CN117113726B - 基于复杂环境模拟的实验室车辆行驶安全测试系统 - Google Patents
基于复杂环境模拟的实验室车辆行驶安全测试系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于车辆安全技术领域，具体涉及基于复杂环境模拟的实验室车辆行驶安全测试系统。所述系统包括：车辆模拟部分，配置用于基于汽车物理模型，生成模拟车辆；环境模拟部分，配置用于进行汽车行驶环境模拟，生成模拟环境；传感器模拟部分，配置用于生成模拟汽车传感器，模拟汽车传感器在模拟车辆行驶过程中，生成模拟的感知数据；控制部分，配置用于基于模拟的感知数据，控制模拟车辆的运行；安全分析部分，配置用于在模拟车辆运行过程中，获取模拟车辆的运行数据，并基于运行数据，计算车辆在不同的模拟环境下的风险值。提供了更真实、全面的车辆安全性能评估方法。这一系统有助于改进车辆设计、降低交通事故风险和促进技术创新。
Description
技术领域
本发明属于车辆安全技术领域，具体涉及基于复杂环境模拟的实验室车辆行驶安全测试系统。
背景技术
随着现代交通工具的不断发展和普及，车辆安全性一直是车辆工程领域的重要关注点之一。车辆的安全性与乘客的生命安全和交通安全密切相关。因此，车辆制造商、安全研究人员一直在努力改进车辆设计和安全技术，以降低交通事故的发生率，减轻事故造成的伤害。
尽管在过去几十年里，已经取得了显著的进展，但车辆安全领域依然面临一些挑战和问题，这些问题限制了安全性能的进一步提高。
现有的车辆安全测试通常是在受控的实验室或测试场地中进行的，这些测试场地无法完全模拟现实世界中复杂多变的交通环境。因此，实验室测试的结果可能无法准确预测车辆在真实道路上的表现。
现有的安全测试通常只考虑了有限的数据点，如制动时间、制动距离等。这些数据点不能全面评估车辆在不同情况下的安全性能，因为车辆在复杂环境中会受到多种因素的影响。
目前的安全测试往往无法充分考虑不同的环境条件，如雪天、雨天等。这导致了在特殊气象条件下的车辆性能无法充分评估，从而可能增加了交通事故的风险。
发明内容
本发明的主要目的在于提供基于复杂环境模拟的实验室车辆行驶安全测试系统，提供了更真实、全面的车辆安全性能评估方法。这一系统有助于改进车辆设计、降低交通事故风险和促进技术创新。
为解决上述技术问题，本发明提供基于复杂环境模拟的实验室车辆行驶安全测试系统，包括：车辆模拟部分，配置用于基于汽车物理模型，生成模拟车辆；环境模拟部分，配置用于进行汽车行驶环境模拟，生成模拟环境；传感器模拟部分，配置用于生成模拟汽车传感器，模拟汽车传感器在模拟车辆行驶过程中，生成模拟的感知数据；控制部分，配置用于基于模拟的感知数据，控制模拟车辆的运行；安全分析部分，配置用于在模拟车辆运行过程中，获取模拟车辆的运行数据，所述运行数据包括：制动时间、制动距离、胎压、温度、模拟的感知数据、碰撞速度和碰撞角度，并基于运行数据，计算车辆在不同的模拟环境下的风险值。
进一步的，所述环境模拟部分包括：雪天环境模拟单元和雨天环境模拟单元；所述雪天环境模拟单元，配置用于基于输入的雪天环境参数，生成雪天环境的地面摩擦系数；所述雨天环境模拟单元，配置基于输入的雨天环境参数，生成雨天环境的地面摩擦系数。
进一步的，所述模拟汽车传感器包括：模拟速度传感器、模拟加速度传感器、模拟角速度传感器和模拟震动传感器；所述模拟速度传感器配置用于获取模拟车辆在行驶过程中的模拟速度值；模拟加速度传感器配置用于获取模拟车辆在行驶过程中的模拟加速度值；模拟角速度传感器配置用于获取模拟车辆在行驶过程中的模拟角速度值；模拟震动传感器配置用于获取模拟车辆在行驶过程中的模拟震动值。
进一步的，所述雪天环境模拟单元，基于输入的雪天环境参数，生成雪天环境的地面摩擦系数的方法或雨天环境模拟单元，基于输入的雨天环境参数，生成雨天环境的地面摩擦系数包括：
步骤A1：生成雪地或雨地形状，雪地或雨地的地面高度函数；模拟雪地或雨地的温度分布、雪地或雨地的密度分布和雪地或雨地的粘度；
步骤A2：计算雪地或雨地应力分布，生成雪地或雨地变形函数，并基于计算出的雪地或雨地变形函数更新生成的雪地或雨地形状；
步骤A3：计算雪地或雨地的弹性模量和雪地或雨地的切变模量；
步骤A4：计算雪天或雨天环境的地面摩擦系数。
进一步的，步骤A1中使用如下公式，生成雪地或雨地形状：
其中，A为振幅，用以表征地面起伏的强度；λ为波长，用以表征地面的起伏特性；φx和φy均为相位偏移，用以表征路面的随机性；H(x,y)为雪地或雨地的地面高度函数；x地面横坐标；y为地面纵坐标；使用如下公式模拟雪地或雨地的温度分布：
T(x,y)＝T0-k·H(x,y)；
T0为初始温度，为输入的雪天或雨天环境参数中的一个参数；k为雪或雨的温度敏感度，为输入的雪天或雨天环境参数中的一个参数；T(x,y)为雪地或雨地的温度分布函数；使用如下公式，模拟雪地或雨地的密度分布：
其中，ρ0为初始密度，为输入的雪天或雨天环境参数中的一个参数；α是温度衰减系数；ρ(x,y)雪地或雨地的密度分布函数；使用如下公式，模拟雪地或雨地的粘度：
其中，M为第一调整系数，为输入的雪天或雨天环境参数中的一个参数，取值范围为1到5；B为第二调整系数，为输入的雪天或雨天环境参数中的一个参数，取值范围为0.5到1；s(x,y)为粘度分布函数。
进一步的，所述步骤A2中使用如下公式计算雪地或雨地应力分布：
其中，K是弹性模量，为为输入的雪天或雨天环境参数中的一个参数；为雪地或雨地的地面高度函数的拉普拉斯算子；使用如下公式，生成雪地或雨地变形函数：
其中，x'为积分的x变量；y'为积分的y变量；D(x,y)为雪地或雨地形变函数；使用如下公式，基于计算出的雪地或雨地变形函数更新生成的雪地或雨地形状：
H(x,y)new＝H(x,y)+D(x,y)；
H(x,y)new为更新后的雪地或雨地的地面高度函数，以表征雪地或雨地形状。
进一步的，步骤A3中使用如下公式，计算雪地或雨地的弹性模量：
其中，E(x,y)为雪地或雨地的弹性模量函数；c11和c12均为雪地或雨地的弹性常数，v是泊松比。
进一步的，所述步骤A3中使用如下公式计算雪地或雨地的切变模量：
其中，G(x,y)为雪地或雨地的切变模量函数；
步骤A4中使用如下公式，计算雪天或雨天环境的地面摩擦系数：
其中，μ(x,y)为计算得到的雪天或雨天环境的地面摩擦系数的函数；k为摩擦调整系数，为输入的雪天或雨天环境参数中的一个参数，当为雪天环境时，k的取值范围为0.4到0.8；当为雨天环境时，K的取值范围为1.2到1.5。
进一步的，所述安全分析部分，在模拟车辆运行过程中，获取模拟车辆的运行数据，所述运行数据包括：制动时间、制动距离、胎压、温度、模拟的感知数据、碰撞速度和碰撞角度，并基于运行数据，计算模拟车辆在不同的模拟环境下的风险值的方法包括：
在每个时刻下，记录下该时刻下的模拟车辆所处的地面横坐标和地面纵坐标，并基于地面横坐标x和地面纵坐标y，得到对应的地面摩擦系数；分别计算运行数据中每个数据与地面摩擦系数的比值；将计算出的比值分别与各自对应的判别范围进行比较，判断是否出现异常，基于每个数据对应的权重值，计算出现异常的数量，将出现异常的数量，作为车辆在不同的模拟环境下的风险值。
进一步的，使用如下公式计算运行数据中每个数据与地面摩擦系数的比值：
其中，i为下标，取值为1到10的整数；P1为制动时间，Ratio1为制动时间与地面摩擦系数的比值；P2为制动距离，Ratio2为制动距离与地面摩擦系数的比值；P3为胎压，Ratio3为胎压与地面摩擦系数的比值；P4为温度，Ratio4为温度与地面摩擦系数的比值；P5为碰撞速度，Ratio5为碰撞速度与地面摩擦系数的比值；P6为碰撞角度，Ratio6为碰撞角度与地面摩擦系数的比值；P7为模拟速度值，Ratio7为模拟速度值与地面摩擦系数的比值；P8为模拟加速度值，Ratio8为模拟加速度值与地面摩擦系数的比值；P9为模拟角速度值，Ratio9为模拟角速度值与地面摩擦系数的比值；P10为模拟震动值，Ratio10为模拟震动值与地面摩擦系数的比值；
使用如下公式，计算出现异常的数量：
其中，wi为每个数据对应的权重值。
本发明的基于复杂环境模拟的实验室车辆行驶安全测试系统，具有以下有益效果：传统的车辆安全测试通常在受控的实验室或测试场地中进行，难以模拟真实世界中多变的交通环境。而本发明的系统可以在模拟环境中生成复杂多样的路面条件，包括雪天和雨天，从而更准确地模拟不同气象和路况对车辆性能的影响。这样，测试结果更具代表性，可以更好地预测车辆在真实道路上的行为。本发明的环境模拟部分还能模拟不同路面条件下的地面摩擦系数，包括雪地和雨地。不同路面的摩擦系数直接影响车辆的制动距离和操控稳定性。传统测试难以覆盖这些条件，而本系统可以模拟各种路面，使车辆在不同路况下的性能得到充分评估。这有助于制造商改进车辆的制动系统和悬挂系统，提高车辆在恶劣路况下的安全性。通过安全分析部分，本发明系统不仅能获取传统的制动时间和制动距离等数据，还能获取模拟车辆在各种情况下的感知数据，如速度、加速度、角速度和震动等。这些多维度的数据对于全面评估车辆的安全性能至关重要。传统测试常常只关注部分数据点，无法全面反映车辆的性能。而本系统能够提供更多数据，有助于深入分析车辆的行为，从而更准确地评估安全性能。
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，下面将对实施例或现有技术描述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的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的基于复杂环境模拟的实验室车辆行驶安全测试系统的系统结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及本发明的实施例对本发明的方法作进一步详细的说明。
实施例1：参考图1，基于复杂环境模拟的实验室车辆行驶安全测试系统，包括：车辆模拟部分，配置用于基于汽车物理模型，生成模拟车辆；环境模拟部分，配置用于进行汽车行驶环境模拟，生成模拟环境；传感器模拟部分，配置用于生成模拟汽车传感器，模拟汽车传感器在模拟车辆行驶过程中，生成模拟的感知数据；控制部分，配置用于基于模拟的感知数据，控制模拟车辆的运行；安全分析部分，配置用于在模拟车辆运行过程中，获取模拟车辆的运行数据，所述运行数据包括：制动时间、制动距离、胎压、温度、模拟的感知数据、碰撞速度和碰撞角度，并基于运行数据，计算车辆在不同的模拟环境下的风险值。
具体的，首先，需要建立一个准确的汽车物理模型。这个模型包括车辆的机械结构、发动机、悬挂系统、轮胎特性、传动系统等各个组成部分。这些部分需要用数学方程和物理原理来描述，以便模拟车辆在不同条件下的运动。为了模拟车辆的行为，需要实现控制系统，以模拟驾驶员的操作。这包括控制加速、制动、转向等行为。控制系统可以基于车辆物理模型和模拟环境的输入来生成适当的控制命令。车辆模拟需要进行数值积分和仿真，以在离散时间步骤内更新车辆状态。这可以使用数值求解技术，如欧拉法、龙格-库塔法等，来计算车辆的位置、速度、角度和其他状态变量。与环境模拟部分进行交互，获取当前模拟环境的信息，例如道路表面状况、交通情况、天气条件等。这些信息会影响车辆的行为，因此需要实时更新模拟环境的数据。为了可视化模拟车辆的行为，通常会将车辆的状态信息与3D图形引擎集成，以在计算机屏幕上以图形方式呈现车辆的模拟行驶。这有助于监视和分析模拟的结果。为了使模拟更准确，可能需要根据实际车辆的规格和性能数据来调整模型参数。模型的准确性可以通过与实际测试数据进行比较和验证来确保。
为了模拟速度传感器的工作，可以基于车辆模拟部分提供的车辆状态数据(例如车辆的位置和时间)来计算速度。为了模拟加速度传感器的工作，可以根据车辆模拟部分提供的速度数据来计算加速度。震动传感器用于获取车辆在行驶过程中的震动信息。为了模拟震动传感器的工作，可以引入随机噪声来模拟车辆行驶时的震动。可以使用随机数生成器生成模拟震动值，然后将其与车辆的真实震动叠加以模拟传感器输出。
实施例2：在上一实施例的基础上，所述环境模拟部分包括：雪天环境模拟单元和雨天环境模拟单元；所述雪天环境模拟单元，配置用于基于输入的雪天环境参数，生成雪天环境的地面摩擦系数；所述雨天环境模拟单元，配置基于输入的雨天环境参数，生成雨天环境的地面摩擦系数。
具体的，雪天环境模拟单元的原理基于雪的物理特性。雪的地面摩擦系数通常比干燥道路要低，因为雪会在车轮和路面之间形成一层滑动的物质，降低了牵引力。该模拟单元会根据输入的雪天环境参数(如雪的密度、温度、降雪速度等)，使用适当的物理模型计算出雪天路面的地面摩擦系数。
作为模拟系统的一部分，雪天环境模拟单元的作用是提供与真实雪天路面状况相符的地面摩擦系数。这样的模拟使得车辆在雪天条件下的模拟行驶更加真实，可以用于评估车辆在雪天时的牵引性能、制动性能以及悬挂系统的稳定性。雪天环境模拟还可用于测试车辆在低陷阱情况下的应对能力，帮助改进防滑系统和驾驶辅助系统。
雨天环境模拟单元的原理基于雨水对路面的影响。雨水会降低路面的抓地力，导致地面摩擦系数降低。该模拟单元会根据输入的雨天环境参数(如降雨强度、路面温度、雨滴大小等)，使用适当的物理模型计算出雨天路面的地面摩擦系数。雨天环境模拟单元的作用是提供与真实雨天路面状况相符的地面摩擦系数。这样的模拟使得车辆在雨天条件下的模拟行驶更加真实，可以用于评估车辆在雨天时的牵引性能、制动性能以及悬挂系统的稳定性。雨天环境模拟也有助于测试车辆在湿滑路面上的应对能力，有助于改进防滑系统和驾驶辅助系统。
实施例3：在上一实施例的基础上，所述模拟汽车传感器包括：模拟速度传感器、模拟加速度传感器、模拟角速度传感器和模拟震动传感器；所述模拟速度传感器配置用于获取模拟车辆在行驶过程中的模拟速度值；模拟加速度传感器配置用于获取模拟车辆在行驶过程中的模拟加速度值；模拟角速度传感器配置用于获取模拟车辆在行驶过程中的模拟角速度值；模拟震动传感器配置用于获取模拟车辆在行驶过程中的模拟震动值。
实施例4：在上一实施例的基础上，所述雪天环境模拟单元，基于输入的雪天环境参数，生成雪天环境的地面摩擦系数的方法或雨天环境模拟单元，基于输入的雨天环境参数，生成雨天环境的地面摩擦系数包括：
步骤A1：生成雪地或雨地形状，雪地或雨地的地面高度函数；模拟雪地或雨地的温度分布、雪地或雨地的密度分布和雪地或雨地的粘度；
根据模拟的地理环境或道路特征，生成雪地或雨地的地面形状。这可以通过使用地形生成算法、随机数生成器或基于实际地形数据的方法来完成。地面形状的起伏和凹凸会直接影响到路面的摩擦特性。考虑雪天或雨天的气象条件，模拟地面的温度分布。温度分布通常会随时间和地点而变化，因此需要考虑时间和空间的因素。温度对雪地或雨地的状态和地面摩擦系数有显著影响。雪地或雨地的密度分布是路面摩擦的重要因素之一。在雪地中，随着积雪的压实，密度可能会变化。在雨地中，水的深度和分布也会影响密度。密度分布通常与温度、降水量等因素相关。考虑雪地或雨地的粘度，即路面上积雪或水的黏性特性。粘度会影响车辆的牵引和制动性能。粘度通常与温度和水的含量有关。步骤A1为模拟系统提供与雪天或雨天路面特性相关的基本信息，以便更真实地模拟车辆在这些环境下的行为。生成路面形状帮助模拟路面的起伏和不平整度，这直接影响车辆的悬挂系统和轮胎的响应。模拟温度、密度和粘度分布有助于考虑路面的变化，因为这些因素会随时间和位置而变化，对路面摩擦产生显著影响。最终的目标是根据这些信息计算出准确的地面摩擦系数，以用于模拟车辆的行驶，评估车辆性能和安全性。
步骤A2：计算雪地或雨地应力分布，生成雪地或雨地变形函数，并基于计算出的雪地或雨地变形函数更新生成的雪地或雨地形状；
具体的，根据模拟环境的物理特性和车辆的作用力，计算雪地或雨地上的应力分布。这些应力可以包括车轮与路面的接触压力、摩擦力、重力等。应力分布通常是非均匀的，因为不同位置的路面受到的力不同。基于计算的应力分布，生成描述雪地或雨地变形的函数。这个函数通常会考虑路面的弹性、变形率等因素，以模拟路面的变形情况。变形函数可以是空间和时间的函数，因为路面的变形随着车辆的运动和外部条件的变化而变化。使用生成的变形函数，更新之前生成的雪地或雨地形状。这意味着路面的形状将根据应力分布和变形情况发生变化。更新后的路面形状反映了路面在车辆通行下的变形情况。计算应力分布有助于理解路面上受力情况，包括车辆的负载、牵引力和制动力等。生成变形函数允许模拟系统跟踪路面的形状变化，这对于模拟车辆的悬挂系统和轮胎的响应非常重要。更新路面形状确保模拟的路面与车辆的互动是动态的，能够根据车辆的行为和路面条件的变化而变化。
步骤A3：计算雪地或雨地的弹性模量和雪地或雨地的切变模量；步骤A3的目的是为模拟系统提供关于雪地或雨地材料特性的数据，这些数据对于模拟车辆与路面之间的相互作用非常重要。这有助于更准确地评估车辆在不同路面条件下的性能和稳定性，以及更真实地模拟雪天或雨天环境的影响。
步骤A4：计算雪天或雨天环境的地面摩擦系数。地面摩擦系数的计算通常基于路面特性、材料性质、温度、湿度、车速和轮胎特性等因素。不同的模型和方法可以用来计算地面摩擦系数，例如Coulomb摩擦模型、Pacejka模型等。这些模型通常会考虑路面形状、路面温度、湿度、材料特性等多个因素的综合影响。步骤A4的主要作用是为模拟系统提供与雪天或雨天路面摩擦特性相关的数据，以确保模拟车辆在这些环境下的行为更加真实和准确。计算地面摩擦系数是模拟系统中一个关键的步骤，因为地面摩擦系数直接影响车辆的牵引、制动和操控性能。这些摩擦系数的计算可以使用不同的模型和算法，根据路面情况、材料特性以及环境条件来调整，以提供准确的摩擦系数数据。
实施例5：在上一实施例的基础上，步骤A1中使用如下公式，生成雪地或雨地形状：
其中，A为振幅，用以表征地面起伏的强度；λ为波长，用以表征地面的起伏特性；φx和φy均为相位偏移，用以表征路面的随机性；H(x,y)为雪地或雨地的地面高度函数；x地面横坐标；y为地面纵坐标；
振幅(A)：振幅是一个控制地面起伏强度的参数。它决定了地面高度的最大变化范围，即地面的最高点和最低点之间的垂直距离。
波长(λ)：波长是描述地面形状的周期性的参数。它决定了地面起伏的重复模式，具体来说，是地面起伏的水平间隔。
相位偏移(和/>)：相位偏移参数用于引入地面形状的随机性。通过在正弦函数中添加相位偏移，可以创建具有不规则起伏的地面。
x和y：x和y分别代表地面上的横坐标和纵坐标，用于描述地面上的不同位置。
H(x,y)：H(x,y)是雪地或雨地的地面高度函数。这个函数表示了在地面上不同位置的高度值。通过改变x和y的值，可以获得不同位置的高度信息。
这个公式的主要作用是模拟雪地或雨地的地面形状。通过调整振幅、波长以及相位偏移等参数，可以生成不同类型和复杂度的地面起伏。公式中的正弦函数的组合产生了波浪状的地面起伏，其中振幅控制了波浪的高度，波长控制了波浪的间距，相位偏移引入了不规则性。生成的地面形状是基于数学函数的，因此可以精确地控制和重现，用于模拟不同类型路面的地面特征。这个地面高度函数对于车辆模拟和测试非常重要，因为地面形状会直接影响车辆的悬挂系统、轮胎的接触和车辆的稳定性。通过使用这个公式，模拟系统可以创建逼真的路面情况，以便评估车辆在不同地面条件下的性能和安全性。
使用如下公式模拟雪地或雨地的温度分布：
T(x,y)＝T0-k•H(x,y)；
T0为初始温度，为输入的雪天或雨天环境参数中的一个参数；k为雪或雨的温度敏感度，为输入的雪天或雨天环境参数中的一个参数；T(x,y)为雪地或雨地的温度分布函数；
初始温度表示雪地或雨地的初始温度值，通常由输入的环境参数给出。初始温度是地面的起始温度状态，它是模拟过程的基础状态。温度可以是零度或其他初始值，取决于环境的初始条件。
温度敏感度参数表示地面高度对温度的影响程度。温度敏感度描述了地面高度对温度分布的影响。较大的温度敏感度值表示地面高度对温度变化更为敏感。
H(x,y)是之前生成的地面高度函数，它表示了地面在不同位置的高度值。H(x,y)描述了地面的不均匀形状。在这个公式中，地面的高低差会影响温度分布。T(x,y)是雪地或雨地的温度分布函数，它表示了地面上不同位置的温度值。T(x,y)描述了雪地或雨地上温度的变化情况。这个公式通过考虑地面高度的影响来模拟温度的分布。
这个公式的主要作用是根据输入的环境参数和地面高度信息来模拟雪地或雨地的温度分布。公式中的第一项y0代表了地面的初始温度状态，通常由环境参数提供。第二项-k·H(x,y)表示地面高度对温度的影响。具体来说，地面高度的变化(如起伏或海拔变化)会导致温度的变化。这是因为较高的地面通常比较冷，较低的地面通常比较温暖，这是大气层中温度分布的一种常见特征。结合初始温度和地面高度的影响，公式生成了地面上不同位置的温度值T(x,y)。这个温度分布对于模拟雪地或雨地的物理特性和车辆行驶行为至关重要，因为温度会影响路面的结冰、积雪和湿度情况，进而影响车辆的牵引和制动性能。这是模拟系统中的关键因素，用于评估车辆在不同天气条件下的性能和安全性。
使用如下公式，模拟雪地或雨地的密度分布：
其中，ρ0为初始密度，为输入的雪天或雨天环境参数中的一个参数；α是温度衰减系数；ρ(x,y)雪地或雨地的密度分布函数；初始密度表示雪地或雨地的初始密度值，通常由输入的环境参数给出。初始密度是地面的起始密度状态，它是模拟过程的基础状态。密度可以是雪或雨地的起始密度值，取决于环境的初始条件。温度衰减系数参数用于描述温度对密度的影响程度。温度衰减系数描述了地面温度对密度分布的影响。较大的温度衰减系数值表示温度对密度变化更为敏感。y(x,y)是之前生成的雪地或雨地的温度分布函数，它表示了地面上不同位置的温度值。T(x,y)描述了雪地或雨地上温度的变化情况。这个公式通过考虑地面温度的影响来模拟密度的分布。ρ(x,y)是雪地或雨地的密度分布函数，它表示了地面上不同位置的密度值。
作用：ρ(x,y)描述了雪地或雨地上密度的变化情况。这个公式根据地面温度和密度的关系来模拟密度的分布。
这个公式的主要作用是根据输入的环境参数、初始密度和地面温度信息来模拟雪地或雨地的密度分布。公式中的ρ0代表了地面的初始密度状态，通常由环境参数提供。公式中的指数项描述了温度对密度的影响。具体来说，当温度较高时，指数的值接近于零，导致密度较高；而当温度较低时，指数的值接近于1，导致密度较低。这反映了温度对雪或雨地密度的影响，因为较高的温度通常会导致雪或雨的融化和变稀。结合初始密度、温度和温度衰减系数的影响，公式生成了地面上不同位置的密度值ρ(x,y)。这个密度分布对于模拟雪地或雨地的物理特性和车辆行驶行为非常重要，因为密度影响着地面的牵引性和制动性能，以及车辆在不同地面条件下的稳定性。这是模拟系统中的关键因素，用于评估车辆在不同天气条件下的性能和安全性。
使用如下公式，模拟雪地或雨地的粘度：
其中，M为第一调整系数，为输入的雪天或雨天环境参数中的一个参数，取值范围为1到5；B为第二调整系数，为输入的雪天或雨天环境参数中的一个参数，取值范围为0.5到1；s(x,y)为粘度分布函数。
具体的，这个公式的主要作用是根据输入的环境参数、初始密度和地面温度信息来模拟雪地或雨地的粘度分布。公式中的第一调整系数(M)和第二调整系数(B)用于调节粘度的强度。较大的系数值将导致更高的粘度，反之亦然。公式中的指数项描述了温度对粘度的影响。通常，较低的温度会导致更高的粘度，因为冷地面上的雪或雨通常更黏稠。结合初始密度、温度和调整系数的影响，公式生成了地面上不同位置的粘度值s(x,y)。这个粘度分布对于模拟雪地或雨地上的车辆行驶非常重要，因为粘度影响着车辆的牵引性、制动性能以及悬挂系统的运行。这是模拟系统中的关键因素，用于评估车辆在不同地面条件下的性能和安全性。
实施例6：在上一实施例的基础上，所述步骤A2中使用如下公式计算雪地或雨地应力分布：
其中，K是弹性模量，为为输入的雪天或雨天环境参数中的一个参数；为雪地或雨地的地面高度函数的拉普拉斯算子；
弹性模量是材料的物理特性，它衡量了材料对外部应力的响应程度。弹性模量越大，材料越刚性；弹性模量越小，材料越柔软。K用于描述雪地或雨地的材料特性，决定了它们对应力的敏感程度。高弹性模量意味着地面材料更难受到形变，而低弹性模量意味着地面材料更容易受到形变。拉普拉斯算子是一种用于描述函数曲率和二阶导数的数学运算符。在这个上下文中，它用于计算地面高度函数H(x,y)的弯曲性。表示了地面高度函数的局部曲率和弯曲程度。它表征地面在不同位置的弯曲性，从而反映了地形的特征。S(x,y)表示了地面上不同位置的应力分布，它与地面高度的曲率和弹性模量相关。具体地，它是弹性模量乘以拉普拉斯算子的结果。
作用：S(x,y)描述了地面上的应力状态，即地面在不同位置受到的内部应力。它反映了地面弯曲和形变的程度，有助于理解地面在受力情况下的行为。
公式的主要作用是计算地面上不同位置的应力分布S(x,y)。应力分布S(x,y)描述了地面受到的内部应力情况，它是由地面高度的曲率(由拉普拉斯算子计算)和材料的弹性模量(K)共同决定的。应力分布是地面形变和变形的重要因素，因为地面在不同位置受到不同大小和方向的应力，这会影响地面的变形程度。地面的形变和变形对于模拟车辆在不同地形下的操控性能和安全性至关重要。
使用如下公式，生成雪地或雨地变形函数：
其中，x'为积分的x变量；y'为积分的y变量；D(x,y)为雪地或雨地形变函数；
具体的，公式的主要作用是计算地面的变形函数D(x,y)。地面变形函数D(x,y)描述了地面在不同位置的形变程度，它是地面上应力的积分结果。地面变形函数显示地面在受到应力作用后，不同位置的地面高度发生了多大程度的变化。这对于模拟车辆在不同地形下的行驶非常重要，因为地面的形变会影响车辆的悬挂系统、操控性能和稳定性。通过计算地面变形函数，模拟系统可以更准确地模拟雪地或雨地中地面的形变情况，从而更精确地评估车辆在这些地形上的性能和稳定性。这对于车辆行驶安全性和性能评估非常重要。
使用如下公式，基于计算出的雪地或雨地变形函数更新生成的雪地或雨地形状：
H(x,y)new＝H(x,y)+D(x,y)；
H(x,y)new为更新后的雪地或雨地的地面高度函数，以表征雪地或雨地形状。
实施例7：在上一实施例的基础上，步骤A3中使用如下公式，计算雪地或雨地的弹性模量：
其中，E(x,y)为雪地或雨地的弹性模量函数；c11和c12均为雪地或雨地的弹性常数，v是泊松比。
具体的，S(x,y)代表地面上不同位置的应力分布。应力分布与地面高度的曲率和地面的弹性模量相关。较大的应力值表示地面弯曲程度较大，较小的应力值表示较小的弯曲程度。包含了材料的弹性常数c11和c12，以及泊松比v。这些参数描述了材料的弹性性质。ν是泊松比，它描述了材料在拉伸时的收缩情况。公式的分子部分包含了这些参数的组合，影响了弹性模量的计算。log|(1+T(x,y))|是与温度T(x,y)相关的项。温度影响材料的弹性性质，log|(1+T(x,y))|表示了温度对弹性模量的影响。温度的变化会影响材料的弹性性质，这个项考虑了温度变化的影响。s(x,y)和ρ(x,y)这两部分分别代表粘度和密度分布。粘度s(x,y)描述了材料的黏性特性，而密度ρ(x,y)描述了材料的质量分布。这些参数影响了材料的弹性性质和应力分布。公式中的各个部分都是考虑了地面应力、弹性常数、泊松比、温度、粘度和密度等因素对弹性模量的影响。通过这个公式，可以计算出地面不同位置的弹性模量函数E(x,y)，从而更准确地描述地面材料在不同条件下的弹性特性。这对于模拟车辆在不同地形下的操控性能和稳定性至关重要，因为地面的弹性特性会影响车辆的悬挂系统和车辆的行驶行为。这个公式的目的是提供一个更真实的材料行为模型，以便进行精确的模拟和评估。
实施例8：在上一实施例的基础上，所述步骤A3中使用如下公式计算雪地或雨地的切变模量：
其中，G(x,y)为雪地或雨地的切变模量函数；
步骤A4中使用如下公式，计算雪天或雨天环境的地面摩擦系数：
其中，μ(x,y)为计算得到的雪天或雨天环境的地面摩擦系数的函数；K为摩擦调整系数，为输入的雪天或雨天环境参数中的一个参数，当为雪天环境时，K的取值范围为0.4到0.8；当为雨天环境时，K的取值范围为1.2到1.5。
具体的，切变模量是描述材料抵抗剪切应力的能力的物理量。它是弹性模量E(x,y)和泊松比v的函数。切变模量反映了材料在受到剪切应力时的变形程度。它是材料的弹性性质之一，用于描述材料的刚度。切变模量的公式基于弹性模量E(x,y)和泊松比v来计算切变模量G(x,y)。它是弹性模量的一个衍生物，用于表示材料在剪切应力下的响应。这个公式的作用是根据材料的弹性模量和泊松比来计算切变模量，从而描述材料在不同位置的抵抗剪切应力的能力。摩擦调整系数K用于根据不同环境条件来调整地面摩擦系数的值。K的值将根据输入的环境参数(雪天或雨天)进行调整，以反映地面的不同特性。在雪天环境和雨天环境下，K的取值范围有所不同，以适应不同的路面情况。这个公式使用切变模量G(x,y)、弹性模量E(x,y)和密度ρ(x,y)来计算地面摩擦系数μ(x,y)。地面摩擦系数反映了地面表面的摩擦特性，它受到材料的弹性性质和密度的影响。这个公式的作用是根据地面材料的弹性性质、密度和摩擦调整系数K来计算地面摩擦系数。摩擦系数是一个关键的参数，用于描述车辆在不同地面条件下的牵引和制动性能，对于车辆的操控和安全性具有重要意义。
这两个公式分别用于计算地面材料的切变模量和地面摩擦系数。切变模量描述了材料对剪切应力的响应，而地面摩擦系数描述了地面表面的摩擦特性。这些参数对于模拟车辆在不同地形和不同天气条件下的性能和操控至关重要，因为它们影响着车辆的牵引、制动和操控性能，对车辆的行驶安全性和性能评估具有重要作用。通过这些公式，可以更准确地模拟不同环境下的地面特性，从而提高模拟的真实性和准确性。
实施例9：在上一实施例的基础上，所述安全分析部分，在模拟车辆运行过程中，获取模拟车辆的运行数据，所述运行数据包括：制动时间、制动距离、胎压、温度、模拟的感知数据、碰撞速度和碰撞角度，并基于运行数据，计算模拟车辆在不同的模拟环境下的风险值的方法包括：
在每个时刻下，记录下该时刻下的模拟车辆所处的地面横坐标和地面纵坐标，并基于地面横坐标x和地面纵坐标y，得到对应的地面摩擦系数；分别计算运行数据中每个数据与地面摩擦系数的比值；将计算出的比值分别与各自对应的判别范围进行比较，判断是否出现异常，基于每个数据对应的权重值，计算出现异常的数量，将出现异常的数量，作为车辆在不同的模拟环境下的风险值。
实施例10：在上一实施例的基础上，使用如下公式计算运行数据中每个数据与地面摩擦系数的比值：
其中，i为下标，取值为1到10的整数；P1为制动时间，Ratio1为制动时间与地面摩擦系数的比值；P2为制动距离，Ratio2为制动距离与地面摩擦系数的比值；P3为胎压，Ratio3为胎压与地面摩擦系数的比值；P4为温度，Ratio4为温度与地面摩擦系数的比值；P5为碰撞速度，Ratio5为碰撞速度与地面摩擦系数的比值；P6为碰撞角度，Ratio6为碰撞角度与地面摩擦系数的比值；P7为模拟速度值，Ratio7为模拟速度值与地面摩擦系数的比值；P8为模拟加速度值，Ratio8为模拟加速度值与地面摩擦系数的比值；P9为模拟角速度值，Ratio9为模拟角速度值与地面摩擦系数的比值；P10为模拟震动值，Ratio10为模拟震动值与地面摩擦系数的比值；
使用如下公式，计算出现异常的数量：
其中，wi为每个数据对应的权重值。
具体的，数据与地面摩擦系数比值计算：
对于每个数据项Pi，计算数据与地面摩擦系数的比值，表示为Ratioi。这个比值的计算是为了标准化不同数据项与地面摩擦系数之间的关系。比值计算公式为其中Pi代表制动时间、制动距离、胎压、温度、模拟的感知数据、碰撞速度、碰撞角度、模拟速度值、模拟加速度值和模拟震动值中的各个参数。μ(x,y)代表地面摩擦系数。通过计算比值，将不同的运行数据标准化为相对地面摩擦系数的量，这有助于更好地比较它们的相对影响。
接下来，将计算的比值Ratioi与一组权重值wi相乘，然后对这些乘积求和，得到异常数量Num。这个步骤是为了考虑不同数据项的相对重要性，不同的数据项可能对车辆性能和安全性有不同的影响。异常数量计算公式为其中i的范围是从1到10，对应了制动时间、制动距离、胎压、温度、模拟的感知数据、碰撞速度、碰撞角度、模拟速度值、模拟加速度值和模拟震动值这十个数据项。权重值wi是用来确定每个数据项对于整体风险评估的相对贡献度。不同的数据项可能在不同情况下有不同的重要性，因此可以根据需求来调整权重值。
通过计算异常数量Num，可以得出一个综合的风险评估值，该值反映了不同模拟环境下运行数据与地面摩擦系数之间的关联程度。如果Num较大，表示在模拟环境中出现了异常情况，可能需要进一步的调查和措施。
该方法有助于车辆制造商、安全研究人员更好地了解车辆在不同环境条件下的性能和安全性，并能够提前发现潜在的问题或安全隐患，以采取必要的措施来改进车辆设计、制定安全策略以及提高驾驶员和乘客的安全性。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些具体实施方式仅是举例说明，本领域的技术人员在不脱离本发明的原理和实质的情况下，可以对上述方法和系统的细节进行各种省略、替换和改变。例如，合并上述方法步骤，从而按照实质相同的方法执行实质相同的功能以实现实质相同的结果则属于本发明的范围。因此，本发明的范围仅由所附权利要求书限定。
Claims (4)
1.基于复杂环境模拟的实验室车辆行驶安全测试系统，其特征在于，所述系统包括：车辆模拟部分，配置用于基于汽车物理模型，生成模拟车辆；环境模拟部分，配置用于进行汽车行驶环境模拟，生成模拟环境；传感器模拟部分，配置用于生成模拟汽车传感器，模拟汽车传感器在模拟车辆行驶过程中，生成模拟的感知数据；控制部分，配置用于基于模拟的感知数据，控制模拟车辆的运行；安全分析部分，配置用于在模拟车辆运行过程中，获取模拟车辆的运行数据，所述运行数据包括：制动时间、制动距离、胎压、温度、模拟的感知数据、碰撞速度和碰撞角度，并基于运行数据，计算车辆在不同的模拟环境下的风险值；所述环境模拟部分包括：雪天环境模拟单元和雨天环境模拟单元；所述雪天环境模拟单元，配置用于基于输入的雪天环境参数，生成雪天环境的地面摩擦系数；所述雨天环境模拟单元，配置基于输入的雨天环境参数，生成雨天环境的地面摩擦系数；所述雪天环境模拟单元，基于输入的雪天环境参数，生成雪天环境的地面摩擦系数的方法或雨天环境模拟单元，基于输入的雨天环境参数，生成雨天环境的地面摩擦系数包括：
步骤A1：生成雪地或雨地形状，雪地或雨地的地面高度函数；模拟雪地或雨地的温度分布、雪地或雨地的密度分布和雪地或雨地的粘度；
步骤A2：计算雪地或雨地应力分布，生成雪地或雨地变形函数，并基于计算出的雪地或雨地变形函数更新生成的雪地或雨地形状；
步骤A3：计算雪地或雨地的弹性模量和雪地或雨地的切变模量；
步骤A4：计算雪天或雨天环境的地面摩擦系数；
所述步骤A3中使用如下公式计算雪地或雨地的切变模量：
其中，G(x,y)为雪地或雨地的切变模量函数；
步骤A4中使用如下公式，计算雪天或雨天环境的地面摩擦系数：
其中，μ(x,y)为计算得到的雪天或雨天环境的地面摩擦系数的函数；K为摩擦调整系数，为输入的雪天或雨天环境参数中的一个参数，当为雪天环境时，K的取值范围为0.4到0.8；当为雨天环境时，K的取值范围为1.2到1.5；x为地面横坐标；y为地面纵坐标；E(x,y)为雪地或雨地的弹性模量函数；ρ(x,y)为雪地或雨地的密度分布函数；v是泊松比；
步骤A1中使用如下公式，生成雪地或雨地形状：
其中，A为振幅，用以表征地面起伏的强度；λ为波长，用以表征地面的起伏特性；和均为相位偏移，用以表征路面的随机性；H(x,y)为雪地或雨地的地面高度函数；使用如下公式模拟雪地或雨地的温度分布：
T(x,y)＝T0-k·H(x,y)；
T0为初始温度，为输入的雪天或雨天环境参数中的一个参数；k为雪或雨的温度敏感度，为输入的雪天或雨天环境参数中的一个参数；T(x,y)为雪地或雨地的温度分布函数；使用如下公式，模拟雪地或雨地的密度分布：
其中，ρ0为初始密度，为输入的雪天或雨天环境参数中的一个参数；α是温度衰减系数；使用如下公式，模拟雪地或雨地的粘度：
其中，M为第一调整系数，为输入的雪天或雨天环境参数中的一个参数，取值范围为1到5；B为第二调整系数，为输入的雪天或雨天环境参数中的一个参数，取值范围为0.5到1；s(x,y)为粘度分布函数；
所述步骤A2中使用如下公式计算雪地或雨地应力分布：
其中，K是弹性模量，为为输入的雪天或雨天环境参数中的一个参数；为雪地或雨地的地面高度函数的拉普拉斯算子；使用如下公式，生成雪地或雨地变形函数：
其中，x'为积分的x变量；y'为积分的y变量；D(x,y)为雪地或雨地形变函数；使用如下公式，基于计算出的雪地或雨地变形函数更新生成的雪地或雨地形状：
H(x,y)new＝H(x,y)+D(x,y)；
H(x,y)new为更新后的雪地或雨地的地面高度函数，以表征雪地或雨地形状；
步骤A3中使用如下公式，计算雪地或雨地的弹性模量：
其中，c11和c12均为雪地或雨地的弹性常数。
2.如权利要求1所述的基于复杂环境模拟的实验室车辆行驶安全测试系统，其特征在于，所述模拟汽车传感器包括：模拟速度传感器、模拟加速度传感器、模拟角速度传感器和模拟震动传感器；所述模拟速度传感器配置用于获取模拟车辆在行驶过程中的模拟速度值；模拟加速度传感器配置用于获取模拟车辆在行驶过程中的模拟加速度值；模拟角速度传感器配置用于获取模拟车辆在行驶过程中的模拟角速度值；模拟震动传感器配置用于获取模拟车辆在行驶过程中的模拟震动值。
3.如权利要求1所述的基于复杂环境模拟的实验室车辆行驶安全测试系统，其特征在于，所述安全分析部分，在模拟车辆运行过程中，获取模拟车辆的运行数据，所述运行数据包括：制动时间、制动距离、胎压、温度、模拟的感知数据、碰撞速度和碰撞角度，并基于运行数据，计算模拟车辆在不同的模拟环境下的风险值的方法包括：
在每个时刻下，记录下该时刻下的模拟车辆所处的地面横坐标和地面纵坐标，并基于地面横坐标x和地面纵坐标y，得到对应的地面摩擦系数；分别计算运行数据中每个数据与地面摩擦系数的比值；将计算出的比值分别与各自对应的判别范围进行比较，判断是否出现异常，基于每个数据对应的权重值，计算出现异常的数量，将出现异常的数量，作为车辆在不同的模拟环境下的风险值。
4.如权利要求3所述的基于复杂环境模拟的实验室车辆行驶安全测试系统，其特征在于，使用如下公式计算运行数据中每个数据与地面摩擦系数的比值：
其中，i为下标，取值为1到10的整数；P1为制动时间，Ratio1为制动时间与地面摩擦系数的比值；P2为制动距离，Ratio2为制动距离与地面摩擦系数的比值；P3为胎压，Ratio3为胎压与地面摩擦系数的比值；P4为温度，Ratio4为温度与地面摩擦系数的比值；P5为碰撞速度，Ratio5为碰撞速度与地面摩擦系数的比值；P6为碰撞角度，Ratio6为碰撞角度与地面摩擦系数的比值；P7为模拟速度值，Ratio7为模拟速度值与地面摩擦系数的比值；P8为模拟加速度值，Ratio8为模拟加速度值与地面摩擦系数的比值；P9为模拟角速度值，Ratio9为模拟角速度值与地面摩擦系数的比值；P10为模拟震动值，Ratio10为模拟震动值与地面摩擦系数的比值；
使用如下公式，计算出现异常的数量：
其中，wi为每个数据对应的权重值。
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