Modelbase智能駕駛仿真與應用 課件 第2章車輛動力學模型與仿真應用

第二章?車輛動力學模型與仿真應用《ModelBase智能駕駛建模仿真與應用

》導讀本章主要介紹了車身、轉向系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)等車輛系統(tǒng)建模方法，還介紹了常規(guī)的整車性能試驗以及智能駕駛試驗方法。

過本章的學習，讀者將深入了解車輛動力學建模及典型試驗仿真工況仿真的理論方法，為智能駕駛仿真等后面章節(jié)的學習奠定理論基礎。2.1?概述車輛動力學分析車輛行駛和操縱過程中的運動行為和受力情況，對汽車設計、制造和改進至關重要。定義和重要性車輛動力學通過動力學分析，了解車輛各部件之間的相互作用力和各系統(tǒng)的動力學特性。動力學分析的內容根據研究問題的側重點不同，需要建立不同的車輛動力學模型。車輛動力學模型的建立車輛動力學用于評估整車的性能，包括穩(wěn)定性、操控性、舒適性等。整車性能評估2.2?車輛系統(tǒng)建模由于車輛系統(tǒng)由各個總成組成，為了方便大家根據實際問題建立車輛動力學模型，以下將介紹各系統(tǒng)總成建模。各系統(tǒng)總成建模的主要任務是建立各系統(tǒng)總成的運動微分方程，常見的兩種建模方法：一是利用牛頓力學建模，二是利用拉格朗日方法建模牛頓力學建模方法利用牛頓第二定律建立系統(tǒng)各部件的微分方程牛頓力學方法更適用于總成系統(tǒng)建模拉格朗日方法需要計算系統(tǒng)整體的動能和勢能，再利用拉格朗日方程建立系統(tǒng)的微分方程。2.2?車輛系統(tǒng)建模2.2.1?車身模型車身是車輛的整體，承擔載人或載物的功能，為乘客提供乘坐舒適性和安全性。在車輛動力學建模過程中，需要對車身進行一定的簡化，將車身視為剛體，具有縱向、橫向和垂向三個方向的平動自由度，具有俯仰、側傾和橫擺三個方向的轉動自由度。以SUV車身為例，車身定義兩個坐標系，一個是固定在大地的絕對坐標系X-Y-Z，一個是固定在車身質心的隨動坐標系x-y-z，車身質心為坐標原點O，質心到前橋和后橋的距離分別為a和b，前、后懸架左右減振器上支點間距的一半分別為tf和tr，車身質量、俯仰轉動慣量、側傾轉動慣量和橫擺轉動慣量分別為ms、Iyy、Ixx和Izz，車身A、B、C、D四處的懸架力分別為FsA、FsB、FsC和FsD，由懸架力產生的力矩分別為MsA、MsB、MsC和MsD。根據牛頓第二定律，平動方向的微分方程為：轉動方向的微分方程為：2.2?車輛系統(tǒng)建模2.2.2?轉向系統(tǒng)模型轉向系統(tǒng)主要由轉向盤、轉向器、轉向傳動機構和轉向輪組成，若不考慮轉向系統(tǒng)的振動問題，只需要建立轉向系統(tǒng)的運動學關系。而理想的轉向系統(tǒng)運動學關系用理想的阿克曼轉角模型描述，δL和δR分別表示左側轉向輪的轉角和右側轉向輪的轉角，且滿足以下關系。2.2?車輛系統(tǒng)建模2.2.3?懸架系統(tǒng)模型根據汽車導向機構的型式不同，懸架可分為獨立懸架和非獨立懸架。獨立懸架汽車的車輪之間運動相對獨立，整車的操穩(wěn)性和平順性較好；非獨立懸架汽車的左右車輪通過一個車橋連接，兩個車輪的運動互相影響，整車的平順性較差。對于轎車的懸架而言，一般是獨立懸架，下面著重介紹獨立懸架的動力學建模。以帶有橫向穩(wěn)定桿的麥弗遜獨立懸架為例，則A，B，C，D四處的懸架彈簧力和減振器阻尼力的合力分別為2.2?車輛系統(tǒng)建模2.2.4?動力傳動系統(tǒng)模型汽車動力傳動系統(tǒng)將發(fā)動機或/和電機的輸出扭矩經過離合器、變速器、傳動軸和驅動橋傳遞給驅動輪，使車輛獲得行駛所需的驅動力。動力傳動系統(tǒng)建模發(fā)動機/電機的動力輸入模型變速器的動力傳動模型驅動橋的動力輸出模型2.2?車輛系統(tǒng)建模2.2.5?制動系統(tǒng)模型制動系統(tǒng)能夠使行駛的汽車減速或停車，或使下坡行駛的汽車保持穩(wěn)定車速，或使已停止的汽車在斜坡上駐留不動。制動系統(tǒng)的分類02制動系統(tǒng)的作用01行車制動系統(tǒng)、駐車制動系統(tǒng)和緊急制動系統(tǒng)。其中行車制動系統(tǒng)和駐車制動系統(tǒng)為汽車必備的制動系統(tǒng)。而重型汽車通常還需要增設輔助制動系統(tǒng)（緩速器）控制汽車下坡的穩(wěn)定車度。制動系統(tǒng)由于在技術、成本和法規(guī)等因素上的限制，目前電動汽車上應用較多的行車制動系統(tǒng)仍為液壓制動系統(tǒng)，執(zhí)行機構多為盤式制動器或鼓式制動器。在不考慮壓力損失的情況下，真空助力器推桿受到的推力與制動主缸第一活塞頂桿受到的推力之間的關系可以表示為右邊的方程：2.2?車輛系統(tǒng)建模2.2.6?輪胎模型目前較有影響的模型有：魔術公式輪胎模型、Gim模型、Fiala模型和SaKai模型。-GIM輪胎模型中待定參數很少，且簡單的試驗測量即可獲取，這一特點能夠節(jié)約大量建模成本以及降低建模的難易程度；道路環(huán)境發(fā)生變化時，GIM輪胎模型只需要調整摩擦系數即可，而無需改變輪胎的剛度數據；GIM輪胎模型可以方便地與整車模型相結合進行各類仿真試驗，這是由于該模型中輪胎力、力矩僅與路面附著系數、車速以及行車工況有關。在變量變化范圍不大的情況下對輪胎的擬合程度高；擬合參數需要通過大量的實驗分析得到，擬合參數的準確性影響模擬結果的精確性；個別參數如C對于擬合結果有很大的影響用一個公式就可以表示輪胎的縱向力、橫向力和和回正力矩，避免了繁瑣的計算，容易在計算機上模擬；魔術公式輪胎模型Gim輪胎模型2.2?車輛系統(tǒng)建模2.2.7?風阻模型當汽車在路面上行駛時，除了受到路面通過輪胎傳遞給車身的作用力，周圍大氣氣流也會對車輛產生各種力和力矩。在這些力和力矩的作用下,會對汽車的操穩(wěn)性、動力性和經濟性產生直接影響。氣流將以面載荷的形式作用于車身上，在空氣動力學中常常將車身表面的壓力合成得到一個合力，稱為氣動力。氣動力在車身上的作用點稱為風壓中心。當風壓中心的位置不與中心轉向軸重合時，汽車除了受到氣動阻力、氣動升力和側向力的影響，還會受到它們產生的附加氣動力矩、縱傾力矩、側傾力矩及橫擺力矩的影響。汽車空氣動力學是研究空氣與汽車相對運動時的現象和作用規(guī)律的一門學科。氣動阻力對汽車的動力性及燃油經濟性有直接影響，它的方向與汽車的運動方向相反，大小由右邊的表達式表示2.3?汽車智能駕駛試驗基礎2.3.1?整車性能試驗（1/5）整車的制動性能好壞關系著汽車的行駛安全，良好的制動性能可以保障汽車行駛安全，避免交通事故。評價整車制動性能的一般指標包括制動距離、制動平均減速度、制動力和制動時間。制動性能試驗穩(wěn)態(tài)回轉試驗穩(wěn)態(tài)回轉試驗有兩種試驗方式，包括定方向盤轉角和定轉彎半徑。穩(wěn)態(tài)回轉試驗是檢驗車輛穩(wěn)態(tài)轉彎特性的一個重要實驗，評價汽車穩(wěn)態(tài)回轉性能的指標包括中性轉向點側向加速度、不足轉向度和車廂側傾度。為了獲得上述指標，實驗過程中需要測量的參數包括汽車橫擺角速度、汽車行駛速度、車身側傾角、汽車側偏角、汽車縱向加速度和汽車側向加速度。2.3?汽車智能駕駛試驗基礎2.3.1?整車性能試驗（2/5）蛇形試驗的目的是讓汽車連續(xù)通過預先設置的障礙樁，通過考察車速、方向盤轉角、橫擺角速度和車身側傾角等數據，評價汽車的隨動性、收斂性、方向操縱輕便性和事故可避性等。蛇形試驗2.3?汽車智能駕駛試驗基礎2.3.1?整車性能試驗（3/5）乘用車雙移線試驗主要用于評價汽車在緊急變線時車輛動力學性能以及車道保持能力。在雙移線試驗中，駕駛員操縱汽車按預定的軌跡行駛，車速從50km/h開始測試，每次車速增加10km/h，直到汽車無法通過標樁或者車速達到80km/h為止。試驗過程需測量車速、橫擺角速度、車身側傾角和方向盤轉角等信號。雙移線試驗2.3?汽車智能駕駛試驗基礎2.3.1?整車性能試驗（4/5）魚鉤實驗主要是測試車輛高速碰撞避免能力，首先要求汽車以56~80km/h的速度沿直線行駛，然后突然左轉，使轉向盤轉過270度，最后轉向盤再向右轉540度，并在轉向過程中不斷加速，直至車速達到80km/h或者兩個內側車輪離地間隙達到5.08cm或更多時結束本實驗。魚鉤試驗2.3?汽車智能駕駛試驗基礎2.3.1?整車性能試驗（5/5）平順性試驗是用于評價汽車乘坐舒適性的一個重要試驗，典型的平順性試驗有兩種情況，分別為汽車平順性隨機路面輸入和汽車平順性脈沖輸入。前者主要考察汽車在隨機路面行駛時，隨機路面激勵引起的振動對乘員或貨物的影響；后者主要考察汽車行駛過一個凸包或坑洼時，沖擊振動對乘員或貨物的影響。平順性試驗2.3?汽車智能駕駛試驗基礎2.3.2?智能駕駛試驗（1/4）車輛前碰撞預警系統(tǒng)車輛前碰撞預警系統(tǒng)的主要功能通過雷達系統(tǒng)時刻監(jiān)控前方車輛，判斷自車與前車之間的距離、方位和相對速度，當存在潛在的碰撞危險時對駕駛員發(fā)出預警信號。2.3?汽車智能駕駛試驗基礎2.3.2?智能駕駛試驗（2/4）車道偏離預警系統(tǒng)車道偏離預警系統(tǒng)通過報警方式提醒駕駛員車輛偏離車道線，避免因汽車偏離車道線引起的交通事故。車道偏離預警系統(tǒng)由攝像頭、圖像處理芯片、控制器和傳感器組成。2.3?汽車智能駕駛試驗基礎2.3.2?智能駕駛試驗（3/4）車道保持輔助系統(tǒng)車道保持輔助系統(tǒng)試驗主要有以下三種類型，分別為直道車道抑制試驗、彎道車道抑制試驗和車道居中控制試驗。2.3?汽車智能駕駛試驗基礎2.3.2?智能駕駛試驗（4/4）自適應巡航控制系統(tǒng)自適應巡航控制系統(tǒng)（AdaptiveCruiseControl，ACC）是定速巡航的一種升級功能，該系統(tǒng)利用攝像頭和雷達探測自車與前車之間的距離和位置，通過控制自車的發(fā)動機、動力傳動系統(tǒng)或制動系統(tǒng)實現與前車保持適當的跟車車距。自適應巡航系統(tǒng)由傳感器、數字信號處理器和控制模塊組成。2.4?仿真實現（1/5）前面介紹車輛動力學模型建模方法和對應的仿真測試工況，下面在ModelBase中進行實際仿真測試。這里使用ModelBase動力學版本，打開軟件，新建工程，命名Test1。2.4?仿真實現（2/5）從車輛庫中拖拽一輛“TypeB”進入工程，可以看到工程Test1下的車輛節(jié)點下多了一個“TypeB”的節(jié)點，右鍵“TypeB”，在彈出的菜單中選擇“編輯車輛”。車輛參數設置車身參數配置空氣動力學懸架轉向系統(tǒng)動力傳動系統(tǒng)制動系統(tǒng)車輪的控制和環(huán)境系統(tǒng)參2.4?仿真實現（3/5）創(chuàng)建道路時，我們可以從零開始創(chuàng)建，也可以直接使用軟件自帶的道路，這里我們直接使用軟件自帶的道路，從場景庫中拖拽雙移線地圖“DLC”進入工程，可以看到工程Test1下的地圖節(jié)點下多了一個“DLC”的地圖節(jié)點。道路參數設置2.4?仿真實現（4/5）在設置車輛駕駛行為前，我們需要先創(chuàng)建一個場景文件，創(chuàng)建場景時，可以從零開始創(chuàng)建，也可以直接使用軟件自帶的場景，這里介紹直接使用軟件自帶的場景，從場景庫中拖拽雙移線場景“D