應(yīng)用于駕駛模擬器的車輛動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)建模分析

1、應(yīng)用于駕駛模擬器的車輛動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)建模分析喬維高徐學(xué)進(jìn)周政權(quán)賈翠萍(武漢理工大學(xué)【摘要】駕駛模擬器具有安全性高、再現(xiàn)性好、容易設(shè)定各種試驗(yàn)條件以及節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn),近年來得到了廣泛的應(yīng)用。文章在開發(fā)駕駛模擬仿真系統(tǒng)的過程中,使用面向?qū)ο蟮姆椒▽④囕v系統(tǒng)分為發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系、制動(dòng)系、轉(zhuǎn)向系、懸架、車輪和車身等研究對(duì)象,分析了車輛模型的建立。最后給出了整車模型的求解流程?！局黝}詞】動(dòng)力學(xué)駕駛模擬器汽車 收稿日期:2007-08-200前言汽車駕駛模擬器是一種能正確模擬汽車駕駛動(dòng)作,獲得實(shí)車駕駛感覺的仿真設(shè)備。汽車駕駛模擬器,又稱為汽車模擬駕駛仿真系統(tǒng),它集合了傳感器、計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)通信、多媒體等先進(jìn)技術(shù),

2、具有安全性高、再現(xiàn)性好、容易設(shè)定各種試驗(yàn)條件以及節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn),是應(yīng)用于汽車產(chǎn)品開發(fā)、“人車路”交通系統(tǒng)研究的一種重要工具。車輛動(dòng)力學(xué)仿真是駕駛模擬仿真系統(tǒng)的基礎(chǔ),文章在汽車駕駛模擬器車輛動(dòng)力學(xué)軟件系統(tǒng)開發(fā)過程中,基于面向?qū)ο罄碚摻⒘塑囕v動(dòng)力學(xué)實(shí)時(shí)仿真模型。1建模思想本文所開發(fā)的駕駛模擬器主要用于道路交通安全仿真研究,所以車輛模型的規(guī)模和精度要求比用于汽車產(chǎn)品開發(fā)類的大型汽車駕駛模擬器要小,但更經(jīng)濟(jì)實(shí)用。為了使模型適合軟件程序的開發(fā)以及后期的維護(hù)和改進(jìn),選用了面向?qū)ο蟮慕７椒?該方法具有易讀、可重用、可擴(kuò)充和模塊化等優(yōu)點(diǎn)。為了精確地仿真汽車動(dòng)力學(xué)特性,必須考慮盡可能多的組成部分,采用更為復(fù)

3、雜的數(shù)學(xué)模型。但是這樣建立起來的微分方程非常復(fù)雜,給求解帶來很大困難,求解時(shí)間較長,難以滿足實(shí)時(shí)仿真的要求,而且也不便于以后對(duì)模型子系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。因此,結(jié)合研究需要對(duì)車輛系統(tǒng)進(jìn)行抽象簡化處理,基于面向?qū)ο罄碚?建立車輛動(dòng)力學(xué)實(shí)時(shí)仿真模型。根據(jù)具體對(duì)象和研究目標(biāo)確定模型的規(guī)模和與之相關(guān)的邊界條件,最后確定系統(tǒng)研究對(duì)象為發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系、轉(zhuǎn)向系、制動(dòng)系、車輪、懸架和車身等。圖1所示為車輛動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)成。這樣降低了各對(duì)象間的耦合度,使各部分動(dòng)力學(xué)方程的規(guī)模得到了簡化,在保證模型一定仿真精度的同時(shí)又滿足了仿真系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。圖1車輛動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)構(gòu)成2車輛對(duì)象模型的建立在仿真模型中,將車身和4個(gè)車輪看作剛體

4、,其它對(duì)象如傳動(dòng)系、制動(dòng)系等都只起到傳遞力和力矩的作用而本身沒有質(zhì)量和外形。所建立的整車模型共有11個(gè)自由度,具體包括:車身質(zhì)心的3個(gè)平移運(yùn)動(dòng),車身繞質(zhì)心的3個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),前輪繞自身旋轉(zhuǎn)軸的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與繞主銷軸的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng),兩個(gè)后輪繞自身旋轉(zhuǎn)軸的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。整車模型基于水平路面建立,且只考慮由車速引起的空氣阻力。下面討論車輛模型的各組成部分。2.1發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車的動(dòng)力源。發(fā)動(dòng)機(jī)最主要的功能特征是它在某一轉(zhuǎn)速下輸出轉(zhuǎn)矩的大小。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知時(shí),仿真過程可以利用最小二乘法構(gòu)造多項(xiàng)式擬合發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系曲線得到轉(zhuǎn)矩的大小。發(fā)動(dòng)機(jī)主要是接受來自點(diǎn)火開關(guān)和油門控制輸入,也受

5、離合器結(jié)合狀態(tài)的影響。模型中,使用油門踏板位移作為發(fā)動(dòng)機(jī)的輸入變量。發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩至離合器然后再經(jīng)傳動(dòng)系傳到驅(qū)動(dòng)車輪。2.2傳動(dòng)系2.2.1離合器離合器是汽車傳動(dòng)系的一個(gè)組成部分。在仿真模型中應(yīng)用的是干摩擦式離合器。建模時(shí),通過數(shù)學(xué)方法擬合出離合器所傳遞的扭矩與離合踏板行程之間的線性關(guān)系。2.2.2變速器變速器可分為兩種:自動(dòng)變速器和手動(dòng)變速器。該仿真模型中使用的是手動(dòng)變速器,在建模時(shí)直接通過每檔所對(duì)應(yīng)的傳動(dòng)比來表達(dá),倒檔傳動(dòng)比為負(fù)數(shù)。2.2.3主減速器主減速器作用和變速器有點(diǎn)類似,但主減速器的主減速比是固定的,所以模型的建立比較簡單。2.3制動(dòng)系制動(dòng)系的結(jié)構(gòu)各不相同,有液壓式、真空助力式、壓

6、縮空氣式等,建模時(shí)如果考慮制動(dòng)系的實(shí)際結(jié)構(gòu),模型相當(dāng)復(fù)雜。這里只考慮具體制動(dòng)功能的實(shí)現(xiàn),即由一個(gè)輸入得到一個(gè)制動(dòng)力矩的輸出。所以建立制動(dòng)系實(shí)時(shí)仿真模型時(shí),通常是通過試驗(yàn)數(shù)據(jù),用數(shù)學(xué)方法擬和出制動(dòng)器制動(dòng)力與制動(dòng)器踏板位移之間的關(guān)系。2.4轉(zhuǎn)向系轉(zhuǎn)向系在工作時(shí),自身存在一定的剛度和阻尼。并且,前轉(zhuǎn)向輪的左右輪轉(zhuǎn)向時(shí)的角度也不一樣。在建模過程中,如果考慮到上述因素,模型的計(jì)算量較大。但如果忽略轉(zhuǎn)向系的剛度和阻尼,將其簡化為一個(gè)完全剛性的系統(tǒng),即得到轉(zhuǎn)向系的線性轉(zhuǎn)向模型,則模型在仿真效果上較差。因此,在建模時(shí)為了提高仿真度又能滿足實(shí)時(shí)性要求,作了較為折衷的選擇,即考慮部分轉(zhuǎn)向系統(tǒng)剛度和阻尼的特性。2.

7、5懸架建模時(shí),從懸架系統(tǒng)的整體特性入手,按側(cè)傾中心的方法建立模型。我們不必考慮懸架的具體結(jié)構(gòu),簡化了模型的復(fù)雜度,同時(shí)得到了比較滿意的仿真效果。2.6車身車身是駕駛模擬的重點(diǎn)研究對(duì)象。針對(duì)駕駛模擬器應(yīng)用于道路交通安全仿真研究這一特點(diǎn),建立6自由度車身動(dòng)力學(xué)模型,可以比較全面地表達(dá)瞬時(shí)的車身運(yùn)動(dòng)狀態(tài),保證了回路的閉環(huán)交通系統(tǒng)仿真研究的準(zhǔn)確性。在建模時(shí),令車輛坐標(biāo)系的原點(diǎn)與汽車質(zhì)心重合且汽車左右對(duì)稱,將汽車所受的力、力矩等沿車輛坐標(biāo)系的x、y、z軸分解,就可以得到汽車在各軸線上的運(yùn)動(dòng)微分方程。由微分方程可以求得車身質(zhì)心加速度和角加速度在車輛坐標(biāo)系中的值,然后通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換可以得到車身質(zhì)心在地面坐標(biāo)系

8、下的速度和加速度,最后可以通過積分求得車身質(zhì)心在地面坐標(biāo)系中的位置和姿態(tài)角,即得到了車身瞬時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。2.7車輪車輪可分為車輪和輪胎兩部分,是汽車行駛系的重要組成部分。驅(qū)動(dòng)時(shí),驅(qū)動(dòng)車輪接收發(fā)動(dòng)機(jī)傳來的驅(qū)動(dòng)力矩和轉(zhuǎn)速。制動(dòng)時(shí),車輪會(huì)受到制動(dòng)力矩作用;轉(zhuǎn)向時(shí),轉(zhuǎn)向輪還要接收轉(zhuǎn)向系傳來的轉(zhuǎn)角輸入;結(jié)合具體的路面條件輸入,共同決定了車輪在某一時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。輪胎是汽車與路面保持直接接觸的唯一部件,所以所有施加在車身上的力都源自于輪胎力。整車的牽引力和操縱力等都要經(jīng)過輪胎模型來表達(dá)。在很大程度上,車輛動(dòng)力學(xué)描述的準(zhǔn)確與否就取決于所用的輪胎模型能否準(zhǔn)確有效地表達(dá)出輪胎上的作用力特性。為了使駕駛模擬更接近

9、車輛的真實(shí)行駛情況,這里采用了“魔術(shù)公式”輪胎模型?！澳g(shù)公式”是用三角函數(shù)的組合公式擬合輪胎試驗(yàn)數(shù)據(jù),用一套形式相同的公式就可以完整地表達(dá)輪胎的縱向力、側(cè)向力、回正力矩、翻轉(zhuǎn)力矩、阻力矩以及縱向力、側(cè)向力的聯(lián)合作用工況,故稱為“魔術(shù)公式”。應(yīng)用“魔術(shù)公式”輪胎模型簡化了程序的編碼過程?！澳g(shù)公式”的一般表達(dá)式為: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 可以是側(cè)向力、回正力矩或者縱向力;自變量x 可以在不同的情況下分別表示輪胎的側(cè)偏角或縱向滑移率;系數(shù)B 、C 、D 依次由輪胎

10、的垂直載荷和外傾角來確定,根據(jù)所求輸出的不同,各種情況下公式所需的系數(shù)個(gè)數(shù)也不同。圖2所示為基于“魔術(shù)公式”的輪胎模型的輸入和輸出變量。即得到任一時(shí)刻的縱向滑移率、側(cè)偏角、外傾角和車輪垂直載荷這些參數(shù)后,便可以通過公式計(jì)算得到作用在輪胎上的力和力矩。 圖2“魔術(shù)公式”輪胎模型的輸入和輸出變量該模型認(rèn)為輪胎在垂直、側(cè)向方向上是線性的,阻尼為常量,這在側(cè)向加速度不大于0.4g 和側(cè)偏角不大于5°的工況下對(duì)常規(guī)輪胎具有很高的擬合精度。此外,由于“魔術(shù)公式”基于試驗(yàn)數(shù)據(jù),除在試驗(yàn)范圍的高精度外,甚至在極限值以外一定程度仍可使用,可以對(duì)有限工況進(jìn)行外推且具有較好的置信度。3整車模型的求解流程應(yīng)

11、用在駕駛模擬器上的整車動(dòng)力學(xué)模型的求解過程如圖3所示。發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火后,根據(jù)油門踏板行程,輸出相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速至傳動(dòng)系。傳動(dòng)系根據(jù)離合踏板位置及所在檔位,向驅(qū)動(dòng)輪輸出相應(yīng)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。在制動(dòng)工況下,則通過制動(dòng)踏板行程得到相應(yīng)的制動(dòng)力矩作用在前后輪上。如需改變直線行駛狀態(tài),則給轉(zhuǎn)向盤一個(gè)輸入通過轉(zhuǎn)向系得到轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角輸出。結(jié)合路面條件輸入,可得到某時(shí)刻的車輪運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。由車輪運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和車輛其它特征參數(shù)得到“魔術(shù)公式”的輸入?yún)?shù):縱向滑移率、側(cè)偏角、外傾角和車輪垂直載荷,通過“魔術(shù)公式”計(jì)算可以得到作用在輪胎上的力和力矩。這些力和力矩由車輪傳給懸架,最后傳給車身,通過對(duì)車身進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析得到車身瞬時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀

12、態(tài)。對(duì)由車身運(yùn)動(dòng)引起的懸架運(yùn)動(dòng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,可得到車輪的運(yùn)動(dòng)約束關(guān)系。再結(jié)合其它條件共同構(gòu)成車輪的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),進(jìn)入下一循環(huán)的計(jì)算。圖3整車模型求解流程圖4結(jié)語基于面向?qū)ο罄碚?結(jié)合車輛各子系統(tǒng)的功能及相關(guān)邊界條件,建立了應(yīng)用于駕駛模擬器的車輛動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)仿真模型。由于面向?qū)ο蠓椒ǖ氖褂?簡化了車輛動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)軟件程序的開發(fā)過程,以及后期的維護(hù)和升級(jí)。并且在仿真模型中采用“魔術(shù)公式”輪胎模型,能夠比較準(zhǔn)確地表達(dá)在仿真運(yùn)行過程中輪胎與地面間的相互作用。整車模型的精度達(dá)到了研究需求,為道路交通安全仿真研究打下了基礎(chǔ)。但模型中仍然有些不足之處,希望在以后的研究過程中不斷完善。參考文獻(xiàn)1尹念東.汽車駕駛模擬

13、器研究現(xiàn)狀與技術(shù)關(guān)鍵.湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2002.122熊堅(jiān),曾紀(jì)國,管欣.駕駛模擬器用于交通系統(tǒng)仿真的研究.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2001.113李陶深,趙文靜.面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)與方法.武漢:武漢理工大學(xué)出版社,20034余志生.汽車?yán)碚?北京:機(jī)械工業(yè)出版社,19965陳家瑞.汽車構(gòu)造(下冊(cè).北京:人民交通出版社,20006王偉,吳超仲,嚴(yán)新平等.汽車駕駛模擬器動(dòng)力學(xué)仿真建模.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(信息與管理工程版,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