一种适用于智能控制的车辆动力学模型建模及仿真方法与流程

1.本发明属于汽车性能开发及测试领域，尤其是涉及一种适用于智能控制的车辆动力学模型建模及仿真方法。

背景技术：

2.目前车辆动力学模型主要分为两类，第一类是基于物理结构建立的多体动力学模型，如adams/car、motionview等，第二类是基于系统特性建立的车辆动力学模型，如carsim、carmaker等。第一类模型通过创建各关键部件及拓扑结构，建立系统动力学方程，对系统及整车进行静力学、运动学和动力学分析，适用于底盘开发中的硬点及零部件参数详细设计，但由于需要解算大量的约束方程，计算时间长，一般无法做到实时仿真。第二类模型利用各系统特性进行模型搭建，主要用以预测和仿真整车操纵稳定性、制动性、动力性和经济性等，由于模型自由度大大降低，运行速度比实时-6倍，利用与simulink等软件进行联合仿真被广泛地应用于现代汽车控制系统的开发。
3.现代汽车中大量应用控制系统，如电子助力系统eps、制动防抱死系统abs、车身稳定性控制系统esc、后轮转向系统rws、车道保持系统lka、自适应巡航控制acc、主动悬架as、半主动悬架sas等，在控制系统开发过程中需要实时的车辆动力学模型即第二类模型，而在车型开发前期第二类模型信息无法通过试验获取，只能通过第一类模型计算获得，因此由第一类模型生成第二类模型成为现代汽车控制系统开发的重要环节。

技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明旨在提出一种适用于智能控制的车辆动力学模型建模及仿真方法，以解决车型开发前期由结构参数建立基于系统特性的车辆模型的建模问题及智能控制联合仿真的实时性问题。
5.为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
6.一种适用于智能控制的车辆动力学模型建模及仿真方法，包括以下步骤：
7.s1、建立adams多体动力学模型；
8.s2、运行adams多体动力学模型获取仿真结果；
9.s3、进行数据转换及carsim文件生成；
10.s4、.par文件导入及carsim整车模型完善；
11.s5、智能控制相关整车动力学仿真。
12.进一步的，在步骤s1中的所述的建立adams多体动力学模型包括以下步骤：
13.a1、应用adams/car软件根据各部件的拓扑结构建立adams/car.tpl模板文件；
14.a2、利用模板文件生成子系统，根据开发车型硬点位置、衬套刚度、弹簧刚度信息更新子系统模型参数，并保存为子系统.sub文件；
15.a3、利用子系统模型建立悬架装配模型，并更新轴距、轮胎直径、刚度等相关参数，保存为装配模型.asy文件。
16.进一步的，在步骤s2中的所述的运行adams多体动力学模型获取仿真结果包括以下步骤：
17.b1、编制批处理程序my.bat文件；
18.b2、调用adams启动程序mdi.bat；
19.b3、执行.cmd命令文件，并对命令文件进行多种工况的分析、计算及参数输出，且输出参数保存到.txt文件中。
20.进一步的，在步骤s3中的所述的进行数据转换及carsim文件生成包括以下步骤：
21.c1、编制matlab数据处理程序suspensionkc.m文件；
22.c2、调用步骤b3中生成的.txt文件，根据adams输出参数与carsim建模参数的方向定义差异进行数值转换及单位转换，并将转换后的结果存放在.mat文件中；
23.c3、编制matlab数据处理程序makepar.m文件，利用步骤c2转化好的数据及需要建立的carsim独立模板生成.par文件。
24.进一步的，在步骤s4中的所述的.par文件导入及carsim整车模型完善包括以下步骤：
25.d1、在carsim软件中导入步骤c3中的.par文件，并完善参数信息；
26.d2、设定整车参数信息，完成建立carsim整车模型的建模。
27.进一步的，在步骤s5中的所述的智能控制相关整车动力学仿真包括以下步骤：
28.e1、对carsim整车仿真工况进行设置；
29.e2、将carsim求解器设置为simulink联合仿真形式，通过在carsim中设置输入输出参数；
30.e3、与主仿真环境simulink数据交换，在联合仿真中carsim车辆模型以s函数形式出现；
31.e4、控制策略在以simulink形式实现，仿真完成后数据结果及仿真动画在carsim软件中查看。
32.相对于现有技术，本发明所述的一种适用于智能控制的车辆动力学模型建模及仿真方法具有以下优势：
33.(1)本发明所述的一种适用于智能控制的车辆动力学模型建模及仿真方法，本方法适应于车型开发前期车辆智能控制系统仿真模型建立与仿真，可直接利用底盘结构设计参数进行整车特性模型建模，所建模型环境便于控制系统的开发，缩短开发周期，降低成本；所建动力学模型亦可应用于如驾驶模拟器等整车硬件在环仿真系统中，提高模型精度。
附图说明
34.构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
35.图1为本发明实施例所述的整体方法流程示意图。
具体实施方式
36.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
37.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
38.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
39.下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
40.如图1所示，一种适用于智能控制的车辆动力学模型建模及仿真方法，包括以下步骤：
41.s1、建立adams多体动力学模型；
42.s2、运行adams多体动力学模型获取仿真结果；
43.s3、进行数据转换及carsim文件生成；
44.s4、.par文件导入及carsim整车模型完善；
45.s5、智能控制相关整车动力学仿真。
46.本方法适应于车型开发前期车辆智能控制系统仿真模型建立与仿真，步骤二、步骤三、步骤四利用底盘结构设计参数进行整车特性模型建模，步骤五所建模型环境便于控制系统的开发，缩短开发周期，降低成本；步骤五所建动力学模型亦可应用于如驾驶模拟器等整车硬件在环仿真系统中，提高模型精度。
47.在步骤s1中的所述的建立adams多体动力学模型包括以下步骤：
48.a1、应用adams/car软件根据各部件的拓扑结构建立adams/car.tpl模板文件；
49.a2、利用模板文件生成子系统，根据开发车型硬点位置、衬套刚度、弹簧刚度信息更新子系统模型参数，并保存为子系统.sub文件；
50.a3、利用子系统模型建立悬架装配模型，并更新轴距、轮胎直径、刚度等相关参数，保存为装配模型.asy文件。
51.在本实施例里，步骤一，建立adams多体动力学模型。应用adams/car软件根据各部件的拓扑结构建立悬架系统.tpl模板、转向系统.tpl模板、稳定杆系统.tpl模板等文件；
52.利用模板文件生成悬架子系统、转向子系统及稳定杆子系统，根据开发车型硬点位置、衬套刚度、弹簧刚度等具体信息更新子系统模型参数，分别保存为悬架子系统.sub文件、转向子系统.sub文件及稳定杆子系统.sub文件等；
53.利用悬架、转向、稳定杆等子系统模型建立悬架装配模型，并更新轴距、轮胎直径、刚度等相关参数，保存为装配模型.asy文件。
54.在步骤s2中的所述的运行adams多体动力学模型获取仿真结果包括以下步骤：
55.b1、编制批处理程序my.bat文件；
56.b2、调用adams启动程序mdi.bat；
57.b3、执行.cmd命令文件，并对命令文件进行多种工况的分析、计算及参数输出，且输出参数保存到.txt文件中。
58.在本实施例里，步骤二，运行adams模型获取仿真结果。编制批处理程序my.bat，该文件首先调用adams启动程序mdi.bat，并执行.cmd命令文件，命令文件中包括多种工况的分析、计算及参数输出，不同悬架形式对应的命令文件内容稍有差异。以某前独立悬架为例，分析工况主要包括平行轮跳工况、侧倾工况、转向工况、平行纵向力加载工况、反向侧向力加载工况、反向回正力矩加载工况、同向回正力矩加载工况；根据具体要求设置各工况输出参数，输出参数保存到.txt文件中。
59.在步骤s3中的所述的进行数据转换及carsim文件生成包括以下步骤：
60.c1、编制matlab数据处理程序suspensionkc.m文件；
61.c2、调用步骤b3中生成的.txt文件，根据adams输出参数与carsim建模参数的方向定义差异进行数值转换及单位转换，并将转换后的结果存放在.mat文件中；
62.c3、编制matlab数据处理程序makepar.m文件，利用步骤c2转化好的数据及需要建立的carsim独立模板生成.par文件。
63.在本实施例里，步骤三，进行数据转换及carsim文件(.par格式)生成。编制matlab数据处理程序suspensionkc.m文件，调用上一步生成的.txt结果文件，并根据adams输出参数与carsim建模参数的方向定义差异进行数值转换及单位转换，转换后的结果存放在.mat文件中；编制matlab数据处理程序makepar.m文件，利用转化好的数据及需要建立的carsim独立悬架模板生成对应的悬架k特性.par文件、c特性.par文件及转向系统.par文件，其中部分参数如簧下质量、减震器阻尼特性等信息可不进行设定。
64.在步骤s4中的所述的.par文件导入及carsim整车模型完善包括以下步骤：
65.d1、在carsim软件中导入步骤c3中的.par文件，并完善参数信息；
66.d2、设定整车参数信息，完成建立carsim整车模型的建模。
67.在本实施例里，步骤四，.par文件导入及整车模型完善。在carsim软件中导入悬架系统k特性.par文件、c特性.par文件及转向系统.par文件，并完善簧下质量、减震器阻尼特性及杠杆比等信息；转向系统柔度及相关四轮定位参数信息可在转向模板中直接修改，同时设定整车簧上质量、转动惯量及轮胎特性等信息，完成整车模型的建模。
68.在步骤s5中的所述的智能控制相关整车动力学仿真包括以下步骤：
69.e1、对carsim整车仿真工况进行设置；
70.e2、将carsim求解器设置为simulink联合仿真形式，通过在carsim中设置输入输出参数；
71.e3、与主仿真环境simulink数据交换，在联合仿真中carsim车辆模型以s函数形式出现；
72.e4、控制策略在以simulink形式实现，仿真完成后数据结果及仿真动画在carsim软件中查看。
73.在本实施例里，步骤五,智能控制相关整车动力学仿真。在进行智能控制相关的车辆动力学仿真时，为满足复杂的控制策略需求，将carsim求解器设置为simulink联合仿真
形式。在联合仿真中carsim车辆模型以s函数形式出现，通过在carsim中设置输入输出参数实现与主仿真环境simulink数据交换，控制策略在以simulink形式实现，仿真完成后数据结果及仿真动画在carsim软件中查看，联合模型同时可应用在硬件在环仿真系统中。
74.实施例1
75.首先在adams/car中建立该车型的多体动力学模型。
76.按照车型前悬架形式建立独立悬架.tpl模板文件,模板文件的主要作用是定义模型的拓扑结构，即模型中包括哪些部件及各部件之间的拓扑关系，如前双叉臂独立悬架包括前副车架、转向节、上三角臂、下横摆、下斜臂、减震器、弹簧等主要部件，各部件通过橡胶衬套、球铰等约束副连接；同时需要建立前悬架与其它系统交互信息的通讯器；转向系统、后悬架模板文件与前悬架模板相类似。
77.利用.tpl模板文件生成.sub子系统文件，子系统文件中已包括模板文件中的部件及拓扑关系，并可根据车型不同更新具体的硬点位置、衬套刚度、弹簧刚度等特征参数，更新的参数将保持于.sub文件中，而不会修改.tpl模板文件，可方便的实现同一模板文件(代表拓扑关系)对应多个具体子系统文件(代表具体车型信息)。
78.利用前悬架子系统、转向子系统建立前悬架.asy装配模型,装配模型除包括转向子系统、前悬架子系统的部件及拓扑关系外，还会根据通讯器的匹配情况调整具体约束，如根据通讯器设置确定转向器是安装在副车架还是车身(此时为大地)等；装配模型中的特征参数采用子系统文件参数；部分参数如轮胎直径、轮胎刚度、轴距等信息需要在装配模型中设置。
79.之后在adams/car中进行悬架动力学仿真。
80.前悬架仿真主要包括同向轮跳及侧倾两种工况k特性仿真、转向仿真、同向纵向力、反向侧向力、反向回正力矩及同向回正力矩四种工况c特性仿真。其中同向轮跳仿真主要输出前束角、外倾角、轮心纵向位移、侧向位移、车轮转动角及悬架刚度等参数随轮跳的变化规律；侧倾工况仿真主要输出总的侧倾刚度随悬架侧倾角度的变化规律；转向仿真主要输出转向传动比、主销定位参数及左右车轮转向的非线性关系；同向纵向力工况主要输出前束角、外倾角、轮心纵向位移随纵向力的变化规律；反向侧向力工况主要输出前束角、外倾角、轮心侧向位移随纵向力的变化规律；反向回正力矩工况主要输出前束角、外倾角随回正力矩的变化规律；同向回正力矩工况主要输出前束角随回正力矩的变化规律，该工况参数特性将与反向回正力矩工况特性共同计算转向系统柔度特性。将以上输出参数按工况输出到.txt文件中，形成7个.txt文件。
81.下一步利用matlab程序suspensionkc.m进行数据计算及相关转换。
82.由于adams输出参数方向定义、单位、初值定义与carsim建模参数有差异，因此首先需要进行数据转换。如在adams输出参数中，车轮转角是以toe angle定义的，其正方向为toe in，carsim中部分车轮转角是以steer angle定义的，其正方向为俯视图中逆时针，在转换时左前轮数值符号需要变换；在adams输出参数中，车轮外倾角是以camber angle定义的，其正方向为top out，而carsim部分车轮外倾角是以inclination定义的，其正方向为后图中顺时针，在转换时左前轮数值符号需要变换；在adams输出参数中，轮心纵向位移正方向为向后，而carsim中轮心纵向位移正方向为前，在转换时数值符号需要变换；在adams输出参数中，回正力矩aligning_torque单位为nmm，而carsim中回正力矩单位为nm，在转换时
数值需要乘以0.001；carsim模型中转向系统柔度横坐标为左右车轮的回正力矩之和，正方向为俯视图逆时针，纵坐标为steer angle，数值可通过同向回正力矩时的转向角减去反向回正力矩时的转向角获得；carsim模型中转向传动比、主销内倾角、主销后倾角、轮心处主销偏移距等可采用方向盘转角为正负45度范围内的平均值，而转向几何特性由转向极限范围内的pitman arm angle(方向盘转角/传动比)与左右轮steer angle来描述。
83.下一步利用matlab数据处理程序makepar.m文件进行carsim仿真文件的建立。
84.通过adams的结果文件，可以将转向系统特性、悬架系统k特性、悬架系统c特性进行数据转换，并可生产对应的转向系统.par、悬架k特性.par、悬架c特性.par，部分参数如减震器阻尼特性、簧下质量、初始前束外倾角等可暂时不输入，此类参数一般为adams建模输入数据或设计值，可直接在后续carsim软件中设置。
85.建立carsim车辆模型。
86.打开carsim软件，建立一个整车模型，导入转向系统.par、前后悬架.par文件并更新到整车模型中，完善悬架系统中的簧下质量、减震器阻尼特性等信息，转向系统中的助力特性及刚度特性等信息，设定车身系统中的簧上质量、转动惯量、轴距等信息，完善轮胎系统中的轮胎特性等信息，完成整车模型的建模。
87.建立后轮转向carsim-simulink联合仿真模型。
88.将carsim求解器设置为models：simulink联合仿真模式，在配置文件中设置输入参数import channels包括后轮转角imp_steer_l2及imp_steer_r2，mode为add，initial valus为0，即由外部直接输入后来转角；在配置文件中设置输出参数export channels包括车速vx、方向盘转角steer-sw、横摆角速度avz(yaw rate)、质心侧偏角beta等；选择对应的simulink model：mdlrws.slx，在此文件中carsim整车模型以s函数形式参与闭环仿真，后轮转角由方向盘转角、车速及横摆角速度共同确定，控制策略在simple rws controller具体实现；后轮转向仿真时还需增加设置miscellaneous：vs commands，并加入“opt_steer_ext(2)4”命令。
89.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种适用于智能控制的车辆动力学模型建模及仿真方法，其特征在于：包括以下步骤：s1、建立adams多体动力学模型；s2、运行adams多体动力学模型获取仿真结果；s3、进行数据转换及carsim文件生成；s4、.par文件导入及carsim整车模型完善；s5、智能控制相关整车动力学仿真。2.根据权利要求1所述的一种适用于智能控制的车辆动力学模型建模及仿真方法，其特征在于：在步骤s1中的所述的建立adams多体动力学模型包括以下步骤：a1、应用adams/car软件根据各部件的拓扑结构建立adams/car.tpl模板文件；a2、利用模板文件生成子系统，根据开发车型硬点位置、衬套刚度、弹簧刚度信息更新子系统模型参数，并保存为子系统.sub文件；a3、利用子系统模型建立悬架装配模型，并更新轴距、轮胎直径、刚度等相关参数，保存为装配模型.asy文件。3.根据权利要求1所述的一种适用于智能控制的车辆动力学模型建模及仿真方法，其特征在于：在步骤s2中的所述的运行adams多体动力学模型获取仿真结果包括以下步骤：b1、编制批处理程序my.bat文件；b2、调用adams启动程序mdi.bat；b3、执行.cmd命令文件，并对命令文件进行多种工况的分析、计算及参数输出，且输出参数保存到.txt文件中。4.根据权利要求3所述的一种适用于智能控制的车辆动力学模型建模及仿真方法，其特征在于：在步骤s3中的所述的进行数据转换及carsim文件生成包括以下步骤：c1、编制matlab数据处理程序suspensionkc.m文件；c2、调用步骤b3中生成的.txt文件，根据adams输出参数与carsim建模参数的方向定义差异进行数值转换及单位转换，并将转换后的结果存放在.mat文件中；c3、编制matlab数据处理程序makepar.m文件，利用步骤c2转化好的数据及需要建立的carsim独立模板生成.par文件。5.根据权利要求4所述的一种适用于智能控制的车辆动力学模型建模及仿真方法，其特征在于：在步骤s4中的所述的.par文件导入及carsim整车模型完善包括以下步骤：d1、在carsim软件中导入步骤c3中的.par文件，并完善参数信息；d2、设定整车参数信息，完成建立carsim整车模型的建模。6.根据权利要求5所述的一种适用于智能控制的车辆动力学模型建模及仿真方法，其特征在于：在步骤s5中的所述的智能控制相关整车动力学仿真包括以下步骤：e1、对carsim整车仿真工况进行设置；e2、将carsim求解器设置为simulink联合仿真形式，通过在carsim中设置输入输出参数；e3、与主仿真环境simulink数据交换，在联合仿真中carsim车辆模型以s函数形式出现；e4、控制策略在以simulink形式实现，仿真完成后数据结果及仿真动画在carsim软件
中查看。

技术总结

本发明提供了一种适用于智能控制的车辆动力学模型建模及仿真方法，包括以下步骤：建立Adams多体动力学模型；运行Adams多体动力学模型获取仿真结果；进行数据转换及Carsim文件生成；.par文件导入及Carsim整车模型完善；智能控制相关整车动力学仿真。本发明所述的一种适用于智能控制的车辆动力学模型建模及仿真方法，本方法适应于车型开发前期车辆智能控制系统仿真模型建立与仿真，可直接利用底盘结构设计参数进行整车特性模型建模，所建模型环境便于控制系统的开发，缩短开发周期，降低成本；所建动力学模型亦可应用于如驾驶模拟器等整车硬件在环仿真系统中，提高模型精度。提高模型精度。提高模型精度。