1.概述

本系列教程主要目的為介紹Simcenter Prescan與Simcenter Amesim進行車輛動力學(xué)相關(guān)的聯(lián)合仿真聯(lián)合仿真時，需要對模型接口進行的修改，以正確完成模型閉環(huán)仿真。本文為SimcenterPrescan與Simcenter Amesim聯(lián)合仿真系列教程的第一講，著重介紹上述兩個環(huán)境下車輛相關(guān)的坐標(biāo)系及其定義，以及如何進行調(diào)整才能構(gòu)建正確的信號連接。介紹內(nèi)容主要針對車輛位置和姿態(tài)信息。為說明車輛位置和姿態(tài)信息在兩個軟件中的區(qū)別，首先介紹Simcenter Prescan和Simcenter Amesim中的坐標(biāo)系定義。正確理解兩個軟件中對坐標(biāo)系的定義以及相互轉(zhuǎn)換關(guān)系對于模型的集成和調(diào)試非常重要。

2.坐標(biāo)系介紹

2.1.Prescan中的坐標(biāo)系

Prescan中共用到3個坐標(biāo)系：Global axis system, Initial local axis system, Current local axis system。關(guān)系如下圖所示：

2.1.1.Global axis system

Global axis system即通常所謂的伽利略坐標(biāo)系（Galileanframe），指固定于地面原點，方向不變。參考Amesim中的Galilean frame。

當(dāng)在Prescan GUI中拖放物體時，相應(yīng)的Global坐標(biāo)也就確定了，可以通過右側(cè)屬性欄編輯修改位置。

2.1.2.Current Local axis system

Current local axis system即通常的車身坐標(biāo)系（Car body frame）。該坐標(biāo)系原點位于車輛質(zhì)心處，而車輛質(zhì)心是根據(jù)車輛后軸中心在地面的投影處的相對位置定義的。位置與方向隨車輛運動實時發(fā)生變化。

用戶根據(jù)該坐標(biāo)系原點位置給出車輛的質(zhì)心位置，以及初始的方位角。

2.1.3.Initial Local axis system

Initial local axis system即車輛的初始位置坐標(biāo)系。該坐標(biāo)系原點位于車輛初始位置質(zhì)心處，而車輛質(zhì)心是根據(jù)車輛后軸中心在地面的投影處的相對位置定義的。位置與方向不隨車輛運動實時發(fā)生變化。該坐標(biāo)系通過Global axis system繞XYZ3個軸分別旋轉(zhuǎn)3個初始歐拉角再分別平移3個初始位移后得到。換言之，Global axis system只有一個，而每輛車都有自己的Initial local system。

Prescan中3D車輛動力學(xué)模型的ContactParams端口輸出的坐標(biāo)值即在Initial local system下的坐標(biāo)。該端口輸出車輛在初始坐標(biāo)系下：位移[3]/速度[3]/歐拉角[3]/x軸向車速/輪心高度[4]。用于計算輪胎與地面接觸的相關(guān)信息。如下圖所示：

2.2.Amesim中的坐標(biāo)系

2.2.1.底盤相關(guān)坐標(biāo)系

Amesim中乘用車3D車輛動力學(xué)模型可提供多種車輛動力學(xué)模板15DOF，18DOF，22DOF。

以下通過最常用的15DOF模型做介紹。

2.2.1.1.Galilean frame——R0

Galilean frame指伽利略坐標(biāo)系。指固定于地面原點，方向不變，在Amesim中通過R0表示，參考Prescan中的Global axis system。需要注意的是，由于Prescan和Amesim都可以定義車輛在伽利略坐標(biāo)系中的初始位置，兩者的初始位置并不一定非要定義成相同值，因此兩個軟件計算出的伽利略坐標(biāo)系位置也不一定相同。這里推薦將Amesim中車輛的質(zhì)心初始位置定義為[0,0,Zini]。即令A(yù)mesim的Galileanframe與Prescan的Initial local axis system在XY平面上重合，而Z方向上Initial local axis system原點與車輛質(zhì)心重合，Amesim的Galilean frame原點在車輛質(zhì)心的地面投影處，這樣做是為了方便后續(xù)的集成工作。

2.2.1.2.Car body frame——R1

Car body frame指車身坐標(biāo)系。即通常的車身坐標(biāo)系。該坐標(biāo)系原點位于車輛前軸中心處。位置與方向隨車輛運動實時發(fā)生變化。Car body frame在Amesim中可以配置成兩種方向：

? Car body frame——國際標(biāo)準(zhǔn)的坐標(biāo)系。? Inverse car body frame——也稱為Grid frame。即Car body frame繞Z軸旋轉(zhuǎn)180度。

通常在Amesim模型中習(xí)慣采用該坐標(biāo)系定義質(zhì)心的位置等車輛尺寸信息。區(qū)別如下圖所示：

用戶根據(jù)該坐標(biāo)系原點位置給出車輛的質(zhì)心位置，以及初始的方位角。Carbody frame相對于Galilean frame有6個自由度。如下圖所示：

2.2.1.3.Spindle frame——R2

Spindle frame指簧下質(zhì)量坐標(biāo)系?？梢岳斫鉃樵c位于懸架彈簧下端點。相對于車身坐標(biāo)系只有Z軸方向的線運動自由度，其他5個方向的運動皆被Z軸方向的線運動和方向盤轉(zhuǎn)角（K數(shù)表）和輪心力（C矩陣）所決定。

Spindle frame相對于Car body frame的位置關(guān)系由以下組成部分：

1）定位參數(shù)，如下圖所示：

2）運動學(xué)變化量（K數(shù)表），如下圖所示：

3）柔性變化量（C矩陣），如下圖所示：

2.2.1.4.Wheel frame——R3

Wheel frame指車輪坐標(biāo)系。該坐標(biāo)系原點位于車輪圓心位置初始方向與Spindle frame保持一致（用戶可設(shè)初始偏置），僅有繞Y軸旋轉(zhuǎn)方向上的自由度。

2.2.1.5.坐標(biāo)系關(guān)系

伽利略坐標(biāo)系、車身坐標(biāo)系、Spindle坐標(biāo)系、車輪坐標(biāo)系之間的關(guān)系，如下圖所示：

2.2.2.輪胎相關(guān)坐標(biāo)系

2.2.2.1.Tire frame——Rw

Tire frame指輪胎坐標(biāo)系也稱為Steered non cambered frame。其原點位于輪胎與地面的接觸點，Z軸與地面方向向量Z軸重合，X軸與前輪平面平行。如下圖中紫色部分所示：

2.2.2.2.Steered cambered frame——R2bis

Steered cambered frame指輪轂坐標(biāo)系。Tire frame繞X軸轉(zhuǎn)過一個車輪外傾角（camber angle）得到。Steered cambered frame轉(zhuǎn)過一個車輪自旋角即得到Spindle frame。如上圖所示。

2.2.2.3.坐標(biāo)系關(guān)系

Tire frame和Steered cambered frame關(guān)系如下圖所示：

3.結(jié)語

本文針對SimcenterPrescan和Simcenter Amesim中坐標(biāo)系進行了詳細介紹，正確理解車輛及其相關(guān)坐標(biāo)系的定義有助于模型創(chuàng)建者快速準(zhǔn)確地完成傳感器及環(huán)境模型與車輛動力學(xué)模型閉環(huán)搭建，是進行高精度車輛動力學(xué)模型閉環(huán)仿真的基礎(chǔ)。

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• 作者：高琢

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