孫海云，宋年秀，張貴洋，劉翔斌，樊攀

（1.青島理工大學(xué) 汽車與交通學(xué)院，山東 青島 266520；2.遼寧工業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001）

汽車縱向避撞動(dòng)力學(xué)模型的建立與仿真

孫海云1，宋年秀1，張貴洋2，劉翔斌1，樊攀1

（1.青島理工大學(xué) 汽車與交通學(xué)院，山東 青島 266520；2.遼寧工業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001）

為了驗(yàn)證汽車縱向避撞系統(tǒng)的安全性和魯棒性，本文運(yùn)用Carsim建立了特定參數(shù)的車輛動(dòng)力學(xué)模型，經(jīng)過理論分析并利用Simulink搭建了期望節(jié)氣門開度和期望制動(dòng)壓力輸出模型，充分利用各動(dòng)力總成現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，建立了模擬汽車主動(dòng)避撞系統(tǒng)中車輛在復(fù)雜工況的行駛過程中的縱向避撞動(dòng)力學(xué)模型。在典型工況下進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果表明在低速和高速條件下，避撞系統(tǒng)都能充分發(fā)揮其避撞作用，提高行車安全性。

車輛動(dòng)力學(xué)模型；Carsim；Simulink；建模與仿真

CLC NO.: U461.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2014)09-46-03

前言

車輛和道路安全一直都是所有國家必須面臨的一個(gè)重要問題，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展水平的提升和汽車設(shè)計(jì)制造的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，汽車正逐漸走進(jìn)千家萬戶，并與我們的日常生活息息相關(guān)。而與此同時(shí)，隨著人們生活節(jié)奏的加快，道路交通網(wǎng)的不斷升級(jí)，汽車的行駛速度也越來越快，從而導(dǎo)致汽車的安全問題也隨之越來越嚴(yán)峻[1]。汽車主動(dòng)避撞系統(tǒng)能夠在遇到危險(xiǎn)情況下及時(shí)的提醒駕駛員潛在的危險(xiǎn)并給他足夠的時(shí)間操作避撞。如果由于駕駛員的因素?zé)o法操控車輛，系統(tǒng)應(yīng)能自動(dòng)控制汽車制動(dòng)，從而在很大程度上減少碰撞事故的發(fā)生，保護(hù)駕駛員的人身財(cái)產(chǎn)的安全。但是，現(xiàn)有的避撞系統(tǒng)也仍然存在著一些問題影響其充分發(fā)揮避撞功能，如：不夠人性化，大多只考慮了安全性能的要求，可能會(huì)因?yàn)轭l的繁剎車和過大制動(dòng)強(qiáng)度導(dǎo)致乘員舒適性變差[2]。

為了能夠準(zhǔn)確的測(cè)試避撞系統(tǒng)的魯棒性和安全性，針對(duì)常規(guī)線性建模方法的不足，該文聯(lián)合運(yùn)用Carsim和Simulink建立能夠模擬車輛復(fù)雜工況下的運(yùn)行，在反映系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的同時(shí)能兼顧模型精確性的車輛動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)模型，并構(gòu)建汽車避撞自動(dòng)控制模型，對(duì)典型的避撞工況進(jìn)行了仿真分析。

1、避撞系統(tǒng)模型的構(gòu)建

1.1 動(dòng)力學(xué)模型的建立

Carsim是一款廣泛用于仿真汽車動(dòng)力學(xué)問題的軟件。通過內(nèi)置于軟件中的算法，Carsim不但可以解決很多動(dòng)力學(xué)問題，同時(shí)可以以數(shù)據(jù)表格的形式提供相關(guān)的參數(shù)。Carsim可以實(shí)時(shí)仿真運(yùn)算的結(jié)果，提供輸入輸出參量，也可以通過其它控制軟件對(duì)Carsim汽車動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行控制，從而使計(jì)算更加的精準(zhǔn)與快捷。本文通過Carsim建立車輛動(dòng)力學(xué)模型，并將它嵌入到控制系統(tǒng)當(dāng)中[3]。車輛模型參數(shù)如下表（表1）所示

表1 車輛模型參數(shù)

由于車輛動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的強(qiáng)非線性，對(duì)它進(jìn)行精確的控制相對(duì)比較困難。為此，控制系統(tǒng)總體方案中引入了逆縱向動(dòng)力學(xué)模型。在避撞控制系統(tǒng)中，控制器發(fā)出期望的車輛加速度，并通過車輛逆縱向動(dòng)力學(xué)模型轉(zhuǎn)變?yōu)槠谕墓?jié)氣門開度和制動(dòng)壓力，然后將期望的節(jié)氣門開度和制動(dòng)壓力輸入到車輛縱向動(dòng)力學(xué)模型中，從而來控制車輛的加速、減速或勻速運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)汽車避撞系統(tǒng)的功能。

1.2 期望節(jié)氣門開度模型的建立

根據(jù)期望加速度aexp，可以經(jīng)過計(jì)算得到期望發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩Texp，然后通過發(fā)動(dòng)機(jī)逆向模型得到期望的節(jié)氣門開度θexp。假設(shè)汽車驅(qū)動(dòng)力Fd，汽車受到的風(fēng)阻力為Ff，汽車受地面摩擦力為Fb，則由汽車動(dòng)力學(xué)特性[4～6]可得：

式中：Te為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，tω為液力變矩器的渦輪轉(zhuǎn)速，ωe為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，τ為液力變矩器的扭矩特性函數(shù)，Rg,Rm分別為變速器的檔位速比與主減速器減速比。r為輪胎的滾動(dòng)半徑。

定義一個(gè)可實(shí)時(shí)觀測(cè)的變量：

由上式可以得到此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)期望轉(zhuǎn)矩Texp與期望加速度aexp的關(guān)系：

建立如下圖（圖1）期望節(jié)氣門開度的計(jì)算框圖

1.3 期望制動(dòng)力模型的建立

根據(jù)期望加速度aexp，求得期望制動(dòng)力Pexp，然后將Pexp施加于車輛動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行制動(dòng)控制。Kb為制動(dòng)力與制動(dòng)壓力的比值

建立如下圖（圖2）的期望制動(dòng)力的計(jì)算框圖

1.4 避撞系統(tǒng)模型的構(gòu)建

在完成上述步驟之后，輸入Carsim控制參量，并調(diào)用簡(jiǎn)易雷達(dá)模型，進(jìn)行Simulink和Carsim的聯(lián)合仿真，完成整個(gè)避撞系統(tǒng)的平臺(tái)搭建[7]。如圖3所示。

2、仿真結(jié)果分析

仿真環(huán)境：雷達(dá)探測(cè)距離為90m，探測(cè)錐角為30度，路面摩擦系數(shù)條件為0.85，前車以10km/h的速度行駛，自車以130km/h的速度行駛，自車?yán)走_(dá)檢測(cè)到前車，發(fā)現(xiàn)兩車相對(duì)速度較大，即將出現(xiàn)危險(xiǎn)工況，避撞系統(tǒng)控制執(zhí)行裝置立即作出反饋。

根據(jù)仿真結(jié)果得出兩車速度變化曲線（圖4）和減速度變化曲線（圖5）。

速度變化曲線中Vehicle total CG bs2為自車速度，Vehicle total CG bs1為前車速度，當(dāng)自車探測(cè)到前車后制動(dòng)，車速迅速下降，在40s處兩車速度相同，之后前車突然停車，自車車速在2s內(nèi)減為0，表現(xiàn)出較好的安全性。

根據(jù)減速度變化曲線可得，減速度在兩車相對(duì)速度很大時(shí)同樣也很大，在0.85g左右浮動(dòng)，顯示出明顯的震蕩，在這里是因?yàn)樽约涸谒惴ㄖ泄室庠龃罅似谕铀俣?，來維持這一震蕩近似獲得恒定減速度，用于在雷達(dá)探測(cè)距離較小時(shí)完成必要的制動(dòng)，保證安全，這樣有助于降低雷達(dá)的技術(shù)難度。

圖6和圖7是汽車制動(dòng)壓力和節(jié)氣門開度輸出曲線，曲線存在波動(dòng)，這是因?yàn)楸疚那笕」?jié)氣門開度是通過逆發(fā)動(dòng)機(jī)模型的二維查表模塊獲取的，在求取逆發(fā)動(dòng)機(jī)模型時(shí)進(jìn)行了線性化處理，而實(shí)際上逆發(fā)動(dòng)機(jī)模型存在一定的非線性，導(dǎo)致誤差無法避免。所以期望加速度有點(diǎn)波動(dòng)，反映到控制加速度和節(jié)氣門開度就比較明顯

3、總結(jié)

本文圍繞汽車縱向避撞模型，首先利用Carsim軟件建立了能夠模擬車輛運(yùn)行復(fù)雜過程、反映系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性并能兼顧模型精確性的非線性的汽車避撞動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)模型。然后，利用Simulink建立了期望節(jié)氣門開度和期望制動(dòng)力的輸出模型。最后控制切換邏輯的設(shè)計(jì)、逆發(fā)動(dòng)機(jī)模型和逆制動(dòng)系模型，實(shí)現(xiàn)了節(jié)氣門開度計(jì)算和制動(dòng)力輸出計(jì)算的功能。根據(jù)典型工況下汽車避撞仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，證明此避撞系統(tǒng)在自車高速、低速行駛情況下能夠控制自車減速，避免與前車相撞，提高了行車安全性，同時(shí)降低了駕駛員勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了基本的避撞功能，因此該系統(tǒng)可以進(jìn)行實(shí)用化推廣。

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Modeling and Simulation of Vehicle Longitudinal Collision Avoidance Dynamic

Sun Haiyun1, Song Nianxiu1, Zhang Guiyang2, Liu Xiangbin1, Fan Pan1
(1.School of Automobile and Traffic, Qingdao Technological University, Shandong Qingdao 266520; 2. School of Automobile and Traffic, Liaoning University of Technology, Liaoning Jinzhou 121001)

In order to test the car collision avoidance system security and robustness, this paper use the vehicle dynamics model of Carsim was established with specific parameters.Through theoretical analysis , using Simulink to build the throttle opening and expectations desired braking pressure output model, the full use of the powertrain existing standard data, is established to simulate the automobile driving to avoid the vehicle hit systems running complex longitudinal collision dynamics model. Simulation analysis on typical conditions, the simulation results show that in the low and high speed condition, the collision avoidance system can give full play to its collision avoidance action, improve driving safety.

vehicle dynamics model; Carsim; Simulink; modeling and simulation

U461.1

A

1671-7988(2014)09-46-03

孫海云，就讀于青島理工大學(xué)汽車與交通學(xué)院。