一种智能微缩车路协同系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于智能交通技术领域，具体涉及一种基于缩比模型的车路协同系统。
【背景技术】
[0002] 目前车路协同系统研究初期，实际场景改造成本过高，系统工作条件复杂多变，在 交通现场实验难度大，实验也存在一定危险性，难以操作。基于相似理论的缩比车路协同系 统的模拟实验场景，通过对缩比模型的试验可以帮助交通系统试验人员正确、快速、经济的 完成试验的研究和分析。利用模型试验来预测大型原模型的交通特性，对新型智能交通系 统的研究有重要意义。缩比模型和原模型的测试结果一致性较好，模型可进行重复性实验， 降低试验成本，缩短研究周期以及合理的相关试验数据，对车路协同系统研究有重要意义。
[0003] 现有技术中由于直接将新型的车路协同技术运用到实际交通中进行试验存在安 全风险，而且试验费用高昂甚至难以操作。软件仿真测试不能满足各种实验要求，数据获取 真实性差，仿真值和实测值吻合度较差。现有的交通仿真软件车辆运行依赖于跟车模型和 道路变换模型与实际车辆运行状态之间存在较大偏差，并且软件仿真但只是功能性仿真， 涉及到无线通讯、时序之类的仿真无法准确的模拟实现。仿真数据获取真实性差，仿真结果 准确性低。目前交通实验沙盘试验场场景功能不完善，主要实现信息采集与信号控制，并没 有集成新型的车路协同技术，沙盘中运行的模型车智能化程度较低，他们无法满足车路协 同没仿真平台的要求。并且常见的交通微缩模型设计是按照固定几何比例缩小的模型，对 模型的物理性能相似性考虑甚少。这种微缩模型不能够真实的模拟交通环境。
【发明内容】
[0004] 根据以上不足，本发明提出一种智能微缩车路协同系统。具体采用如下技术方案： 系统包括智能微缩车及微缩道路沙盘，智能微缩车包括车体、后轴及轮胎、前轴及轮胎、车 架、直流电机、蓄电池、RFID读卡器、核心主控板、转向舵机、超声波测距模块；微缩道路沙 盘包括ETC不停车收费系统、路侧控制器、视频检测器、微波检测器、地磁检测器、线圈检测 器、可变情报板、交通信号灯、RFID模块；
[0005] 智能微缩车车速Vm根据如下公式设置：
[0007] 式中：TM-智能微缩车发动机转矩；Γηι-智能微缩车主动轮半径山智能微缩车 车辆传动系统总传动比；(；-智能微缩车空气阻力系数;Α^-智能微缩车迎风面积；Gm-智能 微缩车质量；智能车传动效率；r-智能微缩车相对于原车的微缩比例；G-原车质量； Te_原车发动机转矩；rz-原车主动轮半径；if原车车辆传动系统第i档的总传动比；C-原 车空气阻力系数;A-原车迎风面积；η-原车传动效率；
[0008] 微缩道路的弯道横向坡度ih根据如下公式设置：
[0010] 式中：B-车轴距，h-车辆重心高度，V-智能车速度，R-弯道半径，μ-单位车重 的横向力；
[0011] 微缩道路路面摩擦系数根据如下公式设置：
[0013] 式中：x-制动开始至停时距离；V。-车辆制动初速度；i一路面纵坡；t一智能微缩 制动力增长所经历的时间。
[0014] 本发明具有如下技术效果：将实物依据相似原理按照一定比例缩小，并能够保持 模型与实物之间物理性能吻合，为智能车路协同技术研究提供准确可靠的实物验证。
【附图说明】
[0015] 图1是智能微缩车结构示意图
[0016] 图2为设备安装位置示意图
【具体实施方式】
[0017] 本发明智能缩比车路协同系统包括智能微缩车及微缩沙盘，智能微缩车是基于缩 比模型的智能车，将实际车辆按比例缩小，缩比系数。为保持智能微缩车与原车物理性 能相似，需建立相应的参数缩比方法。
[0018] 智能微缩车结构及各功能安装位置如图1所示：
[0019] 1直流电机（安装位置智能小车后轮驱动轴处）；
[0020] 2蓄电池（安装位置控制单元下端，靠近电机处）；
[0021] 3RFID读卡器（安装位置智能小车地盘处）；
[0022] 4核心主控板（安装位置智能车几何中心处，用一碳素杆支撑）；
[0023] 5转向舵机（安装位置前轮轴中部，通过控制杆与前轴两车轮相连接）；
[0024] 6超声波测距模块（安装位置智能小车前端，与主控板连接）；
[0025]7后轴及轮胎
[0026] 8前轴及轮胎
[0027] 9车架
[0028] 一、智能微缩车几何尺寸：
[0029] 缩比模型设计的基本要求是模型与原型保持相似，按照几何相似原则，原型装置 尺寸/缩比模型装置尺寸为r。缩比模型的各个结构参数计算如下：
[0030] (1)原尺寸汽车的长度L。和智能微缩车的长度L"是固定的。智能微缩车尺寸是 通过把微缩车的尺寸与原尺寸汽车的尺寸相比计算得到的，如下公式可得出：
[0032] (2)车宽即沿智能车宽度方向两侧极端之间距离尺寸，计算方法如下
[0034] (3)车高即沿智能车最高点至地面距离尺寸，计算方法如下：
[0036] 二、智能微缩车速度控制方法
[0037] 为了评价原汽车模型与智能微缩车模型的动力特性，需要引入动力因数的概念。 突出体现汽车动力特性的参数是速度，因此对参数作如下推导：
[0038] (1)牵引力Ft和空气阻力Fw之差与车辆总质量G之比，叫做动力因数，以D表示。
[0042] 式中：Te-发动机转矩；rz_主动轮半径；h-车辆传动系统第i档的总传动比；
[0043] C-空气阻力系数；A-迎风面积；D-动力因数；
[0044] 将上述公式（3)代入（2)中，可推导得出
[0046] (2)基于缩比法则，智能微缩车的动力特性缩比为原汽车动力特性的Ι/r，即微缩 车的动力因数为原汽车动力因素的Ι/r，即
[0048]由此可以类比原汽车参数的推导对智能微缩车的参数作推导，并最终得到智能微 缩车速度与原汽车速度对应关系式：
[0050]式中：TM-智能微缩车发动机转矩；Γηι-智能微缩车主动轮半径山智能微缩车 车辆传动系统总传动比；(；_智能微缩车空气阻力系数;Α^-智能微缩车迎风面积；Gm-智能 微缩车质量；智能车传动效率；r-智能微缩车相对于原车的微缩比例；G-原车质量； Te_原车发动机转矩；rz-原车主动轮半径；if原车车辆传动系统第i档的总传动比；C-原 车空气阻力系数;A-原车迎风面积；η-原车传动效率；
[0051] 智能微缩车动力是由安装在后轴动力系统的直流电机供给。直流电机在不考虑电 枢回路电抗压降时电机转速与附加在电机上的端电压成正比。智能微缩车控制电路通过调 节PWM占空比控制驱动芯片供给直流电机的电压大小，以达到控制速度的目的。
[0052] (3)智能微缩车速度与控制电路输出PWM波脉宽计算方法
[0053] 设电机始终接通电源时，电机两端电压为1]_，转速最大乂_，设PWM波占空比为D。 Τ为脉冲信号周期，h为高电平时长，则电机的电压平均值为：
[0054]Ud=Unax*D
[0056] 式中：Ud-电机电压平均值；U_-电机两端最大电压；D=t/T-占空比。
[0057] 由公式可见，当T保持不变时，电机的电压随着h的变化而变化，可以得到不同的 电压，从而达到改变电机转速的目的。
[0058] 电机转速Vm与电压脉宽关系表达式为：
[0060] 三、智能微缩车转向控制方法
[0061] (1)通过对转向系统结构受力分析可得到舵机转矩平衡方程：
[0063] 式中：HV-车轮及转向传动机构等在转向拉杆上的当量质量转向连杆机构的 当量阻尼系数；I-转向舵机的刚度；Θ^舵机的转角；K-转向拉杆位移与车轮转角的比例 系数；Ftl转向阻力；&-舵机摇臂的长度；-舵机输出转矩；
[0064] (2)智能微缩车的转向系统可简化为电动机电枢电压U为输入，车轮转向轮转角 Θ位输出的线性数学模型。根据直流电机的工作原理可知，舵机的电磁转矩与电枢电流成 比例，即：
[0065] Tn=KJe
[0066] 式中：心-舵机的力矩常数；Ιε_舵机的电枢电流；
[0067] 因此可以通过控制舵机的电流来控制转角。对于直流电机，在电流和电压之间存 在如下关系：
[0069] 式中：Ke-电动机的反电动势常数R-电动机电枢电阻L-电动机电枢电感
[0070] I-电动机电流ω-电机角速度
[0071] 对上式进行拉普拉斯变换求得电流电压和舵机转角Θ之间的关系：
[0072] U(s) =L·s·I(s) +Keωm (s)+R·I