南丁，李剛，楊志，高青云

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四輪獨(dú)驅(qū)電動(dòng)汽車(chē)駕駛模擬器仿真平臺(tái)研究

南丁，李剛，楊志，高青云

（遼寧工業(yè)大學(xué) 汽車(chē)與交通工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001）

針對(duì)四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)控制算法開(kāi)發(fā)與驗(yàn)證，論文基于駕駛模擬器建立了四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)仿真平臺(tái)。應(yīng)用車(chē)輛動(dòng)力學(xué)仿真軟件CarSim RT和科學(xué)計(jì)算軟件 MATLAB/Simulink建立四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)仿真模型，結(jié)合駕駛模擬器試驗(yàn)臺(tái)軟硬件搭建仿真平臺(tái)。設(shè)計(jì)直線(xiàn)加速實(shí)驗(yàn)和雙移線(xiàn)實(shí)驗(yàn)工況對(duì)仿真平臺(tái)進(jìn)行了功能性驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明：仿真平臺(tái)可進(jìn)行四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)控制算法的仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)；駕駛模擬器；仿真平臺(tái)

前言

面對(duì)環(huán)境污染所造成的壓力和能源消耗量的巨大需求，電動(dòng)汽車(chē)已無(wú)可爭(zhēng)議地成為21世紀(jì)汽車(chē)工業(yè)發(fā)展的主流研究方向[1-3]。對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)新技術(shù)的研究一直在進(jìn)行，其中四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)已成為國(guó)內(nèi)外研究的焦點(diǎn)。電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)開(kāi)發(fā)按照V字型開(kāi)發(fā)流程，過(guò)程包括軟件仿真、硬件在環(huán)試驗(yàn)和實(shí)車(chē)驗(yàn)證。通過(guò)仿真手段對(duì)電動(dòng)汽車(chē)控制算法開(kāi)發(fā)進(jìn)行定性分析可縮短開(kāi)發(fā)周期、減少開(kāi)發(fā)費(fèi)用、提高開(kāi)發(fā)效率。在仿真驗(yàn)證方面，多數(shù)采用軟件仿真手段，即應(yīng)用車(chē)輛動(dòng)力學(xué)商用化軟件或者應(yīng)用編程軟件進(jìn)行建?；蛘邞?yīng)用聯(lián)合仿真手段進(jìn)行電動(dòng)汽車(chē)控制算法仿真實(shí)驗(yàn)與分析[4-7]。論文基于駕駛模擬器軟硬件平臺(tái)，應(yīng)用車(chē)輛動(dòng)力學(xué)仿真軟件CarSim RT和科學(xué)計(jì)算軟件 MATLAB/Simulink，建立了四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)仿真平臺(tái)，并通過(guò)典型工況對(duì)仿真平臺(tái)進(jìn)行了功能驗(yàn)證。

1 駕駛模擬器試驗(yàn)臺(tái)

汽車(chē)駕駛模擬器試驗(yàn)臺(tái)是通過(guò)改造實(shí)車(chē)，應(yīng)用真實(shí)的駕駛艙為駕駛員提供真實(shí)的操縱環(huán)境，并通過(guò)環(huán)屏投影的方式為駕駛員提供仿真動(dòng)畫(huà)，如圖1所示。駕駛員的操縱信號(hào)包括：加速/制動(dòng)踏板位移傳感器、踏板力傳感器、方向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器、檔位傳感器等，實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)dSPACE通過(guò)采集這些信號(hào)并結(jié)合車(chē)輛基本參數(shù)對(duì)車(chē)輛行駛狀態(tài)進(jìn)行控制，實(shí)時(shí)地反應(yīng)當(dāng)前行駛狀態(tài)給CarSim RT軟件，CarSim RT軟件通過(guò)環(huán)繞音效、LED屏幕或投影的方式為駕駛員提供逼真的仿真動(dòng)畫(huà)。同時(shí)，路感模擬系統(tǒng)根據(jù)車(chē)輛方向盤(pán)轉(zhuǎn)角和車(chē)速計(jì)算出方向盤(pán)的回正力矩并把電信號(hào)輸入給方向盤(pán)力感模擬電機(jī)，給駕駛員提供路感反饋[8]。駕駛模擬器試驗(yàn)臺(tái)的硬件組成部分包括：駕駛模擬器、主控上位機(jī)、DS1006控制器、音響、環(huán)屏投影。軟件組成部分包括：實(shí)時(shí)動(dòng)力學(xué)仿真軟件CarSim RT、實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)dSPACE、MATLAB/Simulink建模軟件。

圖1 駕駛模擬器與環(huán)屏投影

2 四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)仿真模型搭建

應(yīng)用CarSim RT軟件搭建整車(chē)模型和道路模型。CarSim RT軟件是一個(gè)專(zhuān)門(mén)針對(duì)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)仿真的軟件。軟件基于窗口鏈接式、參數(shù)化設(shè)計(jì)，自身?yè)碛蠸imSolver計(jì)算工具和SurfAnim仿真動(dòng)畫(huà)播放器。模型庫(kù)中自帶許多A級(jí)至F級(jí)車(chē)的參數(shù)化的整車(chē)模型，整車(chē)模型包括：整車(chē)基本參數(shù)、傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)參數(shù)、制動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)、懸架系統(tǒng)K&C特性以及輪胎模型參數(shù)。

圖2 整車(chē)模型

駕駛模擬器上裝有傳感器，傳感器輸出的實(shí)時(shí)狀態(tài)變量輸入給dSPACE1006 控制器。如圖2中左半部分為RTI 數(shù)據(jù)端口模塊，經(jīng)過(guò)標(biāo)定把采集的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成程序運(yùn)行的數(shù)字信號(hào)，如方向盤(pán)轉(zhuǎn)角、四輪轉(zhuǎn)角、四輪驅(qū)動(dòng)力等信號(hào)，輸入到 CarSim RT軟件中，應(yīng)用自身的車(chē)輛狀態(tài)計(jì)算工具SimSolver計(jì)算出車(chē)輛在模擬環(huán)境中的位置、行駛狀態(tài)以及各個(gè)方向上所受的力和力矩等參數(shù)。圖中右半部分為CarSim RT軟件輸出端口模塊，實(shí)時(shí)輸出車(chē)輛狀態(tài)信息，如車(chē)速、質(zhì)心側(cè)偏角、橫擺角速度、四輪轉(zhuǎn)速等共有500余項(xiàng)參數(shù)可供選擇，這些參數(shù)將重新運(yùn)用于控制策略的搭建、算法的優(yōu)化以及在線(xiàn)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

整車(chē)控制模型中非常重要的一部分是四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊，如圖3所示。通過(guò)Lookup Table建立驅(qū)動(dòng)電機(jī)Map圖，根據(jù)四個(gè)車(chē)輪當(dāng)前轉(zhuǎn)速，確定最大輸出驅(qū)動(dòng)力矩。

圖3 四輪電機(jī)模塊

Embedded MATLAB Function是驅(qū)動(dòng)力矩控制分配模塊：根據(jù)理想橫擺角速度和實(shí)際橫擺角速度的誤差計(jì)算保持車(chē)輛穩(wěn)定所需的橫擺力矩，通過(guò)編寫(xiě)算法合理分配四輪驅(qū)動(dòng)力矩，從而實(shí)現(xiàn)通過(guò)驅(qū)動(dòng)橫擺力矩控制提高四輪獨(dú)立電動(dòng)汽車(chē)操縱穩(wěn)定性的目的。該部分模塊是開(kāi)放性的，為開(kāi)發(fā)者建立合理分配四個(gè)車(chē)輪驅(qū)動(dòng)力矩的控制算法提供接口。

3 駕駛模擬器仿真平臺(tái)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 直線(xiàn)加速工況

仿真工況設(shè)置：1200m直線(xiàn)路面，地面附著系數(shù)為0.85，駕駛員在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行急加速實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景如圖4所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖 5 所示。

圖4 直線(xiàn)加速實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景

3.2 雙移線(xiàn)實(shí)驗(yàn)工況

圖6 雙移線(xiàn)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景

(a) 車(chē)速 (b) 方向盤(pán)轉(zhuǎn)角

(c) 橫擺角速度 (d) 四輪驅(qū)動(dòng)力矩

圖7 雙移線(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

仿真工況設(shè)置：200m雙移線(xiàn)路面，地面附著系數(shù)為0.85，初始車(chē)速為70km/h，駕駛員將車(chē)速穩(wěn)定在70km/h左右，采用等驅(qū)動(dòng)力矩控制。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景如圖6所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

語(yǔ)文教育是任何學(xué)科教育的基礎(chǔ)，它在學(xué)生素質(zhì)培養(yǎng)中有不可估量的作用。語(yǔ)文課是工具性和人文性的統(tǒng)一，它的作用也可以從這兩個(gè)方面得到體現(xiàn)。

7、液壓制動(dòng)機(jī)車(chē)制動(dòng)失效。要認(rèn)真檢查制動(dòng)總泵和分泵，是否按時(shí)更換剎車(chē)油，徹底排除制動(dòng)管路的空氣，并要查看剎車(chē)踏板是否符合科學(xué)高度。氣壓制動(dòng)的機(jī)車(chē)要檢查調(diào)整最大制動(dòng)工作氣壓，檢查制動(dòng)皮碗及軟管是否發(fā)生異常變化。

4 結(jié)論

根據(jù)四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)的特點(diǎn)，應(yīng)用車(chē)輛動(dòng)力學(xué)仿真軟件CarSim RT和MATLAB/Simulink，基于駕駛模擬器搭建了四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)仿真平臺(tái)。通過(guò)直線(xiàn)加速實(shí)驗(yàn)和雙移線(xiàn)實(shí)驗(yàn)兩種典型實(shí)驗(yàn)工況，驗(yàn)證了該平臺(tái)能為四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)的控制算法開(kāi)發(fā)奠定良好研究基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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Research on Four-wheel Independent Drive Electric Vehicle Simulation PlatformBasedon Driving Simulator

Nan Ding, Li Gang, Yang Zhi, Gao Qingyun

( College of Automobile and Traffic Engineering, Liaoning University of Technology, Liaoning Jinzhou 121001 )

Abstract:In order to develop and verify the control algorithm of four-wheel independently drive electric vehicle, a simulation platform of four-wheel independently drive electric vehicle is established, based on driving simulator. CarSim RT and MATLAB / Simulink are used to establish the simulation model of four-wheel independently drive electric vehicle, and the simulation platform is built by the software and hardware of driving simulator test bench. The linear acceleration experiment and the double shift experiment are applied to verify the simulation platform. The simulation results showed that simulation platform can be used for validation of four wheel independent drive electric vehicle control algorithm simulation experiments.

Keywords: Four-wheel independent drive; Driver simulator; Simulation platform

CLC NO.: U469.72

Document Code: B

Article ID:1671-7988(2018)21-13-03

中圖分類(lèi)號(hào)：U469.72

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-7988(2018)21-13-03

作者簡(jiǎn)介：南丁，就讀于遼寧工業(yè)大學(xué)汽車(chē)與交通工程學(xué)院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.21.005