汽車性能測(cè)試仿真平臺(tái)的建立

1、汽車性能測(cè)試仿真平臺(tái)的建立    摘要： 為能夠快速地改善上述實(shí)車測(cè)試的缺失以及提供車輛進(jìn)行測(cè)試之后的相關(guān)評(píng)估性能指針并做為各車廠于開(kāi)發(fā)新車過(guò)程中之依據(jù)，不但能夠大幅度的縮短測(cè)試的時(shí)間，而且可以準(zhǔn)確地獲得該車輛的相關(guān)性能表現(xiàn)，這些都是建立汽車性能測(cè)試仿真平臺(tái)，進(jìn)行進(jìn)行車輛性能測(cè)試的目標(biāo)。 關(guān)鍵詞： 車輛；性能測(cè)試；仿真平臺(tái) 中圖分類號(hào)：U463.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：16717597（2011）031017202 1 仿真平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu) 在仿真實(shí)車測(cè)試性能過(guò)程中，駕駛者會(huì)被指定目標(biāo)道路軌跡去依循，并將測(cè)出的車輛動(dòng)態(tài)變量做為評(píng)估與分析車輛性能指針的用

2、途。因此，本研究根據(jù)上述目的來(lái)規(guī)劃建構(gòu)出一套車輛性能測(cè)試仿真平臺(tái)。 此車輛性能測(cè)試仿真平臺(tái)架構(gòu)包括了駕駛者動(dòng)態(tài)仿真模塊（driver motion model）、車輛動(dòng)態(tài)仿真模塊（vehicle dynamics model）、以及測(cè)試道路軌跡產(chǎn)生模塊（desired trajectory generation）。因此將上述模塊作結(jié)合的后，所獲得的車輛性能測(cè)試仿真系統(tǒng)也就能夠仿真真實(shí)駕駛者反應(yīng)于操作車輛進(jìn)行相關(guān)道路測(cè)試，同時(shí)根據(jù)量測(cè)出的相關(guān)車輛動(dòng)態(tài)響應(yīng)來(lái)做為評(píng)估與分析的車輛性能指針。 上圖1紅色虛線所包圍的區(qū)域即為本研究車輛性能測(cè)試仿真平臺(tái)的駕駛者動(dòng)態(tài)仿真模塊。其控制架構(gòu)是真實(shí)人類于操控車輛的

3、反應(yīng)行為，包括有駕駛者實(shí)時(shí)補(bǔ)償控制動(dòng)態(tài)以及預(yù)期控制動(dòng)態(tài)行為反應(yīng)，最后再根據(jù)上述動(dòng)態(tài)來(lái)規(guī)劃出適合的駕駛者動(dòng)態(tài)仿真模塊。而圖1的架構(gòu)中，駕駛者實(shí)時(shí)補(bǔ)償控制動(dòng)態(tài)能夠立即辨別出當(dāng)下車輛運(yùn)動(dòng)軌跡參數(shù)與目標(biāo)道路軌跡參數(shù)，并輸出前輪轉(zhuǎn)向角度?來(lái)調(diào)整車輛的動(dòng)態(tài)行為以達(dá)到依循目標(biāo)道路軌跡的目的；另外，駕駛者預(yù)期控制動(dòng)態(tài)則透過(guò)觀察即將到來(lái)的道路軌跡，并提前調(diào)整車輛動(dòng)態(tài)亦可達(dá)到依循目標(biāo)道路軌跡的目的。 2 實(shí)時(shí)補(bǔ)償控制動(dòng)態(tài)模型的建立 在駕駛者實(shí)時(shí)補(bǔ)償控制部分，駕駛者反應(yīng)會(huì)實(shí)時(shí)修正當(dāng)下車輛運(yùn)動(dòng)軌跡與目標(biāo)道路軌跡的間的誤差，并調(diào)整車輛動(dòng)態(tài)行為來(lái)追踨目標(biāo)道路軌跡，此種駕駛者反應(yīng)行為稱為駕駛者實(shí)時(shí)補(bǔ)償控制動(dòng)態(tài)（compen

4、satory control behavior）。駕駛者模型是以一個(gè)前饋暨回饋控制架構(gòu)來(lái)組成并用來(lái)仿真真人實(shí)時(shí)補(bǔ)償控制動(dòng)態(tài)的反應(yīng)行為。其中在回饋控制法則設(shè)計(jì)上，是以一個(gè)PID控制器以及延遲時(shí)間影響來(lái)做為駕駛者回饋控制動(dòng)態(tài)。 如上式所示， 為駕駛者實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)幕仞伩刂屏浚欢鴦t為車輛運(yùn)動(dòng)軌跡參數(shù) 與目標(biāo)道路軌跡參數(shù) 的間的差異；另外Kp、Ki以及Kd分別為PID控制器的大小、積分以及微分增益值，其中Kp代表駕駛者對(duì)依循道路軌跡誤差的修正幅度大小，Ki代表駕駛者抵消外界干擾（如迎風(fēng)力大小或地面平整度等），Kd代表駕駛者對(duì)依循道路軌跡誤差的修正速度快慢；最后的 則為駕駛者反應(yīng)延遲的轉(zhuǎn)移函數(shù)表示，其中Td

5、定義為駕駛者反應(yīng)延遲時(shí)間（driver delay time）。 車輛運(yùn)動(dòng)力學(xué)模型是如下圖所示的二次元四輪模型： 3 車輛動(dòng)態(tài)仿真 在進(jìn)行車輛性能測(cè)試的仿真時(shí)，本研究利用CarSim車輛動(dòng)態(tài)仿真軟件所建置的車輛動(dòng)態(tài)模型來(lái)進(jìn)行相關(guān)性能測(cè)試項(xiàng)目的仿真。其中CarSim軟件的車輛動(dòng)態(tài)仿真流程圖可表示為下圖。 如圖3所示。首先，左上角的圖形數(shù)據(jù)庫(kù)（Graphical database）是由車輛模型參數(shù)、控制輸入以及相關(guān)模擬設(shè)定所組成，并包含總共有140多種車輛相關(guān)數(shù)據(jù)的設(shè)定接口，且每個(gè)不同的設(shè)定接口都代表著不同的車輛數(shù)據(jù)。其次，在完成車輛相關(guān)的數(shù)據(jù)設(shè)定后，其內(nèi)建的車輛數(shù)學(xué)模型（Vehicle mash

6、 model）會(huì)根據(jù)相關(guān)車輛運(yùn)動(dòng)方程式（equation of motion）計(jì)算并輸出車輛相關(guān)動(dòng)態(tài)。最后，車輛動(dòng)態(tài)的仿真結(jié)果可以3D動(dòng)畫(huà)（Surface animator）來(lái)呈現(xiàn)，同時(shí)也可獲得仿真完的車輛動(dòng)態(tài)變量圖形（Engineering plotter）。由于CarSim車輛動(dòng)態(tài)仿真軟件內(nèi)建的車輛動(dòng)態(tài)模型涵蓋了車體、輪胎、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、懸吊系統(tǒng)、以及煞車系統(tǒng)等并建構(gòu)出一個(gè)多剛體的車輛動(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng)。因此，CarSim車輛動(dòng)態(tài)模型中總共有15個(gè)自由度，其中車身剛體部分使用了6個(gè)自由度，包含前向（forward）、側(cè)向（lateral）、垂直正向（Vertical）、滾動(dòng)（roll）、俯仰（pit

7、ch）以及橫擺（yaw）；而前后懸吊系統(tǒng)的各自垂直與滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)則占有4個(gè)自由度；每個(gè)輪胎的滾動(dòng)則使用了1個(gè)自由度，共4個(gè)自由度；引擎輸出軸的運(yùn)動(dòng)則是最后的1個(gè)自由度。 4 道路軌跡循跡誤差計(jì)算 本文在模擬車輛進(jìn)行測(cè)試過(guò)程中，駕駛者必須依照指定的道路軌跡來(lái)行駛并觀察出車輛運(yùn)動(dòng)軌跡與目標(biāo)道路軌跡的間的差異，最后再輸出前輪轉(zhuǎn)向角度以便調(diào)整車輛動(dòng)態(tài)行為來(lái)達(dá)成依循道路軌跡的目的。因此，根據(jù)駕駛者實(shí)時(shí)補(bǔ)償控制模型得知，駕駛者前饋暨回饋控制法則所輸出的前輪轉(zhuǎn)向角度?能夠提供給車輛動(dòng)態(tài)仿真模型來(lái)調(diào)整車輛動(dòng)態(tài)行為，最后使得車輛達(dá)到依循目標(biāo)道路軌跡的目的。其中，系統(tǒng)輸入的前輪轉(zhuǎn)向角度會(huì)直接影響車輛動(dòng)態(tài)仿真模型并產(chǎn)生

8、相關(guān)車輛動(dòng)態(tài)響應(yīng)，即車輛相對(duì)應(yīng)于車體坐標(biāo)（body-fixed coordinate system）的運(yùn)動(dòng)，然后此運(yùn)動(dòng)再進(jìn)行車輛相對(duì)應(yīng)于絕對(duì)坐標(biāo)位置（global coordinate system）的計(jì)算并獲得車輛實(shí)際行駛的道路軌跡參數(shù)并輸出前輪轉(zhuǎn)向角度來(lái)調(diào)整車輛的動(dòng)態(tài)行為以達(dá)到依循目標(biāo)道路軌跡的目的。若以定圓測(cè)試為例，當(dāng)車輛進(jìn)行測(cè)試并行駛于定圓道路軌跡上時(shí)，駕駛者實(shí)時(shí)補(bǔ)償控制動(dòng)態(tài)會(huì)去評(píng)估車輛運(yùn)動(dòng)軌跡的位置離開(kāi)目標(biāo)定圓道路軌跡中心的距離，此距離即為定圓道路軌跡的曲率半徑R，所以道路軌跡參數(shù)即為定圓道路軌跡的曲率半徑R。在經(jīng)過(guò)駕駛者的反應(yīng)判斷的后，其所輸出的前輪轉(zhuǎn)向角度?也就能夠調(diào)整車輛動(dòng)態(tài)行為來(lái)達(dá)到依循道路軌跡的目的。 參考文獻(xiàn)： 1韋作高，基于dSPACE的混合動(dòng)力汽車試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)D.重慶大學(xué)，2007. 2陳志鵬，混合動(dòng)力轎車控制系統(tǒng)建模與仿真D.合肥工業(yè)大學(xué)，2008. 3孟臣，基于MCGS和MATLAB的TPMS動(dòng)態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)D.山東理工大學(xué)，2010. 4陳偉，汽車振動(dòng)測(cè)試分析系統(tǒng)的研究D.河北工業(yè)大學(xué)，2007. 5趙海