智能網(wǎng)聯(lián)汽車仿真與測試課件：動態(tài)元素仿真之車輛動力學(xué)建模

動態(tài)元素仿真之車輛動力學(xué)建模SimulationandTestingofIntelligentNetworkedVehicle智能網(wǎng)聯(lián)汽車仿真與測試目錄Contents車輛建模方法01車輛動力學(xué)模型02PanoSim中的車輛動力學(xué)模型03VehicleBuilder車輛編輯器04車輛建模方法01一、車輛建模方法車輛建模的最終目的是獲得各系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述，該描述既需要考慮系統(tǒng)特性相關(guān)方面的研究，也要考慮系統(tǒng)組件之間的相互影響。01白箱建模02黑箱建模03灰箱建模根據(jù)對系統(tǒng)運行原理的顯性表達程度可以將建模方法分為:1.白箱建模白箱建?；蚶碚摻Ｖ傅氖抢脭?shù)學(xué)表達式進行機理建模。其特點是：通過分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點和運行規(guī)律，運用已知的物理定律、定理或原理，如力學(xué)原理、牛頓定理、能量平衡方程、傳熱傳質(zhì)原理等，使用數(shù)學(xué)方法進行推導(dǎo)，使用數(shù)學(xué)公式建立的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。這種方法需要對被建模系統(tǒng)有充分的了解。然而，現(xiàn)實中被建模的系統(tǒng)常常是高維度、非線性的，難以使用簡單的數(shù)學(xué)表達式進行全面表達。因此，白箱建模一般只能用于較簡單系統(tǒng)的建模。對于比較復(fù)雜的實際系統(tǒng)，這種建模方法實施較為困難。一、車輛建模方法2.黑箱建模黑箱建模指的是利用數(shù)據(jù)進行建模。其特點是：完全依賴被建模系統(tǒng)的輸入和輸出數(shù)據(jù)所提供的信息建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，而不是其真實物理意義。這種方法的優(yōu)點是不需要徹底了解系統(tǒng)的運行機理，且運行速度一般較快。但是，這種方法要求設(shè)計一個合理的試驗以獲取所需的大量信息。對于復(fù)雜系統(tǒng)，這種實驗的設(shè)計是較為困難的。此外，對于黑箱模型，當(dāng)輸入數(shù)據(jù)不在此前建模的數(shù)據(jù)范圍之內(nèi)時，可能無法獲得正確的輸出。一、車輛建模方法3.灰箱建?？紤]到白箱建模和黑箱建模的優(yōu)缺點，在實際研究中，往往將兩種建模方法相結(jié)合，機理已知部分(名義模型)采用白箱建模，機理未知部分采用黑箱建模，這種建模方法就是灰箱建模。這種建模方法的實現(xiàn)比一味追求從結(jié)構(gòu)特點和運行規(guī)律出發(fā)建立機理模型的白箱建模要容易，也比只依賴數(shù)據(jù)的黑箱建模在可靠性、精度以及實際的利用價值等方面都要高很多。車輛動力學(xué)建模的主要方法是使用數(shù)學(xué)方程表達車輛行駛原理，屬于白箱模型。一、車輛建模方法車輛動力學(xué)模型02二、車輛動力學(xué)模型力學(xué)主要研究作用于物體的力與物體運動的關(guān)系。車輛動力學(xué)是車輛力學(xué)的一個重要分支，主要分析車輛在道路上行駛過程中的運動行為和受力情況。車輛動力學(xué)模型在上個世紀已經(jīng)相對成熟，并運用在了車輛設(shè)計和測試中。人們運用復(fù)雜車輛數(shù)學(xué)模型來仿真、開發(fā)車輛系統(tǒng)，在車輛動態(tài)控制系統(tǒng)的研發(fā)過程中就用到了車輛數(shù)學(xué)模型。1.車輛動力學(xué)建模的必要性建立的模型應(yīng)盡可能真實地描述真實車輛的動態(tài)特性。車輛動力學(xué)模型是通過理論分析和抽象，建立整車、發(fā)動機、行駛系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、路面與車輪相互作用等的模型方案。為了實現(xiàn)這一點，模型必須滿足以下條件。01整車及其子系統(tǒng)的空間動力學(xué)和運動學(xué)。02車輛懸架的非線性運動學(xué)。03力元素的非線性及動態(tài)表達。04輪胎動態(tài)受力分析。二、車輛動力學(xué)模型二、車輛動力學(xué)模型在車輛動力學(xué)中，為了更好地描述車輛的運動，需要建立一個基于車輛的局部坐標(biāo)系。原點常常定義為車輛的質(zhì)心，或者后軸中點，如圖所示。Yaw為橫擺角，Roll為翻滾角，Pitch為俯仰角。一般稱X方向為縱向，Y方向為橫向，Z為垂向。2.車輛坐標(biāo)系二、車輛動力學(xué)模型二自由度車輛動力學(xué)模型的兩個自由度指的是橫向上y軸的運動和繞z軸的轉(zhuǎn)動，忽略了縱向x軸的運動。二自由度車輛動力學(xué)模型忽略車輛懸架，將整車簡化為兩個輪子，并假設(shè)輪胎的側(cè)偏特性是線性的:車輛所受空氣阻力只會對車身坐標(biāo)系x軸方向上的運動有影響，y軸方向和沿著2軸的旋轉(zhuǎn)不會受到空氣力的影響;車輛在二維平面中運動，也就是在z軸方向上無速度。如圖為二自由度車輛動力學(xué)模型簡圖。3.二自由度車輛動力學(xué)模型(1)輪胎側(cè)偏特性

（2）動力學(xué)方程

二、車輛動力學(xué)模型輪胎側(cè)片特性簡圖根據(jù)公式可通過計算每個步長車輛的橫縱向運動情況,更新其位置，速度，加速度等參數(shù)。從而實現(xiàn)逼真的車輛動力學(xué)仿真。03PanoSim中的車輛動力學(xué)模型三、PanoSim中的車輛動力學(xué)模型PanoSim車輛動力學(xué)為27自由度的高置信度車輛動力學(xué)仿真軟件，充分考慮車身、動力傳動、懸架、轉(zhuǎn)向、制動、輪胎的整車基礎(chǔ)架構(gòu)的車輛動力學(xué)建模，包含車身6個自由度，車輪上跳4個自由度，車輪旋轉(zhuǎn)4個自由度，輪胎縱滑4個自由度，輪胎側(cè)偏4個自由度，輪缸壓力4個自由度，動力傳動1個自由度。PanoSim車輛動力學(xué)開放了豐富的輸入、輸出接口，為ADAS算法或電控算法開發(fā)提供載體，目前支持34個輸入控制信號接口及其對應(yīng)的使能接口，228個狀態(tài)變量輸出接口。PanoSim車輛動力學(xué)模型的Simulink模型如圖所示。01車輛動力學(xué)控制輸入接口包括油門(Throttle)、變速器擋位(ModeTrans)、制動主缸壓力(MasterCylinderPress_MPa)、方向盤轉(zhuǎn)角(Steer)及其分別對應(yīng)的使能信號輸入。02另外為支持線控底盤開發(fā)，目前支持車輪轉(zhuǎn)向、輪邊驅(qū)動和輪缸壓力控制接口及其使能開關(guān)。輸出接口分類為10個子系統(tǒng)，分別是動力總成、制動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、簧上質(zhì)量運動、懸架、輪胎、輪軸、路面等。三、PanoSim中的車輛動力學(xué)模型VehicleBuilder車輛編輯器04四、VehicleBuilder車輛編輯器雙擊PanoSim5安裝包中的圖標(biāo)或從PanoExp界面點擊“Tools-VehicleBuilder”啟動VehicleBuilderGUI界面。VehicleBuilder啟動時顯示以下屏幕，車輛參數(shù)主界面功能分區(qū)，如圖所示。所有的參數(shù)建議由專業(yè)的工程師進行設(shè)計并匹配。1.工具欄如上圖所示，VehicleBuilder工具欄左側(cè)中包括車輛工具、導(dǎo)入工具、外形工具、數(shù)據(jù)管理四個區(qū)域，工具欄右側(cè)為幫助設(shè)置。四、VehicleBuilder車輛編輯器1.工具欄四、VehicleBuilder車輛編輯器（1）“VehicleTools”界面用于從系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫加載已有車輛信息。用戶可以點擊“Vehicle”按鈕來加載車輛信息。點擊后，會在右側(cè)“VehicleDataset”屬性面板顯示PanoExp數(shù)據(jù)庫中所含的所有車輛名稱，用戶通過選中車輛名稱并長按拖動的方式加載車輛，如圖所示。VehicleTools車輛工具1.工具欄四、VehicleBuilder車輛編輯器（2）加載車輛后，“ShapeTools”解封。選中點擊“Shape”，會在右側(cè)“ShapeDataset”屬性面板顯示PanoExp數(shù)據(jù)庫中所含的所有車輛外形名稱，用戶通過選中外形名稱并長按拖動的方式加載車輛外形，如圖所示。ShapeTools外形工具1.工具欄四、VehicleBuilder車輛編輯器（3）“Save”下拉工具條“Save”按鈕用于保存當(dāng)前車輛的車輛動力學(xué)參數(shù)，“Saveas”用于在當(dāng)前車輛的基礎(chǔ)上修改后生成另外一輛新的車輛，并存儲到系統(tǒng)車輛數(shù)據(jù)庫，“DataManager”用于從數(shù)據(jù)庫中刪除，復(fù)制車輛，如圖所示。SaveTools保存工具2.車輛系統(tǒng)四、VehicleBuilder車輛編輯器如圖所示，該區(qū)域包含當(dāng)前通用車輛模型系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)，包括車身(Body)、空氣動力學(xué)(Areodynamics)、動力總成(Powertrain)、制動(Brake)、轉(zhuǎn)向(Steer)、懸架(Suspension).輪胎(Tire)7個子系統(tǒng)，其中動力總成又分為發(fā)動機(Engine)、變矩器(TorqueConverter)、變速器(Transmission)、差速器(Differential);懸架又分為前(Front)、后(Rear)分別建模；4個輪胎(LF/RF/LR/RR)單獨建模。四、VehicleBuilder車輛編輯器（1）選中“Body”節(jié)點，中間信息區(qū)將顯示當(dāng)前車輛的車身尺寸，質(zhì)量等相關(guān)參數(shù)信息，用戶根據(jù)需要進行編輯，如圖所示。Body車身2.車輛系統(tǒng)四、VehicleBuilder車輛編輯器（2）選中“Areodynamics”節(jié)點，中間信息區(qū)將顯示當(dāng)前車輛的空氣動力學(xué)相關(guān)參數(shù)信息，用戶根據(jù)需要進行編輯，如圖所示。Aerodynamics空氣動力學(xué)2.車輛系統(tǒng)四、VehicleBuilder車輛編輯器（3）選中“Powertrain”節(jié)點，中間信息區(qū)將顯示當(dāng)前車輛的動力總成驅(qū)動類別相關(guān)參數(shù)信息，目前動力學(xué)只支持默認參數(shù)值，不需編輯，如圖所示。Powertrain傳動系統(tǒng)2.車輛系統(tǒng)四、VehicleBuilder車輛編輯器（3）選中“Engine”節(jié)點，中間信息區(qū)將顯示當(dāng)前車輛的發(fā)動機息速和扭矩外特性相關(guān)參數(shù)信息用戶根據(jù)需要進行編輯，如圖所示。Powertrain傳動系統(tǒng)——Engine發(fā)動機2.車輛系統(tǒng)四、VehicleBuilder車輛編輯器（3）選中“Transmission”節(jié)點，中間信息區(qū)將顯示當(dāng)前車輛的變速器速相關(guān)參數(shù)信息，用戶根據(jù)需要進行編輯，如圖所示。需要注意的是，目前默認支持換擋策略，擋位數(shù)至少為2。Powertrain傳動系統(tǒng)——Transmission變速器2.車輛系統(tǒng)四、VehicleBuilder車輛編輯器（3）選中“TorqueConverter”節(jié)點，中間信息區(qū)將顯示當(dāng)前車輛的變矩器速比相關(guān)參數(shù)信息，用戶根據(jù)需要進行編輯，如圖所示。Powertrain傳動系統(tǒng)——TorqueConverter變矩器2.車輛系統(tǒng)四、VehicleBuilder車輛編輯器（3）選中“Differential”節(jié)點，中間信息區(qū)將顯示當(dāng)前車輛的差速器速比相關(guān)參數(shù)信息，用戶根據(jù)需要進行編輯，如圖所示。Powertrain傳動系統(tǒng)——Differential差速器2.車輛系統(tǒng)四、VehicleBuilder車輛編輯器（4）選中“Brake”節(jié)點，中間信息區(qū)將顯示當(dāng)前車輛制動系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)信息，用戶根據(jù)需要進行編輯，如圖所示。Brake制動系統(tǒng)2.車輛系統(tǒng)四、VehicleBuilder車輛編輯器（5）選中"Steer"節(jié)點，中間信息區(qū)將顯示當(dāng)前車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)信息，用戶根據(jù)需要進行編輯，如圖所示。Steer轉(zhuǎn)向系統(tǒng)2.車輛系統(tǒng)四、VehicleBuilder車輛編輯器（6）選中“Suspension(Front)”節(jié)點，中間信息區(qū)將顯示當(dāng)前車輛前懸架相關(guān)參數(shù)信息，用戶根據(jù)需要進行編輯，如圖所示。Suspension(Eront)前懸架2.車輛系統(tǒng)四、VehicleBuilder車輛編輯器（7）選中“Suspension(Rear)”節(jié)點，中間信息區(qū)將顯示當(dāng)前車輛后懸架相關(guān)參數(shù)信息，用戶根據(jù)需要進行編輯，如圖所示。Suspension(Rear)后懸架2.車輛系統(tǒng)四、VehicleBuilder車輛編輯器（8）選中“Tire(LF)”節(jié)點，中間信息區(qū)將顯示當(dāng)前車輛左前輪胎相關(guān)參數(shù)信息，用戶根據(jù)需要進行編輯，如圖所示。Tire(LE)左前輪2.車輛系統(tǒng)四、VehicleBuilder車輛編輯器（9）選中“Tire(RF)”節(jié)點，中間信息區(qū)將顯示當(dāng)前車輛右前輪胎相關(guān)參數(shù)信息，用戶根據(jù)需要進行編輯，如圖所示。Tire(RF)右前輪2.車輛系統(tǒng)四、VehicleBuilder車輛編