CN113656885A - 基于Carsim中Python接口的漂移控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于Carsim中Python接口的漂移控制方法，包括：获取任意一种汽车漂移的控制逻辑；根据获取的控制逻辑，基于Carsim系统自带的Python接口定义得到相应漂移控制模型的输入输出变量；在Carsim系统自带的py控制文件基础上进行修正，生成相应漂移控制模型的控制文件；编辑cmd文件，该cmd文件用于调用步骤S3生成的控制文件，通过控制外部python可执行程序来调整四轮扭矩和车速转角，以实现对应类型的汽车漂移。本发明通过高效的Carsim、Simulink和Python的联合仿真，实现了Carsim车辆动力学模型、Simulink控制逻辑和基于Python的AI算法的集成仿真。
Description
技术领域
本发明涉及技术领域，具体而言涉及一种基于Carsim中Python接口的漂移控制方法。
背景技术
一直以来，汽车的漂移控制技术作为一种专业赛车手一种特殊技能，能够给观众们带来强烈的视听享受和新鲜刺激感，在某些电影中和我们所熟知的F1赛车道上经常会出现此类炫酷镜头。现如今随着智能驾驶行业的蓬勃发展，有的公司甚至已经把漂移控制技术作为自动驾驶的一种基础性技术拿来大肆宣传。目前来说很多公司通过专业性车手是可以实现部分漂移控制，但在计算机仿真层面该如何去做一直没有人去研究，相关的文献书籍中也都没有提及该如何去做。
关于汽车漂移的仿真和理论研究有一小部分人做过，主要是国外一些学者，如早期文献中，Velenis和Hindiyeh等人分别通过仿真和实验，研究了车辆状态在漂移平衡点下的镇定。近年来，Werling等人提出的控制器同时考虑了质心侧偏角镇定和路径跟踪，而Goh等人的策略则是明确的跟踪路径。这些大都是基于车辆运动轨迹方面的研究，但是由于在车辆建模和控制器设计时的进行了严格假设，这些方法不能轻易地扩展到更复杂的轨迹。
国内对于汽车漂移控制方面的研究很少。随着电动汽车在轮毂电机等方面的技术实现，越来越多的公司也将漂移技术作为展示自身技术和实力的一种手段，如华人运通等新兴的自动驾驶公司就在自己研发的工程车上实现过360度漂移控制等，并上传了视频发布到网络上，引起了一时的轰动。这些也只是利用实车控制或者专业驾驶员操作实现的炫酷效果，真正在计算机仿真层面上目前还没有看到完整的解决方案。
Carsim系统是专门针对车辆动力学的仿真软件，Carsim模型在计算机上运行的速度比实时快3-6倍，可以仿真车辆对驾驶员，路面及空气动力学输入的响应，主要用来预测和仿真汽车整车的操纵稳定性、制动性、平顺性、动力性和经济性，同时被广泛地应用于现代汽车控制系统的开发。但目前尚未有将Carsim系统应用在漂移控制上的技术应用。
发明内容
本发明针对现有技术中的不足，提供一种基于Carsim中Python接口的漂移控制方法，通过高效的Carsim、Simulink和Python的联合仿真，实现了Carsim车辆动力学模型、Simulink控制逻辑和基于Python的AI算法的集成仿真。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明实施例提出了一种基于Carsim中Python接口的漂移控制方法，所述汽车漂移控制方法包括以下步骤：
S1，获取任意一种汽车漂移的控制逻辑；
S2，根据获取的控制逻辑，基于Carsim系统自带的Python接口定义得到相应漂移控制模型的输入输出变量；
S3，在Carsim系统自带的py控制文件基础上进行修正，生成相应漂移控制模型的控制文件；
S4，编辑cmd文件，该cmd文件用于调用步骤S3生成的控制文件，通过控制外部python可执行程序来调整四轮扭矩和车速转角，以实现对应类型的汽车漂移。
可选地，步骤S1中，对于平移换道，其控制逻辑为：
开始；
给四个轮毂电机-10％峰值扭矩，使小车低速行驶；
给前后转向电机向左偏转60度命令，并维持2秒；
给前后转向电机向右偏转60度命令，并维持2秒；
重复左右平移；
结束；
对于前单轮定点漂移，其控制逻辑为：
开始；
给前转向电机向左偏转60度命令；
给左后轮100％峰值扭矩，同时给其他三个轮-100％峰值扭矩，使四个轮子同时打滑；
结束；
对于后单轮定点漂移，其控制逻辑为：
开始；
给前转向电机向左偏转60度命令；
给左前轮100％峰值扭矩，同时给其他三个轮-100％峰值扭矩，使四个轮子同时打滑；
结束。
可选地，步骤S2中，当获取的是平行换道的控制逻辑时，基于Carsim系统自带的Python接口定义得到相应漂移控制模型的输入输出变量的过程包括：
调出Carsim系统自带的Pythoin接口文件，重新复制命名为drift1；
定义8个输入变量，包括四个轮端的扭矩和四个车轮的实际转角；
定义Python接口自带的转向demo的输出作为输出变量；
在External wrapper program外接程序当中指定接口文件路径，其中，接口路径文件通过记事本进行编辑，用于指定python可执行程序的的安装路径和对应的漂移控制py控制文件的路径。
可选地，步骤S3中，生成相应漂移控制模型的控制文件的过程包括以下步骤：
调取Python接口程序demo中的名为Steer Controller with Python的py控制文件；
以py控制文件为基础，将控制逻辑转换成对应的操作语句，导入py控制文件，生成相应漂移控制模型的控制文件：对于控制逻辑中的固定扭矩和固定转向逻辑，直接输入相应的扭矩数值和角度数值；对于控制逻辑中的峰值扭矩百分比逻辑，计算得到控制所需轮端扭矩；对于控制逻辑中的转向逻辑，引入reverse变量对偏转角度进行编辑，并在reverse变量前面加上ifelif语句，输出控制逻辑对应的输入变量组，以此来调用对应Carsim的Python外接接口中所控制的量。
可选地，对于平移换道，其py控制文件为：
可选地，对于前单轮定点漂移，其py控制文件为：
可选地，对于后单轮定点漂移，其PY控制文件为：
本发明的有益效果是：
经验证，本发明提出的基于Carsim中Python接口的漂移控制方法快速有效，并且利用了Carsim自带Python接口的机理，执行起来也比较方便。该技术为广大自动驾驶设计公司和自动驾驶仿真设计工程师们在遇到此类问题时候，以及如何实现多种算法的联合仿真过程中指明了道路。
附图说明
图1是本发明实施例的基于Carsim中Python接口的漂移控制方法流程图。
图2为本发明实施例的平移换道的控制逻辑示意图。
图3为本发明实施例的前单轮定点漂移的控制逻辑示意图。
图4为本发明实施例的后单轮定点漂移的控制逻辑示意图。
图5为本发明实施例的Carsim中为实现漂移控制定义的Python接口示意图。
图6为本发明实施例的输入输出变量接口示意图。
图7为本发明实施例的Python接口中输入变量的定义示意图。
图8为本发明实施例的Carsim中外接Python的接口文件路径示意图。
图9为本发明实施例的Carsim漂移控制中的工况设置示意图。
图10为本发明实施例的多种漂移控制场景列表示意图。
图11为本发明实施例的平行换道漂移控制仿真效果图。
图12为本发明实施例的前单轮定点漂移控制仿真效果图。
图13为本发明实施例的后单轮定点漂移控制仿真效果图。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。
需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
实施例一
本实施例提出了一种利用Carsim和Python联合仿真的方法，用于至少三种漂移控制的仿真实现和效果展示。在本实施例中，选用了目前最广泛使用的Carsim2019自带的Python外接接口，首先把可控的输入输出变量定义好，然后通过在程序自带的py控制文件基础上进行修正，最后通过编辑cmd文件来调用，可以快速有效的通过外部Python程序来控制四轮扭矩和车速转角等，从而按照合理的逻辑实现三种典型的漂移控制，仿真结果正确合理。
图1是本发明实施例的基于Carsim中Python接口的漂移控制方法流程图。该汽车漂移控制方法包括以下步骤：
S1，获取任意一种汽车漂移的控制逻辑。
参见图2至图4，本实施例选取三种典型的漂移场景：平移换道、前单轮定点漂移和后单轮定点漂移，结合常用小车的具体情况(四轮独立驱动、轮毂电机、前后轴独立转向)，小车的基本参数如下表1：
表1小车基本参数
| 外形尺寸 | 2100mm*1120mm*455mm(长*宽*高) |
| 最大功率 | 85KW |
| 电机峰值扭矩 | 270Nm |
| 转向类型 | 四轮转向 |
| 驱动形式 | 独立四驱 |
可以得到如下的三种漂移的控制逻辑：
(1)对于平移换道，其控制逻辑为：
开始；
给四个轮毂电机-10％峰值扭矩，使小车低速行驶；
给前后转向电机向左偏转60度命令，并维持2秒；
给前后转向电机向右偏转60度命令，并维持2秒；
重复左右平移；
结束。
(2)对于前单轮定点漂移，其控制逻辑为：
开始；
给前转向电机向左偏转60度命令；
给左后轮100％峰值扭矩，同时给其他三个轮-100％峰值扭矩，使四个轮子同时打滑；
结束。
(3)对于后单轮定点漂移，其控制逻辑为：
开始；
给前转向电机向左偏转60度命令；
给左前轮100％峰值扭矩，同时给其他三个轮-100％峰值扭矩，使四个轮子同时打滑；
结束。
S2，根据获取的控制逻辑，基于Carsim系统自带的Python接口定义得到相应漂移控制模型的输入输出变量。
应当理解，控制逻辑的具体扭矩和转向取值受限于车体信息，本实施例的控制逻辑中的取值并不局限前述例子，本实施例只是为了便于对漂移控制方法进行说明。当车体信息变化后，只需要调整对应的控制逻辑，同时根据控制逻辑修正py控制文件即可。
具体的，步骤S2中，当获取的是平行换道的控制逻辑时，基于Carsim系统自带的Python接口定义得到相应漂移控制模型的输入输出变量的过程包括：
调出Carsim系统自带的Pythoin接口文件，重新复制命名为drift1；
定义8个输入变量，包括四个轮端的扭矩和四个车轮的实际转角；
定义Python接口自带的转向demo的输出作为输出变量；
在External wrapper program外接程序当中指定接口文件路径，其中，接口路径文件通过记事本进行编辑，用于指定python可执行程序的的安装路径和对应的漂移控制py控制文件的路径。
参见图5，本实施例以第一个工况——平行换道为例来进行漂移控制中Carsim和Python接口的定义。首先需要在Carsim2019的接口定义模块，也就是处理模块中选择Models中的Self-Contained Solvers，调出系统自带的Pythoin接口文件，重新复制命名为drift1，然后点击进去进行输入输出变量的设置，如图6所示。在这里我们根据前述漂移控制实现的逻辑，只需要定义好Import Channels即可，这里可以命名为Drift Driver；输出接口Export Channels可以直接用Python接口自带的转向demo的输出，也可以根据自己需要重新定义。点击进入输入变量的设置，如下图7，主要包括四个轮端的扭矩和四个车轮的实际转角，对应控制逻辑中实现四个轮毂电机和转向电机操作。最后，在External wrapperprogram外接程序当中指定好接口文件的路径，接口路径文件可以通过记事本进行编辑，主要是指定python可执行程序的的安装路径和对应的漂移控制py控制文件的路径，在这里就不赘述。详见图8。
S3，在Carsim系统自带的py控制文件基础上进行修正，生成相应漂移控制模型的控制文件。包括以下步骤：调取Python接口程序demo中的名为Steer Controller withPython的py控制文件；以py控制文件为基础，将控制逻辑转换成对应的操作语句，导入py控制文件，生成相应漂移控制模型的控制文件：对于控制逻辑中的固定扭矩和固定转向逻辑，直接输入相应的扭矩数值和角度数值；对于控制逻辑中的峰值扭矩百分比逻辑，计算得到控制所需轮端扭矩；对于控制逻辑中的转向逻辑，引入reverse变量对偏转角度进行编辑，并在reverse变量前面加上ifelif语句，输出控制逻辑对应的输入变量组，以此来调用对应Carsim的Python外接接口中所控制的量。
在明确好逻辑和定义好Python接口之后，剩下的就是编写好对应的py控制文件了。Carsim2019的Python接口程序demo中有一个名为Steer Controller_with Python的py控制文件(一般在Carsim工作目录的\Extensions\Custom_Py文件夹下面)，可以基于该文件进行修改。
假设峰值扭矩按照270Nm来考虑，10％就是27Nm，转向的需要加入一个reverse变量，前面加上ifelif的语句，这样就方便执行左右间隔为2s的偏转60度的操作，整个输入变量组即为import_array＝[27，27，27，27，60*reverse，60*reverse，60*reverse，60*reverse]，以此来调用对应Carsim的Python外接接口中所控制的量，共八个：四个轮端的电机扭矩输入和四个车轮转角的实际输入。
其他两个漂移工况可以按照相似办法处理，因为前后单轮定点漂移控制只涉及到固定扭矩和固定转向操作，所以py控制文件的编写就更为简单，只需要输入对应数值即可，不需要引入其他变量。
对于平移换道，其py控制文件为：
对于前单轮定点漂移，其py控制文件为：
对于后单轮定点漂移，其py控制文件为：
S4，编辑cmd文件，该cmd文件用于调用步骤S3生成的控制文件，通过控制外部python可执行程序来调整四轮扭矩和车速转角，以实现对应类型的汽车漂移。
本实施例充分利用了Carsim自带的Python接口，根据三种漂移控制的逻辑，通过调用Carsim车辆的输入变量，将Carsim车辆动力学模型、三种漂移控制逻辑和Python接口控制程序有效地连接在了一起，实现了Carsim外接Python的接口控制。
本发明设计的通过Carsim的Python外接接口进行漂移控制的方法，相较于其他方法，比如Carsim车辆驾驶员模型操作和在Simulink环境下搭建车辆模型和控制逻辑的方法都更为快速准确，仿真结果也能够完美的体现车辆、逻辑和控制的有效结合。
实施例二
本实施例首先确认好三种漂移的控制逻辑，明确模型的输入输出(可根据仿真效果进行反复修正)；然后定义好Carsim中的Python接口，包括路径配置文件和模型的输入输出等；最后通过编写或者修改py控制文件，来对Carsim车辆模型进行三种漂移控制。其中，需要注意的路面的确定，为满足漂移控制的区域效果，需要自行设置为较广阔平坦的路面，以30m定圆广场为例，初始车速按照自己实际需要，如下图9所示。
另外，除上述三种漂移控制外还有很多其他的漂移控制模式，这里大致列举出来，如下图10所示。
经过前述操作后，只需点击Run Math Model就可以调出cmd中Python文件的执行命令，待运行完之后就可以观看漂移的动画效果和自定义的结果输出了。最终得到的前述三种漂移控制的仿真动画效果如图11至图13所示。(图11至图13中，右侧区域显示的是漂移仿真的结果曲线，供参考使用，对本实施例的方案说明不构成影响)。至此，本实施例提供的漂移控制方法进行三种漂移控制均能够完美运行，其过程和结果均符合预期。在实践中，还可以根据实际需要进行其他漂移控制的仿真研究，也可以将其他的复杂的控制逻辑如：四轮转向、四轮分布式驱动等按照此流程进行操作。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于Carsim中Python接口的漂移控制方法，其特征在于，所述汽车漂移控制方法包括以下步骤：
S1，获取任意一种汽车漂移的控制逻辑；
S2，根据获取的控制逻辑，基于Carsim系统自带的Python接口定义得到相应漂移控制模型的输入输出变量；
S3，在Carsim系统自带的py控制文件基础上进行修正，生成相应漂移控制模型的控制文件；
S4，编辑cmd文件，该cmd文件用于调用步骤S3生成的控制文件，通过控制外部python可执行程序来调整四轮扭矩和车速转角，以实现对应类型的汽车漂移。
2.根据权利要求1所述的基于Carsim中Python接口的漂移控制方法，其特征在于，步骤S1中，对于平移换道，其控制逻辑为：
开始；
给四个轮毂电机10％的峰值扭矩，使小车低速行驶；
给前后转向电机向左偏转60度命令，并维持2秒；
给前后转向电机向右偏转60度命令，并维持2秒；
重复左右平移；
结束；
对于前单轮定点漂移，其控制逻辑为：
开始；
给前转向电机向左偏转60度命令；
给左后轮100％峰值扭矩，同时给其他三个轮-100％峰值扭矩，使四个轮子同时打滑；
结束；
对于后单轮定点漂移，其控制逻辑为：
开始；
给前转向电机向左偏转60度命令；
给左前轮100％峰值扭矩，同时给其他三个轮-100％峰值扭矩，使四个轮子同时打滑；
结束。
3.根据权利要求1所述的基于Carsim的Python接口的汽车漂移控制方法，其特征在于，步骤S2中，当获取的是平行换道的控制逻辑时，基于Carsim系统自带的Python接口定义得到相应漂移控制模型的输入输出变量的过程包括：
调出Carsim系统自带的Pythoin接口文件，重新复制命名为drift1；
定义8个输入变量，包括四个轮端的扭矩和四个车轮的实际转角；
定义Python接口自带的转向demo的输出作为输出变量；
在External wrapper program外接程序当中指定接口文件路径，其中，接口路径文件通过记事本进行编辑，用于指定python可执行程序的的安装路径和对应的漂移控制py控制文件的路径。
4.根据权利要求1所述的基于Carsim的Python接口的汽车漂移控制方法，其特征在于，步骤S3中，生成相应漂移控制模型的控制文件的过程包括以下步骤：
调取Python接口程序demo中的名为Steer Controller with Python的py控制文件；
以py控制文件为基础，将控制逻辑转换成对应的操作语句，导入py控制文件，生成相应漂移控制模型的控制文件：对于控制逻辑中的固定扭矩和固定转向逻辑，直接输入相应的扭矩数值和角度数值；对于控制逻辑中的峰值扭矩百分比逻辑，计算得到控制所需轮端扭矩；对于控制逻辑中的转向逻辑，引入reverse变量对偏转角度进行编辑，并在reverse变量前面加上if elif语句，输出控制逻辑对应的输入变量组，以此来调用对应Carsim的Python外接接口中所控制的量。
5.根据权利要求4所述的基于Carsim的Python接口的汽车漂移控制方法，其特征在于，对于平移换道，其py控制文件为：
6.根据权利要求4所述的基于Carsim中Python接口的漂移控制方法，其特征在于，对于前单轮定点漂移，其py控制文件为：
7.根据权利要求4所述的基于Carsim中Python接口的漂移控制方法，其特征在于，对于后单轮定点漂移，其py控制文件为：
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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