3D车辆动力学模型

三维车辆动力学模型可以引导PreScan汽车在三维道路上行驶。该模型具有与二维简单动力学模型相同的组件，但底盘部分（车辆动力学）已被修改。其他部分保持不变。在三维车辆动力学仿真过程中，可能会有一些轻微的俯仰震动。 

三维简单动力学模型由下列部件组成，如下图所示:

发动机

变速箱最终传动比

三维底盘（车辆动力学）

换挡逻辑。

自动和手动换挡之间的切换

                           

请看以下部分：

三维车辆动力学模型；

可以在GUI中设置的参数；

模型在编译表中的表现；

使用方法的概述； 

在油门为零%，自动档为驾驶/倒车模式的情况下，汽车也会缓慢向前/向后移动。这是由于发动机以最低转速行驶（每辆车的转速不同）。 

模型迁移-见汇编表迁移。

 

24.1 车辆动力学模型

三维车辆动力学模型有10个自由度。 

弹簧质量（支撑在悬架上面的质量）有6个自由度。三个位移（x、y和z）和三个旋转（侧倾、俯仰和横摆）。

非弹簧质量（悬架下方的质量：4个车轮）有4个自由度，即4个z位移。在弹簧质量和非弹簧质量之间放置了悬挂系统。

 

Z运动

下图为作用在车辆上的z力。后方和前方的地面对轮胎的接触力。由车辆质量和惯性力引起的力。在弹簧质量和非弹簧质量之间有悬挂力（未显示）。

关于弹簧质量的运动方程如下（车辆坐标系中的牛顿运动方程）。

 

公式中：

而K和d分别为悬挂刚度和阻尼特性。 

每个轮胎的运动方程如下：

公式中

而K和d分别为悬挂刚度和阻尼特性。

 

渗透深度由接触传感器计算。

预瞄描接触传感器 

接触传感器并不是传统意义上的PreScan传感器。它的核心是封装了一个物理引擎，并创建了自己的碰撞世界背景。

使用物理引擎，PreScan可以计算几何交点与相关数据，如接触法线，接触位置和穿透深度。 

这个 "传感器 "也是PreScan三维车辆动力学不可或缺的。

从PreScan版本6.8.1开始，PreScan_Contact_Sensor模块取代了6.8.1之前的WheelContactSensor（仅适用于PreScan 3D Simple Dynamics！）。

PreScan_Contact_Sensor接收来自Dynamics_Simple_3D块的位置数据，计算出接触点，然后将这些数据发回Dynamics_Simple_3D块。

 

6.8.1版本的接触传感器完全包含在MATLAB中，这就意味着接触传感器6.8.1限制现在不再适用。

不再要求视觉更新率与编译表目标更新率一样高。不再要求模拟核心与模拟1:1运行。

可以以更高的Compilation Sheet目标更新率运行，性能更好。 

然而，我们仍然需要最低200hz的编译表目标更新率。这可以在仿真调度器中设置允许的最小仿真速率。

 

为了保持仿真的稳定性，PreScan对单独的组件实施最小仿真率： 

最小 Dyn & Ctrl 世界（编译表） 更新率100

最小仿真核心 更新率10

视觉世界更新 没有最小值。

 

最小的仿真核心更新速率上面提到的强制执行，但是，如果不稳定仍然发生，建议提高仿真核心更新速率，直到仿真再次稳定。

当应用一个转向角到VISUWheels_Mux块，相同的信号应该被用作输入到相应的PreScan_Contact_Sensor块（见下图）。

从源头连接转向角到VISUWheels_Mux和PreScan_Contact_Sensor。

 

接触传感器的定制化实施

PreScan 接触传感器是基本的接触传感器块的PreScan特定实现。这个模块可以用于自定义实现。

24.2 参数

三维简单的动力学模型是完全向用户开放的。在 "对象配置 "对话框中点击 "动力学 "选项卡，可以选择和自定义3D简单（动力学）。将打开一个对话框。 

这些参数只能在GUI中设置，不能在MATLAB/ Simulink中设置。 

下图中灰色的数值是不能适应的，因为它们已经被车辆视觉模型定义了。 

动态

在第一个标签 "动力学"中，可以修改车辆参数。

                           

 

参数                                                   描述                                                                     Unit
P max	最大制动压力	[bar]
M	车辆总质量	[kg]
Jzz	车身围绕z轴的惯性力矩。	[kg m2]
Jyy	车身绕y轴的惯性力矩。	[kg m2]
Jxx	车身围绕X轴的惯性力矩。	[kg m2]
Rw	轮胎半径	[m]
Tyre radial stiffness	轮胎垂直刚度系数	[N]
Tyre radial damping	轮胎垂直阻尼率系数	[Ns/m]
C susp. rear	后悬架的系统刚度，两侧合并（仅用于滚动计算）。	[N/m]
D susp. rear	后悬架的系统阻尼率，两侧合并(仅用于滚动计算)	[Ns/m]
Kfront	前轮胎的侧偏刚度（左右合并）。	[N/rad]
Krear	后轮胎的侧偏刚度（左、右合并）。	[N/rad]
h Cog	重心高度	[m]
b	重心到后轴的距离	[m]
a	重心到前轴的距离	[m]
l	车辆的轴距	[m]
Cw	空气阻力系数	[-]
C susp. front	前悬架的系统刚度，两侧合并(仅用于滚动计算)	[N/m]
D susp. front	前悬架的系统阻尼率，两侧合并(仅用于滚动计算)	[Ns/m]
Kfront	前轮胎的侧偏刚度	[N/rad]
Track Width	车辆的轨道宽度(用于简单的动力学)	[m]
BB Width	车辆的边界宽度（用于空气传感器）。	[m]
BB Length	车辆的边界框长度(用于空气传感器)	[m]
BB Heigth	车辆的边界框长度(用于空气传感器)	[m]
Bumper	保险杠相对于地面的位置（用于默认的传感器定位）。	[m]
Cw	空气阻力系数	[-]

 

传动系统

在第二个选项卡 "Driveline "中，可以编辑换挡策略。当更改升档和降档的换档点时，相应的图形将被更新。对于变速器，可以修改档位数和相应的齿轮比。

 

 

参数                                            描述                                                                         Unit
R final drive	最终传动比	[-]
Upshift time [# delays]	与上移延迟相对应的模拟时间步长的整数倍。	[-]
Downshift time [# delays]	与降档延迟相对应的模拟时间步长的整数倍。	[-]
Transmission ratio	所有（可能的7个）齿轮的传动比表	[-]
Upshift	升档到下一个档位的转速，与节气门百分比有关。	[rpm]
Downshift	降档到前一个档位的转速，与节气门百分比有关。	[rpm]

 

发动机

在第三个选项卡 "发动机"上，可以修改发动机扭矩图。至少要设置0%和100%的油门深度曲线。

参数                                      描述                                                                                 单位
Engine Torque Map	发动机扭矩是发动机转速和油门百分比的函数。	[Nm]

 

悬架

在 "悬架 "选项卡中，显示了悬架的刚度和阻尼率特性。

 

 

参数                                 描述                                                                                    Unit
Stiffness rear	悬架刚度力作为悬架垂直变形的函数，单位为米。	[N]
Stiffness front	悬架刚度力作为悬架垂直变形的函数，单位为米。	[N]
Damping rear	悬架阻尼力作为悬架垂直变形速度的函数，单位为米/秒。	[N]
Damping front	悬架阻尼力作为悬架垂直变形速度的函数，单位为米/秒。	[N]

 

 

转向

在最后一个选项卡 "转向"中，可以修改一些转向特性。

 

 

参数                                                     描述                                                             Unit
Steering Ratio	方向盘转数(度)与车轮转数(度)之比。	[-]
Maximum steering wheel angle	最大方向盘角度	[deg]

 

Simulink参数

模型中的其他参数(自动设置，但用户可直接在Simulink模型中更改)

模型参数                      描述                                                                                    Unit
p.relax_on	打开/关闭轮胎的松弛效应（滑移角和外倾角）。	0 = off 1 = on  (default)
p.sigma_front / p.sigma_rear	前/后轮胎的松弛长度	[m]
p.fr0, p.fr1, p.fr4, p.v0	两个轮胎的路面阻力计算：Fresistance  = Fz*(fr0 + fr1*v/v0 + fr4*(v/v0)4)，Fz为车重，单位为[N]。	[N],[N],[N],[m/s]
p.Rair	空气阻力系数：p.Rair=0.5*p.rho_air*p.A*p.Cw。	[Ns2/m2]
p.rho_air	空气密度	[kg/m3]
p.A	空气阻力的参考面积	[m2]
p.Kfactor, p.speedratio	叶轮扭矩查询表	[-], [-]
p.Torkratio	变矩器扭矩比	[-]
p.Iei	发动机和叶轮的惯性	[kg m2]
p.rot_ini, p.rot_upp, p.rot_low	发动机转速积分器设置(初始值、上限、下限)	[rpm]

 

Simulink表示法

在编译表中，三维简单动力学模型的外观如下。

 

输入参数

参数                                     描述                                                                                Unit
steer	方向盘角度(车辆转向比为20时)	[deg]
Throttle	节气门的开度	[%]
Brake Pres	制动压力	[bar]
v0	初速度	[m/s]
Auto/Manual	在自动和手动换档之间切换。 [0] = 自动换档（默认）。 [1] = 手动换档	[-]
Auto Gear	自动换档的档位。 [-1] = 倒车 [0]=中性 [1]=驱动	[-]
Manual Gear	手动换档的档位。 [-1]=倒车 [0]=中性 [1...最大档位]=档位数	[-]
TyreInfo_in	来自PreScan_Contact_Sensor块的信号。	[- - -], [m m  m], [m m m]

 

输出参数

参数                                  描述                                                                                  Unit
State	车辆状态	[-]
vx	车辆速度	[m/s]
Perf Params	车辆性能参数	[multiple]
zDispFL	前左轮垂直位移	[m]
zDispFR	前右轮垂直位移	[m]
zDispRL	后左轮垂直位移	[m]
zDispRR	后右轮垂直位移	[m]
ContactParams	位置输出数据将被用作PreScan_Contact_Sensor的输入。	[-]

 

使用

为了有一个稳定的模型，三维简单动力学连续时间模型需要至少200赫兹的Simulink更新率（汽车）和300赫兹的卡车。这个值也是由图形用户界面检查的。 

下面是一个例子，说明如何将3D车辆动力学块与带预瞄模型的Path Follower结合使用。

 

为了正确运行3D简单动力学模型，需要VISUWheels_Mux块。为了得到这个块，打开 Actor's Object Configuration 对话框，在Animation 选项卡中选择 Wheel displacement 选项。

 

限制条件

三维简单动力学模型采用以下条件。

- 车辆用于正常速度行驶。这与道路路径有关。例如在颠簸的道路上行驶时降低速度。

- 车辆始终与道路接触。车辆以"正常方式 "行驶，按照道路路径行驶。

- 车辆的初始位置是在一个平面和水平的表面/道路上（岸边和倾斜角=0）。

- 该模型只对低的横向和纵向加速度产生可靠的结果。在干燥的沥青路面上行驶时，加速度的绝对值应低于5[m/s^2]。

 

每个执行器的动态概述

本页概述了哪些执行器支持哪种动态。

乘用车                                                  2D  简单动力学                         3D 简单动力学
Audi A8  Sedan	Yes	Yes
BMW X5  SUV	Yes	Yes
BMW Z3  Convertible	Yes	Yes
Citroen  C3 Hatchback	Yes	Yes
Fiat  Bravo Hatchback	Yes	Yes
Ford  Fiesta Hatchback	Yes	Yes
Ford  Focus Stationwagon	Yes	Yes
Lexus GS  450h F Sport	Yes	Yes
Lexus LS  600h F Sport	Yes	Yes
Mazda  RX8 Coupe	Yes	Yes
Toyota  Previa MPV	Yes	Yes
Toyota  Prius Sedan	Yes	Yes
Toyota  Yaris Hatchback	Yes	Yes
Roewe  550 S Sedan	Yes	No

 

卡车                                                                 2D  简单动力学              3D 简单动力学
DAF 95XF	Yes	Yes
DAF Euro 6 XF	Yes	Yes
Mercedes-Benz Actros 1851 LS 4x2	Yes	Yes
Mercedes-Benz Actros 1860 LS 4x2	Yes	Yes
Mercedes-Benz Actros 2541 L 4x2	Yes	Yes
Nissan Cabstar Boxtruck	Yes	Yes
Volvo FH16 4x2	Yes	Yes
摩托车                                                              2D  简单动力学            3D 简单动力学
Honda Pan European Motorcycle	No	No
Honda Pan European Motorcycle with Driver	No	No
拖车                                                                    2D  简单动力学            3D 简单动力学
Car Trailer Small	No	No
Container Trailer	No	No
Full Trailer	No	No
目标物                                                                 2D 简单动力学         3D 简单动力学
ADAC_01	Yes	No
BalloonCar	No	No
GuidedSoftTarget	No	No