CN107274746A - 一种完整仿真汽车物理引擎控制系统 - Google Patents

Abstract

一种完整仿真汽车物理引擎控制系统，所述系统包括：汽车控制模块、汽车动力学模块、车轮模块、摄像机跟随模块和车辆环境模块；所述汽车控制模块用于抽象汽车驾驶行为并对该驾驶行为进行数据进行接口封装，通过调用接口，将数据发送给所述汽车动力学模块；根据真实物理引擎来模拟汽车，在转速的不同阶段会有不同的公式去实现，使汽车在行驶的过程中更平稳，更加符合真实性，同时，结合发动机惯量和转速调节系数，对轮胎摩擦、发动机启动做到了更好仿真效果。

Description

一种完整仿真汽车物理引擎控制系统

技术领域

本发明涉及一种完整仿真汽车物理引擎控制系统。

背景技术

目前，市面上的大多数仿真汽车物理引擎控制系统，都不是按照真实的物理反应做出的反馈，大部分都是通过各种途径对反馈的结果做仿真物理处理，另外，真实的汽车物理引擎，转速在不同的阶段，会有不同的反馈，现有仿真汽车物理引擎控制系统在这方面上没有很好的表现，都是用一个公式去实现它，公式单一，进而引擎的物理处理简单，会显得汽车在转速与最大扭矩的表现上存在有很大的缺陷，同时，在一些抓地力系数，车轮惯量等一系列辅助参数等方面，仿真汽车物理引擎控制系统也看不到有很好的表现，综上所述，现有仿真汽车物理引擎控制系统大大的降低了仿真驾驶的体验感。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提供一种完整仿真汽车物理引擎控制系统。

本发明提供的技术方案为：

一种完整仿真汽车物理引擎控制系统，所述系统包括：汽车控制模块、汽车动力学模块、车轮模块、摄像机跟随模块和车辆环境模块；

所述汽车控制模块用于抽象汽车驾驶行为并对该驾驶行为进行数据进行接口封装，通过调用接口，将数据发送给所述汽车动力学模块；

所述汽车动力学模块用于通过数据进行仿真输出，包括发动机模拟系统和传动模拟系统，所述传动模拟系统包括：离合器、变速箱、减速器和差速器模拟系统，所述发动机模拟系统用于配置对应的参数，基于当前转速计算出对应的扭矩，输出到所述传动模拟系统；所述传动模拟系统基于发动机传出的扭矩进行参数计算后，将数据输出到车轮模块；

所述车轮模块是基于Unity自带的车轮碰撞器(wheel collider)组件所组成的模块，其包括悬挂和车轮属性模拟配置系统，通过所述传动模拟系统计算出的结果并且结合车轮方向来完成汽车行驶的仿真输出；

所述摄像机跟随模块是基于Unity自带的可配置关节(configurable joint)组件所组成的模块。

所述车辆环境模块是基于Unity自带的物理材质(physicMaterial)组件所组成的模块。

优选的是，所述悬挂和车轮属性模拟配置系统用于配置质量、摩擦系数和汽车的转动半径信息。

优选的是，所述汽车动力学模块的仿真仿真输出包括：点火、熄火、油门开度、离合深度、刹车、档位、仪表指针数据输出、回正力矩反馈输出、雨刮仿真输出和灯光仿真输出。

优选的是，所述车轮模块还包括：第一反馈模块，用于通过根据车轮当前物理参数，通过悬挂系统仿真函数、车轮摩擦仿真函数和车轮回正力反馈仿真函数获得惯性力矩和反馈阻力矩，并将所述惯性力矩和反馈阻力矩反馈至所述发动机模拟系统。

优选的是，所述汽车动力学模块还包括：发送机调整模块，用于根据所述第一反馈模块反馈的惯性力矩和反馈阻力矩，通过所述发动机模拟系统的扭矩函数、发动机惯量函数以及发动机传动比函数向所述车轮控制模块输出修正后的车轮调节参数，并将当前发动机转速反馈至所述汽车控制模块。

优选的是，所述汽车控制模块还包括修正控制模块，用于根据所述当前发动机转速，通过所述内部函数调用修正所述发动机模拟系统的启动项修正仿真输出，并向所述车轮模块输出转向值指令、刹车指令、离合指令和/或手刹指令；

所述车轮模块还包括：指令执行模块，用于接收并执行所述转向值指令、刹车指令、离合指令和/或手刹指令。

优选的是，所述车轮模块还包括：第二反馈模块，用于通过车轮回正力反馈仿真函数计算回正力矩并反馈至所述修正控制模块；

优选的是，所述车轮摩擦仿真函数为魔术公式，所述模式公式Y(x)为采用三角函数的组合公式拟合轮胎实验数据，进而通过一套形式相同的公式表达轮胎的纵向力、侧向力、回正力矩、翻转力矩、阻力矩以及纵向力、侧向力的联合作用工况，其中

Y(x)＝Dsin[Carctan{Bx-E(Bx-arctan(Bx))}]

其中，Y(x)为是侧向力、回正力矩或者纵向力，自变量x为不同的情况下分别表示轮胎的侧偏角或纵向滑移率，系数B、C、D依次由轮胎的垂直载荷、外倾角来确定。

本发明的有益效果：

根据真实物理引擎来模拟汽车，在转速的不同阶段会有不同的公式去实现，使汽车在行驶的过程中更平稳，更加符合真实性，同时，结合发动机惯量和转速调节系数，对轮胎摩擦、发动机启动做到了更好仿真效果。

附图说明

图1为本发明的系统的结构示意图；

图2为本发明的系统KTA发动机的特性曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合具体实施例对本发明的实现进行详细描述。

图1示出了本发明提供的完整仿真汽车物理引擎控制系统，所述系统包括：汽车控制模块1、汽车动力学模块2、车轮模块3、摄像机跟随模块4和车辆环境模块5；

所述汽车控制模块1用于抽象汽车驾驶行为并对该驾驶行为进行数据进行接口封装，通过调用接口，将数据发送给所述汽车动力学模块2；所述汽车控制模块包括第一控制模块11和修正控制模块12，修正控制模块12用于根据所述当前发动机转速，通过所述内部函数调用修正所述发动机模拟系统的启动项修正仿真输出，并向所述车轮模块输出转向值指令、刹车指令、离合指令和/或手刹指令；第一控制模块11用于发送当前参数的基本指令。

所述汽车动力学模块2用于通过数据进行仿真输出，包括发动机模拟系统21、传动模拟系统22和发送机调整模块23，所述传动模拟系统21包括：离合器、变速箱、减速器和差速器模拟系统，所述发动机模拟系统21用于配置对应的参数，基于当前转速计算出对应的扭矩，输出到所述传动模拟系统22；所述传动模拟系统 22基于发动机传出的扭矩进行参数计算后，将数据输出到车轮模块3；所述汽车动力学模块的仿真仿真输出包括：点火、熄火、油门开度、离合深度、刹车、档位、仪表指针数据输出、回正力矩反馈输出、雨刮仿真输出和灯光仿真输出；发送机调整模块23用于根据所述第一反馈模块反馈的惯性力矩和反馈阻力矩，通过所述发动机模拟系统的扭矩函数、发动机惯量函数以及发动机传动比函数向所述车轮控制模块输出修正后的车轮调节参数，并将当前发动机转速反馈至所述汽车控制模块1，具体为车轮控制模块21；

所述车轮模块3基于Unity自带的车轮碰撞器(wheel collider)组件所组成的模块，其包括悬挂和车轮属性模拟配置系统，通过所述传动模拟系统计算出的结果并且结合车轮方向来完成汽车行驶的仿真输出；所述悬挂和车轮属性模拟配置系统用于配置质量、摩擦系数和汽车的转动半径信息；所述车轮模块还包括：第一反馈模块22，用于通过根据车轮当前物理参数，通过悬挂系统仿真函数、车轮摩擦仿真函数和车轮回正力反馈仿真函数获得惯性力矩和反馈阻力矩，并将所述惯性力矩和反馈阻力矩反馈至所述发动机模拟系统；所述车轮模块还包括：指令执行模块23，用于接收并执行所述转向值指令、刹车指令、离合指令和/或手刹指令；所述车轮模块还包括：第二反馈模块24，用于通过车轮回正力反馈仿真函数计算回正力矩并反馈至所述修正控制模块；

所述摄像机跟随模块是基于Unity自带的可配置关节(configurable joint)组件所组成的模块。

所述车辆环境模块是基于Unity自带的物理材质(physicMaterial)组件所组成的模块。

在使用过程中，所述汽车控制模块1，通过抽象汽车驾驶行为，进行接口封装，通过调用接口，向汽车动力学模块2传入操作行为参数，用于汽车动力学模块2计算进行仿真输出，所述仿真操作包括：点火、熄火、油门开度、离合深度、刹车、档位、仪表指针数据输出、回正力矩反馈输出、雨刮仿真输出、灯光仿真输出；

所述汽车动力学模块2包括发动机和传动系统，传动系统包括：离合器、变速箱、减速器、差速器。发动机配置对应的参数，基于当前转速计算出对应的扭矩，输出到传动系统；传动系统基于发动机传出的扭矩，经过一系列计算后输出到车轮模块3；

所述车轮模块是基于Unity自带的车轮碰撞器(wheel collider)组件所组成的模块，其包括悬挂和车轮属性配置，如质量、摩擦系数、半径等，通过传动系统计算出的结果并且结合车轮方向来完成汽车行驶的仿真输出；

其中，汽车动力学模块2中发动机扭矩函数是发动机转速(Revolutions PerMinute、RPM)的函数，其在依照真车发动机测绘的外特性曲线的基础上拟合曲线而成的，以经验公式为原型，按照不同转速段的外特性曲线建立，真实的汽车物理引擎使得仿真效果更好。其中，通过实验获得捷达ATK发动机的外特性曲线图2，反映了各转速下对应的功率和扭矩，由图2可知捷达车发动机最大功率为74kw，对应转速为5800r/min，最大扭矩为150Nm，对应转速为4000r/min，最大转速6400r/min，以此为参数建立发动机的高速、低速以及经验公式对应的外特性曲线模型。

一般来说，发动机熄火的原因就是转速过低或停转，冲程循环无法继续，燃烧停止。代码无法模拟燃烧过程，但是可以监控转速，当转速过低时，判断为熄火。熄火判断函数以发动机角速度为判断变量，为了能调节熄火的难易度，引入一个灵敏度阈值变量，当发动机角速度低于该值时，判断发动机熄火。这种算法能很好的模拟汽车因为起步、跳档、刹车和碰撞引起的转速过低熄火。

进一步地，汽车动力学模块2还包括传动模拟系统22，用于计算传递发动机输出的扭矩，代码可以通过数值的传递来模拟整个动力传递的过程。首先会判断离合器是否与变速箱衔接，如果没有衔接，则不传递动力；如果衔接，则根据衔接的多少来传递动力数值；然后通过变速箱设定的传动比，计算出当前对应的数值；计算后的数值通过差速器和减速器进一步计算，最终会得到作用到轮胎上的数值，然后传递给轮胎模块；

进一步地，轮胎模块通过动力学模块传递的数值，结合当前汽车环境的状态参数，用车轮摩擦仿真函数和车轮回正力反馈仿真函数，计算出最终的惯性力矩和反馈阻力矩，用作汽车的运动；同时通过第一反馈模块，将所述惯性力矩和反馈阻力矩反馈至所述动力学模块；

其中，车轮回正力反馈仿真函数具体实现代码如下：

进一步地，所述动力学模块还包括：发送机调整模块，用于根据所述第一反馈模块反馈的惯性力矩和反馈阻力矩，通过所述发动机扭矩函数、发动机惯量函数以及发动机传动比函数向所述车轮模块输出修正后的车轮调节参数；并反馈当前发动机转速至所述汽车控制模块。

进一步地，所述汽车控制模块还包括修正控制模块，用于根据所述当前发动机转速，通过所述内部函数调用修正所述发动机启动项，修正仿真输出；并向所述轮胎模块输出转向值指令、刹车指令、离合指令和/或手刹指令；

所述轮胎模块还包括：指令执行模块，用于接收并执行所述转向值指令、刹车指令、离合指令和/或手刹指令。

进一步地，所述轮胎模块还包括：第二反馈模块，用于通过车轮回正力反馈仿真函数计算回正力矩并反馈至所述修正控制模块；

进一步地，所述车轮摩擦仿真函数为魔术公式，所述模式公式Y(x)为采用三角函数的组合公式拟合轮胎实验数据，进而通过一套形式相同的公式表达轮胎的纵向力、侧向力、回正力矩、翻转力矩、阻力矩以及纵向力、侧向力的联合作用工况，其中

Y(x)＝Dsin[Carctan{Bx-E(Bx-arctan(Bx))}] 公式2

其中，Y(x)为是侧向力、回正力矩或者纵向力，自变量x为不同的情况下分别表示轮胎的侧偏角或纵向滑移率，系数B、C、D依次由轮胎的垂直载荷、外倾角来确定。

本实施例，根据真实物理引擎来模拟汽车，在转速的不同阶段会有不同的公式去实现，使汽车在行驶的过程中更平稳，更加符合真实性，同时，结合发动机惯量和转速调节系数，对轮胎摩擦、发动机启动做到了更好仿真效果。

值得注意的是，上述装置实施例中，所包括的各个模块只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

本领域内的技术人员应明白，本申请实施例的实施例可提供为方法、控制器、或计算机程序产品。因此，本申请实施例可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请实施例可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请实施例是参照根据本申请实施例的方法、终端设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和 /或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理终端设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理终端设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的控制器。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理终端设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令控制器的制造品，该指令控制器实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理终端设备上，使得在计算机或其他可编程终端设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程终端设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本申请实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请实施例范围的所有变更和修改。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

以上对本申请所提供的一种仿真汽车的引擎控制系统，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (8)

1.一种完整仿真汽车物理引擎控制系统，其特征在于：所述系统包括：汽车控制模块、汽车动力学模块、车轮模块、摄像机跟随模块和车辆环境模块；

所述汽车控制模块用于抽象汽车驾驶行为并对该驾驶行为进行数据进行接口封装，通过调用接口，将数据发送给所述汽车动力学模块；

所述汽车动力学模块用于通过数据进行仿真输出，包括发动机模拟系统和传动模拟系统，所述传动模拟系统包括：离合器、变速箱、减速器和差速器模拟系统，所述发动机模拟系统用于配置对应的参数，基于当前转速计算出对应的扭矩，输出到所述传动模拟系统；所述传动模拟系统基于发动机传出的扭矩进行参数计算后，将数据输出到车轮模块；

所述车轮模块是基于Unity自带的车轮碰撞器(wheel collider)组件所组成的模块，其包括悬挂和车轮属性模拟配置系统，通过所述传动模拟系统计算出的结果并且结合车轮方向来完成汽车行驶的仿真输出；

所述摄像机跟随模块是基于Unity自带的可配置关节(configurable joint)组件所组成的模块。

所述车辆环境模块是基于Unity自带的物理材质(physicMaterial)组件所组成的模块。

2.根据权利要求1所述的完整仿真汽车物理引擎控制系统，其特征在于：所述悬挂和车轮属性模拟配置系统用于配置质量、摩擦系数和汽车的转动半径信息。

3.根据权利要求1所述的完整仿真汽车物理引擎控制系统，其特征在于：所述汽车动力学模块的仿真仿真输出包括：点火、熄火、油门开度、离合深度、刹车、档位、仪表指针数据输出、回正力矩反馈输出、雨刮仿真输出和灯光仿真输出。

4.根据权利要求1所述的完整仿真汽车物理引擎控制系统，其特征在于：所述车轮模块还包括：第一反馈模块，用于通过根据车轮当前物理参数，通过悬挂系统仿真函数、车轮摩擦仿真函数和车轮回正力反馈仿真函数获得惯性力矩和反馈阻力矩，并将所述惯性力矩和反馈阻力矩反馈至所述发动机模拟系统。

5.根据权利要求4所述的完整仿真汽车物理引擎控制系统，其特征在于：所述汽车动力学模块还包括：发送机调整模块，用于根据所述第一反馈模块反馈的惯性力矩和反馈阻力矩，通过所述发动机模拟系统的扭矩函数、发动机惯量函数以及发动机传动比函数向所述车轮控制模块输出修正后的车轮调节参数，并将当前发动机转速反馈至所述汽车控制模块。

6.根据权利要求5所述的完整仿真汽车物理引擎控制系统，其特征在于：所述汽车控制模块还包括修正控制模块，用于根据所述当前发动机转速，通过所述内部函数调用修正所述发动机模拟系统的启动项修正仿真输出，并向所述车轮模块输出转向值指令、刹车指令、离合指令和/或手刹指令；

所述车轮模块还包括：指令执行模块，用于接收并执行所述转向值指令、刹车指令、离合指令和/或手刹指令。

7.根据权利要求6所述的完整仿真汽车物理引擎控制系统，其特征在于：所述车轮模块还包括：第二反馈模块，用于通过车轮回正力反馈仿真函数计算回正力矩并反馈至所述修正控制模块。

8.根据权利要求2所述的完整仿真汽车物理引擎控制系统，其特征在于，所述车轮摩擦仿真函数为魔术公式，所述模式公式Y(x)为采用三角函数的组合公式拟合轮胎实验数据，进而通过一套形式相同的公式表达轮胎的纵向力、侧向力、回正力矩、翻转力矩、阻力矩以及纵向力、侧向力的联合作用工况，其中

Y(x)＝Dsin[Carctan{Bx-E(Bx-arctan(Bx))}]

其中，Y(x)为是侧向力、回正力矩或者纵向力，自变量x为不同的情况下分别表示轮胎的侧偏角或纵向滑移率，系数B、C、D依次由轮胎的垂直载荷、外倾角来确定。