应用于驾驶模拟器的车辆动力学系统建模分析

1、应用于驾驶模拟器的车辆动力学系统建模分析乔维高徐学进周政权贾翠萍(武汉理工大学【摘要】驾驶模拟器具有安全性高、再现性好、容易设定各种试验条件以及节能环保等优点,近年来得到了广泛的应用。文章在开发驾驶模拟仿真系统的过程中,使用面向对象的方法将车辆系统分为发动机、传动系、制动系、转向系、悬架、车轮和车身等研究对象,分析了车辆模型的建立。最后给出了整车模型的求解流程。【主题词】动力学驾驶模拟器汽车 收稿日期:2007-08-200前言汽车驾驶模拟器是一种能正确模拟汽车驾驶动作,获得实车驾驶感觉的仿真设备。汽车驾驶模拟器,又称为汽车模拟驾驶仿真系统,它集合了传感器、计算机、数据通信、多媒体等先进技术,

2、具有安全性高、再现性好、容易设定各种试验条件以及节能环保等优点,是应用于汽车产品开发、“人车路”交通系统研究的一种重要工具。车辆动力学仿真是驾驶模拟仿真系统的基础,文章在汽车驾驶模拟器车辆动力学软件系统开发过程中,基于面向对象理论建立了车辆动力学实时仿真模型。1建模思想本文所开发的驾驶模拟器主要用于道路交通安全仿真研究,所以车辆模型的规模和精度要求比用于汽车产品开发类的大型汽车驾驶模拟器要小,但更经济实用。为了使模型适合软件程序的开发以及后期的维护和改进,选用了面向对象的建模方法,该方法具有易读、可重用、可扩充和模块化等优点。为了精确地仿真汽车动力学特性,必须考虑尽可能多的组成部分,采用更为复

3、杂的数学模型。但是这样建立起来的微分方程非常复杂,给求解带来很大困难,求解时间较长,难以满足实时仿真的要求,而且也不便于以后对模型子系统进行改进。因此,结合研究需要对车辆系统进行抽象简化处理,基于面向对象理论,建立车辆动力学实时仿真模型。根据具体对象和研究目标确定模型的规模和与之相关的边界条件,最后确定系统研究对象为发动机、传动系、转向系、制动系、车轮、悬架和车身等。图1所示为车辆动力学系统的构成。这样降低了各对象间的耦合度,使各部分动力学方程的规模得到了简化,在保证模型一定仿真精度的同时又满足了仿真系统的实时性。图1车辆动力学系统构成2车辆对象模型的建立在仿真模型中,将车身和4个车轮看作刚体

4、,其它对象如传动系、制动系等都只起到传递力和力矩的作用而本身没有质量和外形。所建立的整车模型共有11个自由度,具体包括:车身质心的3个平移运动,车身绕质心的3个旋转运动,前轮绕自身旋转轴的自转运动与绕主销轴的转向运动,两个后轮绕自身旋转轴的自转运动。整车模型基于水平路面建立,且只考虑由车速引起的空气阻力。下面讨论车辆模型的各组成部分。2.1发动机发动机是汽车的动力源。发动机最主要的功能特征是它在某一转速下输出转矩的大小。当发动机转速和转矩的试验数据可知时,仿真过程可以利用最小二乘法构造多项式拟合发动机的稳态转矩与转速之间的关系曲线得到转矩的大小。发动机主要是接受来自点火开关和油门控制输入,也受

5、离合器结合状态的影响。模型中,使用油门踏板位移作为发动机的输入变量。发动机输出转矩至离合器然后再经传动系传到驱动车轮。2.2传动系2.2.1离合器离合器是汽车传动系的一个组成部分。在仿真模型中应用的是干摩擦式离合器。建模时,通过数学方法拟合出离合器所传递的扭矩与离合踏板行程之间的线性关系。2.2.2变速器变速器可分为两种:自动变速器和手动变速器。该仿真模型中使用的是手动变速器,在建模时直接通过每档所对应的传动比来表达,倒档传动比为负数。2.2.3主减速器主减速器作用和变速器有点类似,但主减速器的主减速比是固定的,所以模型的建立比较简单。2.3制动系制动系的结构各不相同,有液压式、真空助力式、压

6、缩空气式等,建模时如果考虑制动系的实际结构,模型相当复杂。这里只考虑具体制动功能的实现,即由一个输入得到一个制动力矩的输出。所以建立制动系实时仿真模型时,通常是通过试验数据,用数学方法拟和出制动器制动力与制动器踏板位移之间的关系。2.4转向系转向系在工作时,自身存在一定的刚度和阻尼。并且,前转向轮的左右轮转向时的角度也不一样。在建模过程中,如果考虑到上述因素,模型的计算量较大。但如果忽略转向系的刚度和阻尼,将其简化为一个完全刚性的系统,即得到转向系的线性转向模型,则模型在仿真效果上较差。因此,在建模时为了提高仿真度又能满足实时性要求,作了较为折衷的选择,即考虑部分转向系统刚度和阻尼的特性。2.

7、5悬架建模时,从悬架系统的整体特性入手,按侧倾中心的方法建立模型。我们不必考虑悬架的具体结构,简化了模型的复杂度,同时得到了比较满意的仿真效果。2.6车身车身是驾驶模拟的重点研究对象。针对驾驶模拟器应用于道路交通安全仿真研究这一特点,建立6自由度车身动力学模型,可以比较全面地表达瞬时的车身运动状态,保证了回路的闭环交通系统仿真研究的准确性。在建模时,令车辆坐标系的原点与汽车质心重合且汽车左右对称,将汽车所受的力、力矩等沿车辆坐标系的x、y、z轴分解,就可以得到汽车在各轴线上的运动微分方程。由微分方程可以求得车身质心加速度和角加速度在车辆坐标系中的值,然后通过坐标转换可以得到车身质心在地面坐标系

8、下的速度和加速度,最后可以通过积分求得车身质心在地面坐标系中的位置和姿态角,即得到了车身瞬时的运动状态。2.7车轮车轮可分为车轮和轮胎两部分,是汽车行驶系的重要组成部分。驱动时,驱动车轮接收发动机传来的驱动力矩和转速。制动时,车轮会受到制动力矩作用;转向时,转向轮还要接收转向系传来的转角输入;结合具体的路面条件输入,共同决定了车轮在某一时刻的运动状态。轮胎是汽车与路面保持直接接触的唯一部件,所以所有施加在车身上的力都源自于轮胎力。整车的牵引力和操纵力等都要经过轮胎模型来表达。在很大程度上,车辆动力学描述的准确与否就取决于所用的轮胎模型能否准确有效地表达出轮胎上的作用力特性。为了使驾驶模拟更接近

9、车辆的真实行驶情况,这里采用了“魔术公式”轮胎模型。“魔术公式”是用三角函数的组合公式拟合轮胎试验数据,用一套形式相同的公式就可以完整地表达轮胎的纵向力、侧向力、回正力矩、翻转力矩、阻力矩以及纵向力、侧向力的联合作用工况,故称为“魔术公式”。应用“魔术公式”轮胎模型简化了程序的编码过程。“魔术公式”的一般表达式为:y (x =D sin C arctan B x -E (B x-arctan (B x Y (x =y (x +S v x =X +S h 式中,Y (x 可以是侧向力、回正力矩或者纵向力;自变量x 可以在不同的情况下分别表示轮胎的侧偏角或纵向滑移率;系数B 、C 、D 依次由轮胎

10、的垂直载荷和外倾角来确定,根据所求输出的不同,各种情况下公式所需的系数个数也不同。图2所示为基于“魔术公式”的轮胎模型的输入和输出变量。即得到任一时刻的纵向滑移率、侧偏角、外倾角和车轮垂直载荷这些参数后,便可以通过公式计算得到作用在轮胎上的力和力矩。 图2“魔术公式”轮胎模型的输入和输出变量该模型认为轮胎在垂直、侧向方向上是线性的,阻尼为常量,这在侧向加速度不大于0.4g 和侧偏角不大于5°的工况下对常规轮胎具有很高的拟合精度。此外,由于“魔术公式”基于试验数据,除在试验范围的高精度外,甚至在极限值以外一定程度仍可使用,可以对有限工况进行外推且具有较好的置信度。3整车模型的求解流程应

11、用在驾驶模拟器上的整车动力学模型的求解过程如图3所示。发动机点火后,根据油门踏板行程,输出相应的转矩和转速至传动系。传动系根据离合踏板位置及所在档位,向驱动轮输出相应转矩和转速。在制动工况下,则通过制动踏板行程得到相应的制动力矩作用在前后轮上。如需改变直线行驶状态,则给转向盘一个输入通过转向系得到转向轮转角输出。结合路面条件输入,可得到某时刻的车轮运动状态。由车轮运动状态和车辆其它特征参数得到“魔术公式”的输入参数:纵向滑移率、侧偏角、外倾角和车轮垂直载荷,通过“魔术公式”计算可以得到作用在轮胎上的力和力矩。这些力和力矩由车轮传给悬架,最后传给车身,通过对车身进行动力学分析得到车身瞬时的运动状

12、态。对由车身运动引起的悬架运动进行运动学分析,可得到车轮的运动约束关系。再结合其它条件共同构成车轮的运动状态,进入下一循环的计算。图3整车模型求解流程图4结语基于面向对象理论,结合车辆各子系统的功能及相关边界条件,建立了应用于驾驶模拟器的车辆动力学系统仿真模型。由于面向对象方法的使用,简化了车辆动力学系统软件程序的开发过程,以及后期的维护和升级。并且在仿真模型中采用“魔术公式”轮胎模型,能够比较准确地表达在仿真运行过程中轮胎与地面间的相互作用。整车模型的精度达到了研究需求,为道路交通安全仿真研究打下了基础。但模型中仍然有些不足之处,希望在以后的研究过程中不断完善。参考文献1尹念东.汽车驾驶模拟

13、器研究现状与技术关键.湖北汽车工业学院学报,2002.122熊坚,曾纪国,管欣.驾驶模拟器用于交通系统仿真的研究.系统仿真学报,2001.113李陶深,赵文静.面向对象程序设计与方法.武汉:武汉理工大学出版社,20034余志生.汽车理论.北京:机械工业出版社,19965陈家瑞.汽车构造(下册.北京:人民交通出版社,20006王伟,吴超仲,严新平等.汽车驾驶模拟器动力学仿真建模.武汉理工大学学报(信息与管理工程版,2005.27Giancarl o Genta .Mot or Vehicle Dyna m ics:Modeling and Si m 2ulati on .World Scient

14、ific Publishing Co,19978Hans B.Pacejka,Egbert Bakker .A New Tire Model with an App licati on in Vehicle Dyna m ics Studies .S AE 890087,1989AbstractRecently driving si m ulat or has been used widely because it has many advantages,such as high safety,good rep r oducibility,easy t o set all kinds of experi 2ment conditi ons,l ow consump ti on,no polluti on and etc .Object 2oriented method is used in the p r ocess of devel op ing the driving si m ulati o