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研究生: 吳東穎
Wu, Dong-Ying
論文名稱: 應用於車體防翻覆之飛輪模組設計與初步驗證
Design and Preliminary Verification of Flywheel Module Against Vehicle Rollover
指導教授: 蔡南全
Tsai, Nan-Chyuan
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 機械工程學系
Department of Mechanical Engineering
論文出版年: 2018
畢業學年度: 106
語文別: 中文
論文頁數: 246
中文關鍵詞: 飛輪電池陀螺效應車體防翻覆模糊邏輯演算法滑動模式控制硬體迴路
外文關鍵詞: Flywheel Cell, Gyroscopic Effect, Anti-Rollover Control Strategy, Hardware-in-the-Loop
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  • 本研究以驗證飛輪電池應用於車體的防翻覆之可行性為目的,設計並製作ㄧ組實驗平台進行初步驗證,實驗平台為車輛包含車載飛輪之尺寸縮小版雛型架構,總共可分為三層。 三層結構由內而外層層包覆,內層結構的運動不會影響外層結構的運動,而外層結構的運動會帶動所有內層結構沿其中一個自由度方向運動(泛指線性移動或轉動)。 此外,為了使飛輪轉子在運轉時更加穩定、減少噪聲及增加運轉時間,本研究額外針對飛輪轉子進行動平衡校正,由校正結果可發現其動平衡之有效性。
    另一方面,本研究針對內嵌於車子的飛輪轉子對(Flyeheel Rotor Pair, FRP)進行動態模型(Dynamic Model)建立,並藉由Matlab/Simulink軟體,模擬及分析飛輪轉子因陀螺效應對車體動態之影響性,其中包含了開迴路測試及閉迴路控制策略設計。 由開迴路測試的結果可知,若要使車子達到最大的防翻覆效能,FRP勢必要保持在最大的轉速差,如此FRP就只能在固定的轉速下運轉,將會失去原有的電池角色。 為了讓飛輪電池能有效地達成防翻覆及充放電之功能,本文額外設計ㄧ防翻覆控制策略(Anti-Rollover Control Strategy, ARCS),使其能根據車子的行車狀態,在適當的時機點才做出防翻覆的措施。
    為了驗證“飛輪電池應用於車體的防翻覆”及“本文所設計的控制策略”之可行性,本研究搭建了兩種實驗: (I). 陀螺效應實驗; (II). 硬體迴路 (Hardware-in-the-Loop, HIL)實驗。 在陀螺效應實驗中,是以人為操作的方式,給予實驗平台一偏航角速度,並藉此觀察實驗平台的側傾方向,以驗證其側傾方向將與車子的翻覆方向相反,進而達到防翻覆的效能。 而在HIL實驗中,將本研究所設計的控制策略實際燒入至嵌入式控制器(Embedded Controller),並以控制器區域網路(Controller Area Network, CAN)及RS-485來進行資料的傳遞與溝通。 此外,實驗中亦加入了踏板及方向盤模組,並藉由人為的方式進行操作,使其更加貼近現實世界的駕駛行為。 由實驗結果可知,本研究所設計的控制策略確實可以即時(Real-time)安全化司機的駕駛行為。

    This thesis is aimed to apply Flywheel Rotor Pair (FRP) for vehicle rollover prevention. FRP is a pair of rotors which rotates in opposite directions and is embedded in a Sport Utility Vehicle (SUV). The authors proposed a new method against vehicle rollover by taking advantage of gyroscopic effect. In addition, an Anti-Rollover Control Strategy (ARCS) is introduced as well. At design stage, modeling of vehicle dynamics and the control strategy are developed and verified under the computer environment: Matlab/Simulink. To be more practical, two kinds of experiments are conducted, namely, gyroscopic effect experiments and Hardware-in-the-Loop (HIL) experiments. To examine the gyroscopic moment induced by FRP being able to resist vehicle rollover, a test rig equipped with FRP is set up to imitate a size-reduced SUV to which FRP is embedded. On the other hand, to evaluate the performance of ARCS, the proposed control strategy is converted into “C code” and lodged onto a micro-processor chip to conduct the so-called HIL experiments. According to the experimental results, the gyroscopic moment induced by FRP can indeed prevent the vehicle from rollover and ARCS can secure, to some extent, drivers against improper driving behaviors.

    摘要 I 英文延伸摘要 III 誌謝 X 目錄 XI 表目錄 XVII 圖目錄 XIX 縮寫與全名之對照表 XXVIII 符號對照表 XXXI 第一章 緒論 1 1.1 前言 1 1.2 文獻回顧 3 1.3 研究動機與目的 9 1.4 論文架構 10 第二章 機構設計與動平衡校正 12 2.1 實驗系統架構 16 2.1.1 水平位移層之結構設計 18 2.1.1.A 馬達/發電機單元之結構設計 19 2.1.1.B 飛輪之結構設計 20 2.1.2 滾動層之結構設計 29 2.1.3 偏航層之結構設計 30 2.1.4 方向盤模組之結構設計 30 2.1.5 小結 32 2.2 動平衡 33 2.2.1 動平衡校正 33 2.2.2 振動實驗量測 39 2.2.3 小結 47 第三章 車輛模型建立與測試方法 48 3.1 模型概述 49 3.1.1 側向動態模型 49 3.1.2 偏航動態模型 54 3.1.2.A 車體無載飛輪的偏航動態模型 55 3.1.2.B 飛輪轉子對的偏航動態模型 57 3.1.3 滾動動態模型 60 3.1.3.A 車體簧載部份的滾動動態模型 61 3.1.3.B 飛輪轉子對的滾動動態模型 62 3.2 飛輪材質 69 3.3 測試道路 70 3.3.1 J型彎道 71 3.3.2 雙換道 73 3.3.3 魚鉤彎道 75 3.4 翻覆威脅程度及操控性 77 3.4.1 翻覆指標 77 3.4.1.A 負載轉移率 78 3.4.1.B 動態負載轉移率 79 3.4.1.C 靜態負載轉移率 81 3.4.2 操控性 81 3.5 小結 83 第四章 控制策略設計與電腦模擬驗證 84 4.1 開迴路測試 88 4.1.1 飛輪轉向測試 89 4.1.2 飛輪材質測試 95 4.1.3 車種測試 108 4.1.4 車速測試 117 4.1.5 小結 125 4.2 控制策略設計 128 4.2.1 控制策略設計 130 4.2.1.A 翻覆指標之計算 130 4.2.1.B 模糊邏輯演算法 132 4.2.1.C 轉速限制策略 136 4.2.2 駕駛模型設計 138 4.2.2.A 操縱測試駕駛模型 138 4.2.2.B 軌跡追蹤駕駛模型 138 4.2.3 電腦模擬結果 141 4.2.4 小結 153 第五章 實驗平台架設與驗證 155 5.1 陀螺效應實驗 156 5.1.1 實驗硬體架設 156 5.1.1.A 陀螺儀感測器及傾角感測器 158 5.1.1.B DS1104訊號處理系統 161 5.1.2 實驗方法 164 5.1.3 實驗結果 165 5.1.4 小結 173 5.2 硬體迴路實驗 175 5.2.1 實驗硬體架設 176 5.2.1.A 方向盤模組及踏板模組 179 5.2.1.B 數位訊號處理器 181 5.2.1.C 主控端電腦及目標端電腦 182 5.2.1.D CAN通訊協議及RS-485通訊協議 187 5.2.2 實驗方法概述 191 5.2.3 實驗結果 192 5.2.4 小結 207 第六章 結論與未來展望 209 6.1 結論 209 6.2 未來展望 215 參考文獻 217 附錄A 轉子動力學之基礎知識 221 A.1 轉子的模態特性 221 A.2 坎貝爾圖 222 A.3 轉子的平衡 224 A.4 剛性轉子的動平衡步驟 227 附錄B 車體建模之細部推導 229 B.1 車子的側向加速度 229 B.2 車子的滾動加速度 230 B.3 轉子的座標轉換 232 附錄C 模糊控制理論 235 附錄D 滑動模式控制理論 240 自述 246

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