应变式轮力测量原理
• 3.1.1 车轮受力分析
• 3.1.2 八梁轮辐式弹性体结构及力的传递
• 3.1.3 弹性体变形梁受力分析及布片组桥
• 3.2 多分力轮力传感器性能指标及评价
• 3.2.1 静态性能指标
• 3.2.2 动态性能指标
• 3.2.3 环境和使用指标
• 3.3 轮力传感器维间耦合标定装置及标定方法研究
• 3.3.1 标定方法与液压标定装置
• 3.3.2 标定过程和样本的抽取
• 3.4 基于多元线性回归原理维间线性解耦研究
• 3.4.1 多元线性回归模型及其最小二乘解
• 3.4.2 回归参数显著性检验
• 3.4.3 维间解耦实现
• 3.5 基于最小二乘支持向量回归机维间非线性解耦研究
• 3.5.1 最小二乘支持向量回归机算法
• 3.5.2 最小二乘支持向量回归机参数优化
• 3.5.3 维间解耦实现
• 3.6 基于径向基神经网络回归解耦研究
• 3.6.1 RBF 网结构设计
• 3.6.2 基于改进RBF 网解耦实现
• 3.7 解耦方法对比分析
• 3.8 典型乘用车测力车轮主要性能对比
• 3.9 本章小结
• 第四章 车辆位置姿态测量及工程实现
• 4.1 基本坐标系和车辆位置姿态表示
• 4.1.1 基本坐标系的确定
• 4.1.2 车辆位置姿态表示
• 4.2 捷联惯性位置姿态测量基本原理及其实现
• 4.2.1 基于四元数法车体姿态矩阵更新算法
• 4.2.2 车体位置姿态信息提取
• 4.2.3 捷联惯性测量系统误差模型
• 4.2.4 捷联算法验证算法及纯SIMS 仿真
• 4.3 改进自适应Kalman 滤波基本原理及其实现
• 4.3.1 标准离散Kalman 滤波算法及滤波器发散原因
• 4.3.2 改进Sage-Husa 滤波算法及其实现
• 4.3.3 连续系统离散化
• 4.4 SIMS/GPS 融合位置姿态测量方案及其实现
• 4.4.1 滤波器的结构和SIMS/GPS 组合方式的考虑
• 4.4.2 观测方程的建立
• 4.4.3 状态变量实时补偿
• 4.5 低成本SIMS/GPS 组合动基座自主式现场快速对准实现
• 4.5.1 车辆道路试验初始对准一般要求
• 4.5.2 粗对准实现
• 4.5.3 精对准实现
• 4.6 杆臂效应及其补偿
• 4.7 仿真分析
• 4.8 本章小结
• 第五章 车辆道路试验系统软测量模型研究
• 5.1 整车模型
• 5.1.1 车辆模型概述
• 5.1.2 整车惯性力和惯性力矩的推导
• 5.1.3 基于轮胎模型的轮胎动力学参数提取及空气阻力计算模型
• 5.1.4 基于车轮力直接测量的轮胎力信息提取
• 5.1.5 整车合外力和合外力矩推导
• 5.1.6 整车运动微分方程的建立
• 5.2 基于轮力测量的车轮滚动阻力系数测试方法研究
• 5.2.1 轮胎受力分析
• 5.2.2 试验设计
• 5.2.3 实例分析
• 5.3 基于轮力和位置姿态信息直接测量的车辆转动惯量参数测试方案
• 5.3.1 理论依据
• 5.3.2 试验设计
• 5.4 本章小结
• 第六章 车辆 ABS 性能评价方法研究及试验规程的改进
• 6.1 车辆主动安全性评价方法研究进展
• 6.1.1 评价方法的分类
• 6.1.2 操纵稳定性评价方法研究进展
• 6.1.3 汽车制动效能及制动稳定性
• 6.1.4 汽车行车制动性能客观测量评价
• 6.2 制动法规客观测量评价指标局限性
• 6.2.1 制动效能与制动稳定性的关系
• 6.2.2 制动法规对制动性能评价的不足之处
• 6.3 车辆ABS 制动稳定性能评价指标的提出
• 6.3.1 基于车轮多维力的ABS 性能评价指标
• 6.3.2 基于车轮运动学参数的评价指标
• 6.3.3 基于方向盘转向力角的评价指标
• 6.3.4 基于车辆位置姿态信息的评价指标的补充
• 6.4 ABS 性能道路试验对比研究方法
• 6.5 基于车轮力直接测量对传统制动性能测试方法的改进
• 6.5.1 ABS 附着系数利用率测试方法的改进
• 6.5.2 利用附着系数测试方法的改进
• 6.6 转向制动试验规程研究
• 6.6.1 试验准备与试验操作
• 6.6.2 试验有效性判断依据
• 6.6.3 特征参数及主要评价指标的计算方法
• 6.7 本章小结
• 第七章 车辆 ABS 性能及位置姿态模块验证实车试验研究
• 7.1 直线制动试验场地及路面选择
• 7.2 试验设备
• 7.3 直线制动试验
• 7.3.1 70 km/h on-ABS 直线制动试验
• 7.3.2 50 km/h on-ABS 直线制动试验
• 7.3.3 55 km/h off-ABS 直线制动试验
• 7.3.4 直线制动ABS 性能对比分析
• 7.4 车辆位置姿态测量系统验证试验
• 7.4.1 试验现场
• 7.4.2 GPS 静基座试验和直线运动观察试验
• 7.4.3 IMU 静基座试验
• 7.4.4 SIMS/GPS 组合试验
• 7.5 本章小节
• 第八章 总结与展望
• 8.1 全文总结
• 8.2 进一步研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文及参与的科研项目