基于车辆动力学模型的车辆运动特性仿真方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于车辆动力学模型的车辆运动特性仿真方法及系统。所述仿真方法包括：获取车辆坐标系、轮胎坐标系、地理坐标系以及轮胎模型；根据车辆坐标系建立力和力矩平衡运动方程；根据轮胎坐标系以及力和力矩平衡运动方程建立二自由度的横向动力学模型；获取车辆受到的外部阻力；根据外部阻力建立电传动系统驱动下的纵向动力学模型；获取车辆沿曲线行驶时的车辆悬架特性参数；根据车辆悬架特性参数、地理坐标系以及车辆坐标系建立侧倾动力学模型；根据轮胎模型、横向动力学模型、纵向动力学模型以及侧倾动力学模型对车辆运动特性进行仿真，确定车辆驾驶控制策略。采用本发明专利技术所提供的仿真方法及系统能够提高车辆运动特性的仿真精度。

Simulation Method and System of Vehicle Motion Characteristics Based on Vehicle Dynamics Model

【技术实现步骤摘要】
基于车辆动力学模型的车辆运动特性仿真方法及系统
本专利技术涉及车辆运动特性仿真领域，特别是涉及一种基于车辆动力学模型的车辆运动特性仿真方法及系统。
技术介绍
车辆运动控制部分作为智能车辆研究的基础，在建立能够反映车辆运动特性的动力学模型后，才能够设计合适的控制策略，进行仿真分析。车辆作为一个高度非线性的非完整运动约束系统，车辆动力学模型参数随着某一运动特性和所处环境的不同发生改变，由于车辆由众多部件组成，仅根据某一运动特性仿真车辆运动过程，降低了车辆运动特性的仿真精度，造成整个控制系统的设计更有难度，无法确定更合适的控制策略，影响车辆控制系统质量。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于车辆动力学模型的车辆运动特性仿真方法及系统，解决现有的车辆动力学模型无法确定更合适的控制策略，仿真精度低，影响车辆控制系统质量的问题。为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：一种基于车辆动力学模型的车辆运动特性仿真方法，包括：获取车辆坐标系、轮胎坐标系、地理坐标系以及轮胎模型；所述轮胎模型包括线性比例模型、非线性比例模型以及魔术公式MagicFormula模型；当车辆以固定速度行驶时，利用牛顿定理，对所述车辆进行受力分析，根据所述车辆坐标系建立力和力矩平衡运动方程；所述力和力矩平衡运动方程包括侧向运动方程以及横摆运动方程；根据所述轮胎坐标系以及所述力和力矩平衡运动方程建立二自由度的横向动力学模型；获取所述车辆受到的外部阻力；所述外部阻力包括滚动阻力、空气阻力以及坡度阻力；根据所述外部阻力建立电传动系统驱动下的纵向动力学模型；获取所述车辆沿曲线行驶时的车辆悬架特性参数；所述车辆悬架特性参数包括簧载总质量、整车质心至前轴的距离、整车质心至后轴的距离、簧载质心到侧倾轴线的距离、侧倾刚度系数以及侧倾阻尼系数；根据所述车辆悬架特性参数、所述地理坐标系以及所述车辆坐标系建立侧倾动力学模型；根据所述轮胎模型、所述横向动力学模型、所述纵向动力学模型以及所述侧倾动力学模型对所述车辆的车辆运动特性进行仿真，确定车辆驾驶控制策略。可选的，所述根据所述车辆坐标系建立力和力矩平衡运动方程，具体包括：根据公式建立侧向运动方程；根据公式建立横摆运动方程；其中，m为整车质量；vx为车辆纵向速度；vy为车辆横向速度；为车辆横向速度的加速度；ωr为横摆角；为横摆角的角速度；Fy1为前轮受到的侧向力、Fy2为后轮受到的侧向力；Iz为整车绕所述地理坐标系中Z轴的转动惯量；lf为质心到前轴的距离、lr为质心到后轴的距离。可选的，所述根据所述轮胎坐标系以及所述力和力矩平衡运动方程建立二自由度的横向动力学模型，具体包括：根据公式以及建立二自由度的横向动力学模型；其中，βf为前轮侧偏角、βr为后轮侧偏角；δ为前轮转向角；Kf为前轮轮胎侧偏刚度；Kr为后轮轮胎侧偏刚度。可选的，所述根据所述外部阻力建立电传动系统驱动下的纵向动力学模型，具体包括：根据公式建立纵向动力学模型；其中，Ft为汽车驱动力，Tt为作用在驱动轮上的转矩，Tt＝Tdiwηw，Td为驱动电机提供的驱动力矩，iw为轮边减速器速比，ηw为轮边减速器传动效率，R为车轮半径；Ff为滚动阻力，Ff＝fmgcosθ，f为滚动阻力系数，g为重力加速；θ为道路坡度角；Fw为空气阻力，CD为空气阻力系数，ρ为空气密度，ρ＝1.2258N·s2·m-4，A为迎风面积；Fi为坡度阻力，Fi＝mgsinθ。可选的，所述根据所述车辆悬架特性参数、所述地理坐标系以及所述车辆坐标系建立侧倾动力学模型，具体包括：根据公式建立侧倾动力学模型；其中，m为整车质量，ms为簧载总质量，φ车身侧倾角，为车身侧倾角的角速度，为车身侧倾角的角加速度，r为转弯半径，为转弯半径的变化率，Iz为整车绕所述地理坐标系中Z轴的转动惯量，Ix为簧载质量绕xb轴的转动惯量，Ixz为簧载质量绕所述车辆坐标系中xb轴、zb轴的惯量积，hg为簧载质心到侧倾轴线的距离，Kφ为侧倾刚度系数，Cφ为侧倾阻尼系数。一种基于车辆动力学模型的车辆运动特性仿真系统，包括：坐标系获取模块，用于获取车辆坐标系、轮胎坐标系、地理坐标系以及轮胎模型；所述轮胎模型包括线性比例模型、非线性比例模型以及魔术公式MagicFormula模型；力和力矩平衡运动方程建立模块，用于当车辆以固定速度行驶时，利用牛顿定理，对所述车辆进行受力分析，根据所述车辆坐标系建立力和力矩平衡运动方程；所述力和力矩平衡运动方程包括侧向运动方程以及横摆运动方程；横向动力学模型建立模块，用于根据所述轮胎坐标系以及所述力和力矩平衡运动方程建立二自由度的横向动力学模型；外部阻力获取模块，用于获取所述车辆受到的外部阻力；所述外部阻力包括滚动阻力、空气阻力以及坡度阻力；纵向动力学模型建立模块，用于根据所述外部阻力建立电传动系统驱动下的纵向动力学模型；车辆悬架特性参数获取模块，用于获取所述车辆沿曲线行驶时的车辆悬架特性参数；所述车辆悬架特性参数包括簧载总质量、整车质心至前轴的距离、整车质心至后轴的距离、簧载质心到侧倾轴线的距离、侧倾刚度系数以及侧倾阻尼系数；侧倾动力学模型建立模块，用于根据所述车辆悬架特性参数、所述地理坐标系以及所述车辆坐标系建立侧倾动力学模型；仿真模块，用于根据所述轮胎模型、所述横向动力学模型、所述纵向动力学模型以及所述侧倾动力学模型对所述车辆的车辆运动特性进行仿真，确定车辆驾驶控制策略。可选的，所述力和力矩平衡运动方程建立模块具体包括：侧向运动方程建立单元，用于根据公式建立侧向运动方程；横摆运动方程建立单元，用于根据公式建立横摆运动方程；其中，m为整车质量；vx为车辆纵向速度；vy为车辆横向速度；为车辆横向速度的加速度；ωr为横摆角；为横摆角的角速度；Fy1为前轮受到的侧向力、Fy2为后轮受到的侧向力；Iz为整车绕所述地理坐标系中Z轴的转动惯量；lf为质心到前轴的距离、lr为质心到后轴的距离。可选的，所述横向动力学模型建立模块具体包括：横向动力学模型建立单元，用于根据公式以及建立二自由度的横向动力学模型；其中，βf为前轮侧偏角、βr为后轮侧偏角；δ为前轮转向角；Kf为前轮轮胎侧偏刚度；Kr为后轮轮胎侧偏刚度。可选的，所述纵向动力学模型建立模块具体包括：纵向动力学模型建立单元，用于根据公式建立纵向动力学模型；其中，Ft为汽车驱动力，Tt为作用在驱动轮上的转矩，Tt＝Tdiwηw，Td为驱动电机提供的驱动力矩，iw为轮边减速器速比，ηw为轮边减速器传动效率，R为车轮半径；Ff为滚动阻力，Ff＝fmgcosθ，f为滚动阻力系数，g为重力加速；θ为道路坡度角；Fw为空气阻力，CD为空气阻力系数，ρ为空气密度，ρ＝1.2258N·s2·m-4，A为迎风面积；Fi为坡度阻力，Fi＝mgsinθ。可选的，所述侧倾动力学模型建立模块具体包括：侧倾动力学模型建立单元，用于根据公式建立侧倾动力学模型；其中，m为整车质量，ms为簧载总质量，φ车身侧倾角，为车身侧倾角的角速度，为车身侧倾角的角加速度，r为转弯半径，为转弯半径的变化率，Iz为整车绕所述地理坐标系中Z轴的转动惯量，Ix为簧载质量绕xb轴的转动惯量，Ixz为簧载质量绕所述车辆坐标系中xb轴、zb轴的惯量积，hg为簧载质心到侧倾轴线的距离，Kφ为侧倾刚度系数，Cφ为侧倾阻尼本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于车辆动力学模型的车辆运动特性仿真方法，其特征在于，包括：获取车辆坐标系、轮胎坐标系、地理坐标系以及轮胎模型；所述轮胎模型包括线性比例模型、非线性比例模型以及魔术公式Magic Formula模型；当车辆以固定速度行驶时，利用牛顿定理，对所述车辆进行受力分析，根据所述车辆坐标系建立力和力矩平衡运动方程；所述力和力矩平衡运动方程包括侧向运动方程以及横摆运动方程；根据所述轮胎坐标系以及所述力和力矩平衡运动方程建立二自由度的横向动力学模型；获取所述车辆受到的外部阻力；所述外部阻力包括滚动阻力、空气阻力以及坡度阻力；根据所述外部阻力建立电传动系统驱动下的纵向动力学模型；获取所述车辆沿曲线行驶时的车辆悬架特性参数；所述车辆悬架特性参数包括簧载总质量、整车质心至前轴的距离、整车质心至后轴的距离、簧载质心到侧倾轴线的距离、侧倾刚度系数以及侧倾阻尼系数；根据所述车辆悬架特性参数、所述地理坐标系以及所述车辆坐标系建立侧倾动力学模型；根据所述轮胎模型、所述横向动力学模型、所述纵向动力学模型以及所述侧倾动力学模型对所述车辆的车辆运动特性进行仿真，确定车辆驾驶控制策略。

【技术特征摘要】
1.一种基于车辆动力学模型的车辆运动特性仿真方法，其特征在于，包括：获取车辆坐标系、轮胎坐标系、地理坐标系以及轮胎模型；所述轮胎模型包括线性比例模型、非线性比例模型以及魔术公式MagicFormula模型；当车辆以固定速度行驶时，利用牛顿定理，对所述车辆进行受力分析，根据所述车辆坐标系建立力和力矩平衡运动方程；所述力和力矩平衡运动方程包括侧向运动方程以及横摆运动方程；根据所述轮胎坐标系以及所述力和力矩平衡运动方程建立二自由度的横向动力学模型；获取所述车辆受到的外部阻力；所述外部阻力包括滚动阻力、空气阻力以及坡度阻力；根据所述外部阻力建立电传动系统驱动下的纵向动力学模型；获取所述车辆沿曲线行驶时的车辆悬架特性参数；所述车辆悬架特性参数包括簧载总质量、整车质心至前轴的距离、整车质心至后轴的距离、簧载质心到侧倾轴线的距离、侧倾刚度系数以及侧倾阻尼系数；根据所述车辆悬架特性参数、所述地理坐标系以及所述车辆坐标系建立侧倾动力学模型；根据所述轮胎模型、所述横向动力学模型、所述纵向动力学模型以及所述侧倾动力学模型对所述车辆的车辆运动特性进行仿真，确定车辆驾驶控制策略。2.根据权利要求1所述的基于车辆动力学模型的车辆运动特性仿真方法，其特征在于，所述根据所述车辆坐标系建立力和力矩平衡运动方程，具体包括：根据公式建立侧向运动方程；根据公式建立横摆运动方程；其中，m为整车质量；vx为车辆纵向速度；vy为车辆横向速度；为车辆横向速度的加速度；ωr为横摆角；为横摆角的角速度；Fy1为前轮受到的侧向力、Fy2为后轮受到的侧向力；Iz为整车绕所述地理坐标系中Z轴的转动惯量；lf为质心到前轴的距离、lr为质心到后轴的距离。3.根据权利要求2所述的基于车辆动力学模型的车辆运动特性仿真方法，其特征在于，所述根据所述轮胎坐标系以及所述力和力矩平衡运动方程建立二自由度的横向动力学模型，具体包括：根据公式以及建立二自由度的横向动力学模型；其中，βf为前轮侧偏角、βr为后轮侧偏角；δ为前轮转向角；Kf为前轮轮胎侧偏刚度；Kr为后轮轮胎侧偏刚度。4.根据权利要求3所述的基于车辆动力学模型的车辆运动特性仿真方法，其特征在于，所述根据所述外部阻力建立电传动系统驱动下的纵向动力学模型，具体包括：根据公式建立纵向动力学模型；其中，Ft为汽车驱动力，Tt为作用在驱动轮上的转矩，Tt＝Tdiwηw，Td为驱动电机提供的驱动力矩，iw为轮边减速器速比，ηw为轮边减速器传动效率，R为车轮半径；Ff为滚动阻力，Ff＝fmgcosθ，f为滚动阻力系数，g为重力加速；θ为道路坡度角；Fw为空气阻力，CD为空气阻力系数，ρ为空气密度，ρ＝1.2258N·s2·m-4，A为迎风面积；Fi为坡度阻力，Fi＝mgsinθ。5.根据权利要求4所述的基于车辆动力学模型的车辆运动特性仿真方法，其特征在于，所述根据所述车辆悬架特性参数、所述地理坐标系以及所述车辆坐标系建立侧倾动力学模型，具体包括：根据公式建立侧倾动力学模型；其中，m为整车质量，ms为簧载总质量，φ车身侧倾角，为车身侧倾角的角速度，为车身侧倾角的角加速度，r为转弯半径，为转弯半径的变化率，Ix为簧载质量绕xb轴的转动惯量，Ixz为簧载质量绕所述车辆坐标系中xb轴、zb轴的惯量积，hg为簧载质心到侧倾轴线的距离，Kφ为侧倾刚度系数，Cφ为侧倾阻尼系数。6.一种基于车辆动力学模型的车辆运动特性仿真系统，其特征在于，包括：坐标系获取模块，用于获取车辆坐标系、轮胎坐标系...

【专利技术属性】
技术研发人员：王向周，郑戍华，赵莎莎，张宁宁，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11