CN110175428B - 基于车辆动力学模型的车辆运动特性仿真方法及系统 - Google Patents

基于车辆动力学模型的车辆运动特性仿真方法及系统 Download PDF

Info

Publication number
CN110175428B
CN110175428B CN201910476471.2A CN201910476471A CN110175428B CN 110175428 B CN110175428 B CN 110175428B CN 201910476471 A CN201910476471 A CN 201910476471A CN 110175428 B CN110175428 B CN 110175428B
Authority
CN
China
Prior art keywords
vehicle
coordinate system
model
establishing
roll
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201910476471.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110175428A (zh
Inventor
王向周
郑戍华
赵莎莎
张宁宁
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beijing Institute of Technology BIT
Original Assignee
Beijing Institute of Technology BIT
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beijing Institute of Technology BIT filed Critical Beijing Institute of Technology BIT
Priority to CN201910476471.2A priority Critical patent/CN110175428B/zh
Publication of CN110175428A publication Critical patent/CN110175428A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110175428B publication Critical patent/CN110175428B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/10—Geometric CAD
    • G06F30/15—Vehicle, aircraft or watercraft design
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Computational Mathematics (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Control Of Driving Devices And Active Controlling Of Vehicle (AREA)
  • Vehicle Body Suspensions (AREA)
  • Steering Control In Accordance With Driving Conditions (AREA)

Abstract

本发明公开了一种基于车辆动力学模型的车辆运动特性仿真方法及系统。所述仿真方法包括：获取车辆坐标系、轮胎坐标系、地理坐标系以及轮胎模型；根据车辆坐标系建立力和力矩平衡运动方程；根据轮胎坐标系以及力和力矩平衡运动方程建立二自由度的横向动力学模型；获取车辆受到的外部阻力；根据外部阻力建立电传动系统驱动下的纵向动力学模型；获取车辆沿曲线行驶时的车辆悬架特性参数；根据车辆悬架特性参数、地理坐标系以及车辆坐标系建立侧倾动力学模型；根据轮胎模型、横向动力学模型、纵向动力学模型以及侧倾动力学模型对车辆运动特性进行仿真，确定车辆驾驶控制策略。采用本发明所提供的仿真方法及系统能够提高车辆运动特性的仿真精度。

Description

基于车辆动力学模型的车辆运动特性仿真方法及系统
技术领域
本发明涉及车辆运动特性仿真领域，特别是涉及一种基于车辆动力学模型的车辆运动特性仿真方法及系统。
背景技术
车辆运动控制部分作为智能车辆研究的基础，在建立能够反映车辆运动特性的动力学模型后，才能够设计合适的控制策略，进行仿真分析。车辆作为一个高度非线性的非完整运动约束系统，车辆动力学模型参数随着某一运动特性和所处环境的不同发生改变，由于车辆由众多部件组成，仅根据某一运动特性仿真车辆运动过程，降低了车辆运动特性的仿真精度，造成整个控制系统的设计更有难度，无法确定更合适的控制策略，影响车辆控制系统质量。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于车辆动力学模型的车辆运动特性仿真方法及系统，解决现有的车辆动力学模型无法确定更合适的控制策略，仿真精度低，影响车辆控制系统质量的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于车辆动力学模型的车辆运动特性仿真方法，包括：
获取车辆坐标系、轮胎坐标系、地理坐标系以及轮胎模型；所述轮胎模型包括线性比例模型、非线性比例模型以及魔术公式Magic Formula模型；
当车辆以固定速度行驶时，利用牛顿定理，对所述车辆进行受力分析，根据所述车辆坐标系建立力和力矩平衡运动方程；所述力和力矩平衡运动方程包括侧向运动方程以及横摆运动方程；
根据所述轮胎坐标系以及所述力和力矩平衡运动方程建立二自由度的横向动力学模型；
获取所述车辆受到的外部阻力；所述外部阻力包括滚动阻力、空气阻力以及坡度阻力；
根据所述外部阻力建立电传动系统驱动下的纵向动力学模型；
获取所述车辆沿曲线行驶时的车辆悬架特性参数；所述车辆悬架特性参数包括簧载总质量、整车质心至前轴的距离、整车质心至后轴的距离、簧载质心到侧倾轴线的距离、侧倾刚度系数以及侧倾阻尼系数；
根据所述车辆悬架特性参数、所述地理坐标系以及所述车辆坐标系建立侧倾动力学模型；
根据所述轮胎模型、所述横向动力学模型、所述纵向动力学模型以及所述侧倾动力学模型对所述车辆的车辆运动特性进行仿真，确定车辆驾驶控制策略。
可选的，所述根据所述车辆坐标系建立力和力矩平衡运动方程，具体包括：
根据公式
Figure BDA0002082427310000021
建立侧向运动方程；
根据公式
Figure BDA0002082427310000022
建立横摆运动方程；其中，m为整车质量；vx为车辆纵向速度；vy为车辆横向速度；
Figure BDA0002082427310000023
为车辆横向速度的加速度；ωr为横摆角；
Figure BDA0002082427310000024
为横摆角的角速度；Fy1为前轮受到的侧向力、Fy2为后轮受到的侧向力； Iz为整车绕所述地理坐标系中Z轴的转动惯量；lf为质心到前轴的距离、lr为质心到后轴的距离。
可选的，所述根据所述轮胎坐标系以及所述力和力矩平衡运动方程建立二自由度的横向动力学模型，具体包括：
根据公式
Figure BDA0002082427310000025
以及
Figure BDA0002082427310000026
建立二自由度的横向动力学模型；其中，βf为前轮侧偏角、βr为后轮侧偏角；δ为前轮转向角；Kf为前轮轮胎侧偏刚度；Kr为后轮轮胎侧偏刚度。
可选的，所述根据所述外部阻力建立电传动系统驱动下的纵向动力学模型，具体包括：
根据公式
Figure BDA0002082427310000027
建立纵向动力学模型；其中，Ft为汽车驱动力，
Figure BDA0002082427310000031
Tt为作用在驱动轮上的转矩，Tt＝Tdiwηw，Td为驱动电机提供的驱动力矩，iw为轮边减速器速比，ηw为轮边减速器传动效率，R为车轮半径；Ff为滚动阻力，Ff＝fmgcosθ，f为滚动阻力系数，g为重力加速；θ为道路坡度角；Fw为空气阻力，
Figure BDA0002082427310000032
CD为空气阻力系数，ρ为空气密度，ρ＝1.2258N·s2·m-4，A为迎风面积；Fi为坡度阻力，Fi＝mgsinθ。
可选的，所述根据所述车辆悬架特性参数、所述地理坐标系以及所述车辆坐标系建立侧倾动力学模型，具体包括：
根据公式
Figure BDA0002082427310000033
建立侧倾动力学模型；其中，m为整车质量，ms为簧载总质量，φ车身侧倾角，
Figure BDA0002082427310000034
为车身侧倾角的角速度，
Figure BDA0002082427310000035
为车身侧倾角的角加速度，r为转弯半径，
Figure BDA0002082427310000036
为转弯半径的变化率，Iz为整车绕所述地理坐标系中Z轴的转动惯量，Ix为簧载质量绕xb轴的转动惯量，Ixz为簧载质量绕所述车辆坐标系中xb轴、zb轴的惯量积，hg为簧载质心到侧倾轴线的距离，Kφ为侧倾刚度系数，Cφ为侧倾阻尼系数。
一种基于车辆动力学模型的车辆运动特性仿真系统，包括：
坐标系获取模块，用于获取车辆坐标系、轮胎坐标系、地理坐标系以及轮胎模型；所述轮胎模型包括线性比例模型、非线性比例模型以及魔术公式 Magic Formula模型；
力和力矩平衡运动方程建立模块，用于当车辆以固定速度行驶时，利用牛顿定理，对所述车辆进行受力分析，根据所述车辆坐标系建立力和力矩平衡运动方程；所述力和力矩平衡运动方程包括侧向运动方程以及横摆运动方程；
横向动力学模型建立模块，用于根据所述轮胎坐标系以及所述力和力矩平衡运动方程建立二自由度的横向动力学模型；
外部阻力获取模块，用于获取所述车辆受到的外部阻力；所述外部阻力包括滚动阻力、空气阻力以及坡度阻力；
纵向动力学模型建立模块，用于根据所述外部阻力建立电传动系统驱动下的纵向动力学模型；
车辆悬架特性参数获取模块，用于获取所述车辆沿曲线行驶时的车辆悬架特性参数；所述车辆悬架特性参数包括簧载总质量、整车质心至前轴的距离、整车质心至后轴的距离、簧载质心到侧倾轴线的距离、侧倾刚度系数以及侧倾阻尼系数；
侧倾动力学模型建立模块，用于根据所述车辆悬架特性参数、所述地理坐标系以及所述车辆坐标系建立侧倾动力学模型；
仿真模块，用于根据所述轮胎模型、所述横向动力学模型、所述纵向动力学模型以及所述侧倾动力学模型对所述车辆的车辆运动特性进行仿真，确定车辆驾驶控制策略。
可选的，所述力和力矩平衡运动方程建立模块具体包括：
侧向运动方程建立单元，用于根据公式
Figure BDA0002082427310000041
建立侧向运动方程；
横摆运动方程建立单元，用于根据公式
Figure BDA0002082427310000042
建立横摆运动方程；其中，m为整车质量；vx为车辆纵向速度；vy为车辆横向速度；
Figure BDA0002082427310000043
为车辆横向速度的加速度；ωr为横摆角；
Figure BDA0002082427310000044
为横摆角的角速度；Fy1为前轮受到的侧向力、Fy2为后轮受到的侧向力；Iz为整车绕所述地理坐标系中Z轴的转动惯量； lf为质心到前轴的距离、lr为质心到后轴的距离。
可选的，所述横向动力学模型建立模块具体包括：
横向动力学模型建立单元，用于根据公式
Figure BDA0002082427310000045
以及
Figure BDA0002082427310000046
建立二自由度的横向动力学模型；其中，βf为前轮侧偏角、βr为后轮侧偏角；δ为前轮转向角；Kf为前轮轮胎侧偏刚度；Kr为后轮轮胎侧偏刚度。
可选的，所述纵向动力学模型建立模块具体包括：
纵向动力学模型建立单元，用于根据公式
Figure BDA0002082427310000047
建立纵向动力学模型；其中，Ft为汽车驱动力，
Figure BDA0002082427310000048
Tt为作用在驱动轮上的转矩， Tt＝Tdiwηw，Td为驱动电机提供的驱动力矩，iw为轮边减速器速比，ηw为轮边减速器传动效率，R为车轮半径；Ff为滚动阻力，Ff＝fmgcosθ，f为滚动阻力系数，g为重力加速；θ为道路坡度角；Fw为空气阻力，
Figure BDA0002082427310000051
CD为空气阻力系数，ρ为空气密度，ρ＝1.2258N·s2·m-4，A为迎风面积；Fi为坡度阻力，Fi＝mgsinθ。
可选的，所述侧倾动力学模型建立模块具体包括：
侧倾动力学模型建立单元，用于根据公式
Figure BDA0002082427310000052
建立侧倾动力学模型；其中，m为整车质量，ms为簧载总质量，φ车身侧倾角，
Figure BDA0002082427310000053
为车身侧倾角的角速度，
Figure BDA0002082427310000054
为车身侧倾角的角加速度，r为转弯半径，
Figure BDA0002082427310000055
为转弯半径的变化率，Iz为整车绕所述地理坐标系中Z轴的转动惯量，Ix为簧载质量绕xb轴的转动惯量，Ixz为簧载质量绕所述车辆坐标系中xb轴、zb轴的惯量积，hg为簧载质心到侧倾轴线的距离，Kφ为侧倾刚度系数，Cφ为侧倾阻尼系数。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明公开了一种基于车辆动力学模型的车辆运动特性仿真方法及系统，基于不同的坐标系，建立多个车辆运动学模型：基于三维刚体运动学特性建立了包含侧向、横摆两个自由度的横向动力学模型，电传动系统驱动下的纵向动力学模型以及考虑悬架特性的侧倾动力学模型；基于多个车辆运动学模型确定车辆驾驶控制策略，提高了车辆运动特性的仿真精度，为智能驾驶控制系统的仿真研究提供了平台。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的基于车辆动力学模型的车辆运动特性仿真方法流程图；
图2为本发明所提供的地理坐标系示意图；
图3为本发明所提供的车辆坐标系示意图；
图4为本发明所提供的轮胎坐标系示意图；
图5为本发明所提供的车辆动力学模型简化图；
图6为本发明所提供的带悬架的车辆侧倾模型示意图；
图7为本发明所提供的基于车辆动力学模型的车辆运动特性仿真系统结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种基于车辆动力学模型的车辆运动特性仿真方法及系统，能够提高车辆运动特性的仿真精度，确定最佳的车辆驾驶控制策略。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明所提供的基于车辆动力学模型的车辆运动特性仿真方法流程图，如图1所示，一种基于车辆动力学模型的车辆运动特性仿真方法，包括：
步骤101：获取车辆坐标系、轮胎坐标系、地理坐标系以及轮胎模型；所述轮胎模型包括线性比例模型、非线性比例模型以及Magic Formula模型。
图2为本发明所提供的地理坐标系示意图，如图2所示，地理坐标系是为了研究载体与大地水平面的方位关系所建立的坐标系。地理坐标系OENξ的原点O为载体质心，E轴水平面内指向东，N轴水平面内指向北，ENξ轴构成右手直角坐标系。
图3为本发明所提供的车辆坐标系示意图，如图3所示，车辆作为一个多自由度动力学系统，其运动的描述固结于参考坐标系，如图2、3所示为所建立的车辆坐标系obxbybzb。当车辆静止在水平地面上时，关于xbobzb平面左右对称。 xb轴水平指向前方，即车辆前进方向，yb轴水平指向左侧，zb轴垂直于xbobyb平面向上，原点ob与质心重合。
图4为本发明所提供的轮胎坐标系示意图，如图4所示，车辆运动学主要是考虑地面与轮胎之间的作用力，建立轮胎坐标系便于进行受力分析和车辆运动状态的研究。轮胎坐标系oixiyizi的原点位于车轮转动中心，xi轴沿车轮转动方向水平向前，yi轴垂直于车轮表面指向左侧，zi轴垂直向上。建模时忽略轮胎挤压变形，假定轮胎半径保持不变，且左右对称。
研究车辆的动力学模型主要考虑其受力情况，车辆所受到的力主要来自地面与轮胎的作用力和空气阻力。轮胎主要受到横向、纵向和垂直方向的作用力和力矩。轮胎的横向力影响车辆的行驶方向，驾驶员通过控制转向系统改变车辆的前轮转角来达到控制侧向力的目的。纵向力主要改变的是车辆的运行速度，通过控制动力转换系统使车辆达到加减速的目的。车辆的振动与轮胎受到的垂向力有关。空气阻力与车辆运行速度和车身外形有关。
轮胎模型：
轮胎作为车辆与道路连接的重要部件，建立合适的轮胎模型对车辆的动力学特性进行仿真分析是必不可少的，有利于提高车辆的驾驶性能；一些研究发现，给定轮胎恒定载荷和摩擦条件下，轮胎横向摩擦力随着偏移角的增大而增大，然后达到饱和值；研究者对于横向轮胎摩擦模型给出了多种不同的形式。目前比较常用的模型有线性比例模型、非线性比例模型以及Magic Formula模型[。
①在线性比例模型中，侧偏角被认为与侧向力成线性关系，相应的比例系数定义为侧偏刚度。
Fy＝-Kβ
式中，Fy为与轮胎转动方向垂直的轮胎力；K为轮胎侧偏刚度；β为轮胎侧偏角。
②非线性轮胎模型能够反映轮胎的整体特性，包括线性特性和饱和特性，具有更高的精度。
Figure BDA0002082427310000081
③著名的MagicFormula模型相比前两种模型更具有优势，模型中不仅考虑了轮胎侧偏角，也加入了车辆质心侧偏角和前轮转角，也能够反映车辆横摆角速度对轮胎的影响。
ff＝Dfsin{Cfarctan[Bf(1-Ef)αf+Efarctan(Bfαf)]}
考虑到非线性轮胎模型和MagicFormula模型未知参数过多难以测量，且车辆运动过程中侧偏角相对较小，基本位于线性区域，所以线性比例模型能够满足轮胎运动过程中的侧向摩擦力特性。
步骤102：当车辆以固定速度行驶时，利用牛顿定理，对所述车辆进行受力分析，根据所述车辆坐标系建立力和力矩平衡运动方程；所述力和力矩平衡运动方程包括侧向运动方程以及横摆运动方程。
步骤103：根据所述轮胎坐标系以及所述力和力矩平衡运动方程建立二自由度的横向动力学模型。
在建立横向动力学模型时，只考虑横向和横摆两个自由度的运动学特性，并作出以下的一些假设：
①假设车辆垂向弹性特性和阻尼特性较好，忽略车辆垂向动力学的影响。
②忽略转向系，假设输入信号直接作用于车辆前轮转角。
③忽略空气阻力对车辆侧向力的影响。
④假设车辆左右对称，将车辆简化为二自由度模型。
当车辆以固定速度行驶时，根据牛顿定理，对车辆进行受力分析，建立力和力矩平衡方程式为：
沿yb轴的侧向运动：
Figure BDA0002082427310000082
绕zb轴的横摆运动：
Figure BDA0002082427310000091
式中，m为整车质量；vx为车辆纵向速度；vy为车辆横向速度；
Figure BDA0002082427310000092
为车辆横向速度的加速度；ωr为横摆角；
Figure BDA0002082427310000093
为横摆角的角速度；Fy1为前轮受到的侧向力、Fy2为后轮受到的侧向力；Iz为整车绕所述地理坐标系中Z轴的转动惯量； lf为质心到前轴的距离、lr为质心到后轴的距离。
地面对车轮产生侧向力时，使车轮发生偏移不再沿直线滚动，车轮运行速度方向与轮胎旋转方向(xi轴)的夹角为侧偏角。
图5为本发明所提供的车辆动力学模型简化图，如图5所示，将车辆视为一个刚体，其受到沿纵向的速度分量，沿横向的速度分量，以及绕zb轴旋转的角速度。因此轮胎受到的侧向力包括横向速度和绕质心旋转的角速度的作用力，前轮胎还包括转向角δ。
Figure BDA0002082427310000094
Figure BDA0002082427310000095
式中，βf、βr分别为前后轮侧偏角；lf、lr为质心距离前后轴的距离；δ为前轮转向角。
轮胎受到的侧向力为：
Figure BDA0002082427310000096
Figure BDA0002082427310000097
将轮胎受到的侧向力代入沿yb轴的侧向运动和绕zb轴的横摆运动确定二自由度的横向动力学模型：
Figure BDA0002082427310000101
Figure BDA0002082427310000102
步骤104：获取所述车辆受到的外部阻力；所述外部阻力包括滚动阻力、空气阻力以及坡度阻力。
步骤105：根据所述外部阻力建立电传动系统驱动下的纵向动力学模型。
矿用车的动力转换系统为电传动系统，地面与轮胎的相互作用力是通过将发动机输出的动力转换成牵引力从而驱动车辆行驶。车辆受到的外部阻力有滚动阻力、空气阻力、重力分量。
车辆纵向受力平衡方程式为：
Figure BDA0002082427310000103
式中，Ft为汽车驱动力；Ff为滚动阻力；Fw为空气阻力；Fi为坡度阻力。
①汽车的驱动力：
Figure BDA0002082427310000104
式中，Tt为作用在驱动轮上的转矩；R为车轮半径。
Tt＝Tdiwηw
式中，Td为驱动电机提供的驱动力矩；iw为轮边减速器速比；ηw为轮边减速器传动效率。
②空气阻力
Figure BDA0002082427310000105
式中，CD为空气阻力系数，ρ为空气密度，一般ρ＝1.2258N·s2·m-4；A为迎风面积。
③滚动阻力
Ff＝fmg cosθ
式中，f为滚动阻力系数，θ为道路坡度角。
④坡度阻力
Fi＝mg sinθ
步骤106：获取所述车辆沿曲线行驶时的车辆悬架特性参数；所述车辆悬架特性参数包括簧载总质量、整车质心至前轴的距离、整车质心至后轴的距离、簧载质心到侧倾轴线的距离、侧倾刚度系数以及侧倾阻尼系数。
步骤107：根据所述车辆悬架特性参数、所述地理坐标系以及所述车辆坐标系建立侧倾动力学模型。
图6为本发明所提供的带悬架的车辆侧倾模型示意图，如图6所示，矿用车沿曲线行驶时，车轮左右两侧的垂直载荷发生改变，同时位于悬架上方的车身发生倾斜，从而对轮胎侧偏角和侧偏刚度产生影响。即便方向盘转角保持不变，由于前悬架导向杆和后悬架导向杆的运动和变形，也会使车辆产生小角度的侧倾转向和变形转向。车身相对地面做横向转动时的瞬时轴线为侧倾轴线。
Figure BDA0002082427310000111
式中，m为整车质量，ms为簧载总质量，φ车身侧倾角，
Figure BDA0002082427310000112
为车身侧倾角的角速度，
Figure BDA0002082427310000113
为车身侧倾角的角加速度，r为转弯半径，
Figure BDA0002082427310000114
为转弯半径的变化率， Iz为整车绕Z轴的转动惯量，Ix为簧载质量绕xb轴的转动惯量，Ixz为簧载质量绕xb、zb轴的惯量积，lf、lr分别为整车质心至前后轴的距离，hg为簧载质心到侧倾轴线的距离；Kφ为侧倾刚度系数，Cφ为侧倾阻尼系数。
步骤108：根据所述轮胎模型、所述横向动力学模型、所述纵向动力学模型以及所述侧倾动力学模型对所述车辆的车辆运动特性进行仿真，确定车辆驾驶控制策略。
图7为本发明所提供的基于车辆动力学模型的车辆运动特性仿真系统结构图，如图7所示，一种基于车辆动力学模型的车辆运动特性仿真系统，包括：
坐标系获取模块701，用于获取车辆坐标系、轮胎坐标系、地理坐标系以及轮胎模型；所述轮胎模型包括线性比例模型、非线性比例模型以及Magic Formula模型。
力和力矩平衡运动方程建立模块702，用于当车辆以固定速度行驶时，利用牛顿定理，对所述车辆进行受力分析，根据所述车辆坐标系建立力和力矩平衡运动方程；所述力和力矩平衡运动方程包括侧向运动方程以及横摆运动方程。
所述力和力矩平衡运动方程建立模块702具体包括：侧向运动方程建立单元，用于根据公式
Figure BDA0002082427310000121
建立侧向运动方程；横摆运动方程建立单元，用于根据公式
Figure BDA0002082427310000122
建立横摆运动方程；其中，m为整车质量；vx为车辆纵向速度；vy为车辆横向速度；
Figure BDA0002082427310000123
为车辆横向速度的加速度；ωr为横摆角；
Figure BDA0002082427310000124
为横摆角的角速度；Fy1为前轮受到的侧向力、Fy2为后轮受到的侧向力；Iz为整车绕所述地理坐标系中Z轴的转动惯量；lf为质心到前轴的距离、lr为质心到后轴的距离。
横向动力学模型建立模块703，用于根据所述轮胎坐标系以及所述力和力矩平衡运动方程建立二自由度的横向动力学模型。
所述横向动力学模型建立模块703具体包括：横向动力学模型建立单元，用于根据公式
Figure BDA0002082427310000125
以及
Figure BDA0002082427310000126
建立二自由度的横向动力学模型；其中，βf为前轮侧偏角、βr为后轮侧偏角；δ为前轮转向角；Kf为前轮轮胎侧偏刚度；Kr为后轮轮胎侧偏刚度。
外部阻力获取模块704，用于获取所述车辆受到的外部阻力；所述外部阻力包括滚动阻力、空气阻力以及坡度阻力。
纵向动力学模型建立模块705，用于根据所述外部阻力建立电传动系统驱动下的纵向动力学模型。
所述纵向动力学模型建立模块705具体包括：纵向动力学模型建立单元，用于根据公式
Figure BDA0002082427310000131
建立纵向动力学模型；其中，Ft为汽车驱动力，
Figure BDA0002082427310000132
Tt为作用在驱动轮上的转矩，Tt＝Tdiwηw，Td为驱动电机提供的驱动力矩，iw为轮边减速器速比，ηw为轮边减速器传动效率，R为车轮半径；Ff为滚动阻力，Ff＝fmgcosθ，f为滚动阻力系数，g为重力加速；θ为道路坡度角；Fw为空气阻力，
Figure BDA0002082427310000133
CD为空气阻力系数，ρ为空气密度，ρ＝1.2258N·s2·m-4，A为迎风面积；Fi为坡度阻力，Fi＝mgsinθ。
车辆悬架特性参数获取模块706，用于获取所述车辆沿曲线行驶时的车辆悬架特性参数；所述车辆悬架特性参数包括簧载总质量、整车质心至前轴的距离、整车质心至后轴的距离、簧载质心到侧倾轴线的距离、侧倾刚度系数以及侧倾阻尼系数。
侧倾动力学模型建立模块707，用于根据所述车辆悬架特性参数、所述地理坐标系以及所述车辆坐标系建立侧倾动力学模型。
所述侧倾动力学模型建立模块707具体包括：侧倾动力学模型建立单元，用于根据公式
Figure BDA0002082427310000134
建立侧倾动力学模型；其中，m为整车质量，ms为簧载总质量，φ车身侧倾角，
Figure BDA0002082427310000135
为车身侧倾角的角速度，
Figure BDA0002082427310000136
为车身侧倾角的角加速度，r为转弯半径，
Figure BDA0002082427310000137
为转弯半径的变化率，Iz为整车绕所述地理坐标系中Z轴的转动惯量，Ix为簧载质量绕xb轴的转动惯量，Ixz为簧载质量绕所述车辆坐标系中xb轴、zb轴的惯量积，hg为簧载质心到侧倾轴线的距离，Kφ为侧倾刚度系数，Cφ为侧倾阻尼系数。
仿真模块708，用于根据所述轮胎模型、所述横向动力学模型、所述纵向动力学模型以及所述侧倾动力学模型对所述车辆的车辆运动特性进行仿真，确定车辆驾驶控制策略。
在考虑矿用车运动特性的基础上，建立了车辆横向、纵向和侧倾动力学方程，方程中包含的整车质量、道路坡度角等均为变量，实时根据变量的变化而改变车辆驾驶控制策略，提高了车辆仿真精度。
本说明书中各个实施例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部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明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发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，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发明的限制。

Claims (8)

1.一种基于车辆动力学模型的车辆运动特性仿真方法，其特征在于，包括：
获取车辆坐标系、轮胎坐标系、地理坐标系以及轮胎模型；所述轮胎模型包括线性比例模型、非线性比例模型以及魔术公式Magic Formula模型；
当车辆以固定速度行驶时，利用牛顿定理，对所述车辆进行受力分析，根据所述车辆坐标系建立力和力矩平衡运动方程；所述力和力矩平衡运动方程包括侧向运动方程以及横摆运动方程；所述根据所述车辆坐标系建立力和力矩平衡运动方程，具体包括：根据公式
Figure FDA0002676671110000011
建立侧向运动方程；根据公式
Figure FDA0002676671110000012
建立横摆运动方程；其中，m为整车质量；vx为车辆纵向速度；
Figure FDA0002676671110000013
为车辆横向速度的加速度；ωr为横摆角；
Figure FDA0002676671110000014
为横摆角的角速度；Fy1为前轮受到的侧向力、
Figure FDA0002676671110000015
为后轮受到的侧向力；Iz为整车绕所述地理坐标系中Z轴的转动惯量；lf为质心到前轴的距离、lr为质心到后轴的距离；
根据所述轮胎坐标系以及所述力和力矩平衡运动方程建立二自由度的横向动力学模型；
获取所述车辆受到的外部阻力；所述外部阻力包括滚动阻力、空气阻力以及坡度阻力；
根据所述外部阻力建立电传动系统驱动下的纵向动力学模型；
获取所述车辆沿曲线行驶时的车辆悬架特性参数；所述车辆悬架特性参数包括簧载总质量、整车质心至前轴的距离、整车质心至后轴的距离、簧载质心到侧倾轴线的距离、侧倾刚度系数以及侧倾阻尼系数；
根据所述车辆悬架特性参数、所述地理坐标系以及所述车辆坐标系建立侧倾动力学模型；
根据所述轮胎模型、所述横向动力学模型、所述纵向动力学模型以及所述侧倾动力学模型对所述车辆的车辆运动特性进行仿真，确定车辆驾驶控制策略。
2.根据权利要求1所述的基于车辆动力学模型的车辆运动特性仿真方法，其特征在于，所述根据所述轮胎坐标系以及所述力和力矩平衡运动方程建立二自由度的横向动力学模型，具体包括：
根据公式
Figure FDA0002676671110000021
以及
Figure FDA0002676671110000022
建立二自由度的横向动力学模型；其中，δ为前轮转向角；Kf为前轮轮胎侧偏刚度；Kr为后轮轮胎侧偏刚度；vy为车辆横向速度。
3.根据权利要求2所述的基于车辆动力学模型的车辆运动特性仿真方法，其特征在于，所述根据所述外部阻力建立电传动系统驱动下的纵向动力学模型，具体包括：
根据公式
Figure FDA0002676671110000023
建立纵向动力学模型；其中，Ft为汽车驱动力，
Figure FDA0002676671110000024
Tt为作用在驱动轮上的转矩，Tt＝Tdiwηw，Td为驱动电机提供的驱动力矩，iw为轮边减速器速比，ηw为轮边减速器传动效率，R为车轮半径；Ff为滚动阻力，Ff＝fmgcosθ，f为滚动阻力系数，g为重力加速；θ为道路坡度角；Fw为空气阻力，
Figure FDA0002676671110000025
CD为空气阻力系数，ρ为空气密度，ρ＝1.2258N·s2·m-4，A为迎风面积；Fi为坡度阻力，Fi＝mgsinθ。
4.根据权利要求3所述的基于车辆动力学模型的车辆运动特性仿真方法，其特征在于，所述根据所述车辆悬架特性参数、所述地理坐标系以及所述车辆坐标系建立侧倾动力学模型，具体包括：
根据公式
Figure FDA0002676671110000026
建立侧倾动力学模型；其中，m为整车质量，ms为簧载总质量，φ车身侧倾角，
Figure FDA0002676671110000027
为车身侧倾角的角速度，
Figure FDA0002676671110000028
为车身侧倾角的角加速度，r为转弯半径，
Figure FDA0002676671110000029
为转弯半径的变化率，Ix为簧载质量绕xb轴的转动惯量，Ixz为簧载质量绕所述车辆坐标系中xb轴、zb轴的惯量积，hg为簧载质心到侧倾轴线的距离，Kφ为侧倾刚度系数，Cφ为侧倾阻尼系数。
5.一种基于车辆动力学模型的车辆运动特性仿真系统，其特征在于，包括：
坐标系获取模块，用于获取车辆坐标系、轮胎坐标系、地理坐标系以及轮胎模型；所述轮胎模型包括线性比例模型、非线性比例模型以及魔术公式MagicFormula模型；
力和力矩平衡运动方程建立模块，用于当车辆以固定速度行驶时，利用牛顿定理，对所述车辆进行受力分析，根据所述车辆坐标系建立力和力矩平衡运动方程；所述力和力矩平衡运动方程包括侧向运动方程以及横摆运动方程；所述力和力矩平衡运动方程建立模块具体包括：侧向运动方程建立单元，用于根据公式
Figure FDA0002676671110000031
建立侧向运动方程；横摆运动方程建立单元，用于根据公式
Figure FDA0002676671110000032
建立横摆运动方程；其中，m为整车质量；vx为车辆纵向速度；
Figure FDA0002676671110000033
为车辆横向速度的加速度；ωr为横摆角；
Figure FDA0002676671110000034
为横摆角的角速度；Fy1为前轮受到的侧向力、
Figure FDA0002676671110000035
为后轮受到的侧向力；Iz为整车绕所述地理坐标系中Z轴的转动惯量；lf为质心到前轴的距离、lr为质心到后轴的距离；
横向动力学模型建立模块，用于根据所述轮胎坐标系以及所述力和力矩平衡运动方程建立二自由度的横向动力学模型；
外部阻力获取模块，用于获取所述车辆受到的外部阻力；所述外部阻力包括滚动阻力、空气阻力以及坡度阻力；
纵向动力学模型建立模块，用于根据所述外部阻力建立电传动系统驱动下的纵向动力学模型；
车辆悬架特性参数获取模块，用于获取所述车辆沿曲线行驶时的车辆悬架特性参数；所述车辆悬架特性参数包括簧载总质量、整车质心至前轴的距离、整车质心至后轴的距离、簧载质心到侧倾轴线的距离、侧倾刚度系数以及侧倾阻尼系数；
侧倾动力学模型建立模块，用于根据所述车辆悬架特性参数、所述地理坐标系以及所述车辆坐标系建立侧倾动力学模型；
仿真模块，用于根据所述轮胎模型、所述横向动力学模型、所述纵向动力学模型以及所述侧倾动力学模型对所述车辆的车辆运动特性进行仿真，确定车辆驾驶控制策略。
6.根据权利要求5所述的基于车辆动力学模型的车辆运动特性仿真系统，其特征在于，所述横向动力学模型建立模块具体包括：
横向动力学模型建立单元，用于根据公式
Figure FDA0002676671110000041
以及
Figure FDA0002676671110000042
建立二自由度的横向动力学模型；其中，δ为前轮转向角；Kf为前轮轮胎侧偏刚度；Kr为后轮轮胎侧偏刚度；vy为车辆横向速度。
7.根据权利要求6所述的基于车辆动力学模型的车辆运动特性仿真系统，其特征在于，所述纵向动力学模型建立模块具体包括：
纵向动力学模型建立单元，用于根据公式
Figure FDA0002676671110000043
建立纵向动力学模型；其中，Ft为汽车驱动力，
Figure FDA0002676671110000044
Tt为作用在驱动轮上的转矩，Tt＝Tdiwηw，Td为驱动电机提供的驱动力矩，iw为轮边减速器速比，ηw为轮边减速器传动效率，R为车轮半径；Ff为滚动阻力，Ff＝fmgcosθ，f为滚动阻力系数，g为重力加速；θ为道路坡度角；Fw为空气阻力，
Figure FDA0002676671110000045
CD为空气阻力系数，ρ为空气密度，ρ＝1.2258N·s2·m-4，A为迎风面积；Fi为坡度阻力，Fi＝mgsinθ。
8.根据权利要求7所述的基于车辆动力学模型的车辆运动特性仿真系统，其特征在于，所述侧倾动力学模型建立模块具体包括：
侧倾动力学模型建立单元，用于根据公式
Figure FDA0002676671110000046
建立侧倾动力学模型；其中，m为整车质量，ms为簧载总质量，φ车身侧倾角，
Figure FDA0002676671110000047
为车身侧倾角的角速度，
Figure FDA0002676671110000051
为车身侧倾角的角加速度，r为转弯半径，
Figure FDA0002676671110000052
为转弯半径的变化率，Iz为整车绕所述地理坐标系中Z轴的转动惯量，Ix为簧载质量绕xb轴的转动惯量，Ixz为簧载质量绕所述车辆坐标系中xb轴、zb轴的惯量积，hg为簧载质心到侧倾轴线的距离，Kφ为侧倾刚度系数，Cφ为侧倾阻尼系数。
CN201910476471.2A 2019-06-03 2019-06-03 基于车辆动力学模型的车辆运动特性仿真方法及系统 Active CN110175428B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910476471.2A CN110175428B (zh) 2019-06-03 2019-06-03 基于车辆动力学模型的车辆运动特性仿真方法及系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910476471.2A CN110175428B (zh) 2019-06-03 2019-06-03 基于车辆动力学模型的车辆运动特性仿真方法及系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110175428A CN110175428A (zh) 2019-08-27
CN110175428B true CN110175428B (zh) 2020-11-10

Family

ID=67697669

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910476471.2A Active CN110175428B (zh) 2019-06-03 2019-06-03 基于车辆动力学模型的车辆运动特性仿真方法及系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110175428B (zh)

Families Citing this family (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110631840B (zh) * 2019-09-11 2021-07-02 肇庆学院 一种商用车防抱死系统试验台的试验方法
CN110864916A (zh) * 2019-12-10 2020-03-06 宝能汽车有限公司 车辆稳定性能的测试方法、测试系统
CN110979301A (zh) * 2019-12-13 2020-04-10 海马新能源汽车有限公司 坡道辅助起步控制方法、坡道辅助起步控制系统和车辆
CN111368424B (zh) * 2020-03-03 2023-09-01 阿波罗智能技术(北京)有限公司 一种车辆仿真方法、装置、设备及介质
CN111523207B (zh) * 2020-04-08 2023-06-27 奇瑞汽车股份有限公司 整车平台建模、车辆性能检测的方法、装置、设备和介质
CN114279659B (zh) * 2020-09-27 2023-06-23 中车株洲电力机车研究所有限公司 一种铰接系统试验方法、系统、介质及设备
CN112270069B (zh) * 2020-09-29 2024-02-06 万物镜像(北京)计算机系统有限公司 确定仿真车辆的车轮载荷的方法、装置、介质及设备
CN112784355A (zh) * 2020-12-21 2021-05-11 吉林大学 一种基于多体动力学的十四自由度车辆动力学模型建模方法
CN112883487B (zh) * 2021-02-01 2022-06-17 湖南汽车工程职业学院 一种基于大数据的汽车外形设计优化系统
CN113009829B (zh) * 2021-02-25 2022-04-26 清华大学 一种智能网联车队纵横向耦合控制方法
CN113341966B (zh) * 2021-05-31 2022-05-17 广州文远知行科技有限公司 坡道车辆控制方法、装置、车辆及存储介质
CN113836737B (zh) * 2021-09-29 2023-10-27 东风汽车有限公司东风日产乘用车公司 轮胎干涉风险监测方法、装置及设备
CN116502341B (zh) * 2023-06-26 2023-09-15 北京理工大学 一种精细化履带车辆仿真平台及其构建方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102928816A (zh) * 2012-11-07 2013-02-13 东南大学 一种面向隧道环境的车辆高可靠组合定位方法
CN103879307A (zh) * 2014-03-13 2014-06-25 浙江大学 一种用于电动汽车的后轮独立驱动控制系统及方法
CN108501944A (zh) * 2018-05-14 2018-09-07 吕杉 汽车爆胎安全稳定控制方法

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7912683B2 (en) * 2006-03-31 2011-03-22 The Yokohama Rubber Co., Ltd. Tire transient response data calculating method, data processing method, tire designing method, vehicle motion predicting method, and tire cornering characteristic evaluation method and evaluation device therefor
CN103176472B (zh) * 2013-03-13 2015-09-09 长沙理工大学 一种四轮驱动纯电动汽车硬件在环仿真实验系统
CN105378734B (zh) * 2013-05-20 2019-04-26 新思科技有限公司 半局部弹道迁移率模型
CN108791301B (zh) * 2018-05-31 2020-03-24 重庆大学 基于驾驶员特性的智能汽车驾驶过程横向动态控制方法
CN109017778B (zh) * 2018-07-31 2022-04-15 大连民族大学 四轮独立驱动车辆的期望路径主动转向控制方法
CN109522666B (zh) * 2018-11-27 2023-07-14 上海埃维汽车技术股份有限公司 一种分布式电动汽车稳定性控制方法
CN109606133B (zh) * 2019-01-16 2020-10-20 浙江科技学院 基于双层控制的分布式驱动电动汽车转矩矢量控制方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102928816A (zh) * 2012-11-07 2013-02-13 东南大学 一种面向隧道环境的车辆高可靠组合定位方法
CN103879307A (zh) * 2014-03-13 2014-06-25 浙江大学 一种用于电动汽车的后轮独立驱动控制系统及方法
CN108501944A (zh) * 2018-05-14 2018-09-07 吕杉 汽车爆胎安全稳定控制方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN110175428A (zh) 2019-08-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110175428B (zh) 基于车辆动力学模型的车辆运动特性仿真方法及系统
CN107380161B (zh) 一种辅助驾驶员实现理想行驶轨迹的主动转向控制装置
CN103057436B (zh) 一种基于多智能体的独立驱动电动汽车横摆力矩控制方法
CN107727417B (zh) 一种人机共驾转向系统硬件在环仿真测试平台
CN108216363B (zh) 一种电动轮汽车底盘集成系统的多学科优化方法
CN104477237A (zh) 一种四轮独立转向电动车转向控制方法及系统
CN106649983A (zh) 用于无人驾驶车辆高速运动规划的车辆动力学模型建模方法
CN110962626B (zh) 一种多轴轮毂电机驱动车辆的自适应电子差速控制方法
CN108216250A (zh) 基于状态观测器的四驱电动汽车速度与道路坡度估计方法
CN104354700A (zh) 一种基于无迹卡尔曼滤波的车辆参数在线估计方法
CN107220405B (zh) 一种基于改进细胞膜优化算法的汽车底盘系统集成多目标优化方法
CN109291932A (zh) 基于反馈的电动汽车横摆稳定性实时控制装置及方法
CN112818463B (zh) 一种多模态陆空两栖车辆平台仿真系统
Chiou et al. Modeling and verification of a diamond-shape narrow-tilting vehicle
Németh et al. Trajectory tracking based on independently controlled variable-geometry suspension for in-wheel electric vehicles
CN115406669A (zh) 一种多轴特种车辆侧翻指标优化方法
CN115422837A (zh) 一种基于深度高斯过程的智能汽车动力学预测模型、训练数据获取方法、以及训练方法
Ravikanth et al. Dynamic modeling and simulation of a three-wheeled hub motor vehicle
Lee et al. Full vehicle dynamic modeling for chassis controls
CN112784355A (zh) 一种基于多体动力学的十四自由度车辆动力学模型建模方法
Wu et al. Research on Joint Estimation Algorithm of Intelligent Vehicle Mass and Road Grade
Tan et al. Vehicle state estimation of steer by wire system based on multi sensor fusion
Davari et al. Rolling loss analysis of combined camber and slip angle control
Chen et al. Study on control of an two hub-motor electric vehicle
Németh et al. Robust control design for the integration of steering and torque vectoring using a variable-geometry suspension system

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant