[發明專利]汽車動態底盤控制系統硬件在環仿真試驗臺

有效

• 申請號: 201710402031.3
• 申請日: 2017-06-01
• 公開（公告）號: CN107092245B
• 公開（公告）日: 2020-11-17
• 發明（設計）人: 馬暢;竇傳威;孫安寧;魏宏;熊云亮;吳光強;張亮修;王宇;郭炯珉;秦洋洋;金杰;鞠麗娟
• 申請（專利權）人: 上汽大眾汽車有限公司;同濟大學
• 主分類號: G05B23/02
• 分類號: G05B23/02
• 代理公司: 上海科律專利代理事務所(特殊普通合伙) 31290
• 代理人: 劉瑩

1.一種汽車動態底盤控制系統硬件在環仿真試驗臺，其特征在于：該仿真試驗臺包括宿主機、目標機、監控機、I/O數據轉換模塊、網絡接口卡、USBCAN接口卡，BDM下載器、DCC控制器、減振器電磁閥和電流采樣模塊，宿主機上基于Matlab/Simulink平臺搭建人-車-路閉環數字化仿真模型，通過RTW編譯模塊轉化為可執行的C代碼，下載到目標機的CPU中，DCC控制器通過I/O數據轉換模塊與目標機保持通訊，DCC控制器實時采集目標機中的人-車-路閉環數字化模型數據，DCC控制器的輸出控制減振器電磁閥，電流采集模塊實時采集減振器電磁閥的控制電流信號，并通過I/O數據轉換模塊反饋給目標機，形成閉環回路；仿真試驗臺對不同工況和不同模式下的控制效果進行評價，每次仿真結束，給出相應的評價結果；

所述宿主機上基于Matlab/Simulink平臺搭建人-車-路閉環數字化仿真模型，在分析車輛多系統耦合的復雜非線性動力學行為特性的基礎上，實現車輛縱-側-垂向動力學非線性模型的數學理論解析和仿真建模，包括以下步驟：1）建模假設；2）動力傳動系統建模；3）車體建模；4）懸架建模；5）輪胎建模；6）駕駛員建模；

其中：

1） 建模假設，包括a）簡化動力傳動系統建模過程；b）忽略車輪定位參數不對稱的影響，假設懸架中心距和輪距相等；c）假設側傾中心和俯仰中心都位于汽車縱向平分面上，且側傾軸線位于俯仰軸線上方；d）忽略簧下質量的側傾和俯仰運動；e）假設簧下質量和簧上質量在垂直方向是彈性連接的，在水平方向是剛性連接；

2）動力傳動系統建模：

為全面表征車輛實際工作過程中的發動機非穩態過程，在發動機穩態輸出特性基礎上加入具有滯后特性的一階慣性環節，得到發動機的動態扭矩特性，即：

；

式中，為發動機動態輸出扭矩，表示發動機的穩態扭矩特性函數，其為發動機轉速和節氣門開度的非線性函數，為時間常數，這里取；

發動機輸出力矩與輸出轉速之間的動力學關系為：

；

式中，為發動機轉動部件和離合器部分有效轉動慣量；為發動機轉動角加速度；為發動機飛輪輸出扭矩；為離合器輸入力矩；

所研究車輛裝備雙離合自動變速器，建模過程中不考慮雙離合器的接合/分離過程，認為發動機的輸出扭矩等于變速器的輸入扭矩，即

；

式中，為某檔位變速器轉動部件和傳動軸有效轉動慣量；和為變速器某檔位傳動角加速度和角速度；為車輪總的驅動扭矩；為變速器速比；為主減速器速比；為傳動系統傳動效率；為車輪角速度；

總的驅動力矩同時施加到兩前輪，滿足，車輪轉動動力學方程如下：

；

式中，為車輪等效轉動慣量；和分別為車輪轉動角速度和角加速度；為輪胎縱向力；為輪胎有效半徑；和分別為車輪的驅動力矩和制動力矩；為車輪轉動阻尼系數；分別對應左前、右前、左后和右后車輪；

3）車體建模

車體包括簧上質量和簧下質量兩部分，基于拉格朗日分析力學建立車輛縱-側-垂向統一動力學模型；車體部分共包含6個自由度，即簧下質量和簧上質量共有的縱向、側向和橫擺3個自由度，簧上質量具有的側傾、俯仰和垂向3個自由度；分別求出簧上質量和簧下質量的平動和轉動角速度，然后表示出各自的動能和勢能；

簧上質量的動能包括簧上質量的平動和轉動兩部分，即簧上質量動能：

；

同理，簧下質量動能由簧下質量的平動、轉動以及四個車輪的跳動構成的，即：

；

總的動能為簧上質量動能和簧下質量動能之和，即；

車體的勢能包括簧上質量高度變化產生的重力勢能：

；

式中，為簧上質量質心到非簧載質心的垂向位移；為簧上質量在其平衡點位置時的值；

將車體總的動能、勢能和耗散能量帶入拉格朗日方程，再對其求偏導數，即可得到車體的運動方程，得到六自由度車體模型的動力學方程：

；

式中，，和為系數矩陣，為車輛坐標系下的廣義坐標；為車輛坐標系下的廣義力；

若忽略空氣阻力，主要由地面輪胎力和懸架力產生，表示為：

；

式中，為系數矩陣，

為四個車輪在輪胎坐標系和方向的輪胎力，由輪胎模型得到；為四個車輪對應的懸架力，由懸架模型得到；

慣性坐標系下車輛的運動通過以下運動學關系得到：

；

式中，,為整車沿軸的縱向、側向速度；為整車沿軸的縱向、側向速度；為車輛的橫擺角度；

4）懸架建模：

求得懸架力和車輪的垂向載荷，并給出簧下質量的垂向運動方程；懸架力包括彈性元件的彈力、阻尼元件的阻尼力和橫向穩定桿的垂向作用力，各個車輪對應的懸架力表示為：

；

式中，為彈性元件的剛度系數；為減振器阻尼力，其與控制電流、減振器的相對運動速度有關；為橫向穩定桿產生的垂向作用力；為四個車輪的垂向位移；為簧上質量與四個懸架接觸點的垂向位移，可由車身俯仰角、側傾角、以及車輛幾何參數算出；

車輪與地面的接觸力為：

；

式中，分別為四個車輪與地面的接觸力，即車輪垂向運動的車輪動載荷；分別為各個車輪的剛度系數，為四個車輪對應的路面輸入；

在懸架力和車輪與地面接觸力的作用下，簧下質量的垂向運動方程為：

；

車輪垂向載荷由靜態法向力、縱向載荷轉移量、側向載荷轉移量和輪胎動載荷構成，即

；

式中，為四個車輪的垂向載荷；為車輛靜止狀態下四個車輪的垂向載荷；和分別為由車輛縱向載荷轉移和側向載荷轉移引起的車輪垂向載荷變化量；為四個車輪的輪胎動載荷；

5）輪胎建模：

輪胎模型是輪胎六分力與車輪運動參數之間的數學關系描述，其形式為：

；

其中，輪胎力與車輪垂向載荷、縱向滑動率、輪胎側偏角、路面附著系數和車輪外傾角有關；

6）駕駛員建模：

仿真時需要對車輛動力學模型的速度和行駛方向進行控制，速度控制采用PID控制，即

；

式中，為設定車速；為實際車速；為期望加速度；控制參數，，；

車輛動力學模型的行駛方向控制采用最優曲率駕駛員模型，根據駕駛員操縱特性，建立駕駛員特性參數和車輛模型參數之間的關系；

所述DCC控制器在DCC系統仿真過程中，給出各個減振器阻尼力的變化、減振器控制電流的變化，實時驗證控制策略、調整控制參數直到獲得滿意控制效果。