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VI-CarRealTime TireLimits助力车辆极限性能开发

2024-03-11 13:40:21·  来源：VIgrade  
　
在进行底盘动力学开发时，能够得知轮胎在特定工况下每一个时刻的轮胎附着极限的信息（本文中称为轮胎性能裕度）至关重要，特别是对车辆动力学相关电控系统进行开
在进行底盘动力学开发时，能够得知轮胎在特定工况下每一个时刻的轮胎附着极限的信息（本文中称为轮胎性能裕度）至关重要，特别是对车辆动力学相关电控系统进行开发时，得知轮胎性能裕度可以极大程度方便控制参数的调教与算法评价，并且对车辆的即将失稳的状态进行预测。
在VI-CarRealTime中，提供了专门的增强功能VI-TireLimits对动态仿真过程中的轮胎性能极限进行实时计算，并且和轮胎当前受力状态进行比较，得到轮胎性能裕度。
技术原理
（TireLimits示意图）
在VI-TireLimits功能被激活时，将根据当前工况的载荷和轮胎外倾角计算得到轮胎的附着极限（如上图所示的轮胎附着力椭圆），然后与由轮胎模型输出的轮胎侧向力和纵向力进行比较，通过计算，输出三个通道的轮胎性能裕度，分别是：marginLat侧向力裕度；marginLon纵向力裕度；margin总附着力裕度（附着力椭圆曲线上距离当前工况点的最近距离），并且输出以上三个附着极限对应的轮胎纵向滑移率、侧偏角、最大侧向附着力、最大纵向附着力。
可以输出的信号包括：轮胎性能裕度：
  • margin，剩余轮胎抓地力
  • marginLon，剩余最大纵向轮胎抓地力
  • marginLat，剩余最大侧向轮胎抓地力
最近的合成附着力工况点：
  • closest_LonSlip，最近轮胎极限的滑移率
  • closest_LatSlip，最近轮胎极限的侧偏角
  • closest_LonForce，最近轮胎极限的纵向力
  • closest_LatForce，最近轮胎极限的侧向力
最近的纵向附着力工况点，主要说明在维持当前侧向力不变的情况下，纵向力的裕度情况：
  • closestLon_LonSlip，维持当前侧向力下，极限滑移率
  • closestLon_LatSlip，维持当前侧向力下，极限侧偏角
  • closestLon_LonForce，维持当前侧向力下，纵向力极限
  • closestLon_LatForce，同当前侧向力
最近的侧向附着力工况点，主要说明在维持当前纵向力不变的情况下，侧向力的裕度情况：
  • closestLat_LonSlip，维持当前纵向力下，极限滑移率。
  • closestLat_LatSlip，维持当前纵向力下，极限侧偏角。
  • closestLat_LonForce，同当前纵向力
  • closestLat_LatForce，维持当前纵向力下，侧向力极限
（在VI-CRT中激活TireLimits）
为了得到每个工况的轮胎附着力极限，VI-TireLimits将根据用户在上图所示的操作界面输入的载荷及车轮外倾角范围，以及侧偏角和滑移率范围计算得到轮胎性能极限的Map，作为计算轮胎性能裕度的依据。此时用户需要输入足以覆盖所有工况的轮胎载荷和外倾角范围，并且设置合理的Step，确保在后续插值计算时具有足够的精度；而Lateral Slip和Longitudinal Slip的范围则应确保覆盖到最大侧向力和最大纵向力对应的滑移率和侧偏角，并且设置合适的Step。
(VI-TireTestrig进行轮胎侧向力分析)
在进行此项操作前，用户可以使用VI-CarRealTime的TireTestrig插件，加载轮胎模型文件，对轮胎力进行分析，确定最大侧向力和最大纵向力对应的滑移率和侧偏角范围。
应用范例
VI-TireSrub轮胎特性增强：
（不同设置下的TireSrub效应）
研究和测试表明，接近轮胎侧向力极限时，轮胎与地面之间的附着处于动摩擦与静摩擦不断切换的状态，将会引起侧向力的波动（如上图所示），尽管这种高频的侧向力波动对车辆操控性能几乎没有影响，但是通过齿轮齿条转向传递到方向盘造成的转向力矩波动是驾驶员判断车辆极限状态的重要依据。
而这种特性在动力学仿真(操稳取向)所使用的轮胎模型中并没有体现（例如Pacejka轮胎模型和MF-Tyre轮胎模型等），为了在VI-grade的驾驶模拟器中还原这种特殊的转向回馈，VI-grade技术团队决定在直接对轮胎的侧向力输出通道进行处理，以保证模型运行的稳定性。
VI-TireSrub增强功能是基于VI-TireLimits实现的，根据实时计算得到的marginLat轮胎侧向力裕度，以及设定的特征参数，在根据原轮胎模型计算得到的侧向力基础上添加均值为0的正弦信号扰动。用户可以设定轮胎侧向力裕度、载荷、纵向滑移率、车轮转速对于侧向力正弦扰动出现早晚、幅值、波动频率的影响，以获得合适的效果。
（在VI-CRT中设置TireSrub）
在VI-CarRealTime中，VI-TireSrub增强功能被封装成dll动态链接库，通过Auxiliary Subsystem选中进行添加，直接与车辆动力学模型和轮胎模型进行交互，可以被应用于离线仿真和驾驶模拟器在线仿真。
Torque Vectoring控制策略开发：
单轴双电机驱动或四轮独立驱动的电动汽车，往往使用Torque Vectoring扭矩矢量控制技术，改变内外侧及前后轴车轮扭矩分配比例，使得作用于车辆质心的附加横摆力矩改变，从而极大程度地改变车辆的转向特性以及提高车辆的稳定性和机动性。
Torque Vectoring控制策略的开发过程中，必须注意的问题是要避免使得某个车轮在被施加驱动扭矩或制动扭矩时超过车轮的附着极限，否则将会使得车辆失稳或轮胎过度磨损，同时还应尽可能利用车轮附着力极限，提高Torque Vectoring的作用效果。而VI-CarRealTime的Simulink接口可以实时输出各项轮胎裕度信号，方便评估算法或控制算法的访问。
(典型的Torque Vectoring策略框图)
如上图所示(摘自IEEE Transactions on Vehicular Technology.Comparison of Feedback Control Techniques for Torque-Vectoring Control of Fully Electric Vehicles)是一种典型的Torque Vectoring控制策略软件在环仿真的框架图，Driveability Controller部分需要根据车辆的操控性极限（通常是电机最大可输出扭矩以及车轮附着极限）对目标横摆角速度和车轮的扭矩需求指令进行校核，确保车辆不出现失稳。
传统的方法是使用线性的附着系数或者简单的附着椭圆Map作为车轮附着极限的参考，并不能够覆盖实际运行工况中由于载荷转移和底盘KC特性引起车轮外倾角变化带来的附着极限的显著改变，将会使得系统的稳定性或极限性能受到制约。而此时若使用由VI-TireLimits输出的marginLon, marginLat, margin通道作为评判车轮状态的依据，将会为控制策略的开发者提供更加准确的边界条件，达到更快地控制策略迭代效率，从而确定最佳的控制参数。
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