设计用于车辆开发研究的驾驶模拟系统.doc

设计用于车辆开发研究的驾驶模拟系统周奇智（长安大学 汽车学院，陕西 西安）摘 要：开发车辆驾驶模拟器是基于分布式虚拟现实技术的驾驶模拟器的研究，主要通过虚拟现实环境和计算机控制技术，将汽车模型导入到虚拟环境中。根据用户的输入控制命令，对汽车模型进行运动学、动力学分析及汽车虚拟试验系统的设计。利用在虚拟场景中“虚拟再现汽车试验过程” 的数据来分析，用户通过各种传感器感受并体验该车的性能，得出性能的评价。根据评价进行修改模型参数，该过程可不断重复，进行汽车参数的修改，直至汽车获得最佳效果。关键词：虚拟现实技术 虚拟环境 驾驶模拟器 模型仿真The Design of Using for Research and Development of Vehicle Driving Simulation SystemAbstract: The development of vehicle driving simulator studies based on distributing virtual reality driving simulator, mainly through virtual reality environment and computer control technology .Make the vehicle model go to virtual environment .According to input control commands of the users to design model of car about vehicle kinematics、dynamics analysigs and virtual test system. It is use for virtual scene about a processing of virtual cars test” to analyse dataes. The users feeling car performance through a variety of sensors , finally make decision . According to evaluate and modify model parameters, the vehicle parameters were modified so as to adjust to changes repeated even get to the best.Key words: Virtual reality technology; Virtual environment; Driving simulator; Model simulation引言 用虚拟现实技术开发法驾驶模拟器（Driving Simulator）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，用真实驾驶员进行仿真驾驶，以视、听、触觉等作用于用户，使之产生身临其境的沉浸、交互感，人车环境融为一体，可直接感受汽车的振动、倾斜、噪声等效果，无危险和损坏进行碰撞、翻倾等极限试验,改进了抽象的数值曲线仿真，突破了难以用数学模型来表达的错综复杂的驾驶员感受与反应等问题,在设计的早期及时发现潜在的问题，进行调整修正、实现优化，具有节省资金、可重复性、无风险性等优点，有利于汽车设计及实验方法的及时改进，具有重大的社会效益和经济效益。在国内，驾驶模拟器经历了一个引进国际产品到自主研发的一个漫长发展过程，虽然一些公司开发了驾驶模拟器，但与国外产品相比有很大的差距。目前，国内研制的高校有吉林大学，北京航天航空大学、国防科技大学，中国航空精密研究所、东南大学、昆明理工大学等高校。尽管北京航空航天大学研制的MCGI 9410T 计算机成像系统、航空精密机械研究所研制的QMCGI汽车驾驶训练模拟系统较为有代表性，吉林大学建设的具有六自由度运动系统的开发型车辆驾驶模拟器其规模和性能居世界先进水平但是总的说来还存在开发技术含量低1 。本文研究的驾驶模拟器用模拟驾驶的效果，建立实现汽车模拟驾驶的汽车动力学模型和操作稳定性试验、控制和碰撞分析等功能，能全面反映模拟汽车的运动姿态等特性。可在可在设计阶段对轿车的总体性能匹配和车身系统布置设计等进行直观、全面的仿真分析、评价和改进。1、 汽车动力学的研究汽车在行驶过程中,不仅受发动机驱动力影响,还要克服各种阻力等，而汽车的动力性又是汽车各种性能中最基本、最重要的一种性能，要建立汽车模拟驾驶系统的动力学模型需应用计算机对汽车的动力学性能进行模拟仿真，最关键的问题就在于计算是否与实际情况相符合。通过数学公式所以建立适当的、符合实际的模型，对于精确描述汽车动力系统的运动状态，提高仿真模拟精度是非常重要的。以下是对汽车在不同情况下的受力分析。汽车在起动时,受到水平方向发动机的驱动力F1,静摩擦力Ff,空气阻力(小)Fw,坡度阻力Fi(上坡时为阻力,下坡时则转化为动力,坡度为零时此力为零,下同)，加速阻力Fj。汽车在运行过程中受到发动机的驱动力Ft，滚动阻力Ff,空气阻力Fw,坡度阻力Fi,加速阻力Fj,在运动过程中踩刹车时还受制动力Fb。加速阻力Fj与制动力Fb不会同时存在。汽车在刹车时的受到发动机的驱动力Ft，滚动阻力Ff,空气阻力Fw,坡度阻力Fi，地面制动Fb，Fh手刹制动力Fh(手刹拉起时)作用。当汽车发生碰撞时，碰撞外力为Fo，是从视景计算机的碰撞检测中计算得到的。2、 汽车运动学方程车辆运动模型主要包括匀速运动、匀变速运动、摘空挡后滑行、踏下离合器踏板后车辆滑行等模型，在模拟驾驶系统的开发过程中，采用了动力学和运动学分析方法对汽车行驶过程进行研究，得出其动力学数学方程，利用数学公式以及后面采用的试验方案进行仿真并检验其仿真度。以汽车运动学方程为例2。为了分析汽车操纵稳定性的基本特性，通常将其简化为线性二自由度的汽车模型。分析中忽略转向系统的影响，直接以前轮转角作为输入；忽略悬架的作用，认为汽车车厢只作平行于地面的平面运动，即汽车沿z轴的位移，绕y轴的俯仰角与绕x轴的侧倾角均为零。并假设汽车沿x轴的速度u不变；汽车只有沿y轴的侧向运动与绕轴的横摆运动的两个自由度；汽车侧向加速度限定在0.4g以下，轮胎侧偏特性处于线性范围；驱动力不大，不考虑地面切向力对轮胎侧偏特性的影响；忽略空气动力的作用；忽略左、右车轮轮胎由于载荷的变化而引起轮胎特性的变化以及轮胎回正力矩的作用。分析（如图1）时，令车辆坐标系的原点与汽车质心重合。首先确定汽车质心(绝对)加速度在车辆坐标系上的分量。如图2，与为车辆坐标系的纵轴与横轴。质心速度于时刻在轴上的分量为，在轴上的分量为。由于汽车转向行驶时伴有平移和转动，在时刻，车辆坐标系中质心速度的大小与方向均发生变化，而车辆坐标系的纵轴与横轴的方向亦发生变化。所以，沿轴速度分量的变化为= （1）由于很小，忽略二阶微量，则有 （2） 对式上式除以并取极限，就可求出汽车质心绝对加速度在车辆坐标系轴的分量为 rtxutuauwqu-DD-D=Dlim0 （3）同理，沿轴速度分量的变化为 （4）整理得 （5）汽车质心绝对加速度在车辆坐标系轴的分量为（11）式中，为汽车绕轴的转动惯量；为汽车横摆角加速度。整理后得二自由度汽车运动微分方程式为 （6）由图1可知，二自由度汽车受到的外力沿轴方向的合力与绕质心的力矩和为 （7）由于很小,，所以式（459）可写成为 （8）式中，、为地面对前、后轮的侧向反作用力，即侧偏力；为前轮转角。因角较小，且和，则式（460）可改写为 （9）汽车前、后轮侧偏角与其运动参数有关。如图452所示，汽车前、后轴中点的速度为、，侧偏角为、，质心侧偏角为，。是与轴的夹角，质心侧偏角值为 （10）根据坐标系的规定，前、后轮侧偏角为 由此，可列出侧向外力及外力矩与汽车运动参数的关系式为 （12） 上式方程组虽简单，却包含最重要的汽车质量与轮胎侧偏刚度两方面的参数。所以，它能够反汽车曲线运动最基本的特征。 3、碰撞计算3重点对两车的碰撞问题进行分析，建立汽车事故的力学模型，进而推导其数学模型。汽车间的碰撞按其碰撞形式可分为：正面碰撞、追尾碰撞及斜碰撞，其中正面碰撞和追尾碰撞是一维碰撞，斜碰撞是二维碰撞。1) 一维碰撞假如己知两车碰撞前速度v10、v20及弹性恢复系数k，碰撞后的速度v1、v2可直接应用公式： （13） 如果追尾碰撞时车速不大，弹性变形不能忽略不计，那么仍然可以按正面碰撞中的式(6)求解碰撞后速度。2) 二维碰撞汽车二维碰撞是指汽车在碰撞后作非一维的平面运动的碰撞类型。汽车在二维碰撞的过程中，车体有纵向、横向平动和饶z轴横摆运动等三个自由度，采用状态空间表达方式将其数学公式描述为： （14） （15） （16） 4、汽车虚拟试验系统的设计文在查阅大量资料的基础上，进行了汽车虚拟试验系统的设计，并以操纵稳定性试验为例进行了开发，经实际试验与虚拟试验对比，虚拟试验比传统仿真数据处理具有更好的效果，人车环境融为一体，为研究车辆闭环系统提供了一个崭新的方法。下面进行详细介绍汽车虚拟试验系统是一个复杂的系统，在设计时遵循先进性、开放性、可靠性等基本原则，基于面向对象的设计思想，采取层次化、模块化、标准化的设计方法，使系统在保持功能实现的前提下，达到结构的合理化。 汽车虚拟试验系统主要由输入模块、虚拟试验模块以及输出模块三部分组成，如图43所示。把汽车模型导入到虚拟环境中，根据用户的输入控制命令，对汽车模型进行运动学、动力学分析，利用分析数据在虚拟场景中“虚拟再现汽车试验过程”，用户通过各种传感器感受并体验该车的性能，得出性能的评价，根据评价进行修改模型参数，该过程可不断重复，进行汽车参数的修改，直至汽车获得最优性能。下面对其进行简单描述。 系统框架结构图 34.1输入模块：主要是提供车辆、地面参数化模型等信息的输入，在该模块中，也可输入实车试验的数据，用于与虚拟试验比较。 4.2虚拟试验模块：主要由动力学分析模块，接口模块以及虚拟试验运行模块，动力学分析模块主要是根据车辆的参数化模型、驾驶员的行为实时计算车辆的性能参数，为虚拟试验模块提供仿真数据，虚拟试验运行模块主要是为用户提供逼真的虚拟试验环境，实现虚拟车辆在试验过程中的各种状态变化并将该信息反馈给用户。接口模块将车辆实时仿真运算部分、虚拟运行环境部分、传感器等接口设备以及用户有机连接成一体。 4.3性能评价模块：在该模块中，用户综合考虑不同工况下虚拟试验的各种感觉体验，对车辆的性能进行评价，根据评价结果修改车辆模型的参数，进行优化设计。该方法突破了以往评价标准难以建立、指标很难确定、可视化差等不足。在该模块中，也可对虚拟试验与实车试验的进行对比，根据差别对车辆模型进行修正。 （a）侧偏位移变化（b）方向盘转角、横摆角速度、侧向加速度的变化图4 单移线试验主要参数的变化轨迹图5虚拟单移线试验过程中的仿真场景与虚拟仪表变化5、虚拟试验系统的开发实例 以操纵稳定性的虚拟试验为例进行了开发。首先利用ADAMS/Car软件建立汽车的数字化虚拟样机，并对其进行了操纵稳定性仿真分析，虚拟试验环境采用WTK（World Tool Kit）以及Visual C+实现，虚拟仪表部分采用NI公司的Component Works组件实现5。把动力学分析的仿真数据传送到虚拟环境中来形象、逼真的实现试验，通过虚拟仪表来准确的显示数据的变化情况。采用人机交互技术，使用户不仅有视觉感官上的体验，还可以通过AGC-Viewer G立体观测系统，沉浸到虚拟试验环境中，真正体验汽车性能，从而进行汽车性能评价。 下面以车辆的操纵稳定性闭环试验中的单移线试验为例进行说明，利用ADAMS/Car,建立了某汽车的数字化模型,并根据单移线试验方法（如轨迹、速度等）设计了控制文件，在车辆动力学仿真过程中，该文件控制车辆使其沿着规定的路线行驶，然后从仿真分析结果中提取操纵稳定性的主要特征参数（如方向盘转角、横摆角速度，侧倾角和侧向加速度等）的数据，配合单移线试验的场景来动态观察车辆本身以及参数的变化。为使用户精确的知道汽车运动过程中的具体参数变化，增加了虚拟仪表的功能，利用虚拟仪表来配合虚拟场景，动态显示汽车在仿真过程中各个参数的变化。为更加逼真的实现场景的沉浸感，开发了双视口的立体场景显示效果，通过AGC-ViewerG立体观测系统，可沉浸在虚拟的试验场景中，感觉、体验试验过程。图44为动力学仿真分析结果（速度为100km/h），图45为虚拟单移线试验过程中的仿真场景与虚拟仪表变化6、总结文章分析介绍了作者在开发基于虚拟现实技术的汽车模拟驾驶系统中进行的动力学分析和仿真所需建立的相关动力学模型和汽车虚拟试验系统，为开发汽车模拟驾驶系统提供了有益的参考。在模拟驾驶系统中利用基于力学分析的动力学模型进行仿真，采用多体系统动力学分析软件获取车辆性能参数，虚拟实现车辆性能的试验系统，可完全实现 “室内虚拟试验”，是未来虚拟样机系统的扩展，通过连接一些控制设备，与虚拟场景相结合，可使用户感觉到汽车的振动、侧偏、侧倾