车辆运动学模型


车辆运动学模型是基于车辆的几何关系,对车辆建立的模型。在建立运动学模型时,采用自行车模型,又叫二自由度模型。
需要注意的是,运动学模型只适用于低速情况,这是因为在建立运动学模型时,将轮胎假设为刚体,即不考虑侧偏特性。低速转向时车轮受到的侧向力很小,轮胎的变形不大,这种假设可以;但是在高速时车轮受到的侧向力很大,轮胎的变形很大,这种假设的误差就太大了。

运动学模型

自行车模型将车辆简化成只有两个车轮,即将左前轮和由前轮合为一个,将左后轮和右后轮合为一个。
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按照车身坐标系选择的不同,运动学模型可以分为以质心为原点的运动学模型、以后轴中心为原点的运动学模型、以前轴中心为原点的运动学模型。
当然,实际车辆在转向时,左前轮的转角和右前轮的转向并不一样,因此有阿克曼转向几何。

以质心为原点的运动学模型

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φ:横摆角,车的轴线与大地坐标系X的夹角。
β:质心侧偏角,质心速度与车轴夹角。
φ+β:航向角,质心速度与X的夹角。
δf:前轮转角。
δr:后轮转角。
lf:质心到前轴的距离。
lr:质心到后轴的距离。
L=lf+lr:轴距。
根据几何关系,其实就是高中学过的正弦定理,建立运动学模型。
在这里插入图片描述

阿克曼转向几何

阿克曼转向几何是一种为了解决交通工具转弯时,内外转向轮路径指向的圆心不同的几何学。
依据阿克曼转向几何设计的车辆,沿着弯道转弯时,利用四连杆的相等曲柄使内侧轮的转向角比外侧轮大大约2~4度,使四个轮子路径的圆心大致上交会于后轴的延长线上瞬时转向中心,让车辆可以顺畅的转弯。
那如果在转弯时,两个轮子的转角一样,会怎么样呢?
在这里插入图片描述
当转角一样时,前轮左右两轮平行。我们知道,在转弯时,后轮绕着后轴延长线上的某点,即黑线上的某点旋转;左前轮绕垂直于它的绿线旋转,右前轮绕垂直于它的蓝线旋转。
会发现,三条线交于两个不同的点,也就是说,对于同一辆车来说,在转弯时,4个轮子会形成两个不同的旋转中心,这显然是不对的,这就会导致转弯过程很别扭,会以轮胎打滑、拖拽或者悬挂生拉硬拽的行驶表现出来。

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