用于车辆电子控制系统开发的仿真环境.

1、第 10卷第 15期 2010年 5月 167121815（20101523634206科学技术与工程Sc ience Tech nol ogy and Engin eer i ngVol110 No 115 M ay 2010Z 2010 Sci 仃ech 1Engng 1交通运输用于车辆电子控制系统开发的仿真环境管欣张素民詹军（吉林大学汽车动态模拟国家重点实验室，长春130025摘要介绍了一个用来开发和测试车辆电子控制系统性能的仿真环境。仿真环 境模拟真实的交通工况和极限驾驶工况，用于验证车辆电子控制系统中的控制算法 也可以将硬件系统集成到环境里进行硬件在环仿真。首先，介绍了虚拟环境的整体

2、框架和结构。接着，详细介绍了系统的各个组成模块的功能。由于交通环境下仿真 车辆感知周围的驾驶环境主要依靠传感器实现，以自适应巡航控制系统为例，介绍了 传感器模块和控制模块的集成方法。最后，给出了一个交通环境下自适应巡航控制 的例子。关键词虚拟仿真环境 车辆电控系统 交通工况仿真 自适应巡航控制中图法分类 号U467.11文献标志码A2010年3月9日收到/8630国家高科技资助项目（2006AA110102、吉林省科技发展项目（2004033021资助第一作者简介：管欣，男,江苏人，教授，博士生导师，研究方向：汽车动态仿真与控 制。现代车辆中广泛装备和使用电子控制系统和电子执行机构，这些系统控

3、制车辆的响应，对车辆的安全性和驾驶舒适性有重大影响1,2。电子控制系统，如驾驶辅助系统，利用多种类型的传感器监测车辆周围的驾驶环境，通过控制油门开度，制动踏板距离和方向盘转角或力矩来安全地控制车辆，从而提高车辆的 性能。随着电子控制系统扩展应用至极限驾驶工况，需要安全有效的测试方法和工 具来支持复杂电子控制系统的开发和验证，而传统的实车试验方法不能满足开发和 测试这些的要求。在过去十年里，随着虚拟仿真技术的发展，国内外的研究机构开发 和应用了大量的虚拟测试设备来支持电子控制系统的开发和测试3,4。但是，这些虚拟环境往往只考虑于单车环境下的仿真和验证。对于仿真复杂交通工况下，车与车之间的通讯和相

4、互作用，以及驾驶员在紧急情况下的操纵行为无能为力。以 自适应巡航控制为例，传统的虚拟仿真工具只考虑单车道驾驶环境，或则，目标车按照 给定的轨迹和速度移动；而真实的驾驶环境是多车道多车的，并且目标车的行为是不 可预知的。本文介绍的虚拟环境由可由用户设置驾驶环境和交通工况，设置被试车辆和交通车辆以及设置传感器。车辆与车辆之间以及车辆和周围环境之间通过传感器交换 数据。这个环境由V isual C+2005开发,具有标准接口，包括软件接口和硬件接口。 用户使用标准接口将控制系统集成到仿真环中。这个环境用来仿真和验证车辆的动 力学性能，进行交通工况下车辆-环境-驾驶员闭环仿真以及模拟车辆和车辆之间的通

5、 讯和相互作用。可用于汽车驾驶辅助系统的开发研究，也可用以电动助力转向系统,汽车底盘控制系统等汽车电子控制系统的研究与开发中。1整体框架目前，车辆仿真软件逐渐模块化、标准化。模块是软件系统的基础单元，每个模块都具有特定的功能。图1是本文介绍的仿真环境的框架结构。仿真框架具有环境 设置,驾驶工况设置，传感器设置，车辆动力学，控制系统，动画演示，数据后处理等模 块。其中，环境设置,驾驶工况设置，传感器设置和动力学构成系统的核心模块，是整个系统的基础。动画演示模块，后处理模块以 及控制系统通过标准占动画演示f£J* n <1环境设就鸳驶丄况i殳置-4-wrf JJL-后处理传感器设握

6、,.牟辆动力学控制系统接口和核心模块交换数据。图i仿真环境整体框架一个真实的驾驶环境通常包括车辆，驾驶员,环境和驾驶工况这四个关键环节。 驾驶员感知周围的环境和交通工况，通过方向盘，油门踏板以及离合器操纵汽车。本 文介绍的仿真环境的模块与上述四个环节密切相关。车辆动力学模块对应车辆环节 环境设置模块对应环境环节，驾驶工况设置模块对应驾驶工况环节，而传感器和控制 系统的组合对应驾驶员环节。为了验证交通工况下控制系统的性能，用户首先需要进行环境设置和驾驶工况设置。环境设置的目的是提供仿真所需要的道路信息，包括车道线信息，交通标志信息等。驾驶工况设置的目的是设置被试车辆和交通车 辆。对每一个被试车辆

7、和交通车辆都需要选择其对应的车辆动力学计算模型和参数 此外还需要为每一个车辆选择传感器和设置控制系统。动画演示模块和后处理模块 属于是辅助模块，可以直观地分析仿真结果。2组成模块2.1环境设置模块环境设置模块主要功能是设置驾驶场景，包括设置仿真道路，植被，建筑物，天气，交通标志等信息，如图2所示。生成的场景保 存在场景文件里。虚拟道路由四个表格数据构成，包括中心线或参考线的位置坐标 表格，车道线信息表格,道路的高程表，道路附着系数表格。车辆动力学模块根据这些 表格数据计算轮胎力和力矩。动画演示模块根据环境设罔驾驶匸况设程后处理车辆动力学传感器设睥,rf， £ 6* " G（

8、阳控制系统这些表格数据生成三维的道路。图2设置道路,建筑物，植被等信息道路的中心线位置使用全局坐标系里表示，而道路的车道线信息，高程表和附着系数使用曲线坐标系。如图3传感器设置聿辆动力学'控制系统所示。图3曲线坐标系图3中,s表示曲线切线方向，前进方向为正,t表示曲线法线方向。直角坐标系向 曲线坐标系的转换公式为:S i =S i-1 +(X i -X i-12+(Y i -Y i-12,(i 2。其中,S i表示第i点距起点的曲线长度。车道线信息表示道路参考线两边的车道线情况，比如是单车道还是多车道，是黄 线还是白线，是实线还是虚线。这些信息存储成表格数据。动画演示模块根据这些 生成

9、道路的纹理和三维形状。传感器模块根据这些数据感道路车道线信息。363515期管欣，等:用于车辆电子控制系统开发的仿真环境2.2驾驶工况设置模块驾驶工况设置模块主要功能是:（1选择驾驶场景，如是高速公路场景还是乡村道 路场景。（2设置交通工况，选择被试车辆和交通车辆的数目，运行轨迹和速度。（3为 被试车辆和交通车辆选择传感器。（4设置被试车辆的控制逻辑，选用驾驶员模型或 使用硬件系统在环仿真。如图 4和图5所示。被试车辆和交通车辆在虚拟的道路上 周围的环境也随着到道路移动，以形成被试车辆需要的交通环境。图4被试车辆一”" 设置车辆运行轨迹图5设置车辆控制系统2.3车辆动力学模块车辆动力

10、学模块是选择被试车辆和交通车辆的数学模型以及模型参数。车辆模型可以选用简单的辆模型也可以选择复杂的实时车辆模型。为了提高仿真计算速度 和进行硬件在环仿真。交通车辆通常选用简单的三自由度车辆模型进行仿真计算。图6是三自由度车辆模型的示意图。被试车辆（主车则选择复杂的实时车辆模型，如Carsi m ,V edyna 等模型3,4。本文介绍的仿真环境可以调用Carsi m进行联合仿真。2.4传感器模块传感器的主要作用是感知车辆的状态信息和车辆周围的环境信息，并将这些信 息通过标准接口输出到控制系统中。传感器设置模块的功能就是图6三自由度车辆模型将传感器和仿真车辆绑定。一个仿真车辆可以安装多种类型的传

11、感器，如雷达传感器，视觉传感器，导航系统等。传感器模块在仿真环境中具有连接各个模块的重 要作用。下面，以雷达传感器和自适应巡航控制为例，介绍传感器模块和控制系统模 块的集成方法。雷达传感器的主要作用是感知被试车辆前面的障碍物信息，感知其它车辆相对 于本车的相对位移和相对速度，并将这些信息提供给控制模块。目前，雷达传感器广 泛应用于车辆自适应巡航控制和车辆主动防碰撞控制系统中。表1是雷达传感器的主要参数，这些参数在用户界面设定，如图7所示。表1雷达传感器主要参数参数名称参数数值探测距离120m方位角-88(b高程角-44(b工作频率10H z尺寸1077753m m3图7设置雷达传感器参数363

12、6科学技术与工程10卷2.5控制系统模块控制系统模块通过标准接口集成到仿真环境的控制环中。标准接口包括软件接 口和硬件接口。接口输出交通环境下车辆的周围环境信息，包括车道线信息，交通标志信息，障碍物信息等,还输出车辆的位置，姿态,速度和加速度信息。控制模块通过接 口向车辆动力学模块输出控制信号。3自适应巡航控制自适应巡航控制（ACC是一种常用的驾驶员辅助系统，它主动干预车辆的纵向控 制。如果车辆与前车之间的距离小于预设的最小距离 ，那么,它们会迫使车辆减速；如 果前后两车之间的间隔距离足够远，它们就会把车辆加速到设定的速度。现有的自 适应巡航控制系统特别适合车流密度较小的道路，例如快速道路或高

13、速公路。这些 系统利用一个雷达传感器探测本车当前车道内前方目标车辆信息，这个方法的缺点是不能应用于具有较大曲率道路的环境内。为了适应繁忙的都市道路，自适应巡航控制系统必须采用更多的传感器获得车辆周围的交通信息68图8多目标跟踪ACC示意图本文介绍的仿真环境可以用来测试复杂交通工况下的自适应巡航控制系统的性 能。环境提供的传感器模块感知车辆周围的环境 ，保持和跟踪多个目标。图8是 个多目标跟踪和决策的ACC示意图。从图中可以看出。传感器将探测到的目标信 息输入到一个多目标跟踪滤波模块6,7多目标跟踪滤波模块用来跟踪，保持或消除组合所有进入或离开传感器探测范围的目 标物体。状态估计技术用来光滑测量

14、数据和提高准确度。多目标跟踪滤波模块给出的信息不能直接输出到ACC控制模块因为ACC只能跟随一个前方车辆。这样必须决定目标车辆集合中哪一个是主要的车辆。主要目标车辆可以 使用给定的模糊规则来选择。主要目标车辆的选择需要额外的信息，如目标车辆的 横摆角速度。这些额外的信息通过车载通讯传感器获得。4仿真算例给出一个交通工况下自适应巡航控制的仿真算例。这个仿真算例包含四个车辆 其中一个是被试车辆（P HV，其它三个是交通车辆（S T V。被试车辆具有自适应巡 航控制系统，车辆动力学模型选用Carsi m模型。交通车辆使用三自由度单轨模型。 所有的交通车辆由驾驶员模型驾驶。仿真环境自动生成计算所需要的

15、Si m u li n k计算模型。被试车辆的自适应巡航控制系统通过标准接口在Si m ulink中和其它仿真环境自动生成的模块集成到一起，如图9所示。图9计算模块仿真开始前，设定被试车辆和仿真车辆的预期运行轨迹和预期速度。被试车辆PHV和交通车辆S T V 3直线行驶。交通车辆ST V1先是直线行驶,在仿真运行20s 后作角阶跃输入仿真。交通车辆 S TV2换道突然行驶到被试车辆前面，然后又突然 驶出被试车辆的雷达探测范围，如图10所示。被试车辆的巡航速度设为 60km /h，安 全距离设为15m。仿真结果如图11至图14所示。363715期管欣，等:用于车辆电子控制系统开发的仿真环境00(

16、行驶距离r/(m)20246500 - 000-50(Esffis罷、STV3STV2 / I III 44 I HIPHV图11仿真车辆的-2、TV1-40500I 000行驶距离A7(m)仿真车辆运行轨迹图11仿真车辆的()-4o运行速度STV2PHV、ST VISTV3/5001 000行驶距离A7(m)图13_4105001 000行驶距离A7(m)STV2PHVSTV341 5(被试车辆的纵向加速度图15-25001 000行驶距离A7(m)主目标的相对距离图14主目标的相对速度从上面的仿真结果可以看出，环境提供的传感器模型是正确的，可以应用于复杂交通工况下车辆控制系统的仿真验证。仿

17、真系统具有动画演示的功能，可以直观地观测交通环境下车辆的反应。2 0 2I500图15动画演示,STV1翅2'111应0B| 1 !传感500行驶距离A7(n行驶距离"传感器没有探测到目标图16动画演示，传感器探测到目标器的探测范围用半透明的棱锥表示。当没有探测到目标时，棱锥为绿色，而当探测到目标时，棱锥为红色。如图15和图16所示。5结论本文介绍了一个用来开发和测试交通工况下的电子控制系统性能的仿真环境。给出了仿真环境的整体结构，并介绍了仿真环境的各个组成模块的功能。仿真环境提供了标准接口，包括软件接口和硬件接口。用户使用标准接口将控制系统集成3638科学技术与工程10卷1

18、5期管欣,等：用于车辆电子控制系统开发的仿真环境4 V edyna 3 7 U serManua: TESIS, G er any 2003.1 m . 5 Au to ot ive Users Stories m , 363到仿真环中。 本文给出了一个自适应 巡航控制的 仿真算例。仿真结果 表明本仿真环境 可以应 用于模拟交通工况下电子控制系统的仿真和验证，达到了项目设计要求。参1管欣,张 The M athworks website, h ttp: / /w . ww m athworks com / indu stries / auto /u sers tories ht l . . m

19、 6 M R, R ko Ibe U M u Iti2target mu Iti2ob ject track ing sensor f sion bus . , u of radar and in frad I . EEE In tell ige n t Veh icles Sy pos ium Un iv ofPar m 2考 文献 m a, 2004: 732 737 7 M iyahara S. R adar ased Target Track ingM ethod App lication to R e2 2b : al R oad0, SAE World C on gress Det

20、ro it 2005,8 Ca nveney D B ryan Feld m an J k arl H edrick Co prehens ive fram e2 . , . m work form u ltisensor mu lt itarget track ing in the adapt ive cru ise control environm ent Proc of the 6th International Symposium on AVEC, . 2002 697 702 :威,林柏忠.车辆实时 动态仿 真模型 的研究. 江苏大学学报,2004 25 ( 3: 203 207 ;

21、 2张威.非水平路面汽车动力学实时 仿真计算 的研究.长春:吉 林大学,2004 3 C arsi Userm anu a:l M echanical Si u lation Corporat ion U SA 2005 m m , . A Sim u latio n E nvironm en t for the T est of V eh icle E lectro n ic C on trol System s GUAN X in Z , HANG Su2 in ZHAN Jun m , ( State K ey Laboratory ofAu to ob ile Dynam ic Si

22、u lat ion, Jilin Un ivers ity Changchun 130025, P. R. Ch ina m m , Ab stract A si u lation environment for the development and test of vehic le e lectro n ic control systems is pres2 m en ts The virtual reality si u lati on environment has the ability to si ulate tra ffic driv in g condit ions and critica l dr iv2 . m m ing cond iti ons and covers soft are2 in 2the loop and hardware2 in 2the2loop test capabilit ies.