智能駕駛整車仿真模型搭建方法研究

張峻熒 蘇芮琦 王士焜 黃波

張峻熒

畢業(yè)于湖南大學(xué)車輛工程專業(yè)，本科學(xué)歷。現(xiàn)就職于襄陽達(dá)安汽車檢測中心有限公司，任智能網(wǎng)聯(lián)系統(tǒng)部件仿真試驗技術(shù)主管工程師，主要研究方向是智能網(wǎng)聯(lián)系統(tǒng)及部件仿真技術(shù)。

摘? 要：本文提出了一種用于智能駕駛系統(tǒng)或部件仿真驗證的整車仿真模型搭建方法，基于系統(tǒng)級建模思維對整車進(jìn)行模塊化分析確定建模思路，從實車試驗數(shù)據(jù)獲取關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，再結(jié)合基本的車輛結(jié)構(gòu)參數(shù)建立實車各子系統(tǒng)等效仿真模型。本文基于veDYNA和Simulink聯(lián)合仿真軟件搭建了某款純電動車輛的整車模型用于自動駕駛控制器仿真測試，驗證數(shù)據(jù)表明模型滿足仿真驗證需求。

關(guān)鍵詞：車輛模型;仿真測試;veDYNA;系統(tǒng)級建模

中圖分類號：U467.1? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? 文章編號：1005-2550（2022）03-0039-05

Research on Building Method of Intelligent Driving Vehicle Simulation Model

ZHANG Jun-ying， SU Rui-qi， WANG Shi-kun， HUANG Bo

（ Xiangyang Da An Automobile Test Center CO.， LTD，? Xiangyang 441004， China）

Abstract： This paper proposes a vehicle simulation model building method for intelligent driving system or component simulation verification. Based on system-level modeling thinking， the vehicle is modularized to determine the modeling ideas. The key technical parameters are obtained from actual vehicle test datas， which are combined with the basic vehicle structure parameters to establish an equivalent simulation model of each vehicle subsystem. Based on the Co-simulation software of veDYNA and Simulink， this paper builds a full-vehicle model of a pure electric vehicle for the simulation test of an automatic driving controller. The verification data shows that the model meets the requirements of simulation verification.

Key Words： vehicle model; simulation test; veDYNA; system-level modeling

1? ? 引言

隨著智能駕駛技術(shù)水平的提高，相關(guān)產(chǎn)品智能化和自動化水平不斷提升，由系統(tǒng)執(zhí)行動態(tài)駕駛?cè)蝿?wù)的場景范圍、持續(xù)時長擴展快速。在智能駕駛產(chǎn)品快速進(jìn)入市場的同時，自動駕駛車輛事故數(shù)量和頻次也在增加，其可靠性越來越受大眾關(guān)注和質(zhì)疑。為了保證智能駕駛產(chǎn)品的安全性，特別是應(yīng)對復(fù)雜場景、極端場景的能力，行業(yè)內(nèi)基本達(dá)成共識：仿真測試、封閉場地測試、公開道路測試相結(jié)合是智能駕駛產(chǎn)品驗證性價比最高、最可靠的手段。

在智能駕駛仿真測試中，通過車輛動力學(xué)仿真軟件模擬實車來滿足感知、規(guī)劃決策、控制閉環(huán)測試需求是關(guān)鍵技術(shù)之一。為了保證良好的仿真精度和準(zhǔn)確性以更客觀地評測待測系統(tǒng)，一是需要成熟、專業(yè)的車輛仿真軟件，二是需要依據(jù)實車參數(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)建模。目前行業(yè)內(nèi)普及較廣的專業(yè)車輛動力學(xué)軟件有PanoSim、 CarMaker/TruckMaker、veDYNA、CarSim/TruckSim等，本文是在veDYNA中進(jìn)行整車建模的，veDYNA支持模型參數(shù)化配置、各種車輛類型配置、線控接口采用Simulink建模接口易于擴展自定義功能。在整車仿真模型搭建方面，目前主要有兩種路徑：一種是從車輛物理結(jié)構(gòu)角度，通過配置非常詳細(xì)的車輛結(jié)構(gòu)特性參數(shù)來進(jìn)行仿真模擬，這種方式需要車輛上每個部件的參數(shù)均非常詳盡，比較適合車輛機械性能方面的仿真;另一種是從汽車動力學(xué)理論角度，基于實車行車不同工況的動力學(xué)特性將整車分解到子系統(tǒng)級而不是部件級進(jìn)行建模，這種方式比較簡單且需要的參數(shù)相比前一種方式少很多，比較適合智能汽車仿真測試，所以本文采用的是第二種方式，根據(jù)子系統(tǒng)件各部件間的相對運動關(guān)系定義相應(yīng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并對其進(jìn)行“整合”，將相對間沒有明確運動關(guān)系的部件當(dāng)作一個整體來建模。

2? ? 車輛模型分析

本文以滿足某款自動駕駛控制器HIL仿真測試的需求來探討和分析整車模型搭建的方法。仿真測試平臺的邏輯結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中車輛動力學(xué)模型中包含了車體、懸掛系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等的參數(shù)化模塊以及線控I/O接口，當(dāng)車輛動力學(xué)模型接收到待測控制器的加速、制動、轉(zhuǎn)向等控制指令后，依據(jù)復(fù)雜的運動學(xué)和動力學(xué)實時計算得到新的車輛位姿、狀態(tài)信息，并將更新的數(shù)據(jù)發(fā)送給其它模塊來模擬真實車輛的運動行為。

汽車是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，可以抽象成單軌模型、雙軌模型或者各多自由度的非線性模型。構(gòu)建高精度、多自由度的車輛模型需要參數(shù)類型和數(shù)量較多，待測控制器裝配的實車是一輛低速運行的純電動車輛，能夠獲取的實車參數(shù)無法滿足高精度復(fù)雜的車輛動力學(xué)模型構(gòu)建需求，因此構(gòu)建高效、簡單的車輛動力學(xué)模型但能較精確反映各種行駛工況下的車輛動力學(xué)和運動狀態(tài)是客觀評測待測自動駕駛控制器的關(guān)鍵。

對應(yīng)自動駕駛控制器加速、制動、轉(zhuǎn)向三個關(guān)鍵動作指令，構(gòu)建車輛模型時從分析實車在不同工況下響應(yīng)三個指令的行為數(shù)據(jù)入手，重點聚焦在基于仿真軟件已有基礎(chǔ)模型、實車可獲取參數(shù)搭建對應(yīng)的驅(qū)動單元、制動單元和轉(zhuǎn)向單元模塊使其在不同仿真工況下的整車行為與實車數(shù)據(jù)規(guī)律高度一致。

2.1? ?驅(qū)動系統(tǒng)

待測控制器發(fā)送給實車動力系統(tǒng)的加速指令是油門踏板開度，待模擬的實車是純電驅(qū)車輛，前輪驅(qū)動、無變速箱，除基本的輪胎尺寸參數(shù)外可獲取的參數(shù)只有電機輸出驅(qū)動力和油門開度指令關(guān)系。veDYNA軟件自帶的動力模塊中只有傳統(tǒng)燃油車模型，其動力系統(tǒng)&傳動系統(tǒng)不能直接用于模擬該實車的驅(qū)動系統(tǒng)，需要依據(jù)關(guān)系進(jìn)行等效動力學(xué)轉(zhuǎn)換。假設(shè)不考慮各驅(qū)動輪差異和離合影響，兩者簡化的等效關(guān)系如式（1）所示，其中TEngOut是發(fā)動機輸出扭矩，i1、i2、i3分別表示變速箱、主減速器、輪邊減速器減速比，TMorMax是電機輸出的最大力矩，AccPed是自動駕駛控制器油門開度指令。

TEngOut×i1×i2×i3=TMorMax×AccPed? ? ? ?（1）

為了簡化模型搭建過程，設(shè)置i3=1，i2為常值，這樣可以通過實時調(diào)節(jié)變速箱的變速比來進(jìn)行等效轉(zhuǎn)換。

2.2? ?制動系統(tǒng)

待測控制器在自動駕駛模式時發(fā)送給實車制動系統(tǒng)的制動指令是目標(biāo)減速度，可獲取的待模擬實車動力學(xué)參數(shù)只有制動力分配系數(shù)，無制動器制動力、輪胎力學(xué)參數(shù)、制動力傳遞時間、制動效率等相關(guān)參數(shù)，而veDYNA是通過控制制動踏板開度實時調(diào)節(jié)制動力矩的。因此對于制動系統(tǒng)的仿真模型搭建，將實車整體作為分析對象的方法會比較適用：同步采集實際道路工況中目標(biāo)減速度和實際減速度數(shù)據(jù)，對不同工況的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計、分析、構(gòu)建關(guān)系模型。相應(yīng)地在veDYNA中以整車減速度響應(yīng)與實車數(shù)據(jù)一致為目的進(jìn)行建模：依據(jù)實車類型從veDYNA模型庫中選擇一個基礎(chǔ)制動模型作為模板，再通過位置式比例積分PI控制器進(jìn)行建模和調(diào)參來調(diào)節(jié)制動踏板開度以搭建減速度控制模塊，其中BrkPed（n）是n時刻輸出給veDYNA制動踏板開度，TrgtDec為待測控制器的目標(biāo)減速度，ActDec為當(dāng)前veDYNA實際減速度。

BrkPed（n）=Kp×en+Ki×∑j=1ej? ? ? ? ? ? （2）

其中en和ej計算如下，并且需要對積分部分進(jìn)行限幅處理。

en=（TrgtDec（n-k）-ActDec（n-k））

ej=（TrgtDec（ j）-ActDec（ j））

2.3? ?轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

待測控制器在自動駕駛模式時發(fā)送給實車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向指令是方向盤目標(biāo)角度，待模擬實車可獲取車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)參數(shù)有軸距、輪距、理論/設(shè)計轉(zhuǎn)向比，無更多轉(zhuǎn)向響應(yīng)環(huán)節(jié)中的關(guān)鍵特性參數(shù)。本文將轉(zhuǎn)向單元簡化成單軌模型，通過采集實車數(shù)據(jù)分析轉(zhuǎn)向系統(tǒng)常值和非線性參數(shù)，包括：轉(zhuǎn)向系統(tǒng)機械間隙，實際轉(zhuǎn)向比，不同方向盤角度輸入下的轉(zhuǎn)向響應(yīng)延遲環(huán)節(jié)特性參數(shù)、滯回環(huán)節(jié)特性參數(shù)、轉(zhuǎn)向角速度等。

采用單軌模型忽略轉(zhuǎn)向內(nèi)外輪轉(zhuǎn)向差，轉(zhuǎn)向主銷距用轉(zhuǎn)向軸輪距進(jìn)行近似，基于這樣的假設(shè)，對應(yīng)轉(zhuǎn)彎半徑模型近似為式（3），其中Rs為轉(zhuǎn)彎半徑，L為前后軸軸距，θw為方向盤轉(zhuǎn)角，is為轉(zhuǎn)向比即方向盤角度和轉(zhuǎn)向輪角度的比值。

（3）

采集實車運動軌跡離散坐標(biāo)點，采用最小二乘法將該運動軌跡擬合成二階曲線y=f （x），相應(yīng)地，運動軌跡的曲率半徑計算模型為：

（4）

在實車數(shù)據(jù)采集或者從實車數(shù)據(jù)中提取用于模型分析的工況數(shù)據(jù)時，設(shè)計或者選取較穩(wěn)定的轉(zhuǎn)向角度輸入能提高模型計算精度，考慮減少計算量和算法適用性，本文選擇PT1濾波器對轉(zhuǎn)向角度進(jìn)行平滑處理，平滑后的轉(zhuǎn)向角輸入用于依據(jù)式（3）和式（4）求解實車實際轉(zhuǎn)向比、機械間隙、響應(yīng)延遲等特性參數(shù)的計算。

3? ? 車輛建模

在前述建模思路的基礎(chǔ)上，車輛建模的主要工作包括：搜集實車參數(shù)和試驗數(shù)據(jù)，分析實車試驗數(shù)據(jù)以驗證或獲取主要技術(shù)參數(shù)，根據(jù)實車車型、驅(qū)動方式、轉(zhuǎn)向方式在veDYNA選擇基礎(chǔ)模型作為建模模板，在veDYNA中配置車輛基本參數(shù)，結(jié)合已配置參數(shù)與建模目標(biāo)差異在Simulink中搭建策略模塊和調(diào)參以實現(xiàn)等效轉(zhuǎn)換。

3.1? ?參數(shù)獲取

從實車測試數(shù)據(jù)中同步提取用于分析和建模的參數(shù)主要包括車輛運動軌跡參數(shù)、自動駕駛控制模式下的車輛狀態(tài)參數(shù)和自動控制器相關(guān)的指令參數(shù)。

（1）定位數(shù)據(jù)：全局坐標(biāo)X、全局坐標(biāo)Y、全局坐標(biāo)Z、航向角。

（2）車輛數(shù)據(jù)：各執(zhí)行模塊實際工作模式、實際車速、實際加/減速度、實際轉(zhuǎn)向角度、實際檔位。

（3）自動駕駛控制器數(shù)據(jù)：各執(zhí)行模塊的控制模式、目標(biāo)減速度、油門踏板開度、方向盤目標(biāo)轉(zhuǎn)向角度、目標(biāo)檔位、目標(biāo)速度。

3.2? ?參數(shù)分析

根據(jù)實車與仿真建模等效轉(zhuǎn)換需求分析，需要從實車測試數(shù)據(jù)中分析得到的參數(shù)主要包括轉(zhuǎn)向響應(yīng)時間、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)向比、轉(zhuǎn)向角度-轉(zhuǎn)向角速度關(guān)系、制動響應(yīng)時間、目標(biāo)減速度-實際減速度關(guān)系、（空載）驅(qū)動響應(yīng)時間、（空載）目標(biāo)油門踏板開度-實際加速度關(guān)系。統(tǒng)計自動駕駛模式下、典型行車場景、實車狀態(tài)較穩(wěn)定時的數(shù)據(jù)。

分析統(tǒng)計的數(shù)據(jù)確認(rèn)子系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)特性，在分析結(jié)果上建立對應(yīng)的關(guān)系模型：轉(zhuǎn)向角度-角速度關(guān)系模型采用最鄰近模型，目標(biāo)油門踏板開度-實際加速度和目標(biāo)減速度-實際減速度關(guān)系模型采用線性插值查表模型。

3.3? ?仿真建模

實車為前驅(qū)、前軸轉(zhuǎn)向，相應(yīng)地在veDYNA通用車輛參數(shù)、前軸參數(shù)、動力傳輸三個界面完成車輛主要參數(shù)的配置。

為了構(gòu)建與實車純電驅(qū)動系統(tǒng)等效的動力模型，在veDYNA中配置了一個7檔自動變速箱，對應(yīng)各檔位的變速比依據(jù)實車目標(biāo)油門踏板開度-實際加速度關(guān)系模型調(diào)參得到。

在Simulink中分別搭建驅(qū)動、制動、轉(zhuǎn)向等效模型的轉(zhuǎn)換策略模塊：

（1）待測控制器目標(biāo)油門踏板開度指令-veDYNA油門踏板開度關(guān)系模型如圖2所示，通過搭建合適的veDYNA換檔策略適配veDYNA發(fā)動機模型，以滿足待測控制器油門踏板開度指令對應(yīng)實車目標(biāo)驅(qū)動力矩需求。

（2）待測控制器目標(biāo)減速度指令-veDYNA制動踏板關(guān)系模型如圖3所示，通過構(gòu)建位置式PI控制器較精準(zhǔn)生成映射關(guān)系，從調(diào)參分析判斷分段PI更合適。

（3）待測控制器目標(biāo)轉(zhuǎn)向角度指令-veDYNA方向盤角度輸入關(guān)系模型如圖4所示，通過約束信號變化率生成實車轉(zhuǎn)向角速度特性。

4? ? 模型驗證

因控制器在環(huán)的HIL仿真測試中仿真車輛相關(guān)動作指令均由待測控制器內(nèi)部策略確定，無法根據(jù)驗證需要進(jìn)行自定義。為了驗證模型，通過設(shè)計同時包含直道和彎道的目標(biāo)軌跡保證仿真車輛在該軌跡上行駛時待測控制器會發(fā)出驅(qū)動、制動、轉(zhuǎn)向指令。設(shè)計的目標(biāo)軌跡如圖5所示：

在待測控制器控制仿真車輛沿著目標(biāo)軌跡行駛的過程中，采集典型的控制指令及其對應(yīng)的仿真車輛響應(yīng)數(shù)據(jù)來驗證搭建的車輛模型。

通過對比實車數(shù)據(jù)和仿真測試采樣工況點數(shù)據(jù)，對搭建的仿真模型進(jìn)行校核，仿真數(shù)據(jù)如圖6所示。從對比數(shù)據(jù)可以看出，表1所列的典型采樣工況點附近，仿真模型響應(yīng)的加速度、減速度、轉(zhuǎn)向角度與等效模型目標(biāo)值即實車值高度一致，從而驗證了整車模型。

5? ? 結(jié)語

本文提出一種高效、簡單且能較精確反映各種行駛工況下的車輛動力學(xué)和運動狀態(tài)的車輛動力學(xué)模型構(gòu)建方法，不需要詳盡的車輛結(jié)構(gòu)特性參數(shù)，主要基于系統(tǒng)級特性的建模思維，利用實車測試數(shù)據(jù)建立各子系統(tǒng)等效仿真模型。該方法建模效率高、模型精簡且能滿足控制器仿真測試需求，特別適用于實時仿真。因現(xiàn)有實車數(shù)據(jù)限制，各子系統(tǒng)模塊精細(xì)度尚待深度優(yōu)化，后續(xù)在條件具備的情況下計劃采集更多工況的實車數(shù)據(jù)對映射關(guān)系模型進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)化和擴展以提高整車仿真模型的準(zhǔn)確度。

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