CN108045444A - 一种赛车尾翼攻角可调节系统及控制方法 - Google Patents

一种赛车尾翼攻角可调节系统及控制方法 Download PDF

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    • G05B13/04—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric involving the use of models or simulators
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Abstract

本发明公开了一种赛车尾翼攻角可调节系统，包括：两侧端板，其包括左侧端板和右侧端板，平行间隔相对地竖直的固定在赛车尾部；以及主翼板，其固定在所述两侧端板之间，沿着赛车前进方向，所述主翼板向上仰起；襟翼板，其可旋转地设置在所述两侧端板之间，沿着赛车前进方向，所述襟翼板位于所述主翼板前上方；所述襟翼板还包括：肋板，其位于所述襟翼板内部并且连接所述上下表面；舵机，其固定在所述襟翼板内部的肋板上，用于驱动所述襟翼板旋转一定角度。本发明还提供一种赛车尾翼攻角智能控制的方法，使舵机的输出扭矩得以精确控制，保证赛车的运行状态。

Description

一种赛车尾翼攻角可调节系统及控制方法
技术领域
本发明涉及空气动力学技术领域，尤其涉及一种赛车尾翼攻角可调节系统。
背景技术
中国大学生方程式汽车大赛(简称“中国FSC”)是一项由高等院校汽车工程或汽车相关专业在校学生组队参加的汽车设计与制造比赛。各参赛车队按照赛事规则和赛车制造标准，在一年的时间内自行设计和制造出一辆在加速、制动、操控性等方面具有优异表现的小型单人座休闲赛车，能够成功完成全部或部分赛事环节的比赛。
在中国大学生电动方程式大赛中，空气动力学套件在比赛中起到巨大作用。当赛车转弯速度过大时，在离心力的影响下，赛车容易打滑，因此，若轮胎没有足够的抓地力，为避免赛车侧滑，赛车不能以较高的车速转弯，在弯道较多的赛事项目里，会导致赛车的平均速度下降，从而影响比赛成绩。
世界一级方程式大奖赛(F1)在2011赛季新引入了可调式尾翼，就是DragReduction System(简称：DRS)，这个部件用来降低尾翼产生的下压力进而降低摩擦阻力等来增加赛车的最高速度，车手们能够操控可调尾翼，经过调节尾翼角度(调平尾翼上方的副翼，亦称为打开尾翼/打开DRS)，降低赛车受到的阻力，相当于使得赛车在直道上大约获得额外的60匹马力，进而在直道上获得更大的速度，一般可以让尾速提升15-20km/h。
大学生方程式赛事(FSAE)允许车队使用尾翼调节装置，相比于F1而言，取消了启动可调尾翼装置的限制区域，因此FSAE赛事使用可调尾翼更加方便，能够提高赛车的性能。但是目前的技术不能对尾翼攻角进行连续地调节变化。
发明内容
本发明提供一种赛车尾翼攻角智能可调节系统，使尾翼攻角随着速度和方向的变化连续调节，改变尾翼气动性能。
本发明的另一目的是提供一种赛车尾翼攻角智能控制的方法，使舵机的输出扭矩得以精确控制，连续调整攻角，保证赛车的运行状态。
本发明提供的技术方案为：一种赛车尾翼攻角可调节系统，其特征在于，包括：
两侧端板，其包括左侧端板和右侧端板，平行间隔相对地竖直的固定在赛车尾部；以及
主翼板，其固定在所述两侧端板之间，沿着赛车前进方向，所述主翼板向上仰起，所述主翼板的上表面和下表面都具有向下弯曲的弧度，下表面的弯曲弧度大于上表面的弯曲弧度；
襟翼板，其可旋转地设置在所述两侧端板之间，沿着赛车前进方向，所述襟翼板位于所述主翼板前上方，所述襟翼板上表面和下表面都有向下弯曲弧度，下表面的弯曲弧度大于上表面的弯曲弧度；
所述襟翼板还包括：
肋板，其位于所述襟翼板内部并且连接所述上下表面；
舵机，其固定在所述襟翼板内部的肋板上，用于驱动所述襟翼板旋转一定角度。
优选的是，所述主翼板的前端为圆弧过渡，后端为尖角过渡；所述襟翼板的前端为圆弧过渡，后端为尖角过渡。
优选的是，还包括：
碳纤维杆，其穿过在所述襟翼的中部，左端连接在所述舵机上，右端可旋转设置在所述右侧端板上；在所述舵机驱动下所述碳纤维杆旋转，带动所述襟翼板旋转；
所述碳纤维杆为中空结构。
优选的是，还包括：
所述主翼板包括里层的高强度泡沫翼形模具和外层碳纤维蒙皮。
优选的是，还包括：轴承，固设在所述右侧端板内，所述碳纤维杆的右端套设在所述轴承内。
优选的是，还包括：
轮速传感器，安装在赛车的轮毂上，检测车轮转速；
横摆角速度传感器，安装在赛车的底盘上，用于测试车轮的偏转角速度；
模糊PID控制器，其连接所述轮速传感器、横摆角速度传感器及舵机，控制所述舵机的输出扭矩。
一种赛车尾翼攻角可调节系统的控制方法，其特征在于，包括：
在赛车行驶过程中，采用模糊控制方法对赛车尾翼进行智能调节：分别将赛车的车轮转速、车轮的偏转角速度以及舵机的输出扭矩转换为模糊论域中的量化等级；
将所述的车轮转速以及车轮偏转角速度输入模糊控制模型，所述车轮转速分为7个等级，所述车轮偏转角速度分为7个等级；
模糊控制模型输出为舵机的输出扭矩，将所述舵机的输出扭矩分为7个等级；
舵机的输出扭矩实现攻角连续调节，使赛车尾翼的升力和阻力达到设定的阈值为关键目标。
优选的是，所述车轮转速的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为30；所述车轮偏转角速度的模糊论域为[-1,1]，量化因子为30；舵机的输出扭矩的模糊论域为[0,1]，量化因子为200；
输入和输出的模糊集为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}。
优选的是，模糊PID控制器的特征在于：
车轮转速以及车轮偏转角速度的偏差、偏差变化率，输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数，比例系数、比例积分系数和微分系数输入PID控制器进行舵机的输出扭矩误差补偿控制。
优选的是，所述车轮转速以及车轮偏转角速度的偏差e的模糊论域为[-1,1]，量化因子为30；所述偏差变化率ec的模糊论域为[-3,3]，量化因子为1；
所述输出PID的比例系数的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.1；比例积分系数的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.1；微分系数的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.0001；
所述偏差e和偏差变化率ec分为7个等级；所述输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数分为7个等级；
所述模糊PID控制器的输入和输出的模糊集为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}。
本发明所述的有益效果：1)传动机构简单，传动效率高，并无需车手操作，实现赛车攻角的智能调节，提高赛车的性能；2)通过舵机的输出扭矩实现尾翼攻角的连续调节；3)提供一种赛车尾翼攻角智能控制的方法，使舵机的输出扭矩得以精确控制，连续调整攻角，保证赛车的运行状态。
附图说明
图1是本发明所述的赛车尾翼攻角可调节系统的结构示意图。
图2是本发明所述的赛车尾翼攻角可调节系统的结构左侧视图。
图3是本发明所述的赛车尾翼攻角可调节系统的结构右侧视图。
图4是本发明所述的模糊控制器的输入车轮转速以及车轮偏转角速度的隶属度函数图。
图5是本发明所述的模糊控制器的输入车轮偏转角速度的隶属度函数图。
图6是本发明所述的模糊控制器的输出舵机输出扭矩的隶属度函数图。
图7是本发明所述的模糊PID控制器的输入偏差e的隶属度函数图。
图8是本发明所述的模糊PID控制器的输入偏差变化率ec的隶属度函数图。
图9是本发明所述的模糊PID控制器的输出比例系数Kp的隶属度函数图。
图10是本发明所述的模糊PID控制器的输出比例积分系数Ki的隶属度函数图。
图11是本发明所述的模糊PID控制器的输出微分系数Kd的隶属度函数图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
如图1-3所示，一种赛车尾翼攻角可调节系统，其包括两侧端板，分别为左侧端板5和右侧端板10，平行间隔相对地竖直的固定在赛车尾部。主翼板9支撑设置左侧端板5和右侧端板10之间，并与两端板垂直。主翼板9沿着赛车前进方向，所述主翼板9向上仰起，所述主翼板9的上表面和下表面都具有向下弯曲的弧度，下表面的弯曲弧度大于上表面的弯曲弧度；襟翼板4自身可旋转地固设在左侧端板5和右侧端板10之间，所述襟翼板4表面有一定弯曲弧度，且襟翼板4位于主翼板9的斜上方。肋板(左侧肋板1和右侧肋板8)，其位于所述襟翼板4内部并且连接所述上下表面。主翼板9的前端为圆弧过渡，后端为尖角过渡；襟翼板4的前端为圆弧过渡，后端为尖角过渡。主翼板9里层为高强度泡沫翼形模具，外层为碳纤维蒙皮，蒙皮通过树脂真空导流技术完成制作。
如图2所示，舵机3固设在襟翼板4的左侧肋板1上，襟翼板4的左侧肋板1通过胶粘预埋在碳纤维蒙皮里面。舵机摇臂2通过螺栓固定在舵机3的输出轴上，且固定在左侧端板5外侧。碳纤维杆6其穿过在所述襟翼的中部，左端连接在所述舵机3上，右端可旋转设置在所述右侧端板10上；在所述舵机3驱动下所述碳纤维杆6旋转，带动所述襟翼板4旋转。襟翼板4的左侧肋板1和右侧肋板8以及碳纤维杆6都为碳纤维蒙皮制成，碳纤维蒙皮由玻璃钢阴模具通过真空导流制作。碳纤维杆6为中空结构。轴承7，固设在所述右侧端板10内，所述碳纤维杆6的右端套设在所述轴承7内。
轮速传感器，安装在赛车的轮毂上，检测车轮转速；横摆角速度传感器，安装在赛车的底盘上，用于测试车轮的偏转角速度。模糊PID控制器，模糊PID控制器，其连接所述轮速传感器、横摆角速度传感器及舵机，控制所述舵机的输出扭矩。通过横摆角速度传感器和轮速传感器采集赛车行驶状态信号，传递给整车模糊PID控制器，控制器通过判断赛车是在直线行驶或弯道行驶以及车速的大小，输出信号传递给舵机3，舵机摇臂2固定在左侧端板5上，舵机摇臂2本身不动，舵机3输出扭矩使舵机3本身绕着碳纤维杆6中心线做旋转运动，使得襟翼板4攻角改变，实现尾翼襟翼板4攻角的智能化调节。在赛车过弯道时，可以增加尾翼攻角，从而利用其产生的负压力高速过弯；在赛车直线行驶时，控制减小尾翼攻角，避免产生额外的空气阻力。
本发明还提供了一种赛车尾翼攻角可调节系统的控制方法，包括：
在赛车行驶过程中，采用模糊控制方法对赛车尾翼进行智能调节：分别将赛车的车轮转速、车轮的偏转角速度以及舵机的输出扭矩转换为模糊论域中的量化等级；
将所述的车轮转速以及车轮偏转角速度输入模糊控制模型，所述车轮转速分为7个等级，所述车轮偏转角速度分为7个等级；
模糊控制模型输出为舵机的输出扭矩，将所述舵机的输出扭矩分为7个等级；
舵机的输出扭矩实现攻角连续调节，使赛车尾翼的升力和阻力达到设定的阈值为关键目标。
本实施例中的控制器包括模糊控制器和模糊PID控制器，控制方法如图6所示，包括以下步骤：
步骤1：将赛车的车轮转速以及车轮偏转角速度和舵机输出扭矩进行模糊处理；在无控时，车轮转速的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为30；车轮偏转角速度的模糊论域为[-1,1]，量化因子为30；舵机输出扭矩的模糊论域为[0,1]，量化因子为200；为了保证控制的精度，实现更好的控制，反复进行实验，确定了最佳的输入和输出等级，其中，所述车轮转速以及车轮偏转角速度分为7个等级；舵机的输出扭矩，输出分为7个等级；输入和输出的模糊集均为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}。其中，所述模糊控制器的控制规则为：
车轮转速一定，车轮偏转角速度增大，需要增大舵机输出扭矩；
车轮偏转角速度一定，车轮转速增大时，需要增大舵机输出扭矩；
模糊控制的具体控制规则详见表一。
表一舵机输出扭矩的模糊控制表
模糊控制器输入赛车的车轮转速以及车轮偏转角速度，用模糊控制规则表一得出模糊控制器的舵机输出扭矩，舵机输出扭矩利用重心法解模糊化。
步骤2：模糊PID控制器
将第i个赛车的车轮转速以及车轮偏转角速度的偏差e、偏差变化率ec、输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数进行模糊处理，在无控时，偏差e的模糊论域为[-1,1]，量化因子为30；偏差变化率ec的模糊论域为[-3,3]，量化因子为1；PID的比例系数Kp的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.1；比例积分系数Ki的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.1；微分系数Kd的模糊论域为[-1,1]，其定量化因子为0.0001。为了保证控制的精度，实现更好的控制，反复进行实验，确定了最佳的输入和输出等级，其中，所述模糊控制器中偏差e、偏差变化率ec分为7个等级；输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数分为7个等级；输入和输出的模糊集均为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}，输入和输出的隶属度函数均采用三角形隶属函数，详见图4-11。其模糊控制规则为：
1、当偏差|e|较大时，增大Kp的取值，从而使偏差快速减小，但同时产生了较大的偏差变化率，应取较小的Kd，通常取Ki＝0；
2、当|ec|和|e|取值处于中等时，为避免超调，适当减小Kp的取值，使Ki较小，选择适当大小的Kd；
3、当偏差|e|较小时，增大KpKi的取值，为避免出现在系统稳态值附近震荡的不稳定现象，通常使当|ec|较大时，取较小的Kd；当|ec|较小时，取较大的Kd；具体的模糊控制规则详见表二、三和四。
表二PID的比例系数Kp的模糊控制表
表三PID的比例积分系数Ki的模糊控制表
表四PID的微分系数Kd的模糊控制表
输入第i个赛车的车轮转速以及车轮偏转角速度的偏差e、偏差变化率ec，输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数，比例系数、比例积分系数和微分系数用高度法进行解模糊化，输入PID控制器进行赛车舵机输出扭矩M的误差补偿控制，其控制算式为：
经实验反复确定，模糊PID控制器对舵机输出扭矩进行精确控制，舵机输出扭矩为模糊控制器的输出扭矩和PID控制器的扭矩误差补偿值的加和，使舵机输出扭矩得以精确控制，使其偏差小于0.1％。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种赛车尾翼攻角可调节系统，其特征在于，包括：
两侧端板，其包括左侧端板和右侧端板，平行间隔相对地竖直的固定在赛车尾部；以及
主翼板，其固定在所述两侧端板之间，沿着赛车前进方向，所述主翼板向上仰起，所述主翼板的上表面和下表面都具有向下弯曲的弧度，下表面的弯曲弧度大于上表面的弯曲弧度；
襟翼板，其可旋转地设置在所述两侧端板之间，沿着赛车前进方向，所述襟翼板位于所述主翼板前上方，所述襟翼板上表面和下表面都有向下弯曲弧度，下表面的弯曲弧度大于上表面的弯曲弧度；
所述襟翼板还包括：
肋板，其位于所述襟翼板内部并且连接其上下表面；
舵机，其固定在所述襟翼板的肋板内部，用于驱动所述襟翼板旋转一定角度。
2.根据权利要求1所述的赛车尾翼攻角可调节系统，其特征在于，所述主翼板的前端为圆弧过渡，后端为尖角过渡；所述襟翼板的前端为圆弧过渡，后端为尖角过渡。
3.根据权利要求1所述的赛车尾翼攻角可调节系统，其特征在于，还包括：
碳纤维杆，其穿过在所述襟翼的中部，左端连接在所述舵机上，右端可旋转设置在所述右侧端板上；在所述舵机驱动下所述碳纤维杆旋转，带动所述襟翼板旋转；
所述碳纤维杆为中空结构。
4.根据权利要求1所述的赛车尾翼攻角可调节系统，其特征在于，还包括：
舵机摇臂，通过螺栓固定在所述舵机输出轴上，且固设在所述左侧端板的外侧。
5.根据权利要求3所述的赛车尾翼攻角可调节系统，其特征在于，还包括：轴承，固设在所述右侧端板内，所述碳纤维杆的右端套设在所述轴承内。
6.根据权利要求1所述的赛车尾翼攻角可调节系统，其特征在于，还包括：
轮速传感器，安装在赛车的轮毂上，检测车轮转速；
横摆角速度传感器，安装在赛车的底盘上，用于测试车轮的偏转角速度；
模糊PID控制器，其连接所述轮速传感器、横摆角速度传感器及舵机，控制所述舵机的输出扭矩。
7.一种赛车尾翼攻角可调节系统的控制方法，其特征在于，包括：
在赛车行驶过程中，采用模糊控制方法对赛车尾翼进行智能调节：分别将赛车的车轮转速、车轮的偏转角速度以及舵机的输出扭矩转换为模糊论域中的量化等级；
将所述的车轮转速以及车轮偏转角速度输入模糊控制模型，所述车轮转速分为7个等级，所述车轮偏转角速度分为7个等级；
模糊控制模型输出为舵机的输出扭矩，将所述舵机的输出扭矩分为7个等级；
舵机的输出扭矩实现攻角连续调节，使赛车尾翼的升力和阻力达到设定的阈值为关键目标。
8.根据权利要求7所述的赛车尾翼攻角可调节系统的控制方法，其特征在于，
所述车轮转速的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为30；所述车轮偏转角速度的模糊论域为[-1,1]，量化因子为30；舵机的输出扭矩的模糊论域为[0,1]，量化因子为200；
输入和输出的模糊集为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}。
9.根据权利要求7所述的赛车尾翼攻角可调节系统的控制方法，模糊PID控制器的特征在于：
车轮转速以及车轮偏转角速度的偏差、偏差变化率，输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数，比例系数、比例积分系数和微分系数输入PID控制器进行舵机的输出扭矩误差补偿控制。
10.根据权利要求7所述的赛车尾翼攻角可调节系统的控制方法，其特征在于，
所述车轮转速以及车轮偏转角速度的偏差e的模糊论域为[-1,1]，量化因子为30；所述偏差变化率ec的模糊论域为[-3,3]，量化因子为1；
所述输出PID的比例系数的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.1；比例积分系数的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.1；微分系数的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.0001；
所述偏差e和偏差变化率ec分为7个等级；所述输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数分为7个等级；
所述模糊PID控制器的输入和输出的模糊集为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}。
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