[發明專利]汽車底盤集成控制器硬件在環仿真試驗臺

無效

• 申請號: 200810040444.2
• 申請日: 2008-07-10
• 公開（公告）號: CN101308386A
• 公開（公告）日: 2008-11-19
• 發明（設計）人: 吳光強;楊林孟;邱緒云;謝晗;鞠麗娟
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: G05B23/02
• 分類號: G05B23/02
• 代理公司: 上海東亞專利商標代理有限公司
• 代理人: 陳樹德

1.一種汽車底盤集成控制器硬件在環仿真試驗臺，包括宿主機、 目標機、電控單元，其特征在于：

所述的宿主機上建立汽車整車九自由度動力學模型、輪胎路面模 型、液壓及制動系統模型、發動機及傳動系統模型，并建立用以評價 和優化控制策略的各行駛工況的數字仿真模型，轉化為C代碼格式， 經以太網由目標機接收下載到其CPU內，電控單元控制執行器的常 開閥和常閉閥及直流電機，通過PCL板卡接收當前電磁閥的狀態信 號，并通過PCL板卡反饋至目標機實時顯示各路控制信號和車輛狀 態信息，目標機同時通過以太網反饋至宿主機判斷實驗結果，建立由 電控單元進行控制的汽車底盤集成控制器硬件在環仿真試驗臺；

所述電控單元的控制指令，是由另外設置的PC機，根據汽車行 駛中環境背景、改變控制參數、編制控制程序，通過仿真頭燒結至電 控單元內，每編制一個控制程序，都要通過仿真頭燒結至電控單元內；

所述宿主機上建立多種工況數字仿真數學模型如下：

1)整車模型

首先需要建立汽車九自由度車輛底盤集成控制系統仿真模型，包 括車身的縱向、側向、橫擺，側傾，俯仰五個運動，四個車輪繞輪軸 的轉動；同時將模型劃分為三大子系統包括車身(簧載質量)、路面 輪胎系統、制動系統，制動系統包括壓力動態特性模型和制動器模型；

根據牛頓運動定律，對車輛縱向、側向、橫擺以及側傾運動進行 受力分析，可以得出各自由度的動力學微分方程如下：

max=Σi=14Fxi-12CdAfρau2---(1)]]>

m(v·+ur)+msh′p·=Σi=14Fyi---(2)]]>

Izzr·=a(Fy1+Fy3)-b(Fy2+Fy4)+T2(Fx1+Fx2)-T2(Fx3+Fx4)---(3)]]>

Ixxsp·+msh′ayu=msgh′sinφ-Kφφ-Cφφ·---(4)]]>

JWdω1dt=Md1-Mb1-Fx1R---(5)]]>

JWdω2dt=Md2-Mb2-Fx2R---(6)]]>

JWdω3dt=Md3-Mb3-Fx3R---(7)]]>

JWdω4dt=Md4-Mb4-Fx4R---(8)]]>

式中，φ為車輛懸掛質量關于側翻軸線的側傾角，并在推導方程 (4)時假設側傾軸線始終保持水平，a_x和a_yu分別為車輛質心絕對加 速度在車輛坐標系X方向和Y方向的分量，得：

ax=u·-vr,]]>ayu=v·+ur---(9)]]>

F_xi和F_yi分別為各車輪所受的在X方向和Y方向的作用力，它們 均表示為輪胎牽引力和側向力的函數，表達式為：

F_xi＝F_ticosδ_Ti-F_sisinδ_Ti??i＝1，2，3，4??????(10)

F_xi＝F_tisinδ_Ti+F_sicosδ_Ti??i＝1，2，3，4??????(11)

考慮車輛的靜態質量及由車輛的運動所引起的載荷轉移，各車輪 所受的法向載荷表達式為：

Fz1=W2[bl-axg(hl)+KR[aysg(hT)-(msm)(h′T)sinφ]]---(12)]]>

Fz2=W2[al+axg(hl)+(1-KR)[aysg(hT)-(msm)(h′T)sinφ]]---(13)]]>

Fz3=W2[bl-axg(hl)-KR[aysg(hT)-(msm)(h′T)sinφ]]---(14)]]>

Fz4=W2[al+axg(hl)-(1-kR)[aysg(hT)-(msm)(h′T)sinφ]]---(15)]]>

其中K_R為前懸側翻剛度占整車側翻剛度的比率，它決定著側向 載荷轉移在前后軸上的分配，a_ys為懸掛質量的側向加速度：

ays=v·+ur+msmh′p·---(16)]]>

另外，因為車輛坐標系和慣性坐標系之間存在如下的變換關系：

x=Xcosψ-Ysinψy=-Xsinψ-Ysinψ---(17)]]>

所以，車輛在慣性坐標系的速度表達式為：

x·=ucosψ-vsinψy·=-usinψ-vcosψ---(18)]]>

以上各公式中，A_f-車輛迎風面積，a-質心至前軸的距離，b-質 心至后軸的距離，l-軸距，a_x-縱向加速度，a_y-側向加速度，C_d-空 氣阻力系數，C_φ-側翻阻尼系數，F_x-車輪縱向力，F_y-側向力，F_z- 車輪法向力，F_s-輪胎側偏力，F_t-輪胎驅動力，g-重力加速度，h- 懸掛重量質心的高度，h′-懸掛重量質心至側翻軸線的距離，I_zz-車 輛關于Z軸的轉動慣量，I_xxs-懸掛質量關于X軸的轉動慣量，K_R-- 前懸側翻剛度比例系數，K_φ-車輛側翻剛度，m-整車質量，m_s-車輛 懸掛質量，p-側傾角速度，r-橫擺角速度，T-輪距，u-車輛縱向 速度，v-車輛側向速度，W-車重，R-車輪半徑，δ-轉向角，φ-側 翻角，ρ_a-空氣密度，ψ-橫擺角；

2)輪胎-路面模型

在純側偏、純縱滑工況下，作用在輪胎上的輪胎力可以表述為：

縱向力：

F_x＝Dsin(Carctan{B(1-E)(S+S_h)+Earctan[B(S+S_h)]})+Sv

其中S為縱向滑移率：

式中，ω-車輪轉速

V-車輪輪心速度

R-車輪滾動半徑

C＝b₀，曲線形狀因子

D＝μ_PF_z，峰值因子

μ_p＝b₁F_z+b₂

B.C.D=(b3Fz2+b4Fz)e-b5Fz]]>

E=b6Fz2+b4Fz+b8]]>

S_h＝b₉F_z+b₁₀

S_v＝0

F_z-車輪垂向載荷，單位：kN

側向力：

F_x＝Dsin(Carctan{B(1-E)(α+S_h)+Earctan[B(α+S_h)]})+Sv

式中α-側偏角，單位：度

γ-側傾角，單位：度

C＝a₀，曲線形狀因子

D＝μ_yPF_z，峰值因子

μ_yp＝b₁F_z+b₂

B.C.D＝a₃sin[2arctan(F_z/a₄)](1-a₅|γ|)

E＝a₆F_z+a₇

S_h＝a₈γ+a₉F_z+a₁₀

S_v＝a₁₁γF_z+a₁₂F_z+a₁₃

a₁₁＝a₁₁₁F_z+a₁₁₂

F_z-車輪垂向載荷，單位：KN

在制動和轉彎聯合工況下，

令σx=vsxVrσy=vsyVr]]>

當α＝0時，定義則縱向滑移率和側向滑移率為：

σx=vsxu-vsx=-σ1+|σ|σy=vsyu-vsx=tan(α)1+|σ|]]>

縱向滑移率和側向滑移率的修正值為：

σxtot=-σ1+|σ|-δσσytot=tan(α)1+|σ|+δα]]>

其中：

δσ=-Shδα=-Sh-SvBCD]]>

定義

σtot=σxtot2+σytot2]]>

則輪胎力學特性為：

Fx=σxtotσtot·Fx(σtot)Fy=σytotσtot·Fy(σtot)Mz=σytotσtot·Mz(σtot)]]>

其中：F_X為縱向力，F_Y為橫向力，M_Z為回正力矩；

3)液壓系統模型

利用系統的運行機理和運行經驗確定出模型的結構或結構的上 確界，確定部分參數的大小或可能的取值范圍，再根據系統輸入和輸 出數據，由系統辨識來估計和改善模型中的參數，使其精確化；

得出的液壓系統動態模型的統一描述表達式為：

dPwdt=1CeRe(Pm-Pw)κu1(t-τvp)-1CeRe′(Pw-Pr)κu2(t-τvp′)---(19)]]>

式中

P_w——輪缸的壓力

P_m——制動主缸的壓力

P_r——低壓蓄能器的壓力

C_e——增壓集中等效液容

C′_e——減壓集中等效液容

R_e——集中等效液阻

κ——增壓節流指數

κ′——減壓節流指數

t——時間

τ_vp——增壓時系統傳輸滯后時間

τ′_vp——減壓時系統船速滯后時間

u_i(i＝1，2)——電磁閥控制指令信號，其取值含義如下：

當u1=1u2=0]]>時，系統增壓

當u1=0u2=1]]>時，系統減壓

當u1=0u2=0]]>時，系統保壓

4)制動器模型

根據動力學基本原理，建立了用如下傳遞函數表示的制動器動力 學數學模型：

Tb(s)Pw(s)=KdAwrd1+2sζωn+s2ωn---(20)]]>

式中

T_b(s)——為制動力矩的拉氏變換

P_w(s)——為輪缸制動液壓力的拉氏變換

K_d——為效能因素

A_w——為活塞橫截面積

r_d——為有效半徑

ω_n——為系統固有頻率

ζ——制動器的阻尼系數

5)發動機模型

Pe=Σi=03Piωei---(21)]]>

式中，P_e為發動機的功率，ω_e為發動機的轉速，P_i為多項式的系數， 所以，發動機的輸出轉矩T_e為

Te=peωe---(22)]]>

即Te=Σi=03Piωei-1---(23).]]>