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汽车 AEB 车辆动力学仿真模型建立

2019-11-13 22:39:14·  来源：牛喀网  
　
本篇文章来源于论文《汽车AEB仿真控制算法优化及验证》，共分为5篇章节，目录如下：第一章：绪论第二章：汽车AEB车辆动力学仿真模型建立第三章：汽车AEB驾驶员在
本篇文章来源于论文《汽车AEB仿真控制算法优化及验证》，共分为5篇章节，目录如下：
第一章：绪论
第二章：汽车AEB车辆动力学仿真模型建立
第三章：汽车AEB驾驶员在环系统建立
第四章：AEB系统控制算法
第五章：基于EURO-NCAP的AEB系统验证与优化 
 
AEB 系统的控制对象是汽车，车辆的动力学模型的准确性对整个 AEB 系统有着 十分重要的影响。提高汽车动力学模型的精度，有助于提高 AEB 系统算法的准确度 。本文利用车辆动力学仿真软件和 MATLAB/Simulink 共同进行联合仿真，将车辆动力学仿真软件的汽车响应特性和MATLAB/Simulink的逻辑控制相结合，本文的 AEB 系统仿真模型会在此基础之上建立复杂的 AEB 场景与传感器仿真，本文的这种联合仿真有一定的特色和先进性。 
 
车辆动力学模型包括：发动机模型、变速器模型、传动器模型、底盘模型。车辆 动力学模型输入参数包括：驾驶员输入（方向盘转角、节气门开度百分比、制动踏板 百分比、档位、自动或手动挡选择）、车辆初始状态（初始速度、初始加速度）、 AEB 系统控制输入（节气门开度、制动压力）、路面输入（摩擦力、路面坡度）等。 输出车辆的运动姿态（X/Y/Z 方向的位置、速度、加速度）、发动机状态（发动机转 速、节气门开度百分比、档位、发动机功率）。 
图 2.1 AEB 系统的车辆动力学模型
 
驾驶员、AEB 系统控制、路面的输入，经过车辆动力学模型的响应，得到车身 与发动机的状态数据，驾驶员通过可视化窗口，不断修正驾驶操作，AEB 系统也会根据控制逻辑给出是否干预驾驶员或者自动制动的命令，由此该系统形成一个完整的 闭环仿真系统。这种闭环仿真系统对比真实场地试验，有着安全、成本低、开发周期 短，以及可以较为方便复现一些特殊测试场景。 
 
在 AEB 系统中，影响因素最重要的是轮胎的模型和制动器的模型，轮胎与地面 的摩擦力直接影响车辆的加速度，本文在第一章也表明制动器的起作用时间对制动距 离影响也较大。
 
■ 车辆动力学仿真软件选型及介绍
目前车辆动力学仿真软件主要有 CarSim、VeDyna、ADAMS 等，其中三者都可 以和 MATLAB 实现联合仿真，但是在 PreScan 软件中只支持 CarSim 和 VeDyna 软 件。由于 CarSim 的操作界面比 VeDyna 更为友善，设置和修改车辆动力学模型也更 为简单，展现和结果输出也较为直观，因此本文选取 CarSim 软件作为 AEB 系统仿真 软件。
 
CarSim 软件的主界面中有：车辆参数及仿真工况设置、后处理和模型求解器三 个部分。车辆参数及仿真工况设置部分，主要是设置车辆的各个参数（发动机、变速 器、底盘、车身风阻系数）和测试时的速度与环境控制。数学模型求解，是针对用户 可以利用CarSim与其他软件进行联合仿真的接口，既可以选择CarSim自带的求解器， 还可以选择生成 Simulink、dSPACE、ETAS、LabView 软件相对应的模型。后处理部 分是通过图像视频的形式直观展现计算后的结果，并且可以观察所需要的车辆特性参 数曲线，进行数据分析。 
 
CarSim 可以在 Windows 操作系统环境运行，并且运行速度较快。CarSim 软件可 以定义试验的步骤和参数。由于 CarsSim 是基于汽车系统的车辆动力学仿真软件，因 此在建立动力学模型的过程中，可以直接输入已知的汽车动力学零部件的特性，从而 快速建立车辆的动力学仿真特性。 
 
Carsim 与 MATLAB/Simulink 有良好的兼容关系，可以实现和 Simulink 的相互调 用。可以实现三厢或两箱轿车、轻型货车多功能运输车和运动多功能汽车（SUV）。Carsim 的图形化操作界面也是十分友善，层次分明、结构清晰。Carsim 的运行结果 可以三维动画显示及保存，并且可通过 MATLAB、Excel 软件进行绘制图形和分析结 果。Carsim 种有丰富的事件处理程序，可以快速的实现不同的道路工况和不同的事 件工况仿真。但是 Carsim 软件没有传感器、行人、建筑的仿真，而且其道路工况较 为简单，如果想建立复杂的道路工况，比较困难。 
 2.2 Carsim 操作界面
■ 利用 Carsim 建立车辆动力学仿真模 
在进入 CarSim 软件的操作界面的开始，需要选择数据库，在 CarSim 软件中自带 一些车辆类型的基本数据，本文选择默认的基本数据库（database）。由于本文是将 CarSim 和 Simulink 进行联合仿真，在数学模型求解中选择 Simulink。
  2.3 CarSim 求解器模块 
在驾驶员模型（Driver Model）中可以定义生成的 Simulink 模型的位置、运算频 率、MATLAB 软件位数、模型端口输入与输出等。其中设置的 MATLAB 软件位数必 须和实际的 MATLAB 位数一致。在设置运算频率时，需与其他联合仿真的软件运算 频率一致。在本文中，使用的是 32 位和 400Hz。可以降低但是可能会引起不稳定事 件发生。CarSim 的默认值是 100Hz。 在驾驶员模型（Driver Model）中可以定义生成的 Simulink 模型的位置、运算频 率、MATLAB 软件位数、模型端口输入与输出等。其中设置的 MATLAB 软件位数必 须和实际的 MATLAB 位数一致。在设置运算频率时，需与其他联合仿真的软件运算 频率一致。在本文中，使用的是 32 位和 400Hz。可以降低但是可能会引起不稳定事 件发生。CarSim 的默认值是 100Hz。 
 图 2.4 CarSim 的 Simulink 配置 
 
AEB 系统的车辆输入信号为节气门开度、制动压力、方向盘转动角度，输出信 号需要车身质心的 XYZ 方向的全局坐标位置、四个轮胎中心的 XYZ 方向的全局坐标 位置、车身质心的 XYZ 方向的速度、俯仰角、侧倾角、横摆角。 AEB 系统的车辆输入信号为节气门开度、制动压力、方向盘转动角度，输出信 号需要车身质心的 XYZ 方向的全局坐标位置、四个轮胎中心的 XYZ 方向的全局坐标 位置、车身质心的 XYZ 方向的速度、俯仰角、侧倾角、横摆角。 
图 2.5 CarSim 输出变量
 
在 CarSim 软件中，整车模型包括车身（Vehicle Body）、空气动力学 （Aerodynamic）、仿真动画（Animator Data）、传动系统（Powertrain）、制动系统（Brake system）、转向系统（Steering system）、悬架（Suspension）、轮胎（Tire）。 
 
本文整车部分物理参数如表所示。在车辆参数设置和测试工况设置中根据相关物 理参数。 
在车身模块中修改整车模型的轴距、车高、车宽、轮胎半径的参数，具体设置如 图 2.6 所示。
图 2.6 CarSim 车身参数设置
在 system 的传动系统（Powertrain）中设置车辆的发动机、变速器、液力变矩器、 差速器的设置。在发动机扭矩（Engine torque）模块中，可以修改发动机特性曲线。 传动系统的模型不是本文重点，车辆传动系统采用 CarSim 默认的缺省参数。
 
在制动系统中，设置最大制动油压为 150Mpa,设置为四轮制动，并且可以设置油 压上升速度与流体特性。在 ABS（antilock brake system 制动防抱死系统）控制设置 （ABS Control Settings）模块中可以设置是否启用 ABS，ABS 控制也可以设置滑移 率门限值，以及 ABS 起作用的最低速度。在转向系统中，CarSim 可设置转向管柱的 属性(Steering Column Properties)、主销几何尺寸（Kingpin Geometry）、转向齿轮参数 （Steering Gear Kinematics）等,本文在转向系统的设置也采用缺省参数。 
 
特别需要注意的是在 CarSim 软件中，车辆动力学的坐标原点位置在前轴的中间。 因此其他与之联合仿真的软件必须也将车辆的坐标原点设置为与 CarSim 相同的位 置。CarSim 的车辆动力学坐标原点位置如图 2.7 所示。 
图 2.7 CarSim 软件中的车辆中心位置
此 CarSim Simulink 模块是用一个 simfile（simfil.sim）文件，包含一个与输入文件 相关的模型。在每个求解器运行或者改变一个项目之前，此文件就会被调整。此 simfile 文件可以在 simulink 的工作目录中找到。选择'Identify Simulink working directory'可以看见路径文件，由此 Simulink 就可调用 CarSim 的车辆动力学模型。 

■ 本章小结
本章主要对比介绍了车辆动力学软件，介绍了 CarSim 软件的特点及其操作，并且分析了整车模型的组成,以及建立了整车车辆动力学模型,并且配置了 CarSim 与 Simulink、PreScan 软件联合仿真的参数。
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