Transcript Laborationskompendium Fordonsdynamik TSFS02

¨
¨
Linkopings
tekniska hogskola,
ISY, Fordonssystem
Laborationskompendium
Fordonsdynamik TSFS02
¨
Linkoping
2011
2
˚
Innehall
1
Laboration 2 - Lateraldynamik
1.1 Syfte . . . . . . . . . . . .
1.2 Examinationskrav . . . . .
¨
1.3 Forkunskap
. . . . . . . .
¨
1.4 Forberedelseuppgifter
. .
1.5 Uppgifter . . . . . . . . . .
A Laboration 2 - Nomenklatur
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
5
6
6
6
6
7
11
4
Kapitel 1
Laboration 2 - Lateraldynamik
¨ att beskriva den laterala dynamiI denna laboration ska enklare fordonsmodeller for
ken studeras, vilka a¨ ven ska parameters¨attas och valideras mot m¨atdata. All m¨atdata
som presenteras och hanteras h¨ar a¨ r insamlad med Fordonssystems testfordon, ut¨ fordonsdynamiska studier, och insamlat p˚a Linkopings
¨
vecklat for
motorstadion. Detta fordon, som ses i Figur 1.1, a¨ r i grunden en VW Golf -08 utrustad med diverse externa sensorer, t ex optisk m¨atning av longitudinell och lateral hastighet, optisk m¨atning
¨
av pitch och roll, GPS, accelerometrar och gyroskop. Forutom
dessa externa sensorer
¨
finns tillg˚ang till fordonets interna sensorer via CAN-bussen, d¨ar framforallt
styrvin¨ denna laboration.
kelsenorn a¨ r av vikt for
¨ fordonsdynamiska studier.
Figur 1.1 Testfordon for
6
Kapitel 1 Laboration 2 - Lateraldynamik
1.1
Syfte
Bekanta sig med single-track-modellen, linj¨ar d¨acksmodell och d¨acksmodellen Magic
Formula, samt hur dessa kan parameters¨attas och valideras mot m¨atdata.
1.2
Examinationskrav
¨ att bli godk¨and p˚a laborationen ska foljande
¨
For
uppfyllas.
1. N¨arvara vid laborationstillf¨allet.
¨ nodv¨
¨ andiga forberedelser
¨
2. Utfort
enligt n¨asta avsnitt.
¨ en laborationshandledare un3. Redovisa och motivera resultat p˚a uppgifterna for
der laborationstillf¨allet. Svaren ska godk¨annas av handledaren.
1.3
Forkunskap
¨
¨ att gora
¨ laboration behover
¨
For
du bland annat:
• Kunna hantera M ATLAB.
¨ a och kunna st¨alla upp single-track-modellen (cykel-modellen).
• Forst˚
¨
• K¨anna till den linj¨ara d¨acksmodellen och inneborden
av “cornering stiffness”.
¨ aelse for
¨ vad de olika pa• K¨anna till d¨acksmodellen Magic Formula, och ha forst˚
¨
rametrarna gor.
¨ a handling-diagram.
• Kunna skissa och forst˚
¨ asning 4-7, lektion 4-5 samt avsnitt 1.4, 5.2-5.6 i kursboken ska
Det inneb¨ar att forel¨
vara genomarbetade innan laborationen.
1.4
Forberedelseuppgifter
¨
¨
¨
Som forsta
moment i laborationen ska lateralkraft plottas mot slippvinkel (Fy (α)), for
fr¨amre respektive bakre axel. Utifr˚an m¨atdatat givet av tireParaMeas.mat och fordonsparametrarna i vehicleParameters.mat, ska slippvinklar och laterala krafter
¨ de parametrar som
ber¨aknas med single-track-modellen som bas. (Dokumentation for
ing˚ar i de olika .mat- och .m-filerna finns i Appendix A.)
1. Skissa single-track-modellen och rita ut de krafter, vinklar, hastigheter, etc som
¨ i n¨astkommande uppgift.
behovs
1.5 Uppgifter
7
¨ slippvinklarna (αf och αr ) och de laterala krafterna (Fy,f
2. St¨all upp ekvationer for
¨ antagandet med sm˚a vinklar, samt forsumma
¨
och Fy,r ). (Gor
krafter i x-led.)
¨ uppgift 3 i laborationen behovs
¨ ekvationerna for
¨ hur tillst˚anden lateralhas3. For
¨
tighet, vy , och girhastighet (yaw rate), r, uppdateras (d v s, v˙ y och r˙ behover
ber¨aknas). St¨all upp hur dessa f˚as fram givet aktuell girhastighet, r, longitudinell hastighet, vx , samt de laterala d¨ackskrafterna Fy,f och Fy,r .
¨ ett fordon som innehar under-, neutral- och
4. Skissa ett handling-diagram for
¨
¨
overstyrda
egenskaper. Markera i diagrammet var overg˚
angarna mellan dessa
¨ a¨ ven for
¨ hur man ber¨aknar de storheter som violika beteenden sker. Redogor
sas p˚a x- respektive y-axeln, utifr˚an de parametrar som ges av filerna
vehicleParameter.mat, tireParameters.mat och ssMeasData.mat.
(T¨ank p˚a att girhastigheten a¨ r konstant i steady-state.)
5. I laborationen ska single-track-modellen valideras mot m¨atdata. Fundera igenom och punkta upp n˚agra variabler som a¨ r extra l¨ampliga att studera vid j¨am¨
forelsen
med m¨atdata.
1.5
Uppgifter
¨
Borja
med att ladda hem lateral.zip fr˚an kurshemsidan, packa upp filerna i l¨amplig
katalog och peka M ATLAB till denna.
M ATLAB
¨ laborationen finns redan f¨ardiga m-filer som ska anv¨andas, d¨ar bland annat plotFor
¨ illustration redan a¨ r skrivna. Dock s˚a ska vissa rader modifieras, vilka a¨ r
skript for
¨
markerade med # vid radens borjan
(efter ni editerad raden ta bort #, annars g˚ar skrip¨
¨ att l¨agga till rader d¨ar ni anser det behovas.
¨
ten ej att kora).
Var dock inte r¨adda for
.m-filerna a¨ r indelade i celler, med %% som avdelare emellan. N¨ar man st˚ar i en cell
¨ denna cell, vilket kan underl¨attar n¨ar man ska utfora
¨
kan man med ctrl+Enter kora
delmoment i en .m-fil.
M¨atdata
¨
All m¨atdata a¨ r som ovan n¨amnt insamlad med testfordonet i Figur 1.1, d¨ar framforallt
lateral och longitudinell hastighet, lateralacceleration, girhastighet och styrvinkel a¨ r
¨ denna laboration. Hastigheterna vx och vy m¨ats med den optiska slippav intresse for
vinkelsensorn monterad i fronten p˚a fordonet, och translateras d¨arefter med girhastigheten till fordonets tyngdpunkt. Lateralacceleration, ay , och girhastighet, r, m¨ats
med en IMU (Inertial Measurement Unit) monterad i fordonets tyngdpunkt. Signalen
¨ styrvinkeln m¨ats av fordonets interna sensorer p˚a styrst˚angen, vilken sedan med
for
¨ allandet till hjul har omvandlats till att beskriva en lumpad styrvinkel
utv¨axlingsforh˚
¨ framhjulen, δ.
for
8
Kapitel 1 Laboration 2 - Lateraldynamik
Magic Formula
¨
Genom hela laborationen kommer en n˚agot forenklad
variant av Magic Formula anva¨ ndas, enligt ekvation 1.1. Denna a¨ r ekvivalent med att i den mer utvidgade och etablerade versionen s¨atta parametern E = 0. Denna parameter (E) inneh˚aller egentligen
¨ allandet efter kraft-peaken, vilket a¨ r ett omr˚ade
bara information om kraft–slipp-forh˚
vi inte kommer befinna oss s¨arskillt mycket eller l˚angt in i under denna laboration.
Fy = D sin(C arctan(Bα))
(1.1)
Uppgift 1 – Identifiera d¨acksparametrar
¨
¨ den linj¨ara d¨acksmodellen och Magic ForSom forsta
uppgift ska d¨acksparametrar for
¨ utifr˚an m¨atdata fr˚an ett flertal “Double lane change”-test,
mula best¨ammas. Detta gors
¨ olika lateralaccelerationer, slippvinklar,
med olika ing˚angshastigheter (vilket medfor
¨ att kunna sp¨anna upp s˚a stort spektrum som mojligt
¨
etc), for
i kraft-slipp-diagrammet.
¨
¨ slipp och kraft (alphaf,
a) Oppna
upp tireParaIdent.m och fyll i ekvationer for
¨
alphar, Fyf, Fyr) fr˚an forberedelseuppgifterna.
T¨ank p˚a att vissa av variab¨ hanteras med .∗ och ./ n¨ar de multipliceras
lerna a¨ r i form av vektorer, vilka bor
respektive divideras med varandra. Plotta sedan Fy − α-diagrammen genom att
¨ n¨astkommande cell, och bedom
¨ om resultaten ser rimliga ut?
kora
¨ sedan
b) Best¨am cornering stiffness, Cα , ur plottarna med l¨ampliga metoder. Kor
¨ att konskriptet som ritar ut den linj¨ara d¨ackmodellen i Fy − α-diagrammen, for
¨
trollera att det st¨ammer overens
med m¨atdatat.
¨ plot-skript for
¨ att konc) Best¨am parametrarna B, C och D i Magic Formula, och kor
¨
trollera hur det st¨ammer overens
med m¨atdatat.
¨
¨ sista cellen som sparar parametrarna
d) N¨ar ni a¨ r nojda
med d¨acksparametrarna, kor
till tireParameters.mat.
Uppgift 2 – Station¨art uppforande
¨
Ni ska nu studera hur single-track-modellen tillsammans med d¨acksmodellerna ovan
¨ sig i steady-state och j¨amfora
¨ med m¨atdata. M¨atdatat till denna uppgift a¨ r
uppfor
¨
¨ olika hastigheter (d¨armed a¨ ven olika laterala
insamlat fr˚an korningar
i en rondell, for
accelerationer).
¨
¨ d¨ackskrafterna, Fy,f
a) Oppna
steadyStateAnalysis.m och skriv in ekvationer for
och Fy,r , givet lateralaccelerationen, ay .
¨ ut slippvinklarna, αf och αr , for
¨ den linj¨ara d¨acksmodellen samt Magic Formub) Los
¨
la, givet d¨ackskrafterna. Skriv d¨arefter ekvationerna over
hur styrvinkeln varierar
med lateralacceleration (givet de ovan ber¨aknade storheterna).
1.5 Uppgifter
9
¨ plot-skriptet l¨angst ner och redogor
¨ for
¨ hur v¨al modellerna st¨ammer overens
¨
c) Kor
¨ de eventuellt avviker n¨ar de gor.
¨ (Vid alltfor
¨ d˚alig passmed m¨atdatat, samt varfor
ning mot m¨atdatat, g˚a tillbaka till uppgift 1 och modifiera d¨acksparametrarna.)
¨ detta fordon i en kurva med konstant radie och okar
¨
d) Om man kor
hastigheten,
¨ med styrvinkeln? Blir svaret annorlunda for
¨ den linj¨ara
vad m˚aste man d˚a gora
modellen och Magic Formula-modellen, gentemot det verkliga fordonet?
Uppgift 3 – Transient uppforande
¨
(Double lane change)
¨
¨ mot en
I denna uppgift ska modellernas transienta uppforande
valideras. Detta gors
n˚agot modifierad variant av det standardiserade “Double lane change”-testet ISO
3888-2 (liknar a¨ lgtestet), vilket ofta anv¨ands vid evaluering av antisladdsystem. Se
utformning av banan i Figur 1.2.
Via l¨anken nedan kan en videoinspelning av ett “Double lane change”-test ses, vilket
a¨ r likv¨ardigt med det mest aggressiva av de h¨ar hanterade testen (dock a¨ r banupp¨ videon spegelv¨and mot den som anv¨ants for
¨ m¨atdatat). Det kan till
st¨allningen for
¨
¨ att f˚a en slags
viss del vara av intresse att studera bilens uppforande
i filmklippet, for
koppling mellan de olika variablernas storlek och bilens faktiska upptr¨adande.
www.youtube.com/watch?v=o9hefU7lDLo
Simuleringsmodellerna (som ska kompletteras nedan) till denna, och a¨ ven n¨astkom¨
¨
mande, uppgift a¨ r M ATLAB-funktioner som loses
med en ODE-losare.
Inputvariabler
till dessa modeller a¨ r styrvinkel och longitudinell hastighet, d¨ar den senare anv¨ands
¨ att minimera fel som kan h¨arledas till variationer i hastigheten (den avtar n˚agot
for
under testet).
¨ “Double lane change”-testet.
Figur 1.2 Uppst¨allningsbana for
¨
a) Forst
ska simuleringsmodellerna stlODE.m (single-track med linj¨ar d¨acksmodell)
och stmfODE.m (single-track med Magic Formula) kompletteras med ekvationer
¨
som tagits fram i forberedelseuppgifterna.
b) I transientAnalysis.m under “Choose test” (rad 21-23) finns tre olika test, d¨ar
¨ olika niv˚aer i “aggressivitet” for
¨
olika ing˚angshastigheter anv¨ants, vilket medfor
¨ att v¨alja respektive test och kor
¨ hela .mtesten. Avmarkera de olika raderna for
¨ att simulera och plotta resultatet.
filen for
10
Kapitel 1 Laboration 2 - Lateraldynamik
¨
c) Hur l˚angt a¨ r modellerna giltliga? Hur v¨al st¨ammer detta overens
med vad som g˚ar
att tyda ur handling-diagrammet i uppgift 2?
¨ n˚agot som gor
¨ att de tappar passning mot m¨atdatat? Kan man l¨agga
d) Vad a¨ r det for
¨ att f˚anga a¨ ven detta beteende?
till n˚agot i modellerna for
Extrauppgift – Ramp steer
¨
Som sista uppgift ska ett “ramp steer”-test undersokas.
Testet g˚ar ut p˚a att styrvinkeln
¨
¨ att fordonet upptr¨ader p˚a liknande s¨att som i steadyl˚angsamt okas,
vilket medfor
state.
¨
M¨atdatat till denna uppgift a¨ r h¨amtat fr˚an ett annat kortillf¨
alle, d˚a antalet perso¨ att fordonets totala massa och evenner i fordonet var annorlunda. Detta medfor
¨
tuellt viktfordelning
skiljer sig fr˚an de andra testerna (d v s det som ligger sparat i
vehicleParameters.mat).
¨
¨ hela filen. Studera hur och vad som ser ut att ej
a) Oppna
upp rampSteer.m och kor
¨
st¨amma overens
med m¨atdata.
¨
b) Laborera med fordonets massa och viktfordelning
p˚a rad 20 respektive 22. (Vid
¨
skalning av viktfordelningen
kan det var bra att veta att den tidigare a¨ r satt till
60% fram, d v s lf=.4*l.)
¨ betydelse for
¨ fordonets upptr¨adande (massa
Vilken av storheterna verkar ha storst
¨
eller viktfordelning)?
c) N¨ar ni f˚att en hyfsad passning mot m¨atdatat, studera hur fordonets och modeller¨
nas upptr¨adande st¨ammer overens
med handling-diagrammet fr˚an uppgift 2.
Bilaga A
Laboration 2 - Nomenklatur
¨
I tabell A.1 ses en lista over
de parametrar och variabler som anv¨ands i de M ATLABskript och .mat-filer avsedda att anv¨andas i laborationen. I tabell A.2 redovisas vilka
av dessa storheter som anv¨ands i de givna .mat-filerna.
¨ M ATLAB-skript.
Tabell A.1 Nomenklatur for
Parameter
Beskrivning
Enhet
t
Tid
s
delta
Styrvinkel
rad
vy
Lateral hastighet
m/s
vx
Longitudinell hastighet
m/s
alphaf, af Slippvinkel, fram
rad
alphar, ar Slippvinkel, bak
rad
Fyf
Lateral d¨ackskraft, fram
N
Fyr
Lateral d¨ackskraft, bak
N
ay
Lateralacceleration
m/s2
r
Girhastighet (yaw rate)
rad/s
rdot
Giracceleration
rad/s2
Caf
Cornering stiffness, fram
N/rad
Car
Cornering stiffness, bak
N/rad
Bf, Cf, Df Magic Formula-parametrar, fram
Br, Cr, Dr Magic Formula-parametrar, bak
m
Totalmassa
kg
lf
Avst˚and, framaxel till tyngdpunkt
m
lr
Avst˚and, bakaxel till tyngdpunkt
m
¨
Iz
Troghetsmoment
kgm2
g
Gravitation
m/s2
12
Bilaga A Laboration 2 - Nomenklatur
Tabell A.2 Variabler och parametrar som ing˚ar i de olika .mat-filerna.
vehicleParameters.mat
lf
lr
m
Iz
g
tireParaMeas.mat
delta
vx
vy
ay
r
rdot
ssMeasData.mat
dlcMeasData.mat
rsMeasData.mat
t
delta
vx
vy
ay
r
af
ar