汽车轮力测量解耦理论与技术研究

发布时间：2017-07-26 23:24

  本文关键词：汽车轮力测量解耦理论与技术研究

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【摘要】：车轮力是车辆、地面和空气对于车轮的共同作用结果,实时检测车辆在各种状态下车轮的受力情况是分析车辆运动和开展诸多车辆实验的基础。作为测量车辆在行驶过程中车轮所受力和力矩的专用工具,多维轮力传感器在车辆实验和测试中占据着无可替代的地位,因此研发和设计具有自主知识产权的轮力传感器对于提高我国的车辆制造业水平具有重要意义。本文围绕多维轮力传感器的设计,针对传感器的测量和解耦等数据处理方法进行了系统性研究。论文主要内容如下：1.研究了多维轮力传感器的设计方法,按照轮力测量过程将传感器设计划分为轮力感知、轮力采集和轮力数据处理三个功能环节,明确了各个环节的设计要求,并完成了传感体、组桥电路、采集模块和传输模块等传感器硬件设计,同时设计了基于结构解耦和旋转解耦的数据处理方法。2.针对多维轮力传感器中各个测量通道之间存在的结构耦合问题,依托轮力传感器标定平台,设计并完成了传感器的静态标定实验,建立了传感器各个测量通道的输出电压和实际加载到传感体上的轮力间的数学关系,通过对实验结果的分析与处理,大幅降低了测量通道之间的耦合程度。3.由于多维轮力传感器工作时随车轮一起转动,车轮旋转角度测量的精确程度会直接影响轮力数据处理的旋转解耦效果。本文针对传感器中使用的绝对式编码器设计了编码器安装初值标定方法。经过半实物实验验证,该方法能够准确解算出编码器安装时零点的位置,极大的降低了由于编码器安装初值估计误差引起车轮旋转转角度测量误差,并提高了旋转解耦精度。4.针对多维轮力传感器特定安装方式下,编码器在车辆转弯过程中出现的输出角度偏差问题,提出了一种编码器输出补偿算法,该方法通过实时对比GPS测量到的车速和由编码器输出估计得到的车轮转速,判断是否出现角度偏差,并对编码器的输出进行修正。通过实车实验可以证实,该补偿方法有效地提高了轮力解算的准确性。5.针对车轮力信号的随机性强、难以建模等问题,本文将轮力信号分成两个动态情况进行考虑,分别建立了基于一阶马尔科夫过程的高动态Singer车轮力模型和基于平面转弯模型的低动态车轮力模型,实现了对于随机轮力信号的精确建模。6.针对轮力信号的降噪问题,提出了一种自适应滤波方法,实时地对轮力进行旋转解耦和滤波。该方法以计算效率高且适用于非线性系统的稀疏网格求积分点卡尔曼滤波器为核心,在交互式多模型算法框架下实时计算各模型所占权重,并以此为基础选择合适车轮力模型对数据进行滤波和旋转解耦,实现了车轮力模型的自适应选择,显著提高了轮力解算精度。
【关键词】：多维轮力传感器 车轮旋转角度测量 车轮力模型 自适应实时滤波
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U467.4
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第一章 绪论12-24
• 1.1 研究背景与意义12-14
• 1.2 轮力测量技术研究现状14-19
• 1.2.1 车轮力和车轮力测量方法14-15
• 1.2.2 车轮力传感器国外研究现状15-17
• 1.2.3 车轮力传感器国内研究现状17-19
• 1.3 车轮力传感器技术难点与基本技术路线19-21
• 1.4 论文内容安排21-22
• 1.5 本章小结22-24
• 第二章 多维轮力传感器设计24-50
• 2.1 轮力信息感知环节设计24-32
• 2.1.1 弹性体设计24-28
• 2.1.2 应变分析及应变片布片方法28-32
• 2.2 轮力信息采集环节设计32-40
• 2.2.1 采集模块设计33-36
• 2.2.2 传输模块设计36-37
• 2.2.3 非接触式通讯方法与协议37-40
• 2.3 轮力信息处理环节设计40-43
• 2.3.1 辅助坐标系定义41-42
• 2.3.2 轮力信息处理流程42-43
• 2.4 车轮力传感器的实车安装与测试43-48
• 2.4.1 传感器安装43-45
• 2.4.2 实车测试45-48
• 2.5 本章小结48-50
• 第三章 多维轮力传感器静态标定与结构解耦研究50-68
• 3.1 传感器静态性能指标50-52
• 3.1.1 线性度50-51
• 3.1.2 重复性51
• 3.1.3 迟滞性51-52
• 3.2 多维轮力传感器标定设备与方法52-55
• 3.2.1 多维轮力标定平台52-54
• 3.2.2 标定过程和样本的抽取54-55
• 3.3 轮力标定和静态特性55-61
• 3.3.1 F_x~e静态特性55-57
• 3.3.2 F_y~e静态特性57-58
• 3.3.3 F_z~e静态特性58-60
• 3.3.4 M_y~e静态特性60-61
• 3.4 多维轮力传感器维间解耦方法61-65
• 3.4.1 维间耦合度61-62
• 3.4.2 线性解耦方法62-63
• 3.4.3 非线性解耦方法63-65
• 3.5 本章小结65-68
• 第四章 车轮旋转角度测量方法研究68-96
• 4.1 旋转角度偏差影响68-69
• 4.2 编码器初始安装角度标定69-78
• 4.2.1 标定方法69-72
• 4.2.2 半实物实验72-78
• 4.3 编码器角度偏差补偿78-94
• 4.3.1 产生原因79-81
• 4.3.2 补偿方法81-83
• 4.3.3 仿真实验83-90
• 4.3.4 实车实验90-94
• 4.4 本章小结94-96
• 第五章 轮力数据滤波算法研究96-126
• 5.1 传统滤波方法96-99
• 5.1.1 小波变换和降噪原理96-98
• 5.1.2 轮力数据的小波滤波98-99
• 5.2 自适应实时滤波算法99-114
• 5.2.1 实时滤波器的选择99-104
• 5.2.2 轮力数据模型104-110
• 5.2.3 交互式多模型算法110-112
• 5.2.4 自适应实时滤波的实现112-114
• 5.3 仿真实验114-121
• 5.3.1 直线加速仿真实验114-117
• 5.3.2 制动仿真实验117-119
• 5.3.3 转弯仿真实验119-121
• 5.4 半实物实验121-123
• 5.5 本章小结123-126
• 第六章 总结与展望126-130
• 6.1 论文工作总结126-127
• 6.2 论文主要创新点127
• 6.3 下一步工作展望127-130
• 参考文献130-138
• 致谢138-140
• 博士期间发表论文和申请专利情况140

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