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1、 学号_200531470020_ 密级_ 武汉高校本科毕业论文 智能小车建模探讨院（系）名 称：动力与机械学院专 业 名 称 ：自动化学 生 姓 名 ： 指 导 教 师 ： 副教授 二九年六月郑 重 申 明本人呈交的学位论文，是在导师的指导下，独立进行探讨工作所取得的成果，全部数据、图片资料真实牢靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的探讨成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的探讨工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的学问产权归属于培育单位。本人签名： 日期： BACHELORS DEGREE THESIS OF WUHAN UNIVE
2、RSITYModelling of a Smart CarCollege ：Power and Mechanical EngineeringSubject ：AutomationName ：Wang XuezhuDirector ：Zhuan Xiangtao Associate Professor June 2009摘 要本课题源自全国高校生智能汽车竞赛，建模的对象为前轮转向、后轮驱动的智能小车。论文采纳机理分析和试验测试相结合的方法，建立了该智能小车在平面上运动的双输入双输出模型。依据小车运行和限制特点，输入量选取智能小车的舵机限制信号和电机限制信号，分别限制车辆转向和前进速度，输出量选取
3、智能小车随意时刻在平面上的坐标。首先通过机理分析得到智能小车的模型结构，舵机模型为带延迟的一阶微分方程，电机模型为一阶微分方程，在转向时须要在电机模型中加入前轮转向对速度的影响，然后，通过运动学分析建立智能小车的整车模型结构。其次，通过试验测试获得不同状况下小车运行数据。接着运用最小二乘法估计出模型中的未知参数。将得到的模型和实际小车行驶状况进行对比，验证了此模型的有效性和牢靠性。关键词：智能车；建模；参数估计ABSTRACT This study origins from the Smart Car Competition for National University Students,
4、and the modelling object is a four-wheel electric smart car. The mechanism analysis method and experimental modelling method are employed to establish a two-input two-output mathematical model for a smart car. The input of the model is servo control signal and motor control signal, which respectivel
5、y controls the smart cars turning and speed, and the output of this model is complanate coordinate of the smart car, which has two degree of freedom. Firstly, the model structure is obtained by using mechanism analysis method. Then, the data of various scenarios for the step responses of the system
6、are measured under different input. With least squares method applied, the parameters of the model are identified. Comparing the simulation result (using the identified model) and the actual experience data (using the smart car running with the same setting), we can see that this model is validated
7、and proved to be reliable.Key words: smart car; modelling; parameter estimation书目第1章 绪论11.1课题背景11.2探讨现状2汽车理论2系统辨识31.3本文所作的工作51.4本文结构6第2章 机理分析确定小车模型结构72.1总述72.2舵机模型结构72.3电机模型结构9小车的行驶阻力10小车的动力供应11电机模型132.4小车运动学模型142.5小结15第3章 小车模型参数估计173.1总述173.2舵机模型参数估计17前轮偏角测量方法17试验设计19数据处理203.3前轮偏角为0时的电机模型参数估计24小车速度
8、测量方法24试验设计25数据处理253.4前轮偏角对小车速度的影响283.5小结30第4章 模型验证314.1运用Simulink搭建模型314.2模型验证334.3小结35第5章 结论与展望37参考文献40致谢42附录43第1章 绪论1.1 课题背景随着现代科技的飞速发展，人们对智能化的要求也越来越高，车辆的智能化也被提出。智能车通过结合传感器技术和自动驾驶技术，实现汽车的自动驾驶，将“人汽车道路”这一系统中的“人”去除掉，以削减违反交通规则、拥堵和事故的发生，提高行驶平安，因此智能车受到越来越多的关注。全国高校生智能汽车竞赛就是在这个背景下实行的。该竞赛由教化部高等学校自动化专业教学指导分
9、委员会主办，参赛队伍运用竞赛组委会供应的统一的汽车模型，运用飞思卡尔半导体公司的8位、16位微限制器作为核心限制模块，通过增加道路传感器、设计电机驱动电路、编写相应软件以及装配模型车，制作一个能够自主识别道路的模型汽车。竞赛时参赛的智能小车在用KT板铺好的白色跑道上，沿跑道中心的黑色引导线行进，以完成时间最短者为优胜。该竞赛涉及限制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械及车辆工程等诸多学科，对培育学生的学问融合和动手实力具有良好的推动作用1。迄今这项大赛已经举办了三届，第三届有来自一百多所高校的五百多支队伍参赛，该竞赛的影响力越来越大，而且随着这几年的发展，各个参赛智能小车的速度也越来
10、越快。全国高校生智能汽车竞赛的跑道运用为厚约0.5cm白色KT板铺成，跑道宽60cm，KT板的中心贴有2.5cm宽的黑色电工胶带作为引导线。而智能小车长约28cm，宽约17cm，相对而言跑道较窄。竞赛中要求小车行驶时不能偏离跑道，否则成果无效，对速度较快的智能小车提出了很高的限制要求，设计的限制器是否足够稳、准、快确定了竞赛的结果。目前常用的智能小车限制器为PID限制器和模糊限制器。对于PID限制器的设计在没有小车模型的状况下只能依据反复调车来整定参数，而对于模糊限制器的设计也是通过调车阅历来设计模糊限制规则，这样设计限制器，对人的主观因素依靠很大，难以取得较好的限制效果。而且依据调车阅历得到
11、的参数往往适应性较差，在路面摩擦系数、电池电压和轮胎磨损程度等条件发生变更时，这些限制器难以适应最新变更，会出现超调或是调整量不足的现象，难以在不同环境下都满足稳、准、快的限制要求。在竞赛中可以看到，由于跑道运用的KT板材料不一样，竞赛时的路面摩擦和平常训练时的路面摩擦有较大差异，因而依据阅历调试的限制器的实际运行很难达到满足的效果。基于这样的状况，我们须要对智能小车的结构进行探讨，建立精确牢靠的数学模型，并刚好更新模型参数，以提高限制精度。因为已知小车的数学模型，就可分析和改善限制系统的性能，整定限制器的参数，设计特别限制规律等，也可以进行最优限制、自适应限制和自整定限制等限制器的设计和应用
12、，确保小车在各种环境下都能正常运行2, 3。而且可以将建立的模型用于仿真探讨，实现对智能小车运行的模拟仿真，从而更便利地分析、制定限制策略。同时，对智能小车结构的分析还可以为优化小车结构供应理论依据。1.2 探讨现状1.2.1 汽车理论对智能小车进行建模探讨，首先要对智能小车进行动力学分析。长期以来，人们始终在很大程度上习惯按纵向、垂向和横向分别独立探讨车辆动力学问题，即纵向动力学、行驶动力学和操纵动力学。（1）纵向动力学。纵向动力学探讨车辆直线运动及其限制的问题，主要是车辆沿前进方向的受力与其运动的关系。车辆的行驶阻力主要有加速阻力、滚动阻力、空气阻力和坡度阻力等；对车辆动力及功率的供应实力
13、主要由发动机功率和传动系机械效率确定4。（2）行驶动力学。行驶动力学主要探讨由路面的不平激励，通过悬架和轮胎垂向力引起的车身跳动和俯仰以及车轮的运动。行驶动力学探讨的首要问题是建立考虑悬架特性在内的车辆动力学模型具有七自由度的整车系统模型：假定车身是一个刚体，当车辆在水平面做匀速直线运动时，车身具有上下跳动、俯仰、侧倾三个自由度；两个前轮分别具有垂向运动的自由度；独立悬架的两个后轮垂向运动的自由度，或非独立悬架中后轴的垂向跳动和侧倾转动两个自由度5。当汽车对称于其纵轴线，且左、右车辙的路面不平度函数相等，此时汽车车身只有垂直振动和俯仰振动，这两个自由度的振动对平顺性影响最大，通常可以简化为四自
14、由度的半车模型6。（3）操纵动力学。操纵动力学探讨车辆的操纵特性，主要与轮胎侧向力有关，并由此引起车辆侧滑、横摆和侧倾运动。最简洁的车辆操纵模型可由一单质量刚体来表示，该刚体在外力和外力矩作用下具有在道路水平面运动的三个自由度，即纵向运动、侧向运动及横摆运动。轮式车辆的转向机构通常按实现阿克曼转向（不计轮胎侧偏的无侧滑转向）来设计。转向机构多为空间机构，结构和运动参数较多，运动关系困难，通过对转向相关部件的运动进行解析即可导出转向传动机构的基本运动方程7, 8。当车辆侧向加速度小于0.4g时，通常意味着车辆在高附着路面做小转向运动，操纵性能在线性域工况内，可运用线性模型对操纵性能进行定量分析。实际中的车辆同时会受到纵向、垂向和横向三个方向的输入，各方向所表现的运动响应特性必定是相互作用、相互耦合的。随着功能强大的计算机技术和动力学分析软件的发展，已经能够将三个方向的动力学问题结合起来进行探讨，对车辆动力学问题的分析也可能扩展到更困难的工况及非线性域9。但对三个方向分开处理仍很常用，因为这样做可以削减模型的自由度，从而削减分析工作量，易于处理。而且假如对车辆的工作状况及条件进行适当限制，那么三个方向的耦合关系则可能不太显著。比如，当车辆在水平粗糙路面匀速直线行驶时，问题将集中在行
