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1、a)b)HBhbBH1 mmbhc)1.:,1995.82,.:,2001.82006-01-23MATLABSimMechanics1GA Modeling of Motorcycle Rider s Operation Based on Genetic AlgorithmChen YongJianshe Industries(Group)Co.,Ltd.Technical CenterMotorcycle body and rider s operation are modeled based on the SimMechanics modelingtool of the MATLAB s
2、oftware.Also a Fuzzy controller which uses GA in the optimization method formotorcycle operation simulation model is established.The controller is used to conduct the simulationoperation.MotorcycleGenetic algorithmOperation simulation1-4196710DesignResearch设计研究 DesignResearch 20 摩托车技术 2006.04 不同行驶条件
3、下均能稳定行驶的控制参数需要很多时间，这可能就是在实际摩托车开发工作中没有运用模拟的原因。本文介绍运用遗传算法（GA）5开发出来的摩托车骑乘者操作模型，在此模型中可运用MATLAB/Simulink的SimMechanics软件6建立踏板车车身模型，如图1、图2所示，并可任意设定速度和路线。1 摩托车车身模型 运用SimMechanics软件建立的摩托车车身模型，在理论上由7个刚体（主车架、骑乘者、转向组合、前悬架下部、后臂、前后轮）、5个旋转点（转向、后臂枢轴、骑乘者倾斜、前后轮）、1个延长/伸缩接合（前悬架）和4个弹簧阻尼（前后悬架、骑乘者倾斜、转向）组成。模型包括12个自由度，其中6个与
4、车架（前后、左右、上下滚转角，螺旋角，偏航角）有关；另外6个与前后轮旋转、前悬架压缩及回弹、转向柱旋转角、骑乘者滚转角和后臂旋转角有关。外力包括重力、空气阻力、升力和轮胎载荷。每个刚体的输入数据包括：质心及连接点坐标、质量及惯性力矩、弹簧、阻尼器、轮胎的恒定参数等，运用Simulink软件建立1个一阶滞后线性轮胎模型，以每个轮胎参数值、轮胎与地面的相关数据（高度、中心线弯曲角、横向偏离角和纵向滑移率）为基础，计算出轮胎和地面接触点的纵向力、横向力、自位转矩、倾覆力矩和张驰长度。由于此模型以线性为基础，当横向偏离和滚转角值超过公式范围时，此模型将无法使用，只有在踏板车正常行驶条件范围内才适用。笔
5、者在建模型时，轮胎模型参数主要以JARI（日本汽车研究协会）测得的数据为基础，在参考资料7的 基 础 上 又 参 考 了 MathWorks Inc.发 明 的SimMechanics 软件演示模型。2 骑乘者操作模型 在骑乘模拟环境中，通过运用Simulink软件建立的骑乘者操作模型来控制摩托车车身模型。骑乘者操作模型根据等式（1）、（2）计算出驱动转矩和转矩。换句话说，就是将转向阻尼器的效果加到P（D）控制，才能使车辆速度和滚转角更接近于目标速度值和滚转角值。尽管转向阻尼器效果通常是作为摩托车车身模型的一个函数，但由于转向组合产生的摩擦力实际上是骑乘者施加的力，因此把它也包括在等式（2）里
6、。在摩托车沿规定路线模拟行驶中，目标滚转角可由等式（3）（6）式计算得出，并通过如图3所示的循环路线。d=Kp1(vvref)(1)s=Kp2(ref)Kd2Kd3 (2)=v/R (3)=v (4)从图3的几何关系中得出：R=(y 2LR 2)/2y (5)设计研究 DesignResearch 2 1 摩托车技术 2006.04 式中：d驱动转矩，Nm,ref滚转角、滚转率、参考滚转角 Kp1，Kp2，Kd2，Kd3最优化增益参数 d转向角率，rad/s R路线半径，m v前行速度，m/s 偏离率，rad/s LR参考长度，m s转矩，Nm 要求的横向加速度，m/s2 g重力加速度，m/s
7、2 将等式（1）、（2）中Kp1，Kp2，Kd2，Kd3的值设定为与不同工况条件相当的值，用于设计模糊控制器8。第1阶段是寻找目标速度和目标滚转角值的理想增益数；第2阶段是建立模糊控制器,以顺利连接分散理想值之间的距离。此模型是运用GA产生最优模糊控制器9的Scoptimizer设计软件建立的。2.1 设定速度和滚转角模拟 摩托车骑乘者操作模型包括，在保持稳定滚转角情况下沿预期路线行进，建立骑乘者操作模型的基本要素是找到1个在车辆行驶时保持稳定滚转角的控制方法。第1阶段是将速度和滚转角设定在单个值模拟进行时，寻找每个目标值的最优增益值。通过运用Scoptimizer软件设定目标速度、目标滚转角
8、、GA参数、配合度函数等值，并通过模拟运行求得最优增益值如图4所示。因为GA的最优化依赖于配合度函数的设置，所以有必要在模拟运行基础上通过反复试验来调整配合度函数的权重因数。目标速度1，2，3，5，7，10，15 m/s 目标滚转角0，2，10，20，30 遗传算法（GA）参数有：群体大小200 遗传代数值5 突变率 0.01 交换率0.64 删除率 0.8 配合函数为：Wv0.2，W0.2，Wd0.000 1，Ws0.000 5 式中：Wv，W，Wd，Ws，分别表示权重因子。2.2 建立模糊控制器 将求得的增益设置作为教学信号使用，利用Scoptimizer软件设计1个可为不同时刻工况条件选
9、择合适增益值的模糊控制器。由增益设置和条件（速度和滚转角）组成的Scoptimizer输入数据通过设定如图5所示的隶属函数转化为模糊输入数据，然后运用GA，模糊规则根据增益设置的教学信号产生平滑参数模块。DesignResearch2.315 m/s7 m/s23 m/s6AJSAE,1994(942):21242Ohwada Y,Kageyama I.A Study of a Rider Model for TwoWheeled Vehicle Handling.Proceedings of JSAE,1994(942):41443Breuer T,Pruckner D A.Advanced
10、 Dynamic MotorbikeAnalysis and Driver Simulation.Studienarbeit am Institute furKraftfahrwesen Aachen,19994Watanabe H.Motorcycle Running Simulation Using a DADS/Plant.Matlab Automotive users meeting,20005,.:,1999:1501546.MATLAB.:,20017Limebeer D J N.The stability of motorcycle under accelerationand b
11、raking.Proceedings Institution of Mechanical EngineersPart C Journal of Mechanical Engineering Science,2001,215(9):109511108.:,19909Panfilov S A.Soft Computing Optimizer:Structure and SWfor Simulation of Universal Fuzzy Approximators.SecondInternational Conference on Soft Computing and computingwith Words in System Analysis.Decision and Control(ICSCCW03),2003:112122 2006-02-16GA3Kd3Kd3LR16BMATLABSimMechanics1GA1Imaizumi H,Fujioka T.Motorcycle Motion Analysis usingMechanical System Simulation Language.Proceedings of19661991