CN109670266B - 一种用于创建矿用车辆动力学模型的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于创建矿用车辆动力学模型的方法，包括：设定矿用车辆动力学模型中输入系统的架构并进行构建，进一步根据矿用车辆机械运行原理定义其含义；设定矿用车辆动力学模型中输出系统的架构并进行构建；根据矿用车辆的车辆动力学原理并结合车辆液压转向机制，确定矿用车辆动力学模型中用于模拟车辆全液压转向系统、车身动力学系统和地面轮胎系统的动力学执行系统的构架，并定义其运动，进一步，设定其与输入系统和输出系统的耦合关系，从而完成创建。本发明将全液压转向系统与车辆动力学结合，优化了矿用车模型，提高了模型精确性，具有较高的实时性、可扩展性、普适性，具有较强的推广和实用价值。

Description

一种用于创建矿用车辆动力学模型的方法

技术领域

本发明涉及机械工程技术领域，尤其是涉及一种用于创建矿用车辆动力学模型的方法及矿用车辆动力学模型。

背景技术

矿用车辆是在非公路的野外场地，如大型露天矿、水利工程中，用于运输煤矿、沙石的车辆。在土木工程中，经常与挖掘机、装载机、带式输送机等工程机械联合作业，构成装、运、卸生产线，进行土方、砂石、散料的装卸运输工作。矿用车辆的特点是：吨位大、消耗低、技术含量高、价格昂贵。由于工作在较为恶劣的环境中，车身较为庞大，直线行驶时会逐渐偏离直线、需要持续不断地对方向进行纠正，最终形成振荡形状的行驶路径，可操纵性较差、给驾驶员造成了一定的驾驶负担、影响了车辆的行驶稳定性。

为了解决上述问题，通常需要建立精确可用的矿用车模型。在所检索的公开方案中，仍旧存在许多问题，如模型准确性与仿真实时性不能同时满足，Adams/View能建立准确的多体动力学模型并能实现可视化，但速度太慢、无法进行实时仿真；简单的数学模型虽然速度快，但模型精度不够；CarSim/TruckSim/PanoSim等软件能兼顾模型准确度、实时性和可视化的问题，但现有模型库中没有矿用车辆模型可以使用。此外，从建模的角度看，矿用车主要由全液压转向系统、车身动力学系统和轮胎地面系统三部分组成，上述车辆动力学建模软件无法建立矿卡的液压转向系统模型。目前有单独针对矿用车液压转向系统的研究，或针对车辆动力学系统的研究，但在现有技术中很少涉及将液压转向系统与车辆动力学系统之间的相互耦合作用影响综合起来考虑的方案。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种用于创建矿用车辆动力学模型的方法，包括：步骤一、设定矿用车辆动力学模型中输入系统的架构并进行构建，进一步根据矿用车辆机械运行原理定义所述输入系统的含义；步骤二、设定所述矿用车辆动力学模型中输出系统的架构并进行构建；步骤三、根据矿用车辆的车辆动力学原理并结合车辆液压转向机制，确定所述矿用车辆动力学模型中用于模拟车辆全液压转向系统、车身动力学系统和地面轮胎系统的动力学执行系统的构架，并定义其运动，进一步设定所述动力学执行系统分别与所述输入系统和所述输出系统的耦合关系，从而完成创建。

优选地，在所述步骤三中，所述动力学执行系统包括全液压转向子系统和整车动力学子系统，其中，所述动力学执行系统按照如下步骤构建：确定所述动力学执行系统的输入参数及输出参数；确定所述动力学执行系统所包括的模块及每个模块的连接关系；确定所述整车动力学子系统内的各模块的输入参数和输出参数，以及建立悬架结构数据库，构建满足多种矿车的悬架结构，并确定每种结构对应的表征悬架车身轮胎运动关系的整车动力学方程，进一步将所述整车动力学方程写入所述整车动力学子系统内的各模块中，以定义各模块的运动，从而完成整车动力学子系统的构建；

确定所述全液压转向子系统内的各模块的输入参数和输出参数，建立液压转向与轮胎动力响应模型和全液压转向系统数学模型，并写入所述全液压转向子系统内的各模块中，以定义各模块的运动，从而完成全液压转向子系统的构建。

优选地，在所述步骤一中，所述输入系统按照如下步骤构建：确定所述输入系统的构架，并设置其输入参数和输出参数；进一步设定其中各模块的输入参数和输出参数。

优选地，在确定所述动力学执行系统的输入参数及输出参数步骤中，包括：设定所述动力学执行系统的输入参数，以实现所述动力学执行系统与所述输入系统的耦合关系；设定所述动力学执行系统的输出参数，以实现所述动力学执行系统与所述输出系统的耦合关系，其中，该系统输入参数包括：方向盘转角、驱动力矩和制动力矩；该系统输出参数包括动力学展示数据，进一步，所述动力学展示数据包括：车轮转角、车身速度、车身位移、轮胎力、车轮转速、轮胎滑移率、轮胎侧偏角、实时轮胎动态半径、悬挂行程、轮胎垂向速度和轮胎垂向力。

优选地，所述整车动力学子系统具备轮胎动力学模型，所述轮胎动力学模型按照如下步骤构建：确定所述轮胎动力学模型的输入参数和输出参数，使得所述轮胎动力学模型根据从所述输入系统中获取到的所述驱动力矩和所述制动力矩，计算轮胎滑移率、轮胎侧偏角、轮胎垂向力，进一步得到轮胎动力学模型输出参数，其中，该模型输出参数包括：轮胎纵向力、轮胎侧向力、回转力矩、轮胎垂向力和轮胎滚动半径；确定所述轮胎动力学模型涉及的所述动力学执行系统中的模块；确定所述轮胎动力学模型中各模块的输入参数和输出参数，并写入相应的计算方程，以定义其含义。

优选地，所述全液压转向子系统具备转向机构动力学模块，所述转向机构动力学模块按照如下步骤构建：设置所述转向机构动力学模块的输入参数和输出参数，其中，该模块输入参数包括：油缸推力和从所述轮胎动力学模型获取到的所述轮胎动力学模型输出数据，该模块的输出参数包括车轮转向角；将所述液压转向与轮胎动力响应模型写入所述转向机构动力学模块中，以定义其含义。

优选地，所述全液压转向子系统具备全液压转向器模块，所述全液压转向器模块按照如下步骤构建：设置所述全液压转向器模块的输入参数和输出参数，其中，该模块输入参数包括：所述方向盘转角，该模块输出参数包括所述油缸推力；将所述全液压转向系统数学模型写入所述全液压转向器模块中，以定义其含义，使得所述全液压转向器模块根据该模块输入参数，计算液压油路中的流量和油压，进一步得到相应的所述油缸推力。

优选地，所述整车动力学子系统具备悬架动力学模块，所述悬架动力学模块按照如下步骤构建：设置所述悬架动力学模块的输入参数和输出参数，其中，该模块输入参数包括：所述轮胎动力学模型输出参数、以及车身垂向位移、车身侧倾角、车身俯仰角，该模块输出参数包括：悬架垂向力、悬架侧向力和悬架纵向力；将所述悬架结构数据库设置于所述悬架动力学模块，并将所述整车动力学方程写入所述悬架动力学模块中，以定义其含义。

优选地，所述整车动力学子系统具备车身动力学模块，所述车身动力学模块按照如下步骤构建：设置所述车身动力学模块的输入参数和输出参数，其中，该模块输入参数包括：从所述转向机构动力学模块输出的所述车轮转向角、和悬架动力学模块输出参数，该模块输出参数包括：所述车身垂向位移、所述车身侧倾角、所述车身俯仰角；将所述整车动力学方程写入所述车身动力学模块中，以定义其含义。

优选地，所述整车动力学子系统还包括地形高度输入模块，所述地形高度输入模块按照如下步骤构建：建立道路等级数据库，构建应用于矿车的满足多种地形路况的地形等级信息；设置所述地形高度输入模块的输入参数和输出参数，其中，该模块的输出参数包括满足当前矿车运行路况等级的实时地面高度。

优选地，所述矿用车辆动力学模型基于Simulink仿真环境构建。

优选地，所述方法还包括：将创建完成的所述矿用车辆动力学模型封装转换为S-Function模块并生成相应的基于C程序的模型。

另外，本发明还提出了一种利用上述所述的方法构建而成的矿用车辆动力学模型。

与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：

本发明实施例提出了一种用于创建矿用车辆动力学模型的方法和对应的模型整体框架。本发明将全液压转向系统与车辆动力学进行结合，使得内部各个模块之间相互耦合，实现了参数的交互，建立基于16自由度的整车动力学模型，提高了仿真的精确性。另外，本发明优化了矿用车模型，将模型封装转换为S-Function以加快运行速度，具有较高的实时性，同时生成的C程序可用于其他仿真平台使用，提高了模型的扩展性，所构建的模型适用于同一类型的车辆，具有较大的普适性，填补了目前矿用车辆仿真模型的空白。此外，本发明所构建的模型已经在实际的矿用卡车上进行了实车验证，具有较强的推广性与实用价值。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本申请实施例的用于创建矿用车辆动力学模型的方法的步骤图。

图2为本申请实施例的用于创建矿用车辆动力学模型的方法的具体流程图。

图3为本申请实施例的矿用车辆动力学模型的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

由于矿用车辆具有吨位大、消耗低、技术含量高、价格昂贵的特点，并且常常工作在较为恶劣的路况环境中。对于车身较为庞大的矿用车而言，直线行驶时会逐渐偏离直线、需要持续不断地对方向进行纠正，最终形成振荡形状的行驶路径，使得车辆的可操纵性较差、给驾驶员造成了一定的驾驶负担、影响了车辆的行驶稳定性。为了解决上述问题，通常需要建立精确可用的矿用车模型。在现有技术中仍存在如：模型准确性与仿真实时性不能同时满足的问题。具体地，Adams/View能建立准确的多体动力学模型并能实现可视化，但速度太慢、无法进行实时仿真；简单的数学模型虽然速度快，但模型精度不够；CarSim/TruckSim/PanoSim等软件能兼顾模型准确度、实时性和可视化的问题，但现有模型库中没有矿用车辆模型可以使用。此外，从建模的角度看，矿用车主要由全液压转向系统、车身动力学系统和轮胎地面系统三部分组成，上述车辆动力学建模软件无法建立矿卡的液压转向系统模型。目前有单独针对矿用车液压转向系统的研究，或针对车辆动力学系统的研究，但在现有技术中很少涉及将液压转向系统与车辆动力学系统之间的相互耦合作用影响综合起来考虑的方案。

针对上述问题，本专利提出一种用于多自由度矿用车辆动力学建模的方法和实现的框架结构，通过模块化创建、各模块之间参数交互的定义，完成车辆的模型搭建，最后将模型封装转换为S-Function以加快运行速度，同时生成的C程序可用于其他仿真平台使用。

图1为本申请实施例的用于创建矿用车辆动力学模型的方法的步骤图。如图1所示，在步骤S110(步骤一)中，设定矿用车辆动力学模型中输入系统的架构并进行构建，进一步根据矿用车辆机械运行原理定义输入系统的运动(含义)。在步骤S120(步骤二)中，设定矿用车辆动力学模型中输出系统的架构并进行构建。在步骤S130(步骤三)中，根据矿用车辆的车辆动力学原理并结合车辆液压转向机制，确定矿用车辆动力学模型中用于模拟车辆全液压转向系统、车身动力学系统和地面轮胎系统的动力学执行系统的构架，并定义所述动力学执行系统的运动(含义)，进一步，设定动力学执行系统分别与输入系统和输出系统的耦合关系，从而完成上述矿用车辆动力学模型创建。

需要说明的是，本发明实施例中的动力学执行系统是一种车辆动力学多自由度的模型系统，涉及车体纵向、横向、垂向、侧倾、俯仰和横摆运动6个自由度、左右前轮绕主销回转运动2自由度、左右前轮垂向运动2自由度、后轴车轮整体的垂向和侧倾2自由度、以及四个车轮绕车轴转动4自由度在内的16个自由度的模型系统，除此之外，该执行系统结合车辆的全液压转向机制、车辆轮胎动力学、车辆悬架动力学结构等，构成了一种实现车辆多方面分析及数据处理的综合性系统。

图2为本申请实施例的用于创建矿用车辆动力学模型的方法的具体流程图。下面结合图1和图2对矿用车辆动力学模型的构建方法进行详细说明。

参考图1、图2，在步骤S110中，先对输入系统10的构建过程进行说明。首先，步骤S111需要确定输入系统10的构架，并设置输入系统10的输入参数和输出参数。其中，参考图3，输入系统10包括：驾驶员模块11和整车动力模块12。输入系统10的输入数据为驾驶员对方向盘、制动踏板及油门踏板的操作量。输入系统10的输出数据包括需要输出到动力学执行系统20中的方向盘转角、驱动力矩和制动力矩。

而后，进入到步骤S112中，确定输入系统10中各模块的连接关系，并设定输入系统10中各模块的输入参数和输出参数。具体地，驾驶员模块11用于根据驾驶员操作情况，利用矿用车辆方向盘机械运行原理及其相关方程，实时输出相应的方向盘转角、油门踏板行程和制动踏板行程。故驾驶员模块11的输入参数包括从下述动力学执行系统20中的车身动力学模块27发送的矿车实际速度和矿车实际位置。驾驶员模块11的输出参数包括输出至下述动力学执行系统20中的全液压转向器模块24的方向盘转角、以及输出至整车动力模块12的油门踏板行程和制动踏板行程。

整车动力模块12与驾驶员模块11连接，用于接收从驾驶员模块11发送的油门踏板行程和制动踏板行程，根据油门踏板行程和制动踏板行程，利用矿用车辆踏板装置机械运行原理及其相关方程、以及驱动或制动外特性及相关方程，得到相应的驱动力矩和制动力矩。其中，整车动力模块12根据历史矿车运动参数及实验曲线，构建出驱动或制动外特性及相关方程，能够利用驱动或制动外特性及相关方程，根据实时获取到的油门踏板行程和制动踏板行程，判断当前矿车的制动或驱动模式、计算驱动力矩、电制动力矩和机械制动力矩，并将这些力矩数据作为整车动力模块12的输出参数。故整车动力模块12的输入参数包括上述油门踏板行程和制动踏板行程。整车动力模块12的输出参数包括输出至动力学执行系统20中的轮胎滑移计算模块21的(车轮)驱动力矩和(车轮)制动力矩(电制动力矩和机械制动力矩)。

参考图1、图2，需要对步骤S120中的输出系统30的构建过程进行说明。步骤S121需要确定输出系统30的构架，并设置输出系统30的输入参数和输出参数。具体地，输出系统包括动力学结果展示模块31。动力学结果展示模块31用于接收从动力学执行系统20输出的动力学展示数据，并进行输出展示。故动力学结果展示模块31的输入参数和输出参数均是上述动力学展示数据。其中，动力学展示数据包括：车轮转角、车身速度、车身位移、轮胎力、车轮转速、轮胎滑移率、轮胎侧偏角、实时轮胎动态半径、悬挂行程、轮胎垂向速度、轮胎垂向力、以及上述16个自由度的状态数据。

再次参考图1、图2，继续对步骤S130中的动力学执行系统20的构建过程进行说明。参考图3，动力学执行系统包括全液压转向子系统和整车动力学子系统。其中，全液压转向子系统是一种用于模拟矿用车的全液压转向系统的仿真模型系统。整车动力学子系统是一种用于模拟矿用车的车身动力学系统和轮胎地面系统的仿真模型系统。整车动力学子系统包括：车身动力学模块27、悬架动力学模块26、轮胎滑移计算模块21、轮胎横向力与纵向力模块22、轮胎垂向动力学模块23和地形高度输入模块28。全液压转向子系统包括：全液压转向器模块24和转向机构动力学模块25。

如图2所示，首先，进入到步骤S131中，确定动力学执行系统20的输入参数及输出参数。具体地，步骤S1311设定动力学执行系统20的输入参数，以实现动力学执行系统20与输入系统10的耦合关系。其中，动力学执行系统20的输入参数包括：方向盘转角、驱动力矩和制动力矩。步骤S1312设定动力学执行系统20的输出参数，以实现动力学执行系统20与输出系统30的耦合关系。其中，动力学执行系统20的输出参数包括上述动力学展示数据。

然后，进入到步骤S132中，确定动力学执行系统20所包括的模块及每个模块的连接关系。图3为本申请实施例的矿用车辆动力学模型的结构示意图。图3展示了动力学执行系统20中各个模块的连接关系和参数交互关系。具体地，轮胎滑移计算模块21，其与轮胎横向力与纵向力模块22、轮胎垂向动力学模块23及车身动力学模块27连接，并进行参数交互。轮胎横向力与纵向力模块22，其与轮胎垂向动力学模块23、转向机构动力学模块25、以及悬架动力学模块26连接，并进行参数交互。轮胎垂向动力学模块23与转向机构动力学模块25、地形高度输入模块28、车身动力学模块27及悬架动力学模块26连接，并进行参数交互。全液压转向器模块24与转向机构动力学模块25及输入系统10中的驾驶员模块11连接，并进行参数交互。转向机构动力学模块25与车身动力学模块27，并进行参数交互。悬架动力学模块26与车身动力学模块27，并进行参数交互。车身动力学模块27进一步与输入系统10中的驾驶员模块11连接，并进行参数交互。车身动力学模块27与输出系统30中的动力学结果展示模块31连接，并进行参数交互。

接着，进入到步骤S133中，确定整车动力学子系统内的各模块的输入参数和输出参数，以及建立悬架结构数据库，构建满足多种矿车的悬架结构，并确定每种结构对应的表征悬架、车身、轮胎之间运动关系的整车动力学方程，进一步将整车动力学方程写入整车动力学子系统内的各模块中，以定义各模块的运动(含义)，从而完成整车动力学子系统的构建。其中，整车动力学运动方程包括：簧下质量运动方程、速度-力关系方程、轮胎运动方程等。

需要说明的是，动力学执行系统20在悬架动力学模块26设置有悬架结构数据库。悬架结构数据库存储有多种常用矿车的悬架结构类型，每种悬架结构类型对应有相应种类的整车动力学方程，以表示该种类悬架结构下的悬架、车身、轮胎之间的结构关系、受力关系和运动关系等信息。在实际应用过程中，驾驶员需要在使用前设置好符合当前矿车的悬架结构，动力学执行系统20便会自动选择与当前悬架结构类型对应的整车动力学方程应用在矿车行驶过程中对动力学执行系统20接收到的实时输入参数信息进行处理、计算及分析，并输出符合当前矿车悬架类型的动力学展示数据。

例如：以110t矿卡为例，该矿车的悬架结构为：前轮烛式独立悬架，后轮一体式非独立悬架，后两轮与车轴一体。因此，需要将两前轮的侧倾角与车体一致，两后轮作为一个整体受力分析，并在动力学执行系统20中选择相应的悬架结构，在这种悬架结构中，对应了涉及包括：悬架侧倾角度可用于计算轮胎的变形量；车身的垂向位移、侧倾角、俯仰角可用于计算悬架位移在内的整车动力学方程。进一步，在矿用车辆动力学模型关于上述16自由度中，动力学执行系统20针对当前悬架结构可对应出相应的涉及后轮独立驱动、前轮转向的整车动力学方程，并且动力学执行系统20的基本输入量为方向盘转向角、2后轮驱动力、以及4个车轮的制动力，基本输出量为16个自由度的运动状态等信息。

进一步，进入到步骤S1331中，对轮胎动力学模型进行构建。轮胎动力学模型是一种用于模拟矿用车辆轮胎地面系统的仿真模型。具体地，首先，确定轮胎动力学模型的输入参数和输出参数，使得轮胎动力学模型根据从输入系统10中获取到的驱动力矩和制动力矩，计算轮胎滑移率、轮胎侧偏角、轮胎垂向力、轮胎变形量等信息，进一步得到轮胎动力学模型输出参数。其中，轮胎动力学模型的输入参数包括：从整车动力模块12获取到的驱动力矩和制动力矩；从车身动力学模块27获取到的矿车实际速度、矿车实际位置、车身垂向速度、车身姿态角和悬架垂向力；从地形高度输入模块28获取到的实时地面高度、从悬架动力学模块26获取到的悬架倾角和车身倾角。轮胎动力学模型的输出参数包括：输出至转向机构动力学模块25和悬架动力学模块26的轮胎纵向力、轮胎侧向力、回转力矩、轮胎垂向力和轮胎实时滚动半径。

而后，确定轮胎动力学模型涉及的动力学执行系统20中的模块。其中，轮胎动力学模型包括轮胎滑移计算模块21、轮胎横向力与纵向力模块22和轮胎垂向动力学模块23。具体地，轮胎滑移计算模块21用于根据该模块21实时获取到的轮胎滑移计算模块输入参数，计算轮胎当前的滑移率，并得到相应的轮胎侧偏角、轮胎转速等信息。轮胎横向力与纵向力模块22用于根据该模块22实时获取到的轮胎横向力与纵向力模块输入参数，计算轮胎当前的横向力及侧向力，并得到相应的回转力矩等信息。轮胎垂向动力学模块23用于根据该模块23实时获取到的轮胎垂向动力学模块输入参数，计算轮胎当前的垂向力及变形量，并得到相应的轮胎当前时刻的垂向速度和滚动半径等信息。

接着，确定轮胎动力学模型中各模块的输入参数及输出参数，并写入相应的计算方程，以定义其含义。具体地，轮胎滑移计算模块21的输入参数包括：从输入系统10中获取到的驱动力矩和制动力矩、从车身动力学模块27获取到的矿车实际速度和矿车实际位置；从轮胎横向力与纵向力模块22获取到的轮胎纵向力；以及从轮胎垂向动力学模块23获取到的轮胎当前的垂向力和轮胎实时滚动半径等信息。轮胎滑移计算模块21的输出参数包括：输出至轮胎横向力与纵向力模块22的轮胎滑移率、轮胎侧偏角和轮胎转速等信息。另外，需要将整车动力学方程中关于计算滑移率相关的关系方程写入轮胎滑移计算模块21中，以对该模块21进行定义。

轮胎横向力与纵向力模块22的输入参数包括：从轮胎滑移计算模块21获取到的轮胎滑移计算模块输出参数；从轮胎垂向动力学模块23获取到的轮胎当前的垂向力和轮胎实时滚动半径等信息。轮胎横向力与纵向力模块22输出参数包括：输出至转向机构动力学模块25和悬架动力学模块26的轮胎纵向力、轮胎侧向力和回转力矩、输出至轮胎滑移计算模块21的轮胎纵向力等信息。另外，需要将整车动力学方程中关于计算轮胎侧向力、纵向力等信息相关的关系方程写入轮胎横向力与纵向力模块22中，以对该模块22进行定义。

轮胎垂向动力学模块23的输入参数包括：从地形高度输入模块28获取到的实时地面高度、从悬架动力学模块26获取到的悬架倾角和车身倾角；从车身动力学模块27获得的车身垂向速度、车身姿态角和悬架垂向力等信息。轮胎垂向动力学模块23的输出参数包括：输出至轮胎滑移计算模块21、轮胎横向力与纵向力模块22和转向机构动力学模块25的轮胎当前的垂向力和滚动半径等信息。另外，需要将整车动力学方程中关于计算轮胎垂向力及变形量等信息相关的关系方程写入轮胎垂向动力学模块23中，以对该模块23进行定义。

进一步，在完成上述轮胎动力学模型构建后，进入到步骤S1332中，对悬架动力学模块26进行构建。首先，设置悬架动力学模块26的输入参数和输出参数。其中，悬架动力学模块26的输入参数包括：从轮胎横向力与纵向力模块22获取到的轮胎纵向力、轮胎侧向力和回转力矩；从轮胎垂向动力学模块23获取到的轮胎垂向力和实时滚动半径；从车身动力学模块27获得的车身垂向位移、车身侧倾角、车身俯仰角等信息。悬架动力学模块26的输出参数包括：输出至轮胎垂向动力学模块23的悬架倾角和车身倾角；输出至车身动力学模块27的悬架垂向力、悬架侧向力和悬架纵向力；悬架位移、悬挂行程等信息。然后，将上述悬架结构数据库设置于悬架动力学模块26中，并将整车动力学(运动)方程中关于悬架三向力计算、悬架位移计算等相关关系方程写入悬架动力学模块26中，以定义该模块26的含义，从而使得悬架动力学模块26根据该模块输入参数响应出该模块输出参数。进一步，所述悬架动力学模块26用于根据该模块26实时获取到的悬架动力学模块输入参数，计算符合当前矿车悬架结构类型的悬架位移、悬挂行程、悬架侧向力、悬架垂向力及悬架纵向力，并得到相应的计算结果。

进一步，在完成上述悬架动力学模块26构建后，进入到步骤S1333中，对车身动力学模块27进行构建。首先，设置车身动力学模块27的输入参数和输出参数。其中，车身动力学模块27的输入参数包括：从转向机构动力学模块25获取到的车轮转向角；从悬架动力学模块26获取到的悬架垂向力、悬架侧向力和悬架纵向力等信息。车身动力学模块27的输出参数包括：输出至悬架动力学模块26的车身垂向位移、车身侧倾角和车身俯仰角等信息。然后，将整车动力学(运动)方程中关于车身动力学计算的相关关系方程写入车身动力学模块27中，以定义该模块27的含义，从而使得车身动力学模块27根据该模块输入参数响应出该模块输出参数。进一步，车身动力学模块27用于根据该模块27实时获取到的车身动力学模块输入参数，计算当前矿车运行过程中的车身动力学参数，并得到相应的包括车身垂向位移、车身侧倾角和车身俯仰角等信息的计算结果。

进一步，在完成上述车身动力学模块27构建后，进入到步骤S1334中，对地形高度输入模块28进行构建。地形高度输入模块28用于为轮胎动力学模型提供轮胎动力学计算(例如：轮胎垂向动力学模块23计算当前的垂向力及变形量)时的参考的地面实时高度。首先，建立道路等级数据库，构建应用于矿车的满足多种地形路况的地形等级信息。具体地，在地形高度输入模块28中设置包括多种类地形路况的地形等级信息。每种地形等级信息包括符合该种地形类型的随机函数，并在矿车实时运行过程中，生成相应的表征实施地面高度的随机数。在实际应用过程中，驾驶员需要在使用前设置好符合当前矿车形式路径路况的地形等级，地形高度输入模块28便会自动选择相应的随机函数，以在矿车行驶过程中对实时输出实时地面高度数据。然后，设置地形高度输入模块28的输入参数和输出参数。根据上述所述的道路等级数据库，地形高度输入模块28的输出参数包括：输出至轮胎垂向动力学23的满足当前矿车运行路况等级的实时地面高度。

这样，通过构建地形高度输入模块28，将矿用车辆的运行环境考虑在内，提高了矿用车辆动力学建模仿真的精确度与实操性。

再次参考图2，在完成上述整车动力学子系统的构建后，进入到步骤S134中。在步骤S134中，需要建立液压转向与轮胎动力响应模型和全液压转向系统数学模型，并将其写入全液压转向子系统内的各模块中，以定义各模块的运动(含义)，从而确定各模块的输入参数及输出参数，以完成全液压转向子系统的构建。

具体地，首先，进入到步骤S1341中，对全液压转向器模块24的构建过程进行说明。在构建全液压转向器模块24过程中，需要先设置全液压转向器模块24的输入参数和输出参数。其中，全液压转向器模块24的输入参数包括：从驾驶员模块11获得的方向盘转角、从转向机构动力学模块25获取到的当前油缸位移等信息。全液压转向器模块24的输出参数包括：输出至转向机构动力学模块25的油缸推力等信息。而后，将全液压转向系统数学模型写入全液压转向器模块24中，以定义该模块24的含义。全液压转向器模块24用于根据全液压转向器模块输入参数，利用全液压转向系统数学模型，计算液压油路中的流量、油压数据，进一步得到相应的油缸推力。其中，上述全液压转向系统数学模型是根据矿用车辆的全液压转向系统的机械运行原理并结合运行机制方程构建而成的。这样，该模块24得到的油缸推力是结合了实时油缸位移数据得到的。

而后，在完成全液压转向器模块24的构建后，进入到步骤S1342中，对全液压转向子系统内的转向机构动力学模块25的构建过程进行说明。具体地，首先，设置转向机构动力学模块25的输入参数和输出参数。其中，转向机构动力学模块25的输入参数包括：从全液压转向器模块24获得的油缸推力；从轮胎横向力与纵向力模块22获得的轮胎纵向力、轮胎侧向力和回转力矩；从轮胎垂向动力学模块23获得的轮胎垂向力和实时轮胎滚动半径等信息。转向机构动力学模块25的输出参数包括：输出至车身动力学模块27的车轮转向角；输出至全液压转向器模块24的当前油缸位移等信息。然后，将预先设定好的液压转向与轮胎动力响应模型写入转向机构动力学模块25中，以定义该模块25的含义，从而使得转向机构动力学模块25根据转向机构动力学模块输入参数响应出转向机构动力学模块输出参数。转向机构动力学模块25用于根据上述转向机构动力学模块输入参数，利用液压转向与轮胎动力响应模型，计算矿车车轮实时的转向角、以及油缸实时移动的变化量，得到相应的车轮转角、油缸位移数据。其中，本发明实施例中的液压转向与轮胎动力响应模型是根据矿用车辆的全液压转向系统的机械运行原理及相关的运行机制方程，结合矿用车辆轮胎动力学原理及相关运行机制方程构建而成的。这样，该模块25得到的车轮转角是结合了全液压转向系统及车辆动力学系统得到的。

进一步，通过上述步骤S110～S130中涉及的过程便完成了矿用车辆动力学模型的创建，得到了用于模拟全液压转向系统、车身动力学系统和轮胎地面系统，并将各系统相互耦合作用的矿用车辆运行模型，即矿用车辆动力学模型，如图3所示。

需要说明的是，在本发明实施例中的模型搭建过程是基于Simulink仿真环境下进行的。但本发明实施例提出的矿用车辆模型及架构是基于数学模型给出的，实际模型搭建中可用多种数学建模软件来实现，不仅仅限于Matlab/Simulink，故本发明对模型构建及仿真软件环境不作具体限定，本领域技术人员可根据实际需求进行选择。本发明实施例采用Matlab/Simulink仿真的优势在于，Matlab为众多科研人员认可常用的软件，借助该软件创建矿卡模型后，可在同一个软件平台下进一步开发控制系统、虚拟显示系统等多种功能，避免了跨平台开发系统的缺陷，并且最终搭建的矿卡动力学模型可满足模型准确性、运行实时性、可扩展性等众多优势。

进一步，在搭建好矿用车辆运行模型后，将该模型封装转换为S-Fuction模块，以加快模型的运行速度。与此同时，还需生成相应的基于C程序的模型，这样，便可将该模型用于其他仿真平台使用。

本发明提出了一种用于创建矿用车辆动力学模型的方法和对应的模型整体框架。本发明将全液压转向系统与车辆动力学结合起来分析，整体框架主要包括车身动力学模块、悬架动力学模块、转向机构动力学模块、全液压转向器模块、轮胎滑移计算模块、轮胎横向与纵向力模块、轮胎垂向动力学模块、地形高度输入模块，并且各个模块之间相互耦合，实现了参数的交互，建立了基于16自由度的整车动力学执行系统，提高了仿真的精确性。另外，本发明优化了矿用车模型，将模型封装转换为S-Function以加快运行速度，具有较高的实时性，同时生成的C程序可用于其他仿真平台使用，提高了模型的扩展性，所构建的模型适用于同一类型的车辆，具有较大的普适性，填补了目前矿用车辆仿真模型的空白。此外，本发明所构建的模型已经在实际的矿用卡车上进行了实车验证，具有较强的推广性与实用价值。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (11)

1.一种用于创建矿用车辆动力学模型的方法，包括：

步骤一、设定矿用车辆动力学模型中输入系统的架构并进行构建，根据矿用车辆机械运行原理定义所述输入系统的含义；

步骤二、设定所述矿用车辆动力学模型中输出系统的架构并进行构建；

步骤三、根据矿用车辆的车辆动力学原理并结合车辆液压转向机制，确定所述矿用车辆动力学模型中用于模拟车辆全液压转向系统、车身动力学系统和地面轮胎系统的动力学执行系统的构架，并定义其运动，设定所述动力学执行系统分别与所述输入系统和所述输出系统的耦合关系，从而完成创建，在所述步骤三中，所述动力学执行系统包括全液压转向子系统和整车动力学子系统，其中，所述动力学执行系统按照如下步骤构建：

确定所述动力学执行系统的输入参数及输出参数；

确定所述动力学执行系统所包括的模块及每个模块的连接关系；

确定所述整车动力学子系统内的各模块的输入参数和输出参数，以及建立悬架结构数据库，构建满足多种矿车的悬架结构，并确定每种结构对应的表征悬架车身轮胎运动关系的整车动力学方程，将所述整车动力学方程写入所述整车动力学子系统内的各模块中，以定义各模块的运动，从而完成整车动力学子系统的构建，所述整车动力学子系统包括：车身动力学模块、悬架动力学模块、轮胎滑移计算模块、轮胎横向力与纵向力模块、轮胎垂向动力学模块和地形高度输入模块，所述轮胎滑移计算模块与所述轮胎横向力与纵向力模块、所述轮胎垂向动力学模块及所述车身动力学模块连接，并进行参数交互，所述轮胎横向力与纵向力模块与所述轮胎垂向动力学模块、转向机构动力学模块、以及所述悬架动力学模块连接，并进行参数交互，所述轮胎垂向动力学模块与所述转向机构动力学模块、所述地形高度输入模块、所述车身动力学模块及所述悬架动力学模块连接，并进行参数交互，所述悬架动力学模块与所述车身动力学模块，并进行参数交互，所述车身动力学模块还与所述输入系统中的驾驶员模块连接，并进行参数交互，所述车身动力学模块与输出系统中的动力学结果展示模块连接，并进行参数交互；

确定所述全液压转向子系统内的各模块的输入参数和输出参数，建立液压转向与轮胎动力响应模型和全液压转向系统数学模型，并写入所述全液压转向子系统内的各模块中，以定义各模块的运动，从而完成全液压转向子系统的构建，所述全液压转向子系统包括全液压转向器模块和转向机构动力学模块，所述全液压转向器模块与所述转向机构动力学模块及输入系统中的驾驶员模块连接，并进行参数交互，所述转向机构动力学模块与所述车身动力学模块连接，并进行参数交互，

在确定所述动力学执行系统的输入参数及输出参数步骤中，包括：

设定所述动力学执行系统的输入参数，以实现所述动力学执行系统与所述输入系统的耦合关系；

设定所述动力学执行系统的输出参数，以实现所述动力学执行系统与所述输出系统的耦合关系，其中，该系统输入参数包括：方向盘转角、驱动力矩和制动力矩；该系统输出参数包括动力学展示数据，所述动力学展示数据包括：车轮转角、车身速度、车身位移、轮胎力、车轮转速、轮胎滑移率、轮胎侧偏角、实时轮胎动态半径、悬挂行程、轮胎垂向速度和轮胎垂向力。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤一中，所述输入系统按照如下步骤构建：

确定所述输入系统的构架，并设置其输入参数和输出参数；

设定其中各模块的输入参数和输出参数。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述整车动力学子系统中的轮胎动力学模型按照如下步骤构建：

确定所述轮胎动力学模型的输入参数和输出参数，使得所述轮胎动力学模型根据从所述输入系统中获取到的所述驱动力矩和所述制动力矩，计算轮胎滑移率、轮胎侧偏角、轮胎垂向力，得到轮胎动力学模型输出参数，其中，该模型输出参数包括：轮胎纵向力、轮胎侧向力、回转力矩、轮胎垂向力和轮胎滚动半径；

确定所述轮胎动力学模型涉及的所述动力学执行系统中的模块；

确定所述轮胎动力学模型中各模块的输入参数和输出参数，并写入相应的计算方程，以定义其含义。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述全液压转向子系统中的转向机构动力学模块按照如下步骤构建：

设置所述转向机构动力学模块的输入参数和输出参数，其中，该模块输入参数包括：油缸推力和从所述轮胎动力学模型获取到的所述轮胎动力学模型输出数据，该模块的输出参数包括车轮转向角；

将所述液压转向与轮胎动力响应模型写入所述转向机构动力学模块中，以定义其含义。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述全液压转向子系统中的全液压转向器模块按照如下步骤构建：

设置所述全液压转向器模块的输入参数和输出参数，其中，该模块输入参数包括：所述方向盘转角，该模块输出参数包括所述油缸推力；

将所述全液压转向系统数学模型写入所述全液压转向器模块中，以定义其含义，使得所述全液压转向器模块根据该模块输入参数，计算液压油路中的流量和油压，得到相应的所述油缸推力。

6.根据权利要求3～5中任一项所述方法，其特征在于，所述整车动力学子系统中的悬架动力学模块按照如下步骤构建：

设置所述悬架动力学模块的输入参数和输出参数，其中，该模块输入参数包括：所述轮胎动力学模型输出参数、以及车身垂向位移、车身侧倾角、车身俯仰角，该模块输出参数包括：悬架垂向力、悬架侧向力和悬架纵向力；

将所述悬架结构数据库设置于所述悬架动力学模块，并将所述整车动力学方程写入所述悬架动力学模块中，以定义其含义。

7.根据权利要求6所述方法，其特征在于，所述整车动力学子系统中的车身动力学模块按照如下步骤构建：

设置所述车身动力学模块的输入参数和输出参数，其中，该模块输入参数包括：从所述转向机构动力学模块输出的车轮转向角、和悬架动力学模块输出参数，该模块输出参数包括：所述车身垂向位移、所述车身侧倾角、所述车身俯仰角；

将所述整车动力学方程写入所述车身动力学模块中，以定义其含义。

8.根据权利要求1～5中任一项所述的方法，其特征在于，所述整车动力学子系统中的地形高度输入模块按照如下步骤构建：

建立道路等级数据库，构建应用于矿车的满足多种地形路况的地形等级信息；

设置所述地形高度输入模块的输入参数和输出参数，其中，该模块的输出参数包括满足当前矿车运行路况等级的实时地面高度。

9.根据权利要求1～5中任一项所述的方法，其特征在于，所述矿用车辆动力学模型基于Simulink仿真环境构建。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：将创建完成的所述矿用车辆动力学模型封装转换为S-Function模块并生成相应的基于C程序的模型。

11.一种利用如权利要求1～10中任一项所述的方法构建而成的矿用车辆动力学模型系统。

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