車輛動力學模型的優(yōu)化分析

摘要：為保證車輛行駛過程中的安全性，本文首先對車輛的動力學模型進行了簡化處理，得到車輛動力學的數(shù)學模型，然后分析出控制車輛穩(wěn)定運行時的關鍵參數(shù)，為使車輛行駛在最優(yōu)參數(shù)下，獲得最大的行駛安全性，結合遺傳優(yōu)化算法，對數(shù)學模型進行優(yōu)化計算分析，最后，通過計算分析得到最優(yōu)的控制參數(shù)，保證車輛行駛過程中的安全性。

關鍵詞：車輛動力學；優(yōu)化計算；遺傳優(yōu)化計算；安全行駛

1、 引言

隨著科學技術的飛速發(fā)展，交通行駛道路的路面得到極大改善，以及車輛制造的工藝越來越好，致使目前車輛設計的最高時速和車輛行駛的速度越來越快，另外，車輛駕駛員初次駕駛的年齡逐漸低齡化，同時仍有部分老年駕駛員在道路上駕駛車輛行駛，這就需要現(xiàn)代車輛具有良好的操控性和安全性。

2、 車輛動力學模型分析

假設輪胎回正力矩對車輪外傾角無影響，則簡化車輛模型的輪胎力是關于輪胎側偏角和垂直載荷這兩個因素的函數(shù)，又因輪胎側向力與輪胎側偏角為線性關系，進而可以獲得簡化后車輛模型的車輛動力學方程為：

（1）

上式中，m為車輛所具有的質量，v為車輛側向速度，r為車輛橫擺角速度，uc為車輛前進速度，Caf為車輛前輪側偏剛度，Car為車輛后輪側偏剛度，a為車輛前軸到質心的距離，b為車輛后軸到質心的距離，I為車輛橫擺的轉動慣量。

進一步，令車輛的狀態(tài)變量為

（2）

前輪轉角作為系統(tǒng)輸入U，車輛的理想動力學模型的狀態(tài)空間為：

（3）

其中

依據車輛的理想動力學模型可得車輛的理想橫擺角速度rno，另外結合輪胎與地面之間最大附著系數(shù)的限制，

（4）

上式中，v為車輛側向速度，r為車輛橫擺角速度，為輪胎與地面之間的附著系數(shù)，g為重力加速度，R為車輛的轉向半徑。

在實際應用過程中，一般處理方法為：

（5）

所以通過比較rno，rmu，的最小值，即為得到確定的車輛橫擺角速度期望值rm，利用制動過程中產生的橫擺力矩，使得實際的車輛橫擺角速度與期望的車輛橫擺角速度一致，這樣就可以盡量保持車輛行進過程中的穩(wěn)定性。

但是，隨著行駛車輛的車速越來越快，或者車輛方向盤的轉角越來越大，此時車輛的側偏角與側偏角速度都趨于變大，車輛的行駛不穩(wěn)定性也隨之而來，很難通過自我修正的方法使車輛恢復至穩(wěn)定狀態(tài)，如圖1所示，只有側偏角和側偏角速度位于相平面中心位置時，車輛可以保持穩(wěn)定的行駛狀態(tài)。

通過確定的車輛橫擺角速度期望值rm以及車輛側偏角βm，與車輛實際行駛過程中所具有的車輛橫擺角速度期望值r以及車輛側偏角β，經過比較器得出二者相對應的差值Δr與Δβ，根據所得的Δr與Δβ的大小確定車輛修正擺正力矩ΔM，進而使得車輛保持車輛動力學穩(wěn)定性。

3、 動力學模型的優(yōu)化分析

3.1 優(yōu)化分析方法簡介

遺傳優(yōu)化算法是一種模擬大自然生物進化過程的快速優(yōu)化計算方法，能夠在可行域范圍內，對計算模型進行快速全局計算搜索，求出所需的最優(yōu)計算結果，如圖2所示，遺傳優(yōu)化算法包括選擇，交叉和變異這三種操作。

圖2 遺傳優(yōu)化算法流程圖

首先在可行域內隨機生成初始化群體，根據每個個體對計算模型的適應度，將不良個體淘汰去除，保持優(yōu)良個體的存在，然后執(zhí)行交叉操作，實際上就是對保存下來的優(yōu)良個體交換參數(shù)進而產生新的個體，新的個體擁有兩個父親的某些性狀，因此該個體有可能成為更優(yōu)秀的個體，接下來的變異操作，就是選取一小部分個體，隨機的改變他們的部分參數(shù)，增加群體的多樣性。重復上述選擇淘汰和繁殖變異過程，直到滿足條件的最優(yōu)秀的個體出現(xiàn)，實踐表明，進化過程結束后的最后一代中的最優(yōu)個體就是利用遺傳優(yōu)化算法所得到的最終結果。

3.2動力學模型的優(yōu)化計算

依據分析得到的車輛動力學模型，以及遺傳優(yōu)化算法的特點，將車輛動力學模型改造為能夠進行遺傳優(yōu)化計算的相對應的優(yōu)化模型。

步驟1：在可行域內，隨機生成包含車輛穩(wěn)定控制性能指標相關參數(shù)的集合。

步驟2：對生成的集合中的每個元素進行選擇，剔除掉不滿足要求的，或是致使目標函數(shù)值過大的元素。

步驟3：選取剩下集合元素中的一部分，交叉調換一部分車輛穩(wěn)定控制性的相關參數(shù)，同時選取另外一部分集合元素，適度修改其中一部分相關參數(shù)，以獲得新的集合元素。

步驟4：重復步驟1至步驟3，直到獲得目標函數(shù)的最優(yōu)解，即保持車輛穩(wěn)定行駛的相關控制參數(shù)。

結論

本文對車輛行駛過程中的動力學模型進行了簡化處理，得到了車輛動力學模型的數(shù)學模型，通過對該數(shù)學模型的理論分析，得到控制車輛穩(wěn)定行駛的相關參數(shù)，并結合遺傳優(yōu)化計算算法，優(yōu)化計算出控制車輛穩(wěn)定運行的相關參數(shù)，進而保證車輛行駛安全。

參考文獻：

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作者簡介：馮曉宇（1995-）；男，漢，重慶市巫山縣；重慶科技學院、機械設計制造及其自動化、本科endprint