CN110728020B - 一种整车仿真实验平台道路模拟系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种整车仿真实验平台道路模拟系统，该系统中真实道路建模子模块真实道路数据建立实际道路模型，特征道路建模子模块根据道路的不同属性特征建立模拟道路模型，典型道路库根据典型道路特征建立典型道路模型库，地图数据模块根据仿真车辆当前的定位信息，获取当前道路信息及前方道路数据并整合成整车可以识别的地图信息，借助通讯CAN模拟发送给整车系统。本发明不仅能够完善仿真道路库，构造道路模拟系统，提高仿真的真实性，同时降低了实车试验的研发成本。

Description

一种整车仿真实验平台道路模拟系统

技术领域

本发明涉及道路建模技术领域，尤其涉及一种整车仿真实验平台道路模拟系统的建立方法。

背景技术

随着汽车需求的日益增长，汽车市场日益呈现出前所未有的活力，巨大的汽车保有量带动了该行业的迅速发展，从传统车到新能源，以至于无人驾驶，汽车工业正在迸发着前所未有的活力。这样缩短车辆研发周期、降低开发成本成为各汽车厂商面临的最大的问题。大量的实车试验能够不断的验证和提高整车性能，但同时存在危险性高、成本高、不可重复验证及无法验证极端工况等弊端，如果能够在前期的仿真实验中对整车的各个功能做充分的验证工作，不仅能够及早的发现问题、解决问题，同时也节省了大量的实车试验研发成本。其中，在整车动力学仿真模型中，对于道路的建模是非常重要的一项，模拟道路的类型是否完善，以及与真实道路的吻合程度也在一定程度上决定了仿真实验的有效性。但目前针对道路的建模都非常简单，不能真实有效的反应实际的道路情况，所以在这种背景下，针对道路的真实还原就变得越来越重要。本发明正是基于这种背景下实现的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种模拟道路类型完善，能够提高整车道路仿真的真实有效性的整车仿真实验平台道路模拟系统。

为了解决上述技术问题，本发明的整车仿真实验平台道路模拟系统包括道路库模块和地图传输模块；道路库模块包括真实道路建模子模块，特征道路建模子模块，典型道路库；

真实道路建模子模块：

利用高精度全球定位系统GPS实时采集道路的经纬度和高程数据，并按照下述方法对数据进行处理得到实际道路模型；

1.1.首先定义大地坐标系：道路的纵向为x轴，道路的侧向为y轴，道路的垂向为z轴；坐标系的原点为道路的起点，即(x₀，y₀，z₀)＝[0,0,0]；

1.2.将经纬度数据转换成相对的纵向和侧向位移数据，即x,y数据，采集到的高程数据即为垂向位移z；然后对数据做滤波处理得到实际道路模型；

特征道路建模子模块：按照下述方法构建包含纵断面库和横断面库的数据库，利用纵断面库和横断面库中的基本道路元件进行拼接生成模拟道路模型：

2.1.建立纵断面库：建立包含不同坡度及坡长基本道路元件的纵断面库；针对纵断面库中任一基本道路元件，纵断面库中包含该基本道路元件的坡度S_k，坡长L_k，起点坐标(0,0,0)，最终位置坐标(x_k0,y_k0,z_k0)；坡度S_k、坡长L_k与起点坐标(0,0,0)和最终位置坐标(x_k0,y_k0,z_k0)的转换关系式如下：

建立横断面库：建立包含不同曲率及弧长的横断面库；针对横断面库中任一基本道路元件，横断面库包含该基本道路元件的曲率C_k，弧长T_k，起点坐标(0,0,0)，第二点坐标(xk1,yk1,zk1)，第三点坐标(xk2,yk2,zk2)，曲率C_k和弧长T_k与三个坐标点的转换关系式如下；

其中(a,b)为圆弧的圆心坐标，θ为起点和第三点之间的圆心角，R为圆弧的半径；

2.2道路连接

根据实际仿真需要将多个基本道路元件进行拼接，建立仿真道路模型；

典型道路库：

根据典型道路特征，利用基本道路元件进行拼接，建立典型道路模型库；

地图数据模块：

根据仿真车辆当前的定位信息，获取当前道路信息及前方道路数据并整合成整车可以识别的地图信息，借助通讯CAN模拟发送给整车系统。

所述特征道路建模子模块，选择纵断面库中多个基本道路元件进行拼接，建立一条高低起伏的直路仿真道路模型；建立方法如下：

按照路段数量、每段路的长度以及坡度，在纵断面库中选择相应的多个基本道路元件按顺序进行拼接；其中第一段路的首坐标为坐标系原点，下一段路的初始坐标点为上一段路的终点坐标点，相接两个路段之间通过一段竖曲线平顺衔接，得到高低起伏的直路仿真道路模型；按照线性插值的方式得到直路上各离散点的坐标。

所述特征道路建模子模块，选择横断面库中多个基本道路元件进行拼接，建立一条弯曲道路仿真道路模型；建立方法如下：

按照路段数量、每段路的长度以及曲率，在横断面库中选择相应的多个基本道路元件按顺序进行拼接；其中第一段路的首坐标为坐标系原点，下一段路的初始坐标点为上一段路的终点坐标点，相接两个路段之间通过一段回旋线平顺衔接，得到高低起伏的直路仿真道路模型；按照线性插值的方式得到曲道路上各离散点的坐标。

所述特征道路建模子模块，选择纵断面库和横断面库中多个基本道路元件进行拼接，建立一条起伏弯曲道路仿真道路模型；建立方法如下：

按照路段数量、每段路的长度以及坡度或曲率，在纵断面库和横断面库中选择相应的多个基本道路元件按顺序进行拼接；其中第一段路的首坐标为坐标系原点，下一段路的初始坐标点为上一段路的终点坐标点，相接两个路段之间通过一段竖曲线或回旋线平顺衔接，得到起伏弯曲仿真道路模型；按照线性插值的方式得到曲道路上各离散点的坐标。

所述的道路库模块还可以利用建立好的直路仿真道路模型、弯路仿真道路模型、起伏弯曲仿真道路模型及典型道路模型拼接仿真道路；仿真道路中相邻两段路拼接方法如下：

(1)读取第一段路的基本信息，包括道路长度，基本元件库路段个数，末节点的坐标位置(x₁,y₁,z₁)；

(2)读取第二段路的基本信息，包括道路长度，基本元件库路段个数，末始节点的坐标位置(x₂,y₂,z₂)；

(3)将第二段路的起始点位置与第一段路的终点位置进行连接，同时将第二段路的横向位置、纵向位置以及垂向位置依次进行平移x₁,y₁,z₁，同时插入回旋线和/或竖曲线，如果插入失败则认为两段路无法拼接，在中间加入一段直线作为缓冲，实现两段路的拼接。

所述的道路库模块还可以选择建立好的直路仿真道路模型、弯路仿真道路模型、起伏弯曲仿真道路模型或典型道路模型中部分路段拼接仿真道路，拼接方法如下：

(1)选定想要截取的一个或多个道路模型，将原道路模型分为多个截取路段；

(2)选取多个所需截取路段拼接成仿真道路。

综上，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1.本发明可以实现将采集的实际道路数据进行精确建模，完善道路模拟系统；

2.本发明建立了基本的道路元件库，能够实现按照用户需求根据道路不同特征对道路进行建模，并可灵活实现道路的各种变换；

3.通过可视化工具，用户可直观清晰的设计所需要的道路；

4.本发明能够实现车辆前方一段距离内的地图信息传输给整车，为车辆的预见性智能驾驶等仿真实验提供依据。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1为道路模拟系统整体结构示意图；

图2为道路库分类示意图；

图3为道路可视化界面示意图；

图4为坡度计算示意图；

图5为曲率计算示意图；

图6为竖曲线的示意图；

图7为回旋线的示意图。

具体实施方式：

如图1所示，本发明的整车仿真实验平台道路模拟系统包括道路库模块和地图传输模块；道路库模块包括真实道路建模子模块，特征道路建模子模块，典型道路库。真实道路建模子模块将采集到的真实道路数据进行建模；特征道路建模子模块根据道路的不同属性特征对道路进行建模；利用上述两个子模块可以建立道路数据库，并结合整车仿真实验平台进行车辆仿真；典型道路库包含根据典型道路特征建立的典型道路模型；地图传输模块将车辆前方已知的道路数据发送给整车，可以便于整车做相应的预见性智能化控制。本发明不仅完善了仿真道路库，构造道路模拟系统，提高仿真的真实性，同时降低了实车试验的研发成本。

一、真实道路建模子模块：

利用高精度全球定位系统GPS实时采集道路的经纬度和高程数据，并按照下述方法对数据进行处理得到实际道路模型；

1.1.首先定义大地坐标系：道路的纵向为x轴，道路的侧向为y轴，道路的垂向为z轴。坐标系的原点为道路的起点，即(x₀，y₀，z₀)＝[0,0,0]。

1.2.将经纬度数据转换成相对的纵向和侧向位移数据，即x,y数据，采集到的高程数据即为垂向位移z。然后对数据做滤波处理，即完成了实际道路的建模，连接到整车仿真实验平台中即可供使用者使用。

二、特征道路建模子模块：根据国家道路建设相关的规定和标准，实现对道路进行较为精细的建模。由于每条道路都可以由若干段拼接而成，所以首先需要建立包含各种基本道路元件模型的数据库，当利用道路模拟系统进行整车仿真实验的时候，可以从建立好的元件库中选择相应的基本道路元件，并实现有效拼接，即可生成模拟道路，完成仿真。具体建模方法如下：

2.1.根据步骤1.1中定义的大地坐标系，道路的纵向为x轴，道路的侧向为y轴，道路的垂向为z轴。坐标系的原点为道路的起点。根据道路建模的相关规定，道路的纵向坐标x和垂向坐标z组成了道路的纵断面，决定了道路的坡度，道路的纵向坐标x和侧向坐标y组成了道路的横断面，决定了道路的曲率，而道路的坡度和曲率即组成了道路最重要的特征。因此本发明在本步骤对基本道路元件库建模时，包含两个基本库即纵断面库和横断面库。

纵断面库：根据坡度的不同，道路纵断面主要分为上坡，平路和下坡。建立的纵断面库应包含不同坡长和坡度，其坡度范围为-S₀---S₀，间隔为Δs，坡长范围为0---L，间隔为ΔL。最终得到的基本元件库需要保存为具体的(x,y,z)位置坐标。假如要设计一段坡度为S_k，坡长为L_k的纵断面，起点为坐标原点(0,0,0)，最终位置坐标为(x_k0,y_k0,z_k0)，它们之间的转换关系式如公式(1)所示，具体示意图如图4所示。

横断面库：根据曲率的不同，道路横断面主要分为左转路，右转路以及直路。建立的横断面库应包含不同的曲率和弧长，其曲率范围为-C₀---C₀,间隔为Δc，弧长范围为0---T，间隔为Δt。最终得到的元件库需保存为具体的(x,y,z)位置坐标。由于三点确定一段圆弧，所以假如要设计一段曲率为C_k，弧长为T_k的横断面，起点为坐标原点(0,0,0)，第二点坐标为(xk1,yk1,zk1)，第三点坐标为(xk2,yk2,zk2)，它们之间的转换关系式如公式(2)所示，具体示意图如图5所示。

其中(a,b)为圆弧的圆心坐标，θ为起点和第三点之间的圆心角，R为圆弧的半径。

2.2道路连接

根据步骤2.1中所建立的基本道路元件库，根据实际仿真的需求，将一些基本道路元件进行拼接，从而建立一条实用的较为复杂的道路。主要分为以下三种情况：

2.2.1起伏道路拼接

如果整车仿真只是需要建立一条高低起伏的直路，而不需要道路有任何的转向，这时候只是需要纵断面路段的拼接。在创建的时候，需要选择路段数量，每段路的长度以及坡度，即可将选择的路段按顺序进行拼接，其中第一段路的首坐标为坐标系原点(0,0)，下一段路的初始坐标点为上一段路的终点坐标点。为了保证每两个路段之间数据能够平顺的衔接，在两段路之间生成一段竖曲线B，保证道路的平顺性，最终得到整条道路的长度为K1，其中竖曲线的示意图如图6所示。在道路的横断面设置中，设置成长度为K1，曲率为0的曲线。按照线性插值的方式即可得到道路上道路上各离散点的坐标。

2.2.2弯曲道路拼接

如果整车仿真只是需要建立一条弯曲的曲线，而不需要道路有任何的坡度变化，这时候只是需要横断面曲线的拼接。在创建的时候，需要选择路段数量，每段路的长度以及曲率，即可将选择的路段按顺序进行拼接，其中第一段路的首坐标为坐标系原点(0,0)，下一段路的初始坐标点为上一段路的终点坐标点。为了保证每两个路段之间数据能够平顺的衔接，在两段路之间生成一段回旋线A1、A2，类似于在两段路交接点加了一段滤波，保证道路的平顺性，最终得到整条道路的长度K2，其中回旋线的示意图如图7所示，R1、R2分别为回旋线连接的两段圆弧的曲率半径。在道路的纵断面设置中，设置成长度为K2，坡度为0的曲线，按照线性插值的方式即可得到道路的坐标。

2.2.3起伏弯曲道路拼接

如果整车仿真需要建立一条不仅有高低起伏且弯弯曲曲的道路，这时候需要纵断面曲线和横断面曲线的拼接。其具体步骤参照2.2.1和2.2.2。为了保证每两个路段之间数据能够平顺的衔接，在两段路之间生成一段竖曲线和回旋线，保证道路的平顺连接，最终得到整条道路的长度为K，按照线性插值的方式即可得到整段道路的坐标数据。

三、典型道路库：

根据典型道路特征点，利用基本道路元件建立典型道路模型库，方便使用者直接使用。比如平原地区，可以建立坡度以及曲率均较小的道路，丘陵地区则可以建立坡度变化较大的道路等。

道路库模块还可以根据步骤一到步骤三可以设计任何想要的仿真道路，如果在实际的仿真过程中想要将设计好的两段路或已有的典型路进行拼接，则可以按照下面的步骤实现：

(1)读取第一段路的基本信息，包括道路长度，基本元件库路段个数，末节点的坐标位置(x₁,y₁,z₁)；

(2)读取第二段路的基本信息，包括道路长度，基本元件库路段个数，末始节点的坐标位置(x₂,y₂,z₂)；

(3)由于基本元件库中每段道路的起始点坐标为原点，因此将第二段路的起始点位置与第一段路的终点位置进行连接，同时将第二段路的横向位置、纵向位置以及垂向位置依次进行平移x₁,y₁,z₁，同时插入回旋线和竖曲线，如果插入失败则认为两段路无法拼接，可在中间加入一段直线作为缓冲，实现两段路的拼接。

在仿真过程中还可以截取一个道路模型中的多段路拼接仿真道路，或者在多个道路模型中截取多各个路段拼接仿真道路，可以按照下面步骤来实现：

(1)选定想要截取的一个或多个道路模型，将原道路模型分为多个；

(2)将多个截取路段按照上面道路模型拼接的方法实现这若干段截取路段进行拼接。

经过上面的过程，则可以实现对任意道路进行拼接和剪辑，便于整车仿真使用。

经过上述步骤一到步骤四，可以建立完善的道路库，如图2所示。在用户具体应用过程中，建立一条仿真道路之后，能够在界面上可视化显示道路的垂向位置、坡度及曲率随着道路长度的变化而变化，以便于随时调整，示意图如图3所示。

地图数据传输模块：

当车辆在道路上行驶时，如果能够提前获取前方的道路信息，可以方便驾驶员或控制系统做出预判，目前汽车上的各种传感器只能获取周围比较小范围的的道路数据，如雷达、摄像头等，而地图数据可以看做汽车上一个更大能力的传感器，由于本发明中道路模型(包括实际道路模型、模拟道路模型、典型道路模型)可以根据步骤一到步骤四来实现，所以地图数据相当于是已知的。所以根据仿真车辆当前的定位信息，能够获取整车前方一段距离内的道路信息(包括实际道路、模拟道路、典型道路信息)，整合成整车可以识别的地图信息，借助通讯CAN模拟发送给整车系统，相当于给驾驶员戴上了望远镜，使其能够针对前方的地势做出相应的预判和控制。数据主要包含当前及前方一段距离内位置、坡度、曲率信息等。具体实现方式如下：

5.1当前道路信息传输

当前道路信息包括当前位置，当前坡度以及当前曲率信息，这些可以利用当前位置查询实际道路模型数据来获得。

5.2前方道路信息传输

通过车辆当前位置可以查询前方x km的道路数据，在本步骤中需要将前方的道路数据进行整合，并发送到通讯CAN中。

针对前方地图数据的传输，可以按照定距离进行发送，比如按照每X1米进行发送，也可根据坡度变化段或曲率变化段进行发送，以坡度变化方式为例进行说明：

设定平路的坡度范围是S₁—S₂，上坡的坡度范围是S₃—S₄，下坡的坡度范围是S₅—S₆，判定前方道路的第一个采样点的坡度范围，并设置相应的坡路标志位，如果前方下一个采样点坡路仍与第一个点坡路范围相同，则标志位不变，同时计算坡度起始点位置，平均坡度，最大坡度以及坡长等信息；如果前方下一个采样点坡路范围与上一个点不相同，则认为开始了下一段坡度段，改变相应的坡度段标志，重复上面的步骤。经过上面的处理后，前方xkm的坡路信息被清晰的整理出来，每个坡路段的起点，终点位置，平均坡度，坡长，最大坡度等信息都会被存储到相应的数组中。最终利用通讯CAN将上述路段信息按照一定时序发送出来给整车控制系统，便于整车针对前方的地势做出相应的预判和控制。

Claims (6)

1.一种整车仿真实验平台道路模拟系统，其特征在于包括道路库模块和地图传输模块；道路库模块包括真实道路建模子模块，特征道路建模子模块，典型道路库；

真实道路建模子模块：

利用高精度全球定位系统GPS实时采集道路的经纬度和高程数据，并按照下述方法对数据进行处理得到实际道路模型；

1.1.首先定义大地坐标系：道路的纵向为x轴，道路的侧向为y轴，道路的垂向为z轴；坐标系的原点为道路的起点，即(x₀，y₀，z₀)＝[0,0,0]；

1.2.将经纬度数据转换成相对的纵向和侧向位移数据，即x,y数据，采集到的高程数据即为垂向位移z；然后对数据做滤波处理得到实际道路模型；

特征道路建模子模块：按照下述方法构建包含纵断面库和横断面库的数据库，利用纵断面库和横断面库中的基本道路元件进行拼接生成模拟道路模型：

2.1.建立纵断面库：建立包含不同坡度及坡长基本道路元件的纵断面库；针对纵断面库中任一基本道路元件，纵断面库中包含该基本道路元件的坡度S_k，坡长L_k，起点坐标(0,0,0)，最终位置坐标(x_k0,y_k0,z_k0)；坡度S_k、坡长L_k与起点坐标(0,0,0)和最终位置坐标(x_k0,y_k0,z_k0)的转换关系式如下：

建立横断面库：建立包含不同曲率及弧长的横断面库；针对横断面库中任一基本道路元件，横断面库包含该基本道路元件的曲率C_k，弧长T_k，起点坐标(0,0,0)，第二点坐标(xk1,yk1,zk1)，第三点坐标(xk2,yk2,zk2)，曲率C_k和弧长T_k与三个坐标点的转换关系式如下；

其中(a,b)为圆弧的圆心坐标，θ为起点和第三点之间的圆心角，R为圆弧的半径；

2.2 道路连接

根据实际仿真需要将多个基本道路元件进行拼接，建立仿真道路模型；

典型道路库：

根据典型道路特征，利用基本道路元件进行拼接，建立典型道路模型库；

地图数据模块：

根据仿真车辆当前的定位信息，获取当前道路信息及前方道路数据并整合成整车可以识别的地图信息，借助通讯CAN模拟发送给整车系统。

2.根据权利要求1所述的整车仿真实验平台道路模拟系统，其特征在于所述特征道路建模子模块，选择纵断面库中多个基本道路元件进行拼接，建立一条高低起伏的直路仿真道路模型；建立方法如下：

按照路段数量、每段路的长度以及坡度，在纵断面库中选择相应的多个基本道路元件按顺序进行拼接；其中第一段路的首坐标为坐标系原点，下一段路的初始坐标点为上一段路的终点坐标点，相接两个路段之间通过一段竖曲线平顺衔接，得到高低起伏的直路仿真道路模型；按照线性插值的方式得到直路上各离散点的坐标。

3.根据权利要求1所述的整车仿真实验平台道路模拟系统，其特征在于所述特征道路建模子模块，选择横断面库中多个基本道路元件进行拼接，建立一条弯曲道路仿真道路模型；建立方法如下：

按照路段数量、每段路的长度以及曲率，在横断面库中选择相应的多个基本道路元件按顺序进行拼接；其中第一段路的首坐标为坐标系原点，下一段路的初始坐标点为上一段路的终点坐标点，相接两个路段之间通过一段回旋线平顺衔接，得到高低起伏的直路仿真道路模型；按照线性插值的方式得到曲道路上各离散点的坐标。

4.根据权利要求1、2或3所述的整车仿真实验平台道路模拟系统，其特征在于所述特征道路建模子模块，选择纵断面库和横断面库中多个基本道路元件进行拼接，建立一条起伏弯曲道路仿真道路模型；建立方法如下：

按照路段数量、每段路的长度以及坡度或曲率，在纵断面库和横断面库中选择相应的多个基本道路元件按顺序进行拼接；其中第一段路的首坐标为坐标系原点，下一段路的初始坐标点为上一段路的终点坐标点，相接两个路段之间通过一段竖曲线或回旋线平顺衔接，得到起伏弯曲仿真道路模型；按照线性插值的方式得到曲道路上各离散点的坐标。

5.根据权利要求4所述的整车仿真实验平台道路模拟系统，其特征在于所述的道路库模块利用建立好的直路仿真道路模型、弯路仿真道路模型、起伏弯曲仿真道路模型及典型道路模型拼接仿真道路；仿真道路中相邻两段路拼接方法如下：

(1)读取第一段路的基本信息，包括道路长度，基本元件库路段个数，末节点的坐标位置(x₁,y₁,z₁)；

(2)读取第二段路的基本信息，包括道路长度，基本元件库路段个数，末始节点的坐标位置(x₂,y₂,z₂)；

(3)将第二段路的起始点位置与第一段路的终点位置进行连接，同时将第二段路的横向位置、纵向位置以及垂向位置依次进行平移x₁,y₁,z₁，同时插入回旋线和/或竖曲线，如果插入失败则认为两段路无法拼接，在中间加入一段直线作为缓冲，实现两段路的拼接。

6.根据权利要求4所述的整车仿真实验平台道路模拟系统，其特征在于所述的道路库模块选择建立好的直路仿真道路模型、弯路仿真道路模型、起伏弯曲仿真道路模型或典型道路模型中部分路段拼接仿真道路，拼接方法如下：

(1)选定想要截取的一个或多个道路模型，将原道路模型分为多个截取路段；

(2)选取多个所需截取路段拼接成仿真道路。

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