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FSAE赛车的侧风稳定性及其控制策略研究
| 论文题名： | FSAE赛车的侧风稳定性及其控制策略研究 |
| 关键词： | FSAE赛车;侧风稳定性;计算流体力学;主动前轮转向;最优控制 |
| 摘要： | 随着方程式汽车大赛（FSAE）的迅速发展，赛车的行驶车速逐年提高，赛车的空气动力学特性得到了极大的发展，侧向风对赛车操纵稳定性的影响引起了广泛关注。侧风作用于赛车导致车身姿态和行驶轨迹发生变化，目前主要依靠车手对方向盘修正，会增加车手负担，影响比赛成绩和行车安全性。本文对 FSAE赛车进行侧风稳定性研究，从主动安全控制的角度，采用主动前轮转向（AFS）进行侧风稳定性控制，对提升行车安全性和提高赛车比赛成绩有很大意义。 本文选用哈工大HRT车队的FSAE赛车HRT-16C为研究对象，建立整车动力学模型，确定了侧风稳定性控制研究的模型平台。首先建立了车辆所用Hoosier R25B轮胎对应的魔术公式轮胎模型，研究轮胎的纵向和侧向力学特性。并依据轮胎非线性特性建立能够反映侧风影响的整车四自由度模型，考虑车辆的侧向运动和绕三个轴的运动。此外，考虑侧向运动和横摆运动，建立二自由度车辆模型，作为控制研究的理想模型。 研究三种典型侧风工况，依据ESV规范设计直线行驶通过侧风带的稳态侧向风工况；依据赛道尺寸确定弯道行驶路径，设计弯道行驶垂直稳态逆向侧风工况和平行稳态逆向侧风工况。为提高输入模型的可靠性，建立的侧风模型符合实车参数和实际行驶工况。直线工况考虑风压中心的漂移，通过HRT-16C实车模型数据拟合得出风压中心的变化规律。弯道垂直侧风和平行侧风工况，利用计算流体力学（CFD）仿真方法，求解各个选定时刻的气动力和气动力矩数据，进行数据拟合得到气动参量的变化规律。 依据主动前轮转向的工作原理，设计了侧风稳定性控制策略。选取横摆角速度和质心侧偏角作为状态参量，前轮叠加转角作为控制参量，横摆角速度与理想值的偏差以及质心侧偏角与理想值的偏差作为输出量，采用线性二次型最优控制理论设计了系统控制器，确定最优反馈矩阵。 利用 Simulink搭建仿真平台，对提出的控制策略进行仿真。分析仿真结果可知，在本文建立的侧风工况下，横摆角速度和侧向位移能很好地跟随理想模型，质心侧偏角与理想值的偏差有一定的减小，提高了侧风稳定性，确保了行车轨迹，验证了本文设计的主动前轮转向最优控制器是合理有效的。 |
| 作者： | 贺慧敏 |
| 专业： | 车辆工程 |
| 导师： | 赵立军 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨工业大学 |
| 学位年度： | 2017 |
| 正文语种： | 中文 |
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