CN109606485A - 一种方程式赛车电控可调尾翼系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种方程式赛车电控可调尾翼系统，包括：两侧端板，平行间隔相对地竖直的固定在赛车尾部；主翼，其固定在所述端板之间；第一襟翼，其设置在所述两侧端板之间，沿着赛车前进方向，所述第一襟翼位于所述主翼后上方；第二襟翼，其可旋转地设置在所述两侧端板之间，沿着赛车前进方向，所述第二襟翼位于所述第一襟翼后上方；摇杆，其一端与所述第二襟翼的一端固连；舵机，其固定在所述第一襟翼的一端内部，输出端设置曲柄；所述曲柄延伸至所述端板外；连杆，其一端与所述曲柄铰接，另一端与摇杆铰接。本发明提供了一种方程式赛车电控可调尾翼系统，其能够避免连续转弯情况下根据方向盘转角变化连续调整襟翼攻角时存在的迟滞响应问题。

Description

一种方程式赛车电控可调尾翼系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及大学生方程式汽车大赛赛车可调尾翼技术领域，尤其涉及一种方程式赛车电控可调尾翼系统及其控制方法。

背景技术

大学生方程式汽车大赛(FSAE)由国际汽车工程师学会(SAE International)于1978年开办，其概念源于一家虚拟制作工厂，向所有大学生设计团队征集设计制造一辆小型的类似于标准方程式的赛车，要求赛车在加速、制动、操控性方面都有优异的表现并且足够稳定耐久。

可调尾翼是世界一级方程式(F1)在2011赛季引入的一项旨在降低阻力提高尾速以增加超车可能的位于赛车尾翼的一项技术部件。在现今的FSAE比赛中普遍使用可调尾翼，用于调节襟翼翼片的攻角，以改变阻力和升力适应不同的工况。大多数FSAE赛车可调尾翼采用六杆驱动机构的可调尾翼，根据节气门开度等信号从而控制襟翼的角度，其驱动机构相对复杂，输入信号较多，程序算法也相对复杂，并且，连续转弯情况下以方向盘转角为自变量连续调整襟翼攻角大小时，存在响应迟滞的问题。而一些可调尾翼采用四杆驱动机构，将其布置于尾翼主翼上部，又会干扰端板内侧气流的传输。为此，设计一种结构简洁、控制算法简单、没有明显的迟滞响应，布置又不会影响气流传输的可调尾翼系统以代替现有的设计显得尤为重要。

发明内容

本发明为解决目前的技术不足之处，提供了一种方程式赛车电控可调尾翼系统，其能够避免连续转弯情况下根据方向盘转角变化连续调整襟翼攻角时存在的迟滞响应问题。

本发明还提供了一种方程式赛车电控可调尾翼系统的控制方法，能够根据车况在不影响气流传输的情况调整尾翼攻角，以改变阻力和升力适应不同的工况。

本发明提供的技术方案为：一种方程式赛车电控可调尾翼系统，包括：

两侧端板，平行间隔相对地竖直的固定在赛车尾部；

主翼，其固定在所述端板之间；

第一襟翼，其设置在所述两侧端板之间，沿着赛车前进方向，所述第一襟翼位于所述主翼后上方；

第二襟翼，其可旋转地设置在所述两侧端板之间，沿着赛车前进方向，所述第二襟翼位于所述第一襟翼后上方；

摇杆，其一端与所述第二襟翼的一端固连；

舵机，其固定在所述第一襟翼的一端内部，输出端设置曲柄；所述曲柄延伸至所述端板外；

连杆，其一端与所述曲柄铰接，另一端与所述摇杆铰接。

优选的是，

所述主翼、所述第一襟翼和所述第二襟翼的前端均为圆弧过渡，后端均为尖角过渡。

优选的是，

所述舵机为高压舵机。

优选的是，

第二襟翼转轴，其设置在所述第二襟翼的一端，与所述摇杆固连。

优选的是，

陀螺仪传感器，其设置在方向盘上，用于监测方向盘转角及角速度信号；

控制器，其连接所述陀螺仪传感器、所述舵机，控制所述舵机工作状态。

一种方程式赛车电控可调尾翼系统的控制方法，包括：

获取方向盘转角及角速度信息，当α＞α₀时，控制舵机转动使第二襟翼处于最大攻角位置；当α≤α₀时，则判断方向盘角速度；

当ω＞ω₀时，控制系统保持第二襟翼处于最大攻角位置状态；当ω≤ω₀，控制舵机转动使第二襟翼处于最小攻角位置；

其中，α为方向盘转角，α₀为方向盘转角阈值；ω为方向盘角速度，ω₀为方向盘角速度阈值。

优选的是，

控制舵机转动使第二襟翼处于最小攻角位置时，舵机的转速n₁满足：

其中，κ为校正系数，f为舵机频率，p为旋转磁场的极对数，m₁为第一襟翼的重量，m₂为第二襟翼的质量，l₁为曲柄长度，l₂为摇杆长度，θ_max为曲柄转动最大角度。

优选的是，

控制舵机转动使第二襟翼处于最大攻角位置时，舵机的转速n₂满足：

优选的是，

方向盘转角阈值α₀＝60°，方向盘角速度阈值ω₀＝130°s^-1。

本发明所述的有益效果：提供了一种方程式赛车电控可调尾翼系统，其能够避免连续转弯情况下根据方向盘转角变化连续调整襟翼攻角时存在的迟滞响应问题。本发明还提供了一种方程式赛车电控可调尾翼系统的控制方法，能够根据车况在不影响气流传输的情况调节尾翼翼片的攻角，以改变阻力和升力适应不同的工况。同时还能够调整舵机的转速，使控制更为智能、平稳。

附图说明

图1为本发明的方程式赛车电控可调尾翼整体结构图。

图2为本发明的方程式赛车电控可调尾翼侧视图。

图3为本发明的方程式赛车电控可调尾翼侧面的局部结构图。

图4为本发明的方程式赛车电控可调尾翼系统控制流程图。

图5为本发明的方向盘转角示意图。

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所示，本发明提供一种方程式赛车电控可调尾翼系统，包括两侧端板100，端板100平行间隔相对地竖直的固定在赛车尾部。主翼设置在两侧端板100之间，并与两端板垂直。主翼110沿着赛车前进方向，所述主翼110向上仰起，所述主翼110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；第一襟翼120固设在两端板100之间，第一襟翼120表面有一定弯曲弧度，且第一襟翼120位于主翼110的斜上方(后上方)。第二襟翼130可旋转地固设在两端板100之间，第二襟翼130表面有一定弯曲弧度，且第二襟翼130位于第一襟翼120的斜上方(后上方)。主翼110的前端为圆弧过渡，后端为尖角过渡；第一襟翼120的前端为圆弧过渡，后端为尖角过渡；第二襟翼130的前端为圆弧过渡，后端为尖角过渡。

如图2-3所示，摇杆131设置在所述第二襟翼130的一端，与所述第二襟翼130的一端固连。舵机121固定在所述第一襟翼120的一端内部，输出端设置曲柄122；所述曲柄122延伸至所述端板外；连杆123一端与所述曲柄122铰接，另一端与所述摇杆131另一端铰接。

在另一实施例中，第二襟翼130的一端设置第二襟翼转轴132，第二襟翼转轴132一端固设在第二襟翼130上，另一端与摇杆131连接。销钉133将第二襟翼转轴132与摇杆131固连。所述舵机为高压舵机(8.4V)。

陀螺仪传感器设置在方向盘上，用于监测方向盘转角及角速度信号；控制器，其连接所述陀螺仪传感器、所述舵机，控制所述舵机工作状态。

第一襟翼和第二襟翼均采用聚甲基丙烯酰亚胺泡沫(PMI泡沫)及碳纤维复合材料制成。两侧端板的中部为蜂窝纸材料，两侧为碳纤维复合材料制成，强度高重量轻。四杆机构中的杆件(连杆、摇杆、曲柄)为7075铝合金材料，陀螺仪传感器选型为mpu6050传感器,其灵敏度高，工作可靠。

本发明还提供一种方程式赛车电控可调尾翼系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤一、获取方向盘转角及角速度信息，当α＞α₀时，控制舵机转动使第二襟翼处于最大攻角位置(1模式)；当α≤α₀时，则判断方向盘角速度；

步骤二、当ω＞ω₀时，控制系统保持第二襟翼处于最大攻角位置状态(1模式)；当ω≤ω₀，控制舵机转动使第二襟翼处于最小攻角位置(0模式)；

其中，α为方向盘转角，α₀为方向盘转角阈值；ω为方向盘角速度，ω₀为方向盘角速度阈值。

控制舵机转动使第二襟翼处于最小攻角位置时，舵机的转速n₁满足：

其中，κ为校正系数，f为舵机频率，p为旋转磁场的极对数，m₁为第一襟翼的重量，m₂为第二襟翼的质量，l₁为曲柄长度，l₂为摇杆长度，θ_max为曲柄转动最大角度。

控制舵机转动使第二襟翼处于最大攻角位置时，舵机的转速n₂满足：

在另一实施例中，方向盘转角阈值α₀＝60°，方向盘角速度阈值ω₀＝130°s^-1。

如图4、5所示，在另一实施例中，所述根据获取的方向盘转角及角速度信号判断赛车行驶的赛道，从而控制舵机转动，带动曲柄、连杆及摇杆运动，使第二襟翼转动，实现第二襟翼攻角0/1的两种模式的调节具体为：

系统控制策略为0/1两种模式。在1模式即第二襟翼处于“立“着的状态时，达到限定的最大攻角位置。在0模式即第二襟翼处于“平”着的状态时，达到赛车减阻的第二襟翼最小攻角位置，攻角不随方向盘转角变化。本实施中，转向机构的角传动比为5，方向盘双边转角范围为260°，单边转角阈值为60°，则双边转角阈值为120°，角速度阈值为130°/s。通过方向盘上的陀螺仪传感器获取的转角及角速度信号，判断方向盘的转角是否超出双边转角阈值，若方向盘转角超出双边转角阈值，则判定赛车处于半径较小的弯道，控制系统处于1模式，控制舵机转动，带动曲柄、连杆及摇杆运动，使第二襟翼转动，使第二襟翼始终处于最大攻角的位置。

若没有超出双边转角阈值，接着判断角速度大小。若超出角速度阈值，则认为方向盘是从超出双边转角阈值的一侧迅速转到另一侧的过渡情况，据此判定赛车为连续转弯的状态，控制系统保持在1模式。若没有超出角速度阈值，则视赛车处于半径较大的弯道或直道，控制系统处于0模式，控制舵机转动，带动曲柄、连杆及摇杆运动，使第二襟翼转动，使第二襟翼达到最小攻角位置。

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 (9)

1.一种方程式赛车电控可调尾翼系统，其特征在于，包括：

两侧端板，平行间隔相对地竖直的固定在赛车尾部；

主翼，其固定在所述端板之间；

第一襟翼，其设置在所述两侧端板之间，沿着赛车前进方向，所述第一襟翼位于所述主翼后上方；

第二襟翼，其可旋转地设置在所述两侧端板之间，沿着赛车前进方向，所述第二襟翼位于所述第一襟翼后上方；

摇杆，其一端与所述第二襟翼的一端固连；

舵机，其固定在所述第一襟翼的一端内部，输出端设置曲柄；所述曲柄延伸至所述端板外；

连杆，其一端与所述曲柄铰接，另一端与所述摇杆另一端铰接。

2.根据权利要求1所述的方程式赛车电控可调尾翼系统，其特征在于，

所述主翼、所述第一襟翼和所述第二襟翼的前端均为圆弧过渡，后端均为尖角过渡。

3.根据权利要求2所述的方程式赛车电控可调尾翼系统，其特征在于，

所述舵机为高压舵机。

4.根据权利要求2所述的方程式赛车电控可调尾翼系统，其特征在于，还包括：

第二襟翼转轴，其设置在所述第二襟翼的一端，与所述摇杆固连。

5.根据权利要求3所述的方程式赛车电控可调尾翼系统，其特征在于，

陀螺仪传感器，其设置在方向盘上，用于监测方向盘转角及角速度信号；

控制器，其连接所述陀螺仪传感器、所述舵机，控制所述舵机工作状态。

6.一种方程式赛车电控可调尾翼系统的控制方法，其特征在于，包括：

获取方向盘转角及角速度信息，当α＞α₀时，控制舵机转动使第二襟翼处于最大攻角位置；当α≤α₀时，则判断方向盘角速度；

当ω＞ω₀时，控制系统保持第二襟翼处于最大攻角位置状态；当ω≤ω₀，控制舵机转动使第二襟翼处于最小攻角位置；

其中，α为方向盘转角，α₀为方向盘转角阈值；ω为方向盘角速度，ω₀为方向盘角速度阈值。

7.根据权利要求6所述的方程式赛车电控可调尾翼系统的控制方法，其特征在于，控制舵机转动使第二襟翼处于最小攻角位置时，舵机的转速n₁满足：

其中，κ为校正系数，f为舵机频率，p为旋转磁场的极对数，m₁为第一襟翼的重量，m₂为第二襟翼的质量，l₁为曲柄长度，l₂为摇杆长度，θ_max为曲柄转动最大角度。

8.根据权利要求6所述的方程式赛车电控可调尾翼系统的控制方法，其特征在于，控制舵机转动使第二襟翼处于最大攻角位置时，舵机的转速n₂满足：

9.根据权利要求8所述的方程式赛车电控可调尾翼系统的控制方法，其特征在于，

方向盘转角阈值α₀＝60°，方向盘角速度阈值ω₀＝130°s^-1。