基于CarSim车辆质心运动规律研究

2013-12-17陈波

电子科技 2013年4期

陈波

(江苏无锡汽车工程学校交通物流系，江苏无锡 214000)

汽车的质心运动轨迹是表征车辆当前的运动状态，其作为车辆直观的运动结果具有重要的研究价值。一般车载辅助驾驶系统都涉及到车速的采集，系统所指的速度一般都是车辆质心的速度，而车辆质心的位置较难确定，且在车辆行驶过程中始终是变化的，所以要精确得到车辆质心的速度相对困难，虽说一般车速传感器能够满足辅助设备的需求，但一般传感器所采集到的数据包含的信息具有淹没性，基本不能反应当前车辆所处的运动状态，为此，国内外研究人员花费大量精力研究车辆质心的运动规律。若驾驶员不能辨识当前车辆所处的运动状态，就容易发生交通事故。为降低事故发生率以及交通延误，目前，市场上已经出现了许多驾驶辅助系统，较为典型的有ACC自适应巡航控制、SWA换道辅助系统以及LKAS车道保持辅助系统。ACC自适应巡航控制系统已在国外发达国家的长途客车、载重汽车以及高档轿车上得到了较大范围的应用。如美国的伊顿(EATON)、日本的三菱以及博士公司相继在这方面进行了相关研究，戴姆勒－克莱斯勒公司的 CL600轿车、S600轿车、通用的Cadillac Vizon轿车都配备了ACC系统［1］。但上述系统存在的缺点是:系统内部的条件判断很容易受传感器采集到数据的影响。因此，文中利用CarSim仿真软件对车辆质心的运动规律进行研究，通过让试验车沿指定道路曲线形式，获取车辆的运动数据，对仿真所得到数据进行Kalman滤波［2－4］，将滤波后的数据进行对比分析，主要对车辆4个轮速以及质心速度进行了深入分析，得到的结果是:通过判定轮速与质心的相对速度就能得知当前车辆的运动状态。

1 CarSim软件

CarSim是专业的汽车动力学仿真软件，具有良好的人机交互界面，如图1所示。

图1 CarSim操作界面

CarSim的求解过程主要包括3个部分即:车辆参数及仿真工况设置、数学模型求解以及运行结果。CarSim是专门针对车辆动力学的仿真软件［5－6］，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，同时被广泛应用于现代汽车控制系统的开发。CarSim可以方便灵活地定义试验环境和试验过程，详细定义整车各系统的特性参数和特性文件。CarSim软件的主要功能如下:

(1)适用于轿车、轻型货车、轻型多用途运输车及SUV车型的建模仿真。

(2)可分析车辆的动力性、燃油经济性、操纵稳定性、制动性及平顺性。

(3)可以通过软件如Matlab，Excel等进行绘图和分析。

(4)可以图形曲线及三维动画形式观察仿真的结果。

(5)包括图形化数据管理界面、车辆模型求解器、绘图工具、三维动画回放工具和功率谱分析模块。

(6)程序稳定可靠。

(7)软件可以实时的速度运行，支持硬件在环，CarSim软件可以扩展为CarSim RT，CarSim RT是实时车辆模型，提供与一些硬件实时系统的接口，可联合进行HIL仿真。

(8)先进的事件处理技术，实现复杂工况的仿真。

(9)友好的图形用户界面，可快速方便实现建模仿真。

(10)提供多种车型的建模数据库。

(11)可实现用户自定义变量的仿真结果输出。

(12)可实现与Simulink的相互调用。

(13)多种仿真工况的批运行功能。

CarSim能够以动画的形式显示仿真结果，图2所示是动画显示图。

图2 CarSim动画显示

2 试验仿真

试验采用CarSim进行仿真，考虑到直线行驶时车辆运动轨迹为简单直线，因此，选取较为复杂的实际道路曲线作为CarSim的道路曲线输入，来验证该跟踪算法的可靠性和真实性。将车辆起始位置设置为(0，0)。起始时间为0。在CarSim中输入的道路曲线如图3所示。

图3 试验道路曲线

图4为轮速与车辆质心速度，车辆初始速度为130 km/h。

图4 车辆质心速度变化曲线

从图中可以看出，质心的速度变化微小，始终与某个轮的轮速保持一致，可以将质心速度曲线作为基准，只要某个轮速位于质心速度曲线上方，则说明该轮速度高于其他车轮的轮速，此时车辆再进行反向转向;如果某个轮速曲线位于质心速度曲线下方，说明该轮的运行速度比车辆其他部分的运行速度慢，这就表明车辆发生同向转向。图5是轮速与质心相对速度。

图5 相对速度

可见，当车辆正常直线行驶时，质心速度与轮速的相对速度基本维持在0 km/h，只要车辆发生转向或者换道时，质心速度与某个轮速的相对速度就变大，一般情况下通过判定相对速度是否超过速度阈值就能辨识出车辆当前的运动状态。但是，当车辆出现侧滑或者甩尾时，就难以用阈值来判断车辆的运动状态，所以，要准确判定车辆的运动状态还需附加车轮的滑移率。图6为车轮的滑移角曲线图。