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汽車 AEB 車輛動(dòng)力學(xué)仿真模型建立

2019-11-13 22:39:14·  來(lái)源：?？W(wǎng)  
　
本篇文章來(lái)源于論文《汽車AEB仿真控制算法優(yōu)化及驗(yàn)證》，共分為5篇章節(jié)，目錄如下：第一章：緒論第二章：汽車AEB車輛動(dòng)力學(xué)仿真模型建立第三章：汽車AEB駕駛員在
本篇文章來(lái)源于論文《汽車AEB仿真控制算法優(yōu)化及驗(yàn)證》，共分為5篇章節(jié)，目錄如下：
第一章：緒論
第二章：汽車AEB車輛動(dòng)力學(xué)仿真模型建立
第三章：汽車AEB駕駛員在環(huán)系統(tǒng)建立
第四章：AEB系統(tǒng)控制算法
第五章：基于EURO-NCAP的AEB系統(tǒng)驗(yàn)證與優(yōu)化 
 
AEB 系統(tǒng)的控制對(duì)象是汽車，車輛的動(dòng)力學(xué)模型的準(zhǔn)確性對(duì)整個(gè) AEB 系統(tǒng)有著 十分重要的影響。提高汽車動(dòng)力學(xué)模型的精度，有助于提高 AEB 系統(tǒng)算法的準(zhǔn)確度 。本文利用車輛動(dòng)力學(xué)仿真軟件和 MATLAB/Simulink 共同進(jìn)行聯(lián)合仿真，將車輛動(dòng)力學(xué)仿真軟件的汽車響應(yīng)特性和MATLAB/Simulink的邏輯控制相結(jié)合，本文的 AEB 系統(tǒng)仿真模型會(huì)在此基礎(chǔ)之上建立復(fù)雜的 AEB 場(chǎng)景與傳感器仿真，本文的這種聯(lián)合仿真有一定的特色和先進(jìn)性。 
 
車輛動(dòng)力學(xué)模型包括：發(fā)動(dòng)機(jī)模型、變速器模型、傳動(dòng)器模型、底盤模型。車輛 動(dòng)力學(xué)模型輸入?yún)?shù)包括：駕駛員輸入（方向盤轉(zhuǎn)角、節(jié)氣門開度百分比、制動(dòng)踏板 百分比、檔位、自動(dòng)或手動(dòng)擋選擇）、車輛初始狀態(tài)（初始速度、初始加速度）、 AEB 系統(tǒng)控制輸入（節(jié)氣門開度、制動(dòng)壓力）、路面輸入（摩擦力、路面坡度）等。 輸出車輛的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)（X/Y/Z 方向的位置、速度、加速度）、發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)（發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn) 速、節(jié)氣門開度百分比、檔位、發(fā)動(dòng)機(jī)功率）。 
圖 2.1 AEB 系統(tǒng)的車輛動(dòng)力學(xué)模型
 
駕駛員、AEB 系統(tǒng)控制、路面的輸入，經(jīng)過(guò)車輛動(dòng)力學(xué)模型的響應(yīng)，得到車身 與發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)數(shù)據(jù)，駕駛員通過(guò)可視化窗口，不斷修正駕駛操作，AEB 系統(tǒng)也會(huì)根據(jù)控制邏輯給出是否干預(yù)駕駛員或者自動(dòng)制動(dòng)的命令，由此該系統(tǒng)形成一個(gè)完整的 閉環(huán)仿真系統(tǒng)。這種閉環(huán)仿真系統(tǒng)對(duì)比真實(shí)場(chǎng)地試驗(yàn)，有著安全、成本低、開發(fā)周期 短，以及可以較為方便復(fù)現(xiàn)一些特殊測(cè)試場(chǎng)景。 
 
在 AEB 系統(tǒng)中，影響因素最重要的是輪胎的模型和制動(dòng)器的模型，輪胎與地面 的摩擦力直接影響車輛的加速度，本文在第一章也表明制動(dòng)器的起作用時(shí)間對(duì)制動(dòng)距 離影響也較大。
 
■ 車輛動(dòng)力學(xué)仿真軟件選型及介紹
目前車輛動(dòng)力學(xué)仿真軟件主要有 CarSim、VeDyna、ADAMS 等，其中三者都可 以和 MATLAB 實(shí)現(xiàn)聯(lián)合仿真，但是在 PreScan 軟件中只支持 CarSim 和 VeDyna 軟 件。由于 CarSim 的操作界面比 VeDyna 更為友善，設(shè)置和修改車輛動(dòng)力學(xué)模型也更 為簡(jiǎn)單，展現(xiàn)和結(jié)果輸出也較為直觀，因此本文選取 CarSim 軟件作為 AEB 系統(tǒng)仿真 軟件。
 
CarSim 軟件的主界面中有：車輛參數(shù)及仿真工況設(shè)置、后處理和模型求解器三 個(gè)部分。車輛參數(shù)及仿真工況設(shè)置部分，主要是設(shè)置車輛的各個(gè)參數(shù)（發(fā)動(dòng)機(jī)、變速 器、底盤、車身風(fēng)阻系數(shù)）和測(cè)試時(shí)的速度與環(huán)境控制。數(shù)學(xué)模型求解，是針對(duì)用戶 可以利用CarSim與其他軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真的接口，既可以選擇CarSim自帶的求解器， 還可以選擇生成 Simulink、dSPACE、ETAS、LabView 軟件相對(duì)應(yīng)的模型。后處理部 分是通過(guò)圖像視頻的形式直觀展現(xiàn)計(jì)算后的結(jié)果，并且可以觀察所需要的車輛特性參 數(shù)曲線，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。 
 
CarSim 可以在 Windows 操作系統(tǒng)環(huán)境運(yùn)行，并且運(yùn)行速度較快。CarSim 軟件可 以定義試驗(yàn)的步驟和參數(shù)。由于 CarsSim 是基于汽車系統(tǒng)的車輛動(dòng)力學(xué)仿真軟件，因 此在建立動(dòng)力學(xué)模型的過(guò)程中，可以直接輸入已知的汽車動(dòng)力學(xué)零部件的特性，從而 快速建立車輛的動(dòng)力學(xué)仿真特性。 
 
Carsim 與 MATLAB/Simulink 有良好的兼容關(guān)系，可以實(shí)現(xiàn)和 Simulink 的相互調(diào) 用?？梢詫?shí)現(xiàn)三廂或兩箱轎車、輕型貨車多功能運(yùn)輸車和運(yùn)動(dòng)多功能汽車（SUV）。Carsim 的圖形化操作界面也是十分友善，層次分明、結(jié)構(gòu)清晰。Carsim 的運(yùn)行結(jié)果 可以三維動(dòng)畫顯示及保存，并且可通過(guò) MATLAB、Excel 軟件進(jìn)行繪制圖形和分析結(jié) 果。Carsim 種有豐富的事件處理程序，可以快速的實(shí)現(xiàn)不同的道路工況和不同的事 件工況仿真。但是 Carsim 軟件沒(méi)有傳感器、行人、建筑的仿真，而且其道路工況較 為簡(jiǎn)單，如果想建立復(fù)雜的道路工況，比較困難。 
 2.2 Carsim 操作界面
■ 利用 Carsim 建立車輛動(dòng)力學(xué)仿真模 
在進(jìn)入 CarSim 軟件的操作界面的開始，需要選擇數(shù)據(jù)庫(kù)，在 CarSim 軟件中自帶 一些車輛類型的基本數(shù)據(jù)，本文選擇默認(rèn)的基本數(shù)據(jù)庫(kù)（database）。由于本文是將 CarSim 和 Simulink 進(jìn)行聯(lián)合仿真，在數(shù)學(xué)模型求解中選擇 Simulink。
  2.3 CarSim 求解器模塊 
在駕駛員模型（Driver Model）中可以定義生成的 Simulink 模型的位置、運(yùn)算頻 率、MATLAB 軟件位數(shù)、模型端口輸入與輸出等。其中設(shè)置的 MATLAB 軟件位數(shù)必 須和實(shí)際的 MATLAB 位數(shù)一致。在設(shè)置運(yùn)算頻率時(shí)，需與其他聯(lián)合仿真的軟件運(yùn)算 頻率一致。在本文中，使用的是 32 位和 400Hz?？梢越档偷强赡軙?huì)引起不穩(wěn)定事 件發(fā)生。CarSim 的默認(rèn)值是 100Hz。 在駕駛員模型（Driver Model）中可以定義生成的 Simulink 模型的位置、運(yùn)算頻 率、MATLAB 軟件位數(shù)、模型端口輸入與輸出等。其中設(shè)置的 MATLAB 軟件位數(shù)必 須和實(shí)際的 MATLAB 位數(shù)一致。在設(shè)置運(yùn)算頻率時(shí)，需與其他聯(lián)合仿真的軟件運(yùn)算 頻率一致。在本文中，使用的是 32 位和 400Hz?？梢越档偷强赡軙?huì)引起不穩(wěn)定事 件發(fā)生。CarSim 的默認(rèn)值是 100Hz。 
 圖 2.4 CarSim 的 Simulink 配置 
 
AEB 系統(tǒng)的車輛輸入信號(hào)為節(jié)氣門開度、制動(dòng)壓力、方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)角度，輸出信 號(hào)需要車身質(zhì)心的 XYZ 方向的全局坐標(biāo)位置、四個(gè)輪胎中心的 XYZ 方向的全局坐標(biāo) 位置、車身質(zhì)心的 XYZ 方向的速度、俯仰角、側(cè)傾角、橫擺角。 AEB 系統(tǒng)的車輛輸入信號(hào)為節(jié)氣門開度、制動(dòng)壓力、方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)角度，輸出信 號(hào)需要車身質(zhì)心的 XYZ 方向的全局坐標(biāo)位置、四個(gè)輪胎中心的 XYZ 方向的全局坐標(biāo) 位置、車身質(zhì)心的 XYZ 方向的速度、俯仰角、側(cè)傾角、橫擺角。 
圖 2.5 CarSim 輸出變量
 
在 CarSim 軟件中，整車模型包括車身（Vehicle Body）、空氣動(dòng)力學(xué) （Aerodynamic）、仿真動(dòng)畫（Animator Data）、傳動(dòng)系統(tǒng)（Powertrain）、制動(dòng)系統(tǒng)（Brake system）、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Steering system）、懸架（Suspension）、輪胎（Tire）。 
 
本文整車部分物理參數(shù)如表所示。在車輛參數(shù)設(shè)置和測(cè)試工況設(shè)置中根據(jù)相關(guān)物 理參數(shù)。 
在車身模塊中修改整車模型的軸距、車高、車寬、輪胎半徑的參數(shù)，具體設(shè)置如 圖 2.6 所示。
圖 2.6 CarSim 車身參數(shù)設(shè)置
在 system 的傳動(dòng)系統(tǒng)（Powertrain）中設(shè)置車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、液力變矩器、 差速器的設(shè)置。在發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩（Engine torque）模塊中，可以修改發(fā)動(dòng)機(jī)特性曲線。 傳動(dòng)系統(tǒng)的模型不是本文重點(diǎn)，車輛傳動(dòng)系統(tǒng)采用 CarSim 默認(rèn)的缺省參數(shù)。
 
在制動(dòng)系統(tǒng)中，設(shè)置最大制動(dòng)油壓為 150Mpa,設(shè)置為四輪制動(dòng)，并且可以設(shè)置油 壓上升速度與流體特性。在 ABS（antilock brake system 制動(dòng)防抱死系統(tǒng)）控制設(shè)置 （ABS Control Settings）模塊中可以設(shè)置是否啟用 ABS，ABS 控制也可以設(shè)置滑移 率門限值，以及 ABS 起作用的最低速度。在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，CarSim 可設(shè)置轉(zhuǎn)向管柱的 屬性(Steering Column Properties)、主銷幾何尺寸（Kingpin Geometry）、轉(zhuǎn)向齒輪參數(shù) （Steering Gear Kinematics）等,本文在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)置也采用缺省參數(shù)。 
 
特別需要注意的是在 CarSim 軟件中，車輛動(dòng)力學(xué)的坐標(biāo)原點(diǎn)位置在前軸的中間。 因此其他與之聯(lián)合仿真的軟件必須也將車輛的坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)置為與 CarSim 相同的位 置。CarSim 的車輛動(dòng)力學(xué)坐標(biāo)原點(diǎn)位置如圖 2.7 所示。 
圖 2.7 CarSim 軟件中的車輛中心位置
此 CarSim Simulink 模塊是用一個(gè) simfile（simfil.sim）文件，包含一個(gè)與輸入文件 相關(guān)的模型。在每個(gè)求解器運(yùn)行或者改變一個(gè)項(xiàng)目之前，此文件就會(huì)被調(diào)整。此 simfile 文件可以在 simulink 的工作目錄中找到。選擇'Identify Simulink working directory'可以看見路徑文件，由此 Simulink 就可調(diào)用 CarSim 的車輛動(dòng)力學(xué)模型。 

■ 本章小結(jié)
本章主要對(duì)比介紹了車輛動(dòng)力學(xué)軟件，介紹了 CarSim 軟件的特點(diǎn)及其操作，并且分析了整車模型的組成,以及建立了整車車輛動(dòng)力學(xué)模型,并且配置了 CarSim 與 Simulink、PreScan 軟件聯(lián)合仿真的參數(shù)。
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