关键词： 水下机械手   结构设计   柔性臂   动力学分析   振动学  

摘要： 海洋蕴藏着丰富的海洋生物资源、海洋矿物资源和海洋能源，人类未来的社会经济发展将离不开深海战略性资源开发，而水下机器人则是人类认识海洋、开发海洋不可缺少的工具之一。作为水下作业的核心工具，水下机械手的性能决定着水下机器人的作业能力。本文设计了一款深海大臂展电动机械手，其最大臂展长达6米，共有6个自由度，且腕部装有夹钳和摄像头，能够进行大范围的观测与作业，以节省能源、保护载体。可用于载体的检修、AUV的辅助回收、以及极端环境下载体无法靠近时的观测和作业。本论文的主要研究内容如下:　　(1)深海大臂展电动机械手整体构型和方案的设计。综合大作业空间和高灵活性，确定其构型、D-H参数以及整体设计方案。对整手进行浮力配平以减小关节所受静力矩，并对微正浮力长臂杆浮力、强度和耐压进行设计。最后设计了关节驱动模块，并完成整体的密封与防腐设计。　　(2)深海大臂展电动机械手的运动学和动力学分析。对整手进行正、逆运动学分析，求解各连杆的加速度、线速度。采用拉格朗日法构建水下大臂展机械手的动力学模型，并考虑流体环境因素影响，使用莫里森公式和D-H理论求解水动力项，得出目标负载下各关节所需驱力矩;作为关节驱动模块设计、臂杆强度校核以及整机负载能力、响应速度估算的依据，为整机的水下大范围精确观测与作业提供理论支撑。结合目标抓取过程实例，分析静水、最大水流环境下的最大负载目标抓取过程，求解并分析该过程各关节所受力矩。　　(3)单节复合材料臂杆的悬臂梁振动分析、柔性大臂杆和关节驱动模块的动力学建模。结合假设模态法对Euler-Bernoulli梁整体及微分单元进行受力分析，求解出各阶的固有频率和主振型函数;通过ANSYSModel模态分析求解各阶固有频率。建立驱动关节、柔性大臂杆和末端质量的动力学模型，推导各阶振动角度、臂杆末端跟随角度与关节驱动模块输出力矩之间的状态空间方程。　　(4)通过悬臂梁实验求解复合材料臂杆的弹性模量;通过大臂杆末端角度跟随实验构造振动系统的传递函数。开展单节臂杆的悬臂梁实验，观测不同负载下的形变量，使用最小二乘法进行拟合、计算碳纤维复合材料臂杆的弹性模量E;通过ANSYS仿真分析极限负载下臂杆的形变量。实施陆地及水下环境下复合材料臂杆振动实验，对比大臂杆末端在水下环境和陆上环境下的振动频率和振动衰减速度，通过MATLAB系统辨识工具箱进行系统识别得出大臂杆末端角度和关节驱动模块输出角度之间的传递函数，并通过Simulink构造大臂杆的振动系统。

关键词： P-Rob系统   逆运动学   动力学建模   干扰观测器   积分滑模   柔性关节  

摘要： 随着科学技术的进步,智能机器人产业得到了快速发展,并逐渐应用于各大行业。机械臂是机器人的重要执行机构,机器人取代人工完成的各项任务均由机械臂完成,因此机器人的发展,可以说是取决于机械臂的发展。为解决六自由度机械臂系统逆向运动学求解复杂、路径规划算法耗时、精准动力学模型未知、运动过程中存在较多干扰等问题。本文基于瑞士生产的Personal Robotics(P-Rob)六自由度机械臂进行了系统的理论模型构建与算法设计,并研究了带有柔性关节的P-Rob模型动力学控制问题。主要研究内容可分为如下几部分:一、针对P-Rob系统运动学建模问题,首先使用标准Denavit-Hartenberg(D-H)法,得到系统基座与末端执行器之间的变换关系,进而得到系统正向运动学方程;然后提出基于末端位置的改进逆向运动学方程求解方法,简化了传统解析法只用连续左乘可逆矩阵求解的复杂度,求得8组逆解,改进的逆向运动学求解方法提高了运算效率;最后基于仿真软件中的机器人工具箱,建立P-Rob系统的运动学模型,验证了正向、逆向运动学分析模型的可靠性。针对P-Rob系统运动规划问题,分别使用关节空间和笛卡尔空间轨迹规划对机械臂进行分析和仿真,探究出了适合所研究系统的轨迹规划算法。由于传统快速拓展随机树路径规划算法存在弊端,从而提出了改进的快速拓展随机树算法,提高了机械臂的路径搜寻效率。二、针对P-Rob系统的动力学研究,基于Lagrange能量方程,对P-Rob六自由度机械臂系统进行详细的动力学方程求解,得到了具体的系统矩阵。考虑系统存在外界扰动的条件下,设计干扰观测器对系统模型建模的误差以及外界干扰进行了估计,然后验证了所设计干扰观测器的稳定性。在此基础上设计积分滑模控制器,使系统可在短时间内较为平滑地追踪期望轨迹,并与传统滑模控制进行了比对实验。三、针对P-Rob系统带有柔性关节的研究,首先将机械臂的第六关节改为柔性关节,使最后一个关节变为刚性连杆和柔性关节的耦合关节,进而增强了该机械臂系统的抓取灵活程度,降低了功耗,克服了纯刚性关节的惯性大、笨重和僵硬等缺点;然后对更改后P-Rob系统的柔性关节进行动力学建模,并考虑存在扰动的条件下,设计基于干扰观测器的积分滑模控制算法,使得柔性关节可以更为稳定的操控运转。四、针对系统中所设计理论算法的验证问题,首先在Matlab中得到了仿真验证;然后在P-Rob系统实际模型上进行实物抓取、放回以及避障抗干扰实验。对于本文所设计的运动规划算法和控制算法得到了进一步证实,可将其应用于机械臂的轨迹跟踪问题,实现了理论应用于实践,为机械臂后期的研究提供了较大的参考价值。

关键词： 硫化矿   自燃   机械活化   TG-MS联用   热动力学   补偿效应  

摘要： 硫化矿石自燃是矿山生产中的典型灾害。在开采过程中,硫化矿石所受到的各种形式的机械力作用,会引发一系列复杂的物理化学反应。因此,有必要深入研究机械化学作用对硫化矿石自燃特性的影响及热动力学过程特征变化规律。本文以硫化矿石为研究对象,采用现代分析技术和TG-MS系统对在机械力作用下硫化矿石微观结构变化规律、硫化矿自燃的机械化学机理、热动力学等方面进行了系统研究。主要结论如下:（1）运用X-射线衍射仪和扫描电镜等现代分析技术分析了硫化矿石的主要矿物成分和化学组成,并测试了矿样在分别经历不同活化时间（30min、60min、90min、120min）、活化强度（200r/min、300r/min、350 r/min、400 r/min）、料球比（1:2、1:5、1:10、1:15）三种机械活化方式后其微观形貌、晶块尺寸、晶格畸变率等参数的变化规律。结果表明:本次试验矿样的主要成分是Fe S2,存在Si O2等杂质;机械活化使得矿样颗粒出现聚集效应,并导致晶块尺寸减小,晶格畸变率增大。（2）采用TG-MS系统分析了硫化矿石在机械活化前后的质谱特征和氧化自燃过程。根据热分析曲线变化,将矿样的自燃过程分为受热升温、氧化自燃、热分解和反应结束四个阶段。结合自燃过程中的气体产物推断出矿样在氧气气氛下的化学反应,反应的主要产物为Fe2O3,并有大量热量释放和SO2气体产生,中间产物含有Fe SO4等组分。（3）基于九种常见的机理函数,运用Melak法和Pearson相关系数相结合分析了硫化矿石在机械活化前后的氧化自燃反应机理函数。研究表明,总体而言机械活化并未改变矿样氧化自燃反应的最概然机理函数。其中矿样A的机理函数微分形式为2（1-α）[-ln（1-α）]1/2;矿样B为3/2[（1-α）-1/3-1]-1;矿样C和D均为（1-α）2;矿样E由未活化时的3/2[（1-α）-1/3-1]-1转化为活化后的（1-α）2;矿样F为1-α。（4）以转化率0.1为间隔,使用FR法计算矿样在机械活化前后的动力学参数。未活化时六种矿样的平均表观活化能分别为215.34、239.15、251.45、195.92、205.45、218.41 JK/mol;机械活化后,矿样的表观活化能分别减少26.27、29.9、22.16、32.73、27.01、35.3 k J/mol,均呈较为明显的下降趋势。且在矿样自燃过程中呈现出了动力学补偿效应,并使用过渡态理论解释了该效应。

关键词： 含间隙转动副   穿透深度   热成像   卷积神经网络   数据融合  

摘要： 转动副是设备制造生产中最常用的运动副之一。由于生产和配合要求的需要,配合间隙会存在转动副元素之间。间隙会随着转动副工作时间不断增加而增大直至超过规定的配合公差要求,导致转动副元素发生分离碰撞,使其运动周期产生具有不稳定性和较大随机性的混沌状态,进而导致元素定位不准确,转动副运动产生不规律振动,甚至导致精密装备的可靠性、寿命迅速下降等现象发生。但大多设备中含转动副的主传动机构工作时常处于密闭或半密闭空间,拆卸困难,对间隙的直接监测难度大,且较大程度受传感器精度限制。同时,现有研究中直接对含间隙转动副的监测方法并不多。针对以上问题,受到现今成熟的图像智能处理技术启发,本文提出一种融合机械动力学的转动副热成像间隙监测方法,并以正弦机构为基础搭建一个转动副间隙故障模拟实验台,验证了本文所提出的监测方法能够在加入含干扰图像提高监测模型抗干扰性和鲁棒性,同时还保证了较好的监测效果。论文主要内容如下:(1)基于转动副元素分离位置的转动副动力学分析。以正弦机构中转动副为例,针对转动副中元素分离位置,提出计及能量损耗的含间隙转动副元素穿透深度动力学分析方法,且由于穿透深度难以测量,通过穿透深度对计算间隙的修正效果来验证穿透深度的误差。最后提取穿透深度分析过程中5个具有代表性的动力学参量作为接下来与热成像相融合的原料。(2)融合机械动力学的转动副热成像间隙监测方法研究。通过红外热成像仪获取不同间隙条件下的转动副热成像,将间隙监测问题转化为图像特征提取和分类学习问题,为有效提取图像特征,并加强“个性”特征,引入注意力机制——加入CBAM模块的卷积神经网络,同时为防止网络模型产生梯度爆炸和退化现象,在网络中嵌入残差单元。但是对于转动副热成像中含有干扰情况时,仅靠CBAM模块还不够,故为解决单一数据的单调性、稀疏性、鲁棒性和抗干扰性差等问题,将提炼好的动力学数据通过多层感知机提取其高维特征映射与热成像高维特征映射进行融合后,重新训练和分类,检验分析混合数据的效果优于单一热成像数据。(3)实验验证。本文为验证所提出的监测方法有效性,以正弦机构为基础,搭建转动副间隙故障模拟实验台,通过激光位移传感器和红外热成像仪获取所需运动参量和热成像,最后验证考虑能量损耗的穿透深度分析误差和融合机械动力学的转动副热成像间隙监测方法有效性。

关键词： 手持振动工具   人体手臂   非线性振动   多尺度法   随机振动  

摘要： 人们在日常生活生产中广泛地用到振动工具,它们为我们的生活提供了很大便利。但是振动工具产生的振动通过手柄传递给操作者,即手传振动。从动力学方面分析手传振动对人体手臂系统响应特征,探究不同因素下的动力学现象。这对预防手臂振动病的发生和研究其发病机理有重要的实际意义和理论价值,同时也可减少国家和个人的经济损失,保障劳动者健康。人体手臂系统是由皮肤、肌肉等组成的具有非线性因素的复杂非均匀系统。以人体手部和振动工具耦合系统为研究对象,建立单自由度和多自由度系统的非线性振动方程,并用非线性振动多尺度法分析其振动特性。对单自由度系统进行理论分析和数值计算,研究了系统在确定性周期激励下的主共振、三分之一次亚谐共振、三次超谐共振和在窄带随机激励下的振动问题。主共振分析表明:此系统为弱非线性系统,数值分析和理论分析结果一致;分别改变系统参数,耦合系统振幅和共振区域随着外激励力的增加而变大、系统振幅随阻尼的增大而减小但共振区域变化不明显;分析三分之一次亚谐共振,通过其存在条件和实际物理参数范围内的振幅可判定不存在三分之一次亚谐共振;分析三次超谐共振,应用数值模拟,分析了外部激励、系统阻尼对系统幅值的影响。分析并计算窄带随机激励下系统的二阶矩和对应周期激励下系统的主共振,对比发现其二阶矩与主共振特性相同。对多自由度系统的主共振、内共振、窄带随机激励下的随机共振问题进行了分析。通过非线性振动多尺度法、矩法等,求得系统的幅频响应关系和随机运动下二阶矩方程并进行数值模拟,研究了系统振幅及共振区域受系统各参数的影响规律。研究发现,在多自由度系统中各阶振幅和共振区的变化规律不同,研究结果对于设计防振装置和探究手传振动对手臂振动病的响应特性有一定参考价值。图85幅;表0个;参59篇。

关键词： 农业机械应用   劳动力非农转移   农民主观幸福感   有序probit模型  

摘要： 随着时代的变迁,人类社会的发展需求在不断提高,人们主观幸福感的提升成为检验许多地方发展成果的重要指标和尺度。农民作为我国社会群体的重要组成部分,提升农民主观幸福感也是新时代“三农”政策的最终目标,因此研究农民主观幸福感具有重要现实意义。农业机械应用提高了农业劳动生产效率,增加了农作物产量,减少农业劳动力投入,增加劳均负担耕地面积,节省了大量的物力和人力成本,促进了农业劳动力非农转移,拓宽农民收入增长渠道,增加农民收入,改善农民生活品质,有助于农民主观幸福感的提升。本文采用中国劳动力动态调查数据,以全国除海南、西藏、港澳台外的29省市为样本,以农民主观幸福感为被解释变量,农业机械应用为解释变量,劳动力非农转移为中介变量,性别、年龄、受教育程度、身体健康状况、家庭人口规模、农地规模、生活用水质量、人均家庭收入作为控制变量,采用有序probit模型分析农业机械应用、劳动力非农转移对农民主观幸福感的影响。回归结果显示:(1)农业机械应用对农民主观幸福感有着显著的正向影响。农业机械应用程度提高有助于提升农民主观幸福感。(2)农业机械应用对劳动力非农转移的影响在10%的统计层面上显著,方向为正,说明农业机械应用有助于促进农业劳动力非农转移。(3)劳动力非农转移有助于提升农民主观幸福感。劳动力非农就业比例每增加一个单位,农民主观幸福感提升0.0936个单位。基于实证分析的检验结果,为提升农民主观幸福感,本文提出了加强农业机械宣传推广、增加农业机械财政补贴、加强农业机械技能培训、引导劳动力向非农转移等政策建议。

关键词： 肺复张   速度时间积分   肺保护性通气   容量反应性   肺复张   容量反应性   肺氧合   双室功能  

摘要： 目的 对肺复张策略诱导主动脉瓣速度时间积分的变化（ΔVTI）情况进行评价,同时对ΔVTI预测肺保护性通气患者容量反应性的准确性进行评估。方法本研究共选择45名拟在择期行胃肠手术的患者,患者的年龄区间为50-70岁,根据美国麻醉医师协会的相关分级标准（ASA）,患者分别处于Ⅰ或Ⅱ级。所有纳入本研究的患者术前左心室射血分数（LVEF）均>55%,且无严重心脑血管等疾病病史。依据国际专家指南与共识,所有患者全麻诱导气管插管后接麻醉机行肺保护性通气（VT 7ml/kg,PEEP 5cmH2O,FiO2 60%）,待患者血流动力学平稳3-5分钟后,将麻醉机限压阀（APL）调至30cmH2O并给予一次手法肺复张（RM:30cmH2O持续气道正压通气30S）。于心尖五腔心切面,将脉冲多普勒（PW）取样点置于距主动脉瓣1cm之内,对主动脉瓣的VTI进行描记。对手法肺复张前后患者的平均动脉压（MAP）、心率（HR）值以及主动脉瓣VTI进行记录,同时对主动脉瓣VTI的变化值（ΔVTI）以及平均动脉压的变化值（ΔMAP）和心率的变化值（ΔHR）进行计算。随后依据容量治疗的国际专家指南与共识,暂将潮气量改为9ml/kg并连接Vigileo系统后进行容量负荷试验（静脉输注0.9%生理盐水250ml,输注时间20min）,在对实验前后的每搏输出量进行记录的同时,对每搏输出量的变化情况（ΔSV）进行计算。并根据ΔSV的不同将患者分为容量反应性阳性组（R组,ΔSV≥15%）和容量反应性阴性组（N组,ΔSV<15%）两组。通过受试者工作特征曲线分析ΔVTI、ΔMAP以及ΔHR,并计算最佳Youden指数时各指标的值。评价肺复张策略诱导VTI变化评估肺保护性通气患者容量反应性的准确性。结果 本研究共纳入45例患者,其中容量反应性阳性组（R组）26例,容量反应性阴性组（N组）19例。在施行手法肺复张（RM）过程中,R组患者与N组患者的主动脉瓣VTI与MAP都有明显下降。ROC曲线分析结果示:ΔVTI预测肺保护性通气患者容量反应性阳性的诊断阈值是18.065%,曲线下面积是0.893（95%置信区间是0.800-0.986,P<0.05）;预测肺保护性通气患者容量反应性阳性的灵敏度是92.3%,特异度是73.7%。ΔMAP预测肺保护性通气患者容量反应性阳性的诊断阈值是11.12%,曲线下面积是0.864（95%置信区间是0.762-0.967,P<0.05）;预测肺保护性通气患者容量反应性阳性的灵敏度是73.1%,特异度是84.2%。ΔHR预测肺保护性通气患者容量反应性阳性的诊断阈值是1.575%,曲线下面积是0.596（95%置信区间是0.427-0.765,P>0.05）;预测肺保护性通气患者容量反应性阳性的灵敏度是69.2%,特异度是52.6%。结论 1、RM诱导ΔMAP和ΔHR无法对肺保护性通气（VT<8ml/kg）患者的容量反应性进行准确评估。2、RM诱导ΔVTI可准确评估肺保护性通气患者容量反应性,当Youden指数最佳时,ΔVTI的诊断阈值为18.065%,敏感度为92.3%,特异度为73.7%。目的 评价肺复张策略对不同容量状态患者肺氧合及双室功能的影响。方法本研究共选择60名拟在择期行胃肠手术的患者,患者的年龄区间为50-70岁,根据美国麻醉医师协会的相关分级标准（ASA）,患者分别处于Ⅰ或Ⅱ级。所有纳入本研究的患者术前左心室射血分数（LVEF）均>55%,且无严重心脑血管等疾病病史。依据国际专家指南与共识,所有患者在全麻诱导气管插管后接麻醉机行肺保护性通气（VT 7ml/kg,PEEP 5cmH2O,FIO2 60%）,待患者血流动力学平稳3-5分钟后,将麻醉机的限压阀（APL）调至30cmH2O并给予一次手法肺复张（RM:30cmH2O持续气道正压通气30S）。分别于RM前（T1）、RM后即刻（T2）和RM后30min（T3）,对左、右心室收缩和舒张参数、左室整体纵向应变（LVGLS）、右室游离壁纵向应变（RVGLS）、二尖瓣和三尖瓣瓣口的舒张早期峰值速度（E峰）与相应瓣环的舒张早期峰值速度（E’）及肺氧合指数（P/F）、肺顺应性（Cdyn）等参数进行测量。随后（T3后）依据容量治疗的国际专家指南与共识,暂将潮气量改为9ml/kg并连接Vigileo系统后进行容量负荷试验（静脉输注0.9%生理盐水250ml,输注时间20min）,在对实验前后的每搏输出量进行记录的同时,对每搏输出量的变化情况（ΔSV）进行计算。并根据ΔSV的不同将患者分为容量反应性阳性组（R组,ΔSV≥15%）和容量反应性阴性组（N组,ΔSV<15%）两组。评价肺复张策略对不同容量状态患者肺氧合及双室功能的影响。结果 R组33例,N组27例。与RM前（T1）比较,两组患者RM后

摘要： Among the topics associated with intelligent transportation systems, autonomous electric vehicles (AEVs) have received significant attention in research and application in the past decade; however, development, testing and data collection associated with such vehicles have been a great challenge due to various technical, policy and cost constraints. This paper focuses on an approach to construct, test, and collect data related to AEVs at a laboratory scaled-down level. The objective is to investigate AEV technologies while overcoming the real-world full-scale deployment and construction complexities. Accordingly, this paper presents a newly built scaled down AEV (i.e., Robo-Car) and studies the associated scalability in measured power consumption if compared to the estimated power consumption of a real-world AEV. The Intelligent Driving Model (IDM), the Non-linear Model Predictive Control (MPC) model and the Ecological Smart Driver Model (Eco-SDM) are implemented in the Robo-Car system as Adaptive Cruise Control (ACC) logics while a Polynomial Power Demand Model is adopted to measure energy consumption. Results show that the developed robot model can produce power consumption patterns comparable to those estimated for a scaled-down robot and a full-size AEV. Future research should explore the incorporation of additional models during different traffic condition (i.e., lane changing and merging scenarios) while using updated technologies in autonomous electric vehicles and searching for an optimal system integration.

关键词： 滚动轴承   剩余使用寿命   预测方法   堆栈降噪自动编码器   长短时记忆神经网络   卷积神经网络  

摘要： 滚动轴承作为动力机械设备中的重要基础部件之一,在高速、重载荷的恶劣环境中易出现故障,因此其运行状态对机械设备安全可靠运行至关重要,准确预测滚动轴承的剩余使用寿命对提供合理的维修和维护方案具有重要的理论意义和工程实用价值。目前,基于数据驱动的滚动轴承剩余使用寿命预测方法在众多研究方法中居于主流地位,在此基础上,本文针对滚动轴承剩余使用寿命预测展开研究,主要工作如下:(1)根据滚动轴承基本结构,建立滚动轴承简化力学模型,从轴承内、外部两个方面分析轴承振动机理,并对滚动轴承的失效形式进行了分析。(2)提出了一种基于CFS-SDAE的滚动轴承健康因子构建方法,详细说明CFS-SDAE的模型结构以及健康因子的构建过程。在PHM2012轴承数据集上进行验证,并将CFS-SDAE方法与传统的RMS、PCA方法进行了对比分析,结果表明根据所提方法构建的HI曲线更加平滑,具有更好的趋势性。(3)引入LSTM网络与注意机制的基本原理与方法,并将注意机制嵌入到LSTM网络中进行滚动轴承剩余使用寿命预测。在联合数据集上进行验证,结果表明,Attention-LSTM网络的稳健性优于现有的LSTM网络,预测结果接近滚动轴承真实寿命值,模型平均预测精度可达92%以上。(4)针对LSTM网络只考虑时间序列的正向依赖性,利用BiLSTM捕捉仅使用正序LSTM网络可能忽略的模式,提出一种基于CNN-BiLSTM混合神经网络预测模型,利用CNN进行深层特征挖掘,将深层特征输入到BiLSTM网络中进行滚动轴承剩余使用寿命预测,利用移动平均法进行平滑处理,并在PHM2012轴承数据集上验证,结果表明,所提方法优于其它CNN、LSTM、BiLSTM模型,平均预测精度可达90%。

关键词： 阻抗不变点   无量纲模型   不变点统一理论   主动悬架   全局阻抗控制  

摘要： 悬架系统实质是由质量-阻尼-弹簧系统组成的衰减地面振动、传递车身与车轮之间力并能保证汽车平稳行驶的多体机械系统。在研究汽车平顺性时,四分之一车悬架可以在一定条件下简化成二自由度机械振动系统。含有质量-阻尼-弹簧的机械系统通过与电气系统比拟,表现出的响应特性称为机械阻抗特性。悬架作为典型的机械系统在路面激励下也表现出一定的阻抗特性,阻抗特性属于系统的固有属性,在频域的范围内反映了悬架的激励力与运动学状态量之间的传递特性。在悬架性能研究中,一般关注簧载质量加速度、悬架动行程和轮胎动变形三个指标,同样在对悬架的机械阻抗特性也研究簧载质量加速度阻抗、悬架动行程位移阻抗和轮胎动变形位移阻抗。在悬架的机械阻抗特性中,存在不受悬架阻尼影响的阻抗不变点。本文意在揭示阻抗不变点产生的机理,分析悬架固有参数间变化的互影响和对阻抗特性的影响,以及阻抗不变点对悬架特性的影响,尝试说明被动悬架和半主动悬架阻抗不变点形成的内在统一规律,通过阻抗不变点的理论,将被动悬架设计方法扩充到半主动悬架领域,意在实现被动-半主动悬架振动机理的统一。并基于此研究了基于悬架阻抗特性的全局阻抗控制策略意在提高汽车的平顺性和操纵稳定性,同时开展针对阻抗控制对主动悬架功能实现和能耗经济性两方面研究。针对以上问题,本文将从以下三个方面展开研究。1、被动悬架机械阻抗无量纲不变点的建模与分析在被动悬架中,悬架的簧载质量加速度、悬架动行程和轮胎动变形对路面激励力的响应称为加速度阻抗和位移阻抗。在簧载质量加速度阻抗、悬架动行程和轮胎动变形的位移阻抗幅频曲线中,存在不受悬架阻尼影响的阻抗特性点。本文从阻抗矩阵的角度推导了不变点的幅频特性表达式,试图分析阻抗不变点对悬架性能的影响和阻抗不变点产生的机理。本文首先引入了无量纲参数,刚度比和质量比,在詹森不等式思想指导下,通过引入无量纲参数推导了阻抗不变点近似表达式,并在此基础上进行了进一步修正后,建立了无量纲阻抗不变点模型,研究了无量纲阻抗不变点特性。无量纲参数的引入确定了同量纲参数之间的关系,阻抗矩阵则耦合了汽车的质量-阻尼-刚度参数,更能直接反映出悬架自身参数间的变化关系对悬架阻抗特性的影响。无量纲阻抗模型最直接的解决了传统悬架不变点模型表达式复杂问题,而且无量纲参数在对当前电动汽车非簧载质量增加所引起的负效应更有利于进行机理分析,同时也有利于分布式驱动电动车的悬架参数设计以及控制目标的确立。无量纲参数的变化引起的悬架性能改变更直接反映了悬架本身的阻抗特性和悬架参数间的相互影响。无量纲参数的变化对阻抗不变点的影响成近似线性特性,鉴于在实际应用中计算更为便捷,本文研究了不变点矢量图,这有助于在悬架的阻尼调校中能够快速地估算阻抗不变点的幅频参数。2、半主动悬架机械阻抗不变点动力学机理及控制机理分析在半主动悬架的机械阻抗特性中同样存在与被动悬架机械阻抗不变点相同的特性。在悬架的可调阻尼调节中,当阻尼变化满足一定条件时,在悬架的阻抗特性中也会表现出不变点的特性。当一定条件做相应的改变时,悬架的阻抗特性又表现出向好的减振性能。半主动悬架出现阻抗不变点的实质是悬架的失效阻尼改变,失效阻尼则反映的是可调减振器可调部分失效后,悬架能正常工作的阻抗特性。基于失效阻尼的特征本文尝试提出了“阻尼椭圆”的概念,阻尼椭圆上的点的位置反映了可调阻尼减振器效能的实质,以及被动悬架和半主动悬架的阻尼关系;阻尼椭圆半轴长的概念则体现了失效阻尼的变化与不变点的产生的关系。阻尼椭圆揭示了被动悬架和半主动悬架阻尼变化的本质关系,同时失效阻尼的概念揭示了被悬架和半主动悬架阻抗不变点产生的内在规律,给出了被动悬架和半主动悬架的阻抗不变点形成机理的统一解释,阻尼椭圆上点的运动给出了阻尼优化的选择方法,也揭示了半主动悬架控制效果随阻尼变化的规律。3、全局阻抗控制下的主动悬架控制性能和不变点特性基于被动悬架和半主动悬架阻抗不变点特性及控制机理的研究,本文尝试继续深入研究基于阻抗特性的主动悬架全局阻抗控制策略和阻抗不变点特性。阻抗控制是广泛应用于机器人领域的柔性控制,本文在分析了悬架的阻抗不变点机理后,尝试将阻抗参数作为反馈输入引入悬架的控制中,实现悬架的簧载质量和“环境”的柔性接触。根据阻抗控制的原理创造性的将非簧载质量系统和虚拟阻抗系统看作“环境接触”,实现了实体环境(非簧载质量系统)和虚拟环境(惯性质量、阻尼和刚度)的并联,设计了基于簧载质量全状态反馈的全局阻抗控制策略。全局阻抗控制策略以簧载质量的阻抗状态为反馈信息,实现了无模型建模和参数调节,这相较于LQR控制摆脱了需要对控制对象精确建模的约束,同时也无需路面预瞄参数,全局阻抗控制在控制性能上实现了与LQR控制同效能的控制效果,在某些方面甚至优于LQR控制。在功率消耗方面,阻抗控制功率分配也更均衡,尤其是瞬时峰值功率消耗方面较LQ