一种减阻自适应的通用型导流罩及其控制方法与流程

本发明涉及一种导流罩，特别是一种减阻自适应的通用型导流罩及其控制方法。

背景技术：

良好的汽车空气动力学特性设计，是提高汽车动力性、安全性和经济性的重要途径。而由于汽车的厢体一般都高于驾驶室，使得整车外形流场不连续,流线性差。当汽车处于高速运行时,驾驶室上面的气流遇到封闭车厢前部上方部位时，便从厢顶前边缘处产生一个大的绕流,空气阻力系数值因之而增大,阻力系数的增大严重影响燃油的经济性，而且由于汽车的型号不同，导致汽车导流罩形式多种多样，制造时需要不同型号的汽车导流罩模具，制造成本提高，而且即使是同一型号的汽车，货厢的高度也很难固定为某一个特定高度。

目前，市场上都是只能使用某一车型的导流罩，而不能适应于不同车型比如货车或卡车。不同的货箱，导致驾驶室与货箱之间存在高度差。现有的导流罩大多不能调节导流罩的高度，有些导流罩虽然能够调节高度，但是会有突出的侧围，影响了流线的连续性；而有些导流罩虽能调节高度，但是调节高度的范围较低，连续性差，实用性不强。

技术实现要素：

本发明设计开发了一种导流罩，该导流罩能够调节导流罩的高度和宽度，具有减小空气阻力的效果。

本发明的另一个发明目的，提供一种减阻自适应的通用型导流罩的控制方法，通过BP神经网络对导流罩的宽度和高度进行控制，确保导流罩与不同车型的适应性。

本发明提供的技术方案为：

一种减阻自适应的通用型导流罩，包括：

第一导流板，其设置在导流罩的顶部，一端与第一侧围挡板的顶部连接，另一端底部设置有卡块；

第二导流板，其一端顶部具有滑槽，能够与所述第一导流板的卡块配合，另一端与第二侧围挡板的顶部连接；所述第二导流板相对于所述第一导流板可滑动；

第一宽度调节装置，其一端固定在所述第一侧围挡板上，另一端固定在第一中心轴承上；

第二宽度调节装置，其一端固定在所述第二侧围挡板上，另一端固定在第二中心轴承上；

高度调节装置，其一端固定在所述导流罩的内顶部，另一端固定在汽车驾驶室顶部，能够调节所述导流罩的高度。

优选的是，所述第一宽度调节装置包括：

第一丝杠螺母，其与一端所述第一侧围挡板固定连接，另一端套设有第一丝杠的一端；

第一电机，其输出轴与第一丝杠连接，能够带动所述第一丝杠转动。

优选的是，所述第一宽度调节装置与所述第二宽度调节装置对称设置，所述第一中心轴承和所述第二中心轴承并列设置在所述导流罩中部。

优选的是，所述高度调节装置包括：

滑道，其设置在驾驶室顶部上，所述滑道上设置有齿条；

滑块，其设置在所述滑道上，其上设置有由电机驱动的齿轮，能够与所述齿条配合移动；

电动推杆，其一端与所述滑块的顶部连接，另一端固定在导流罩的内顶部。

优选的是，所述第一丝杠上还设置有自锁机构。

优选的是，所述第一侧围挡板和所述第二侧围挡板采用柔性材料。

优选的是，所述第一侧围挡板和所述第二侧围挡板之间连接有可伸缩的连接杆。

优选的是，所述连接杆采用硬质塑料材质。

一种减阻自适应的通用型导流罩的控制方法，使用一种减阻自适应的通用型导流罩，还包括如下步骤：

步骤1、根据采样周期，采用传感器对导流罩第一导流板和第二导流板之间的宽度L、导流罩顶部距驾驶室顶部的高度H、车辆行驶时的风速V、电机的转速S、高度调节装置的高度调整量R等参数进行测量；

步骤2、将上述参数进行归一化，并建立三层BP神经网络的输入层向量x＝{x₁,x₂,x₃,x₄,x₅}，其中，x₁为第一导流板和第二导流板之间的宽度系数，x₂为高度系数，x₃为风速系数，x₄为电机转速系数，x₅为高度调节装置的调整量系数；

步骤3、所述输入层向量映射到中间层，所述中间层向量y＝{y₁，y₂,…,y_b}；b为中间层节点个数，满足其中a为输入层节点个数，c为输出层节点个数；

步骤4、得到输出层向量o＝{o₁,o₂}，其中o₁为第一导流板和第二导流板之间的宽度调节系数，o₂为导流罩顶部距驾驶室顶部的高度调节系数

步骤5、控制电机的转速和高度调节装置的调整量，使

其中，分别为第i次采样周期的输出层参数，L_max为第一侧围挡板和第二侧围挡板之间宽度的最大值，L_(i+1)为第i+1个采样周期时第一侧围挡板和第二侧围挡板之间的宽度值，H_max为导流罩与驾驶室顶部的最大高度，H_(i+1)为第i+1个采样周期时的被测物料的高度。

优选的是，所述步骤二中进行归一化的公式为其中，为归一化处理的输入参数，x_j为测量参数L、H、V、S，j＝1,2,3,4；x_jmax、x_jmin分别为相应测量参数中的最大测量值和最小测量值，采用S型函数。

本发明所述的有益效果：

1、现在市场上的导流罩都是只能适用于某一车型，而不能适应与不同车型(货车或卡车)，本发明通过调节导流罩的宽度，可以适用于不同车型的货车或卡车。

2、不同的货箱，导致驾驶室与货箱之间存在不同的高度差，而目前有的导流罩虽可调节高度，但严重影响了流线的连续性；有的没有侧围的突出物，调节高度较低，而本发明侧围使用柔性材料，可以实现高度连续调节，可调节的范围大大提高，适用性更强。

3、在货车或卡车空载时，当遇到较强的侧风，导流罩能够自动收缩，减小迎风面积，明显降低风阻。

4、通过分析验证，没有导流罩、导流罩与货箱处在高度差时、导流罩高度与货箱保持一致时使得阻力明显降低。

5、通过BP神经网络对导流罩的高度和宽度的调节过程进行控制，确保导流罩的通用性能。

附图说明

图1为本发明所述的减阻自适应的通用型导流罩的整体结构示意图。

图2为本发明所述的高度调节装置的结构图

图3为本发明所述的升降装置的结构示意图。

图4为本发明所述的减阻自适应的通用型导流罩的控制策略图。

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1-3所示，本发明提供一种减阻自适应的通用型导流罩，包括第一导流板110、第二导流板210、第一侧围挡板120、第二侧围挡板220、固定机构300以及高度调节装置。

第一导流板110设置在导流罩的左侧，一端与竖直设置的第一侧围挡板120的顶部连接，另一端与第二导流板210的一端相互接触，并且第一导流板110另一端的底部设置有卡块，能够与第二导流板210上设置的滑槽211相互配合，进行滑动，使第一导流板110和第二导流板210相对运动，改变它们之间的距离。第二导流板210设置在导流罩的右侧，第二导流板210的另一端与竖直设置的第二侧围挡板220的顶部连接，第一导流板110和第二导流板210的表面均设置有多个相同的凹坑。

第一中心轴承和第二中心轴承并列设置在导流罩中部的固定机构300上，第一宽度调节装置的一端固定在第一侧围挡板120上，另一端与第一中心轴承连接，第一宽度调节装置与第二宽度调节装置结构相同，并且对称设置，第二宽度调节装置的一端固定在第二侧围挡板220上，另一端与第二中心轴承连接。

第一宽度调节装置包括：第一丝杠螺母130，其一端与第一侧围挡板120的内侧连接，另一端套设第一丝杠140的一端，第一电机150的输出轴与第一丝杠连接，并能够带动第一丝杠140进行转动。第一电机170和所述第一丝杠螺母130之间还套设有第一轴承150。

第二宽度调节装置包括：第二丝杠螺母230，其一端与第二侧围挡板220的内侧连接，另一端套设第二丝杠240的一端，第二电机270的输出轴与第二丝杠连接，并能够带动第二丝杠240进行转动。第二电机270和所述第二丝杠螺母230之间还套设有第二轴承250。

第一电机170和第二电机270均设置在车辆驾驶室的上方，第一轴承150和第二轴承250分别固定在驾驶室顶部的轴承座上。第一丝杠140和第二丝杠240上，在轴承和电机之间还分别安装有第一自锁机构160和第二自锁机构260，丝杠通过自锁机构与电机相连。

其中，第一宽度调节装置和第二宽度调节装置结构相同，并且对称设置，由于第一丝杠140和第二丝杠240的旋转方向相反，因此能够带动第一丝杠螺母130和第二丝杠螺母230相向运动，进而改变第一侧围挡板120和第二侧围挡板220之间的距离。

第一导流板110和第二导流板210之间连接有伸缩杆，作为一种优选，本发明中伸缩杆的材质选用硬质塑料。

高度调节装置一端固定在导流罩的内顶部，另一端固定在汽车驾驶室的顶部，包括：设置在驾驶室顶部的滑道420，其上设置有齿条，设置在滑道420上的滑块410，其上设置有由电机驱动的齿轮，能够与齿条相配合进行移动；一端设置在滑块410顶部的电动推杆430，其另一端固定在导流罩的内顶部，导流罩高度微调时电动推杆430伸缩，粗调时，滑块410沿滑道420移动。

第一侧围挡板120和第二侧围挡板220为可折叠可展开的结构，可采用柔性材料，也可采用多片圆心为同一点的扇形片相互叠放的结构。

在第二侧围挡板内底部还设置有升降装置280，包括推杆283，推杆283和拨叉284相连，拨叉284和偏心轮285相连，偏心轮285安装在第二侧围挡板220上，偏心轮285通过非圆心的轴安装在第二侧围挡板220上，其中偏心轮285包括两个相互平行的滚轮281，两根滚轮281之间通过偏心轴282相连，拨叉284和偏心轴282相连。

导流罩宽度调节：将导流罩1置于驾驶室顶部，将第一电机170和第二电机270通过螺栓固定在电机支座上，电机支座与驾驶室顶部通过螺栓固定连接。启动电源开关，第一电机170和第二电机270启动，第一电机170和第二电机270带动相应的齿轮转动，齿轮带动相应的自锁机构，第一自锁机构160将旋转传递到第一滚珠丝杠140上，第一丝杠140通过第一轴承150及相应的轴承座固定在驾驶室顶盖。由于第一丝杠140和第二丝杠240旋转方向向相反，导致相连的丝杠螺母相向运动，驱动第一侧围挡板120和第二侧围挡板220距离变大或缩小。第一电机和第二电机的转速相同，转动方向相反。

当需要调节宽度时，升降装置280将导流罩抬离驾驶室顶部，通过推杆283带动拨叉284，推动偏心轮285向下移动，实现偏心轮285接触驾驶室顶盖，并稍微抬起导流罩，到达预订位置时推杆283停止，第一导流板110和第二导流板210通过燕尾槽211结构相连，实现上下导流板的宽度方向相互移动限制。由于有自锁机构的存在，且滚珠丝杠固定在驾驶室顶盖，且可以连续调节导流罩1跨度，使得宽度方向的位置可以固定在任意的位置，适用性强，操作方便，安全可靠。

导流罩高度调节：高度调节装置能够进行微调与粗调，当导流罩高度微调时，电动推杆430伸缩；粗调时，滑块410沿滑道420移动，实现导流罩高度的调节，保持特别是在迎风时，通过调节导流罩的高度，能够减小导流罩的迎风面积，减小阻力，提高车辆行驶的稳定性。

通过调节导流罩的高度，使导流罩顶端与货箱的高度相等，控制因高度不同而导致流场流线形不连续的流场，改善了流场的不连续性，降低风阻系数，降低油耗，节能环保。

流场减阻分析：

步骤1、建立不带导流罩的原某货车整车模型1、某货车带存在高度差的导流罩的整车模型2、导流罩高度与货箱不存在高度差的模型3，并画出计算域，计算域的大小分别选取：高是5倍车高，宽度为7倍车宽，长为9倍车长。

步骤2、分别对模型1、模型2、模型3、进行非结构网格的面网格划分，再生成边界层网格，之后再线性增长生成体网格，为防止地面效应，把某货车的轮胎切去四分之一，更真实的模拟真车在风洞中的实验；

步骤3、气流入口速度设置90km/h，湍流强度为0.05，湍流特征长度为1000mm，出口边界条件为压力出口，表面压力设置为0；

步骤4、通过监测获得货车表面的时均阻力系数，得到模型1、模型2、模型3的阻力系数分别为0.502、0.445、0.427；

其中减阻率分别0、0.1135、0.1494，增加导流罩的阻力系数降低了14.94％,存在一定高度差时阻力系数也相差3.59％，可以看出导流罩的存在与导流罩和货箱存在高度差都对高速行驶的汽车阻力系数具有的影响。

由于燃料消耗与气动阻力的功率可表示为N∝C_DV³,其中N为燃油消耗，V是汽车行驶速度，C_D为阻力系数，即燃油消耗量与汽车行驶速度的三次方和阻力系数成正比，因此，汽车在高速行驶能够调节导流罩的高度和宽度，以适应不同的车型和货箱的高度时十分有意义的，能够节省燃油的消耗量，环保节能。

如图4所示，本发明还提供一种减阻自适应的通用型导流罩的控制方法，采用BP神经网络对导流罩的宽度和高度进行调节控制，确保导流罩与不同车型的适应性。

步骤一S510：建立BP神经网络模型

构建三层BP神经网络，其中第一层为输入层，有n个节点，表示导流罩的控制装置在工作时的n个检测信号。第二层为隐层，共m个节点，由神经网络的训练过程以自适应的方式确定。第三层为输出层，共p个节点，根据导流罩的控制装置的实际输出的响应确定。

因此，本神经网络的数学模型为：

输入向量：x＝(x₁,x₂,...,x_a)^T

中间层向量：y＝(y₁,y₂,...,y_b)^T

输出向量：O＝(o₁,o₂,...,o_c)^T

本发明中，输入层节点数a＝4，输出层节点数为c＝2，中间层节点b通过估算

输入层的四个参数分别表示为：x₁为第一导流板和第二导流板之间的宽度系数，x₂为高度系数，x₃为风速系数，x₄为电机转速系数(由于第一电机和第二电机的转速相同，因此统称电机)。

由于输入层的各个参数的量纲不同，因此，需要对输入层的各参数进行归一化处理，得到0-1之间的参数。

归一化的公式为其中，为归一化处理的输入参数，x_j为测量参数L、H、V、S，j＝1,2,3,4；x_jmax、x_jmin分别为相应测量参数中的最大测量值和最小测量值，采用S型函数。

采用距离传感器测量第一导流板和第二导流板之间的距离即宽度L，进行归一化得到宽度系数L_min和L_max分别为宽度的最小值和最大值，并且其中，W_Li为第i个距离传感器的权值，L_i′表示第i个距离传感器测量的宽度值，单位为cm，n_L为距离传感器的个数。

采用高度传感器测量导流罩与驾驶室顶部之间的高度H，进行归一化得到高度系数H_min和H_max分别为高度的最小值和最大值，并且其中，W_Hi为第i个高度传感器的权值，H_i′表示第i个高度传感器测量的高度值，单位为cm，n_H为高度传感器的个数。

采用风速传感器测量汽车运行时的风速V，进行归一化得到风速系数V_min和V_max分别为风速的最小值和最大值，并且其中W_Vi为第i个风速传感器的权值，V_i′表示第i个风速传感器测量的风速值，单位为m/s，n_V为风速传感器的个数。

采用转速传感器测量电机的转速S，进行归一化得到电机转速系数S_min和S_max分别为电机转转速的最小值和最大值，并且其中，W_Si为第i个转速传感器的权值，S_i′表示第i个转速传感器测量的转速值，单位为r/s，n_S转速传感器的个数。

得到输出层向量o＝{o₁,o₂}，其中o₁为宽度调节系数，o₂为高度调节系数，通过控制电机的转速和高度调节装置的调整量，控制导流罩的宽度和高度，使：

其中，分别为第i次采样周期的输出层参数，L_max为导流罩宽度的最大值，H_max为导流罩与驾驶室顶部的高度最大值，L_(i+1)为第i+1个采样周期时所测量的导流罩的宽度值，H_(i+1)为第i+1个采样周期时导流罩与驾驶室顶部之间的高度值。

步骤二5620、进行BP神经网络训练

根据历史经验数据获取训练的样本，并给定输入节点i和隐含层节点j之间的连接权值W_ij，隐层节点j和输出层节点k之间的连接权值W_jk，隐层节点j的阈值θ_j，输出层节点k的阈值θ_k、W_ij、W_jk、θ_j、θ_k均为-1到1之间的随机数。

在训练过程中，不断修正W_ij、W_jk的值，直至系统误差小于等于期望误差时，完成神经网络的训练过程。

如表1所示，给定了一组训练样本以及训练过程中各节点的值。

步骤三S530、采集控制装置运行参数输入神经网络得到的控制系数

同时使用距离传感器、高度传感器、风速传感器、转速传感器测量初始参数L₀、H₀、V₀、S₀，通过将上述参数进行归一化，得到BP神经网络的初始输入向量通过BP神经网络的运算得到初始输出向量

通过传感器获得第i个采样周期的导流罩宽度L、导流罩高度H、风速大小V、电机转速S，通过将上述参数进行归一化，得到i个采样周期的输入向量通过BP神经网络的运算得到到第i个采样周期的输出向量通过控制电机的转速和高度调节装置的调整量，控制导流罩的宽度和高度，使：

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。