用于整体车辆动力学测试的创新测试系统

摘    要   

在汽车行业，持续改进开发流程并处理整车系统日益复杂的需求是至关重要的。在这一过程中，一个重要的步骤是全面且互补地进行仿真和测试。对整体动态车辆行为的了解对于开发新的控制概念，如旨在改善操控质量和乘坐舒适度的综合车辆动力学控制，变得日益重要。然而，当前成熟的测试系统只能评估车辆动力学的分离和孤立方面。

为了解决这些挑战并进一步将仿真和测试联系起来，斯图加特大学内燃机与汽车工程研究所（IVK）与斯图加特汽车工程与车辆发动机研究所（FKFS）以及MTS Systems Corporation合作，推出了新的Handling Roadway（HRW）测试系统。HRW允许测试车辆的纵向、横向和垂向特性，因此提供了在实验室条件下通过综合车辆测试补充道路测试的可能性。  

IVK、FKFS和MTS同意建立HRW系统，共同推进车辆动力学的最新实验室评估，并开发新的测试应用。总体目标是通过创新的科学方法为汽车行业带来益处。本文概述了HRW在IVK和FKFS现有测试系统的科学环境中以及它将产生的协同效应。引入了一个仿真环境，该环境允许在系统投入使用之前研究HRW的预期应用。更详细地介绍了所选用例及其各自的局限性。这些用例包括在合成和真实操控操作期间测试车辆的操控特性，以及在不同行驶条件下评估车辆乘坐舒适度的扩展可能性。

01  前    言 

今天的汽车行业在车辆动力学开发方面面临许多挑战。缩短开发时间的需求与车辆变种数量的增加以及全新的车辆概念的出现提出了对评估和改进整体驾驶员-车辆系统的高效程序的需求。  

虽然目前存在将开发工作量转移到模拟和计算机辅助工程的持续趋势，但测试车辆和部件仍然是不可或缺的。物理测试是必需的，以验证和证实虚拟开发工具和流程的所有新进展。在物理测试领域，今天存在着多种不同的测试系统。它们通常是专门的系统，用于测试部件或车辆动力学的单个方面和一维特性，例如用于纵向动力学的测功机或用于垂直动力学的四柱式试验台。然而，随着车辆动力学控制系统和驾驶辅助系统的增加，车辆动力学开发变得越来越复杂，成为一个多维挑战。目前，对复杂的综合车辆动力学的评估通常是通过跟踪测试来进行的。 

 一种可以在试验台上测试三维车辆动力学的系统是新的Handling Roadway（HRW）测试系统。该系统由IVK和FKFS与MTS Systems Corporation合作推出。它于2018年底投入使用，并具有进行高度动态测试的能力，能够产生对驾驶员、控制和干扰输入的真实整体车辆响应。与跟踪测试相比，HRW具有受控、可重复的室内试验台环境的优势。

02  斯图加特处理路

图1中显示了HRW。车辆位于由动态电动机驱动的平带装置上，这些装置使车轮在试验台上旋转。平带装置本身安装在液压垂直执行器顶部，这些执行器能够使车辆受到垂直激励。垂直执行器与平带装置一起，可以使用额外的液压转向执行器绕垂直轴旋转。这会在车轮处产生侧偏角，从而产生横向轮胎力。  

车辆可以通过将变速器置于空挡并向电动机命令速度来在HRW上牵引。也可以将车辆挂入挡位并行驶，此时电动机会对车辆引擎和变速器施加的力做出反应。驱动平带装置的电动机可以在两个方向上对传动带施加扭矩，因此可以实现牵引和制动负载。车辆的输入可以由最先进的驾驶员机器人操作，该机器人由实时控制器控制。它可以操作踏板、换挡杆和方向盘。未来，也可以考虑由人类驾驶员操作。  

可以使用几种不同的约束系统来约束试验台上的车辆。图1中还显示了"重心约束系统"（CGR），它在纵向、横向和偏航方向上约束车辆，但允许车辆围绕其重心自由起伏、俯仰和翻滚。CGR中的液压执行器可以施加额外的垂直力以及俯仰和翻滚力矩。内置传感器测量CGR夹具和车身之间的约束力和力矩，这些数据用于HRW控制系统，以模拟车辆在道路上的行为。相应的操作原理将在下一节简要解释。作为CGR的替代方案，车辆也可以使用支柱或缆绳进行约束。表1显示了基本性能指标。

图1 IVK/FKFS的装卸道路概述

表1 基本技术性能数据

 类似于HRW的试验台包括上世纪90年代为菲亚特建造的Flat-Trac道路模拟器和2003年开放的美国陆军道路模拟器。后者主要设计用于测试重型军用卡车的操纵特性。与这些系统相比，斯图加特处理路采用高度动态的电动机驱动传动带，而不是液压马达，从而使纵向通道的频率带宽更高。结合更高的计算能力和改进的CGR力执行器，预计应用范围和可控性水平将显著提高。

工作原理

除了上述提到的约束车辆的不同方法之外，还有几种不同的操作模式可用于为执行器产生输入信号。MTS提供的开放式软件概念允许使用预定义的控制模式，并且还允许实施专为特定用例量身定制的新控制概念。

激励信号可以通过明确定义的接口传输到每个单独的执行器通道，使用内置的函数发生器或外部实时控制器。例如，这可以用于使用随机信号模拟道路激励，或者借助MTS RPC® Pro软件复制特定的激励。用户定义的开环输入也可以用于对车身或轮胎施加位移或力，以测量车辆的反应并识别相应的传递函数。然而，可以说最复杂的操作模式是“道路负荷”模式，该模式允许试验台复制逼真的闭环驾驶操作。该模式的一般操作原理将更详细地介绍。

为了便于说明，我们现在考虑纯粹的横向动力学操纵。当转动方向盘（无论是由机器人还是人类驾驶员）时，前轮相应地转动。由于车辆的车轮在移动的平带上滚动，会产生侧滑角。就像在道路上一样，这会在前轮上产生横向胎力。在道路上，这些胎力会导致车辆相对于道路在偏航和横向轴上运动。然而，由于在HRW上纵向、横向和偏航自由度受到限制，因此车辆的结果运动必须通过控制器内的模拟车辆模型进行计算。 

CGR中的受限力和力矩由负荷传感器测量。利用这些力和力矩以及已知的基本车辆属性（质量和转动惯量），可以计算模拟车身上的偏航、纵向和横向加速度。这些对应于车辆在道路上可能实现的即时加速度。计算得到的偏航角速率和速度x和速度y可以作为控制输入应用于试验台的自由度。因此，轮胎速度和侧滑角与在道路上的情况是可比的；在试验台上，道路在车辆下方移动，类似于车辆在道路上移动。这反过来影响了轮胎与传动带接触界面上产生的轮胎力和受限力，这些受限力再次被反馈到回路中。这一过程在图2中有示意图表示。

局限性

没有测试系统可以完美复制真实世界。HRW固有的几个限制是已知的。在本节中，将概述与道路情况最关键的差异以及可能的缓解原则。首先，由于缺少自由度，车辆车身的一些耦合效应，如陀螺力矩，在HRW上不会出现。这可能导致与在道路上的车辆响应不同。然而，MTS提供的控制算法可以补偿这些效应。在使用CGR时，车辆的横摆轴被固定在重心上。在道路上，车辆通常会绕其横摆轴滚动。因此，车身在试验台上的横摆运动会由于车轮的横向运动而引起额外的侧滑角。这会产生额外的横向轮胎力，从而影响车辆的行为。已经开发了一种动态补偿控制器，它可以根据对车辆特性的了解来纠正这些影响。

图2 基本工作原理

 连接到车辆车身的CGR的额外惯性改变了车辆的质量和惯性特性。MTS提供的惯性补偿算法可以减小这种影响，该算法作为CGR力控制回路的补充。另外，为了进行更高频率的乘坐舒适性评估，可以使用缆绳代替CGR来限制车辆的运动。

 与曲面（如滚筒）相比，平带系统提供了一个真实的轮胎接触区域。然而，由于带的柔韧性必须得到保持，修改表面和摩擦特性的可能性有限。可选的方案包括未涂覆的钢带以及涂有砂纸或合成材料的带。像Flat-Trac®轮胎测试系统上使用的砂纸预计会产生与真实道路相媲美的轮胎行为。然而，需要预期会出现一些偏差，比如稍微增加的侧向轮胎刚度。

03  模拟环境

 在新HRW的规划、建设和投入使用阶段，利用模拟进行了潜在用例的研究。旨在在实际接触到设备之前启动研发流程，并作为HRW设备的一部分开发一个可行的模拟环境。对HRW进行建模、实施和模拟结合车辆的工作还伴随着不同的好处，     例如：- 更快、更高效的预先开发，例如：   - 评估方法    - 增强的控制策略    - 识别方法- 并行化能力，即不同的人可以同时在模拟中使用HRW。- 改善对系统和基本物理效应的理论理解。- 安全环境，即可以在没有任何物理损坏风险的情况下测试新的控制器或关键驾驶操作，并估计相关负载。- 可以提取不同的效应和影响，例如测量噪声、延迟等，用于基础研究，如控制策略开发或新测试方法的开发。 

模块化的模拟环境是根据真实系统创建的，各个子系统和组件之间具有明确定义和严格的接口。因此，基于模拟的开发很容易转移到真实车辆动力学测试系统并进行调整。根据研究调查或目的的不同，开发了不同复杂度和建模深度的模型。这些模型可以分为三类： 

1. 简化模型，具有受限动力学，例如只能描述横向动力学的模型。 

2. 集成的、实时可行的车辆动力学模型，能够描述车辆的耦合3D动力学，频率高达5赫兹。它们可与类似CarMaker等软件工具相媲美。 

3. 复杂的多体系统（MBS）模型

图3 模拟环境示例说明

简化模型的示例包括介绍的单轨模型和单轴滚动模型。后者强调了车辆在给定测试台条件下的基本关键动态效应，并将其与道路上的经典车辆动力学进行比较。基于这些研究，开发了增强车辆在道路和HRW上测试相似性的新控制策略或补偿算法。第二类模型的示例用于进行经典的模拟分析，设计新的控制器，或者开发低模拟时间的新测试方法。这些模型和应用在本文中未涉及。第三类提供了HRW和建模车辆的复杂和非常详细的模型，能够详细描述整个系统的动力学。例如，在使用实际硬件之前，它们用于开发控制器或方法的初步有效性验证。对于每一类，使用了不同的软件工具和建模方法，通过共同仿真进行耦合。在本文中，通过第三类示例阐释了模块化的模拟环境。共模拟环境用于将MBS软件工具SIMPACK与MATLAB/Simulink®进行耦合。此环境利用了两种工具的优势。首先，在SIMPACK中对车辆和HRW的复杂耦合动力学进行建模。其次MATLAB/Simulink用于控制器设计和不同输入及激励的定义。仿真环境的管理和评估（预处理和后处理）也在MATLAB中实现。因此，仿真研究或优化任务是可自动化的。此共模拟环境的示意布局如图3所示。

04  科学实验室中的观察

 HRW是IVK/FKFS现有设施的重要扩展。该研究所已经运营着多种多样的测试系统，包括几个专业的风洞、内燃机测试台以及若干动力总成和混合动力系统测试台。其中，两个系统特别适合与HRW相辅相成，它们分别是空气声学全尺寸风洞和斯图加特驾驶模拟器。HRW有潜力通过补充它们的先进能力而产生协同效应。

多年来，FKFS一直运营着斯图加特大学的空气声学全尺寸风洞，在2014年进行了全面升级。这些更新显著提升了测试能力。其中包括一个配备高精度地下平衡台的新旋转台，可以在直线行驶和侧风条件下进行高精度和动态的空气动力力和力矩测量。一个独特的摆动系统使得可以研究非定常的空气动力和空气声学效应。 

斯图加特驾驶模拟器于2012年投入使用，如图4所示，是整个欧洲研究领域中最大的设施。它可以用于模拟先进的驾驶辅助系统，并研究自动驾驶和安全相关系统对人类驾驶员在真实条件下的影响，而无需在真实道路上进行测试。此外，驾驶模拟器可用于底盘开发和车辆操控特性的分析。例如，它已被用于分析驾驶员对路面冲击产生的车辆车身运动的感知。悬挂特性的细微变化可能会极大地影响驾驶员对整车稳定性和舒适性的整体感知。例如，可以通过选择性地改变车辆模型的顶部支撑特性来确定悬挂特性的目标值。然而，这些研究需要详细的车辆模型。

图4 斯图加特驾驶模拟器

现有的测试系统提供了优秀的手段，精确评估空气动力学和传动系统的特性，同时也是评估驾驶员对车辆模型动力学的感知的开发工具。HRW将补充这些系统。例如，在风洞中测量的稳定和非定常空气动力力和力矩可以应用到HRW上的车辆上，从而可以检查车辆在真实驾驶条件下对这些激励的反应。获得的有关车辆动态行为的知识可以用于优化驾驶模拟器的车辆模型，以便更仔细地检查驾驶员对车辆行为的感知。

研究目标

HRW已经拥有由MTS建立的广泛而多功能的车辆测试和开发应用范围。IVK/FKFS的目标是为车辆动力学开发创造新方法，并扩大HRW应用的范围。此外，将进行研究以克服前述装置的局限性。必须对这些局限性和偏差的确切影响进行检查和评估。然后，可以构思和开发进一步的补偿方法。HRW结合了几个已建立的测试系统的元素。其中包括类似于Flat-Trac®轮胎测试系统使用的扁平带式轮毂驱动装置，以及类似于四柱系统使用的垂直液压执行器。然而，对这些众所周知的技术组合的经验很少。因此，IVK、FKFS和MTS的使命是创建新的最佳实践场景，不仅展示HRW的能力，而且证明概念并产生改进车辆开发过程的可能性。为了克服系统的上述局限性，已经开发并在模拟中进行了几种补偿方法的测试。它们的功能必须在真实的HRW系统上实施和测试。这样，HRW的能力甚至可以进一步扩展

05  应用

由于其灵活和模块化的构成，HRW具有多种应用。这些可以分为几类。一个主要类别侧重于驾驶动力学开发，特别是车辆悬架和操纵性评估。正如前面提到的，HRW具有同时激励和分析车辆纵向、横向和垂直方向的优势。因此，不仅可以复制横向动力学的操纵，如阶跃转向和正弦转向输入，还可以进行结合纵向和横向动力学的驾驶操纵，如关闭油门、加速或制动时转弯。当然，也可以进行纯粹的纵向操纵，如直线加速。除了这些开环操纵，驾驶机器人的实时控制允许执行闭环操纵。这些包括恒定半径和恒定速度的打滑试验，还包括更复杂和要求更高的操纵，如双车道变道和高动态场景，比如倾翻倾斜测试。在所有这些操纵过程中，垂直执行器可以用来通过模拟真实路面施加轻微激励。或者，它们可以在这些操纵过程中施加特定的、预定义的干扰，如减速带或桥梁接缝，以精确测量车辆的响应，并具有高可重复性。

这些操纵可以用于评估整车特性。同时，也可以利用HRW来测试和开发制动系统、转向系统等子系统。 

另一个应用领域侧重于控制系统的研究、开发、验证和认证。这些包括电子稳定控制和扭矩矢量控制系统，以及其他底盘控制和高级驾驶辅助系统。控制器的功能可以在特定的、预定义的车辆状态下使用完整的真实车辆进行测试。同时，可以在安全环境中测试控制器对干扰或传感器故障的稳定性和鲁棒性。此外，对HRW的研究可以通过系统和参数识别方法支持和补充基于模型的开发的模拟过程。在HRW上获得的结果可以用于验证车辆模型，或改进和增强模型，例如用于驾驶模拟器。

示例

为了展示可能的用例，介绍了两个突出显示HRW能力的示例操纵。这两个示例展示了前面提到的SIMPACK和MATLAB/Simulink联合仿真环境的模拟结果。模拟中使用的车辆模型是基于中型豪华车的详细多体模型。所采用的轮胎模型基于Pacejka魔术公式模型，并经过调整以允许在移动道路上使用。在这些模拟中，使用了一个理想化的HRW模型，没有测量误差，用来展示理想HRW系统的能力。进一步的理想化包括将CGR简化为一个3自由度关节的模型，如图5中的绿色球所示。正在进行的和未来的研究部分涉及预期在真实系统中出现的差异。

图5  简化HRW上的车辆MBS模型

 逼真的行驶操纵：这个例子比较了在HRW上进行恒定速度正弦操纵时的车辆动力学与在道路上进行相应车辆动力学的情况。为了确保可比性，道路上的操纵是使用与HRW上相同的车辆模型和相同的条件进行模拟的。选择正弦操纵是因为它是一种标准化操纵 [14]，经常用于车辆测试，特别是用于评估电子稳定系统。在接下来的模拟结果中，车速为80公里/小时，最大转向盘角度为116°。转向盘输入如图6所示。

图6  方向盘输入来自正弦波，具有驻留机动

图7和图8显示了侧向加速度、横摆角、偏航角速率和侧滑角的模拟结果。最大侧向加速度达到1 g 表明车辆接近其极限运行。因此，这个操纵对车辆和HRW来说都是一次极限性能测试。需要注意的是，本文分析的目的并不是考察车辆的稳定性，而是为了了解HRW的能力。因此，重点在于道路和HRW数据之间的差异。侧向加速度和横摆角表现出较好的匹配。就偏航角速率而言，出现了轻微的相位偏移，HRW数据领先于模拟道路数据。在振幅方面，HRW上计算得到的偏航角速率比道路上高出3.5%。特别是侧滑角在两种情况下表现出较大差异，HRW上的绝对振幅比道路上高出9.7%。同样，出现了相位偏移。尽管如此，可比性得到了保持。

图7  测试系统（HRW）上路况与车辆之间的横向加速度和侧倾角比较

图8  测试系统（HRW）上路况和车辆之间的偏航率和侧滑角比较

 由于在道路和HRW模拟中使用了完全相同的车辆模型，包括轮胎模型，因此观察到的相位偏移可能是由道路和HRW之间不同的总体动力学引起的。一个可能的原因是HRW执行器的延迟运动。在转动前轮后，产生的力直接作用于道路上的车辆，并导致其偏航，从而降低前轴的侧滑角。在HRW上，作用于车身的力必须被测量并转换为执行器命令。在命令执行之前，轮胎会受到更高的侧滑角的影响，这会导致更大的力，因此计算得到的偏航加速度更高。总体结果符合系统的已知限制。由于忽略的科里奥利和离心效应在更高动力学条件下的影响更大，因此在没有使用额外的控制或补偿算法的情况下，道路测试和HRW测试之间的差异就会更大。

在转弯时的垂直激励：在高速下，道路上的扰动，如桥接缝和颠簸，会对车辆产生显著的冲击。由此产生的综合偏航、横摆和垂直车身运动对车辆的稳定性和安全感产生了相当大的影响[15]。在道路上，以可重复的方式产生期望的精确扰动是具有挑战性的。在这个例子中，车辆以120公里/小时的速度和6 m/s的侧向加速度通过横向正弦低频颠簸。图9显示了垂直激励曲线和由此产生的车身上下运动（相对于地面的稳态高度）。

图9  HRW执行器的垂直位移和由此产生的车身运动

图10  HRW执行器的垂直位移和由此产生的车身运动

得到的模拟车辆车身横摆、偏航和垂直加速度运动如图10所示。需要注意的是，偏航角速率是根据测得的约束力计算得出的。扰动可以清晰地看到并记录下来。为了进行比较，对直线行驶也模拟了相同的道路扰动。在这种情况下，横摆和偏航运动可以忽略不计，这是可以预料的。然而，垂直加速度也会发生，这在第三个子图中有所体现。值得注意的是，在转弯时的最大垂直加速度高于直线行驶时的最大垂直加速度。导致这种行为的一个原因是，在这种严峻的模拟转弯机动过程中，外侧车轮悬架的减震缓冲器已经被预应力。额外的压缩会导致额外的垂直力作用于车身，这会导致与直线行驶相比的车身运动差异。这个例子突显了这类事件对驾驶稳定性和舒适性具有相当大的影响。在可重复条件下研究这些事件的可能性可以促进并加速悬架的开发过程。在其他现有的测试系统或道路上几乎不可能进行这样的测试。虽然在七柱式台架上可以很容易地重现垂直激励和纯滚动运动，但在那里不可能添加横向力。动力K&C系统具有施加横向力以及前述激励的能力。然而，它们仍然缺乏在事件期间测量由旋转车轮产生的力的能力。 

总的来说，本文中介绍的两个应用示例都展示了新型HRW的优势。作为高度动态驾驶机动的常见代表，带停留的正弦曲线机动展示了在HRW上进行此类机动的可行性。第二个示例强调了在关注驾驶舒适性的情况下，在驾驶过程中额外垂直激励的影响。这有助于底盘部件的设计、测试和验证。HRW的一个巨大优势是在受控条件下复制操纵机动，这极大地增加了重复性。该台架的重复性导致较少重复相同的机动以收集重要数据。车辆悬架特性可以被修改，并且它们对车辆动力学的影响可以被更快地分析，这导致更快的开发时间。结合对车辆传感器数据的仿真，HRW为驾驶动力学和主动底盘控制系统的测试和调整控制器开辟了新的领域。在撰写本文时，HRW仍在调试中。下一步将是在真实的HRW上执行这些测试，并确认模拟结果。