基于ADAMS和Simulink的神经网络控制4WS汽车联合仿真研究
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摘要
汽车的四轮转向(Four-Wheel-Steering,4WS)技术作为一项先进的汽车主动底盘控制技术,是车辆主动底盘技术的重要分支,能有效的改善汽车高速行驶时的操控稳定性能,减小汽车质心侧偏角,减小车辆横摆率和横向加速度之间的相差,低速行驶时减小了车辆转弯半径,提高了车辆操纵灵活性。
本文介绍了四轮转向技术研究的目的和意义,描述了四轮转向技术的基本原理及优点,分析了四轮转向控制方法的研究现状和发展趋势。从仿真技术发展的角度,分析了4WS研究存在的问题以及运用虚拟仿真技术的现实意义。为建立四轮转向汽车虚拟样机模型,研究了多体系动力学软件MSC.ADAMS的动力学理论和计算方法,并详细的介绍了多体动力学仿真软件中的一些重要模块。在轿车模块ADAMS/Car的模板系统中,通过修改一个转向系统的转向齿条,建立了后转向系统；修改车身系统使之与后转向系统连接,并与其他子系统一起建立了四轮转向整车模型。详细介绍了神经网络以及BP神经网络的有关知识,在Simulink中建立了四轮转向神经网络控制模型,取得需要的数据,确定了BP神经网络的算法以及相关参数,并训练网络模型,实现了四轮转向汽车的神经网络控制以及ADAMS与MATLAB的联合仿真,探索汽车在高速转向情况下横摆角速度和质心侧偏角等表征汽车行驶稳定性的曲线参数,肯定了四轮转向汽车神经网络控制的稳定性及可行性,提高了汽车行驶的安全性。
As an advanced vehicle active chassis control technology, Four-Wheel-Steering (4WS) is an important branch of active chassis control technologies. It can effectively improve the stability of the vehicle at a high speed, reduce the body side slip angle, body yaw rate and so on. It can also reduce the turning radius and makes you drive easily when the car is running at a law speed.
This paper introduces the purpose and significance of four-wheel steering technology research, describes the basic principle and advantage of 4WS technology, analysises the research status and develop trend of 4WS control method. From the simulation point of view, it analysises some existed problems on the 4WS research, as well as the practical significance of using virtual simulation technology. In order to create 4WS model, the dynamics theory and calculate method of multi-system dynamics software MSC.ADAMS are studied. It also introduces some important modules of this software. In the system of ADAMS/Car template, I created a rear steering system by modifying the steering rack of a steering system. I modified the body system so as to connect to the rear steering system. At last I created the 4WS full vehicle model using these two systems and some other necessary systems. Details of neural network and BP neural network are mentioned in the paper. I created a 4WS vehicle model with neural network controlled in Simulink, got necessary data, established the algorithm and parameters of BP neural network, and then trained the network model. At last, I made it successful to control the 4WS vehicle with neural network. The co-simulation based on ADAMS and Matlab is executed successfully. By comparing the curves parameters of yaw rate、side slip angle and some other parameters react to the stability of vehicle at a high speed, I make sure that the 4WS vehicle with neural network controlled has high stability. It makes drive more safely.
本文介绍了四轮转向技术研究的目的和意义,描述了四轮转向技术的基本原理及优点,分析了四轮转向控制方法的研究现状和发展趋势。从仿真技术发展的角度,分析了4WS研究存在的问题以及运用虚拟仿真技术的现实意义。为建立四轮转向汽车虚拟样机模型,研究了多体系动力学软件MSC.ADAMS的动力学理论和计算方法,并详细的介绍了多体动力学仿真软件中的一些重要模块。在轿车模块ADAMS/Car的模板系统中,通过修改一个转向系统的转向齿条,建立了后转向系统；修改车身系统使之与后转向系统连接,并与其他子系统一起建立了四轮转向整车模型。详细介绍了神经网络以及BP神经网络的有关知识,在Simulink中建立了四轮转向神经网络控制模型,取得需要的数据,确定了BP神经网络的算法以及相关参数,并训练网络模型,实现了四轮转向汽车的神经网络控制以及ADAMS与MATLAB的联合仿真,探索汽车在高速转向情况下横摆角速度和质心侧偏角等表征汽车行驶稳定性的曲线参数,肯定了四轮转向汽车神经网络控制的稳定性及可行性,提高了汽车行驶的安全性。
As an advanced vehicle active chassis control technology, Four-Wheel-Steering (4WS) is an important branch of active chassis control technologies. It can effectively improve the stability of the vehicle at a high speed, reduce the body side slip angle, body yaw rate and so on. It can also reduce the turning radius and makes you drive easily when the car is running at a law speed.
This paper introduces the purpose and significance of four-wheel steering technology research, describes the basic principle and advantage of 4WS technology, analysises the research status and develop trend of 4WS control method. From the simulation point of view, it analysises some existed problems on the 4WS research, as well as the practical significance of using virtual simulation technology. In order to create 4WS model, the dynamics theory and calculate method of multi-system dynamics software MSC.ADAMS are studied. It also introduces some important modules of this software. In the system of ADAMS/Car template, I created a rear steering system by modifying the steering rack of a steering system. I modified the body system so as to connect to the rear steering system. At last I created the 4WS full vehicle model using these two systems and some other necessary systems. Details of neural network and BP neural network are mentioned in the paper. I created a 4WS vehicle model with neural network controlled in Simulink, got necessary data, established the algorithm and parameters of BP neural network, and then trained the network model. At last, I made it successful to control the 4WS vehicle with neural network. The co-simulation based on ADAMS and Matlab is executed successfully. By comparing the curves parameters of yaw rate、side slip angle and some other parameters react to the stability of vehicle at a high speed, I make sure that the 4WS vehicle with neural network controlled has high stability. It makes drive more safely.
引文
1. YOUNG H.CHO and J.KIM.'Design of Optimal Four-Wheel Steering System'[J], Vehicle System Dynamics,24(1995):61-68.
2. Daniel Westbom, Petter Frejinger.'Yaw control using rear wheel steering' Regnr:LiTH-ISY-3273, November 2002.
3.王洪礼,胡斌,乔宇.汽车四轮转向非线性模型的神经网络控制[M],机械强度,2003,25(1)：28-31.
4. Laszlo PALKOVICS.'Efect of the Controllers Parameters on the Steer ability of the Four Wheel Steered Cra'[J],Vehicle System Dynamics,24(1995):313-327.
5.郭孔辉.汽车操纵动力学[M],长春：吉林科技出版社,1991,96-100.
6.孙海波.四轮转向汽车转向特性的研究[D],哈尔滨工业大学,2005.
7.舒进.比例控制四轮转向车辆运动特性分析[J],专用汽车,2002(3)：16-19.
8.吕强.四轮转向车辆的主动控制.博士后研究工作报告[D],长春：吉林工业大学,1996.
9. Sano S, Furukawa Y, ShlralshiS.'Four wheel Steering System with Rear Angle Controlled as a Function of Steering Wheel Angle'[J], SAE Paper 860625,1986.
10.郭孔辉,轧浩.四轮转向的控制方法的发展[J],中国机械工程,1998.9,(5)：73-75.
11.赵桂军.四分之—车主动悬架的鲁棒控制和在线自适应控制[D],吉林大学,2002.2.
12.王文成.神经网络及其在汽车工程中的应用[M],北京：北京理工大学出版社,1998.
13.熊光楞,郭斌,陈晓波.协同仿真与虚拟样机技术[M],北京：清华大学出版社,2004.8.
14.范成建,熊光明,周明飞.虚拟样机软件MSC.ADAMS应用与提高[M],北京：机械工业出版社,2005.8.
15.陈立平,张云清,任卫群.机械系统动力学分析及ADAMS应用教程[M],北京：清华大学出版社,2005.
16.瞿亮.基于MATLAB的控制系统计算机仿真[M],北京：清华大学出版社,2006.
17.范成建,熊光明,周明飞.虚拟样机软件MSC.ADAMS应用与提高,北京：机械工业出版社,2005.
18. R.Wade Allen, Henry T.Szostak, Theodore J.Rosenthal and David H.Klyde[J], Field Testing and Computer Simulation Analysis of Ground Vehicle Dynamic Stability, SAE paper No.900127.
19.任卫群.车—路系统动力学中的虚拟样机——MSC.ADAMS软件应用实践[M],北京：电子工业出版社,2005.
20.钟绍华.汽车二自由度运动方程的探讨[J],武汉汽车工业大学学报,1999,No.3,2225.
21. X.Xia, E.H.Law, Nonlinear Analysis of Closed Loop Driver/Automobile Performance with Four Wheel Steering Control[J], SAE paper No.92055.
22.黄柯棣等.系统仿真技术[M],长沙：国防科技大学出版社,1998,10.
23.李智峰,吴光强.基于虚拟样机的整车系统动力学研究[J],上海汽车。2000.
24.袁士杰,吕哲勤.多刚体系统动力学[M],北京：北京理工大学出版社,1992.
25. Laszlo PALKOVICS.'Efect of the Controller Parameters on the Steerability of the Four Wheel Steered Car'[J], Vehicle System Dynamics,21(1992):109-128.
26.李军.ADAMS实例教程[M],北京：北京理工大学出版社,2002.7.
27.陈立平,张云清,任卫群.机械系统动力学分析及ADAMS应用教程[M],北京：清华大学出版社,2005.
28. Shibahata Y, Irle N, Itoh H.'The Development of an Experimental Four-Wheel-Steering Vehicle[J], SAE Paper 860623,1986.
29.T.R凯恩著,贾书惠、薛克宗译.动力学理论与应用[M],北京：清华大学出版社,1988.
30.陈立平.机械系统动力学分析及ADAMS应用教程[M],北京：清华大学出版社,2005.
31.李军.ADAMS实例教程[M],北京：北京理工大学出版社,2002.
32.陆佑方,柔性多体系统动力学[M],北京：高等教育出版社,1996.7.
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38. Jane R.T. Tire models for the determination of vehicle structural loads. Master of science, Michigan State University, Department of Mechanical Engineering.1982.
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42.任卫群,黄妙华,金国栋等.采用神经网络轮胎模型的汽车操纵稳定性仿真[J],计算机仿真,2000,17(2)：46-49.
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53.高隽.人工神经网络原理及仿真实例[M],北京：机械工业出版社,2004：1-53.
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55.周开利,康耀红.神经网络模型及其MATLAB仿真程序控制[M],北京：清华大学出版社,2004.
56.王文成.神经网络及其在汽车工程中的应用[M],北京：北京理工大学出版社,1998,322-368.
57.姜宏.基于Matlab/Simulink和神经网络的四轮转向车辆控制研究[D],南京航空航天大学,2007.
58.高隽.人工神经网络原理及仿真实例[M],北京：机械工业出版社,2004,1-53.
59.王科俊,王克成.神经网络建模、预报与控制[M],哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社,1996.12.
60.袁曾任.人工神经元网络及其应用[M],北京：清华大学出版社,1999,66-131.
61.姜宏.基于Matlab_Simulink和神经网络的四轮转向车辆控制研究[D],南京航空航天大学,2007.
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68.薛定宇,陈阳泉.基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用[M],北京：清华大学出版社,2002.4.
69. Dave Crollal：英),喻凡.车辆动力学及其控制[M],北京：人民交通出版社,2003.10.
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71.范成建,熊光明,周明飞等.虚拟样机软件MSC.ADAMS应用与提高[M],北京：机械工业出版社,2005,107.
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81. YOUNG H.CHO and J.KIM.'Design of Optimal Four-Wheel Steering System'[J],Vehicle System Dynamics,24(1995),61-68.
82. H.INOUE and F.SUGASAWA.'Comparison of Feedforward and Feedback Control for 4WS'[J],Vehicle System Dynamics,22(1993),25-43.
2. Daniel Westbom, Petter Frejinger.'Yaw control using rear wheel steering' Regnr:LiTH-ISY-3273, November 2002.
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26.李军.ADAMS实例教程[M],北京：北京理工大学出版社,2002.7.
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38. Jane R.T. Tire models for the determination of vehicle structural loads. Master of science, Michigan State University, Department of Mechanical Engineering.1982.
39.任卫群.车—路系统动力学中的虚拟样机[M],北京：电子工业出版社,2005.9,21-25.
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42.任卫群,黄妙华,金国栋等.采用神经网络轮胎模型的汽车操纵稳定性仿真[J],计算机仿真,2000,17(2)：46-49.
43.加卢什金著,阎平凡译.神经网络理论[M],北京：清华大学出版社,2002.4.
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48.安部正人.汽车的运动和操纵[M],北京：机械工业出版社,1998.
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57.姜宏.基于Matlab/Simulink和神经网络的四轮转向车辆控制研究[D],南京航空航天大学,2007.
58.高隽.人工神经网络原理及仿真实例[M],北京：机械工业出版社,2004,1-53.
59.王科俊,王克成.神经网络建模、预报与控制[M],哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社,1996.12.
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62.韩文涛.基于神经网络的四轮转向系统控制方法[J],学术论坛,2004,05-0024-03.
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65.闻新,周露,王丹力等.MATLAB神经网络应用设计[M],北京：科学出版社,2000,207-232.
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68.薛定宇,陈阳泉.基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用[M],北京：清华大学出版社,2002.4.
69. Dave Crollal：英),喻凡.车辆动力学及其控制[M],北京：人民交通出版社,2003.10.
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71.范成建,熊光明,周明飞等.虚拟样机软件MSC.ADAMS应用与提高[M],北京：机械工业出版社,2005,107.
72.屈求真,刘延柱,张建武.四轮转向汽车自适应模型跟踪控制研究[J],汽车工程,2000.(2)：73-76.
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