智能网联汽车仿真与测试课件：动态元素仿真之车辆动力学建模

动态元素仿真之车辆动力学建模SimulationandTestingofIntelligentNetworkedVehicle智能网联汽车仿真与测试目录Contents车辆建模方法01车辆动力学模型02PanoSim中的车辆动力学模型03VehicleBuilder车辆编辑器04车辆建模方法01一、车辆建模方法车辆建模的最终目的是获得各系统的数学描述，该描述既需要考虑系统特性相关方面的研究，也要考虑系统组件之间的相互影响。01白箱建模02黑箱建模03灰箱建模根据对系统运行原理的显性表达程度可以将建模方法分为:1.白箱建模白箱建模或理论建模指的是利用数学表达式进行机理建模。其特点是：通过分析系统的结构特点和运行规律，运用已知的物理定律、定理或原理，如力学原理、牛顿定理、能量平衡方程、传热传质原理等，使用数学方法进行推导，使用数学公式建立的系统数学模型。这种方法需要对被建模系统有充分的了解。然而，现实中被建模的系统常常是高维度、非线性的，难以使用简单的数学表达式进行全面表达。因此，白箱建模一般只能用于较简单系统的建模。对于比较复杂的实际系统，这种建模方法实施较为困难。一、车辆建模方法2.黑箱建模黑箱建模指的是利用数据进行建模。其特点是：完全依赖被建模系统的输入和输出数据所提供的信息建立系统的数学模型，而不是其真实物理意义。这种方法的优点是不需要彻底了解系统的运行机理，且运行速度一般较快。但是，这种方法要求设计一个合理的试验以获取所需的大量信息。对于复杂系统，这种实验的设计是较为困难的。此外，对于黑箱模型，当输入数据不在此前建模的数据范围之内时，可能无法获得正确的输出。一、车辆建模方法3.灰箱建模考虑到白箱建模和黑箱建模的优缺点，在实际研究中，往往将两种建模方法相结合，机理已知部分(名义模型)采用白箱建模，机理未知部分采用黑箱建模，这种建模方法就是灰箱建模。这种建模方法的实现比一味追求从结构特点和运行规律出发建立机理模型的白箱建模要容易，也比只依赖数据的黑箱建模在可靠性、精度以及实际的利用价值等方面都要高很多。车辆动力学建模的主要方法是使用数学方程表达车辆行驶原理，属于白箱模型。一、车辆建模方法车辆动力学模型02二、车辆动力学模型力学主要研究作用于物体的力与物体运动的关系。车辆动力学是车辆力学的一个重要分支，主要分析车辆在道路上行驶过程中的运动行为和受力情况。车辆动力学模型在上个世纪已经相对成熟，并运用在了车辆设计和测试中。人们运用复杂车辆数学模型来仿真、开发车辆系统，在车辆动态控制系统的研发过程中就用到了车辆数学模型。1.车辆动力学建模的必要性建立的模型应尽可能真实地描述真实车辆的动态特性。车辆动力学模型是通过理论分析和抽象，建立整车、发动机、行驶系统、传动系统、悬架系统、路面与车轮相互作用等的模型方案。为了实现这一点，模型必须满足以下条件。01整车及其子系统的空间动力学和运动学。02车辆悬架的非线性运动学。03力元素的非线性及动态表达。04轮胎动态受力分析。二、车辆动力学模型二、车辆动力学模型在车辆动力学中，为了更好地描述车辆的运动，需要建立一个基于车辆的局部坐标系。原点常常定义为车辆的质心，或者后轴中点，如图所示。Yaw为横摆角，Roll为翻滚角，Pitch为俯仰角。一般称X方向为纵向，Y方向为横向，Z为垂向。2.车辆坐标系二、车辆动力学模型二自由度车辆动力学模型的两个自由度指的是横向上y轴的运动和绕z轴的转动，忽略了纵向x轴的运动。二自由度车辆动力学模型忽略车辆悬架，将整车简化为两个轮子，并假设轮胎的侧偏特性是线性的:车辆所受空气阻力只会对车身坐标系x轴方向上的运动有影响，y轴方向和沿着2轴的旋转不会受到空气力的影响;车辆在二维平面中运动，也就是在z轴方向上无速度。如图为二自由度车辆动力学模型简图。3.二自由度车辆动力学模型(1)轮胎侧偏特性

（2）动力学方程

二、车辆动力学模型轮胎侧片特性简图根据公式可通过计算每个步长车辆的横纵向运动情况,更新其位置，速度，加速度等参数。从而实现逼真的车辆动力学仿真。03PanoSim中的车辆动力学模型三、PanoSim中的车辆动力学模型PanoSim车辆动力学为27自由度的高置信度车辆动力学仿真软件，充分考虑车身、动力传动、悬架、转向、制动、轮胎的整车基础架构的车辆动力学建模，包含车身6个自由度，车轮上跳4个自由度，车轮旋转4个自由度，轮胎纵滑4个自由度，轮胎侧偏4个自由度，轮缸压力4个自由度，动力传动1个自由度。PanoSim车辆动力学开放了丰富的输入、输出接口，为ADAS算法或电控算法开发提供载体，目前支持34个输入控制信号接口及其对应的使能接口，228个状态变量输出接口。PanoSim车辆动力学模型的Simulink模型如图所示。01车辆动力学控制输入接口包括油门(Throttle)、变速器挡位(ModeTrans)、制动主缸压力(MasterCylinderPress_MPa)、方向盘转角(Steer)及其分别对应的使能信号输入。02另外为支持线控底盘开发，目前支持车轮转向、轮边驱动和轮缸压力控制接口及其使能开关。输出接口分类为10个子系统，分别是动力总成、制动系统、转向系统、簧上质量运动、悬架、轮胎、轮轴、路面等。三、PanoSim中的车辆动力学模型VehicleBuilder车辆编辑器04四、VehicleBuilder车辆编辑器双击PanoSim5安装包中的图标或从PanoExp界面点击“Tools-VehicleBuilder”启动VehicleBuilderGUI界面。VehicleBuilder启动时显示以下屏幕，车辆参数主界面功能分区，如图所示。所有的参数建议由专业的工程师进行设计并匹配。1.工具栏如上图所示，VehicleBuilder工具栏左侧中包括车辆工具、导入工具、外形工具、数据管理四个区域，工具栏右侧为帮助设置。四、VehicleBuilder车辆编辑器1.工具栏四、VehicleBuilder车辆编辑器（1）“VehicleTools”界面用于从系统数据库加载已有车辆信息。用户可以点击“Vehicle”按钮来加载车辆信息。点击后，会在右侧“VehicleDataset”属性面板显示PanoExp数据库中所含的所有车辆名称，用户通过选中车辆名称并长按拖动的方式加载车辆，如图所示。VehicleTools车辆工具1.工具栏四、VehicleBuilder车辆编辑器（2）加载车辆后，“ShapeTools”解封。选中点击“Shape”，会在右侧“ShapeDataset”属性面板显示PanoExp数据库中所含的所有车辆外形名称，用户通过选中外形名称并长按拖动的方式加载车辆外形，如图所示。ShapeTools外形工具1.工具栏四、VehicleBuilder车辆编辑器（3）“Save”下拉工具条“Save”按钮用于保存当前车辆的车辆动力学参数，“Saveas”用于在当前车辆的基础上修改后生成另外一辆新的车辆，并存储到系统车辆数据库，“DataManager”用于从数据库中删除，复制车辆，如图所示。SaveTools保存工具2.车辆系统四、VehicleBuilder车辆编辑器如图所示，该区域包含当前通用车辆模型系统拓扑结构，包括车身(Body)、空气动力学(Areodynamics)、动力总成(Powertrain)、制动(Brake)、转向(Steer)、悬架(Suspension).轮胎(Tire)7个子系统，其中动力总成又分为发动机(Engine)、变矩器(TorqueConverter)、变速器(Transmission)、差速器(Differential);悬架又分为前(Front)、后(Rear)分别建模；4个轮胎(LF/RF/LR/RR)单独建模。四、VehicleBuilder车辆编辑器（1）选中“Body”节点，中间信息区将显示当前车辆的车身尺寸，质量等相关参数信息，用户根据需要进行编辑，如图所示。Body车身2.车辆系统四、VehicleBuilder车辆编辑器（2）选中“Areodynamics”节点，中间信息区将显示当前车辆的空气动力学相关参数信息，用户根据需要进行编辑，如图所示。Aerodynamics空气动力学2.车辆系统四、VehicleBuilder车辆编辑器（3）选中“Powertrain”节点，中间信息区将显示当前车辆的动力总成驱动类别相关参数信息，目前动力学只支持默认参数值，不需编辑，如图所示。Powertrain传动系统2.车辆系统四、VehicleBuilder车辆编辑器（3）选中“Engine”节点，中间信息区将显示当前车辆的发动机息速和扭矩外特性相关参数信息用户根据需要进行编辑，如图所示。Powertrain传动系统——Engine发动机2.车辆系统四、VehicleBuilder车辆编辑器（3）选中“Transmission”节点，中间信息区将显示当前车辆的变速器速相关参数信息，用户根据需要进行编辑，如图所示。需要注意的是，目前默认支持换挡策略，挡位数至少为2。Powertrain传动系统——Transmission变速器2.车辆系统四、VehicleBuilder车辆编辑器（3）选中“TorqueConverter”节点，中间信息区将显示当前车辆的变矩器速比相关参数信息，用户根据需要进行编辑，如图所示。Powertrain传动系统——TorqueConverter变矩器2.车辆系统四、VehicleBuilder车辆编辑器（3）选中“Differential”节点，中间信息区将显示当前车辆的差速器速比相关参数信息，用户根据需要进行编辑，如图所示。Powertrain传动系统——Differential差速器2.车辆系统四、VehicleBuilder车辆编辑器（4）选中“Brake”节点，中间信息区将显示当前车辆制动系统相关参数信息，用户根据需要进行编辑，如图所示。Brake制动系统2.车辆系统四、VehicleBuilder车辆编辑器（5）选中"Steer"节点，中间信息区将显示当前车辆转向系统相关参数信息，用户根据需要进行编辑，如图所示。Steer转向系统2.车辆系统四、VehicleBuilder车辆编辑器（6）选中“Suspension(Front)”节点，中间信息区将显示当前车辆前悬架相关参数信息，用户根据需要进行编辑，如图所示。Suspension(Eront)前悬架2.车辆系统四、VehicleBuilder车辆编辑器（7）选中“Suspension(Rear)”节点，中间信息区将显示当前车辆后悬架相关参数信息，用户根据需要进行编辑，如图所示。Suspension(Rear)后悬架2.车辆系统四、VehicleBuilder车辆编辑器（8）选中“Tire(LF)”节点，中间信息区将显示当前车辆左前轮胎相关参数信息，用户根据需要进行编辑，如图所示。Tire(LE)左前轮2.车辆系统四、VehicleBuilder车辆编辑器（9）选中“Tire(RF)”节点，中间信息区将显示当前车辆右前轮胎相关参数信息，用户根据需要进行编辑，如图所示。Tire(RF)右前轮2.车辆系统四、VehicleBuilder车辆编