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基于Unity3D的驾驶仿真系统研究与实现基于Unity3D的驾驶仿真系统研究与实现摘要：随着计算机技术的飞速发展，虚拟仿真技术正渗透到多个领域中。
在汽车驾驶培训中，虚拟驾驶仿真系统成为一种有效的教学工具。
本文基于Unity3D游戏引擎，研究并实现了一套优秀的驾驶仿真系统。
关键词：驾驶仿真；Unity3D；虚拟现实；游戏引擎1. 引言驾驶是一项危险而复杂的技能，且需要长时间的训练和多次的实践才能掌握。
然而，传统的学车方式仅通过在实际交通中操作汽车的方式进行，存在训练成本高、安全风险大的问题。
为了提高驾驶学习的效率和安全性，驾驶仿真技术应运而生。
2. 驾驶仿真系统的设计与实现2.1 虚拟现实技术和游戏引擎虚拟现实技术具有良好的沉浸感和交互性，能够为用户提供逼真的驾驶感受。
Unity3D是目前应用最广泛的游戏引擎之一，支持多平台开发和强大的图形渲染能力，是理想的开发工具。
2.2 系统结构设计本系统采用客户端-服务器架构。
客户端通过监视器、方向盘等设备模拟真实驾驶环境，向服务器发送用户操作数据。
服务器接收并处理用户操作数据，并将场景数据以图像和声音的形式传回给客户端，实现交互效果。
2.3 车辆模型与控制通过Unity3D的物理引擎，实现了逼真的车辆模型与控制。
首先根据真实车辆的参数建立虚拟车辆模型，包括质量、惯性矩阵、车轮数据等。
然后通过数学建模和物理计算，实现车辆的运动物理学和操控响应。
2.4 道路与场景建模本系统实现了多种类型的道路与场景建模。
通过Unity3D的场景编辑器，可以快速创建出不同风格和难度的道路和环境。
同时，为了增加真实感，系统还考虑了天气变化、光照效果和音效等。
2.5 用户界面与交互设计用户界面设计符合人机工程学的原则，简洁直观。
通过方向盘、油门、刹车等实体硬件设备，使用户可以身临其境地感受驾驶操作。
同时，系统还提供了交通标志、指示牌等辅助功能，帮助用户熟悉交通规则。
3. 系统实验与结果分析通过对真实驾驶场景的仿真，本系统的性能和可行性得到了验证。
《电动汽车建模与仿真的研究》篇一一、引言随着全球对环境保护和能源可持续性的日益关注，电动汽车（EV）已成为现代交通领域的重要发展方向。
电动汽车建模与仿真研究对于推动电动汽车技术的进步、优化设计、提高性能以及降低生产成本具有重要意义。
本文旨在探讨电动汽车建模与仿真的相关研究，分析其技术方法、应用领域及未来发展趋势。
二、电动汽车建模1. 模型概述电动汽车建模主要涉及对电动汽车的各个组成部分进行数学描述，包括电池管理系统、电机驱动系统、充电系统等。
这些模型需要能够反映电动汽车在实际运行中的动态特性和性能。
2. 建模方法（1）理论建模：根据电动汽车的物理原理和电气特性，建立数学模型。
该方法能够准确描述电动汽车的动态特性，但需要较高的专业知识和计算能力。
（2）数据驱动建模：利用实际运行数据，通过机器学习、神经网络等方法建立模型。
该方法能够快速适应电动汽车的复杂运行环境，但需要大量的数据支持。
3. 模型应用电动汽车模型可应用于性能分析、优化设计、故障诊断等方面。
通过对模型的仿真分析，可以了解电动汽车的能耗、排放等性能指标，为优化设计提供依据。
此外，模型还可以用于故障诊断，通过对实际运行数据的分析，发现潜在的故障隐患。
三、电动汽车仿真1. 仿真技术概述电动汽车仿真技术是一种基于计算机技术的模拟技术，通过建立虚拟的电动汽车运行环境，对电动汽车的各项性能进行测试和分析。
仿真技术能够快速、准确地评估电动汽车的性能，为优化设计和生产提供有力支持。
2. 仿真方法（1）物理仿真：通过建立物理模型，模拟电动汽车在实际运行中的动态特性。
该方法能够准确反映电动汽车的物理特性，但需要较高的建模成本和计算资源。
（2）软件仿真：利用计算机软件对电动汽车进行仿真分析。
该方法具有成本低、效率高、可重复性好等优点，已成为电动汽车仿真研究的主要方法。
3. 仿真应用电动汽车仿真可应用于性能评估、优化设计、驾驶辅助等方面。
通过对仿真结果的分析，可以了解电动汽车的能耗、排放等性能指标，为优化设计提供依据。
汽车车辆动力学的建模与仿真汽车车辆动力学是指研究汽车在行驶过程中受到的各种力的作用及其对车辆运动的影响的学科。
在现代汽车工业中，为了更好地设计汽车、提高汽车性能和安全性，建模与仿真技术成为了不可或缺的工具。
本文将重点讨论汽车车辆动力学的建模与仿真，以及其在汽车工程领域的应用。
汽车车辆动力学建模是指通过数学、物理等方法描述汽车在运动中受到的各种力和力矩的作用，将汽车系统简化为一系列数学模型。
这些模型可以用来研究汽车在不同路况、驾驶方式下的运动特性，如加速度、速度、转向和悬挂系统的响应等。
建模通常包括车辆动力学、车辆悬挂、车辆转向、车辆稳定性等方面的内容。
通过建模，工程师可以更好地了解汽车在不同情况下的运动规律，为汽车设计和优化提供依据。
在建模的基础上，仿真技术则是将建立的数学模型转化为计算机模型，并进行仿真计算。
通过仿真，工程师可以模拟汽车在不同条件下的运动状态，如加速、制动、转向等，评估汽车性能、安全性和稳定性。
仿真技术还可以用来研究汽车系统的优化设计，提高汽车的性能和安全性。
通过不断调整模型参数和条件，工程师可以找到最佳的解决方案，为汽车设计和制造提供参考。
汽车车辆动力学的建模与仿真在汽车工程领域有着广泛的应用。
首先，它可以帮助工程师更好地了解汽车在不同工况下的运动特性，评估汽车的性能和安全性。
其次，建模与仿真可以帮助设计师优化汽车结构和系统，提高汽车的动力性、操控性和燃油效率。
最后，建模与仿真还可以用来研究汽车的碰撞安全、行驶稳定性、轮胎抓地力等关键问题，为汽车的主动安全和 passagive安全提供支持。
总的来说，汽车车辆动力学的建模与仿真是汽车工程领域的重要技术手段，可以帮助工程师更好地理解汽车的运动规律，优化汽车的设计和性能。
随着计算机技术的不断发展，建模与仿真技术将在未来得到更广泛的应用，为汽车工程师提供更强大的工具来设计、研发和测试新型汽车。
整车NVH仿真模拟技术研究一、概述整车NVH仿真模拟技术是现代汽车工业中的重要技术之一，主要应用于汽车产品及零部件的设计和开发过程中对NVH噪声、振动与传动性能进行预测与评估，以达到提高汽车产品品质、降低开发成本和提升市场竞争力的目的。
本文将从整车NVH仿真模拟技术原理、应用、发展现状及趋势等方面进行介绍和分析。
二、整车NVH仿真模拟技术原理整车NVH仿真模拟技术主要是运用有限元、边界元、传递矩阵等多种方法，对汽车车身、发动机、底盘及其它空气和机械噪声源进行建模和仿真计算，并结合试验验证和优化，对整车NVH性能进行分析和评估。
1.有限元方法（FEA）有限元方法是将一个复杂的大系统分解成若干个较小的、简单的子系统，并且进行离散化，计算每个子系统的特性参数。
然后，通过组合论把每个子系统重新组成一个大系统，并分析其总体特性，从而解决全局问题的一种数值计算方法。
在整车NVH仿真模拟中，有限元方法主要用于车身和底盘的NVH分析和评估。
2.边界元方法（BEA）边界元方法通常将待求解的问题的边界与周围环境联系起来，将问题转化为一些与边界相关的算法。
实际上深入发掘了边界的信息，用边界而非内部的信息表示问题，从而使计算得到简化。
在整车NVH仿真模拟中，主要应用于板件和空气噪声的分析和评估。
3.传递矩阵方法（TMM）传递矩阵方法是以系统的输入、输出特性和传递函数为基础，分析系统内外噪声发生、传输和反射的技术方法。
它能有针对性地对汽车的空气、机械、液体等噪声进行分析和评估，可以了解噪声对车辆各个部位的影响和损伤，为NVH优化提供科学依据。
三、整车NVH仿真模拟技术应用整车NVH仿真模拟技术在汽车行业中应用广泛，主要集中在以下方面：1.车身和底盘NVH分析评估车身和底盘是汽车的基本构成部分，而其NVH性能是影响乘坐舒适性的最重要因素之一。
通过整车NVH仿真模拟技术，汽车设计师可以更加直观地了解不同材质、结构、加工工艺等因素对NVH性能的影响，从而对设计方案进行优化，提高整车NVH性能。
汽车驾驶模拟器的研究方法及步骤一、虚拟现实建模方法1、几何建模2、运动建模（1）物体位置物体位置包括物体的移动、旋转和缩放。
在视景仿真中，不仅需要一个全局性的绝对坐标，每个三维对象都需要建立一个相对坐标。
对每个对象都给予一个坐标系统，称之为对象坐标系统，这个坐标系统原点的位置随物体的移动而改变。
在虚拟驾驶系统中就是通过控制一个汽车局部坐标系的运动和变化来模拟汽车的运动过程。
（2）碰撞检测在视景仿真系统中，经常需要检查对象A是否与对象B碰撞。
碰撞检测需要计算两个物体的相对位置。
许多视景仿真系统在实时计算中都是采用OBB包围盒检测法，运用这种方法可以节省时间，但降低了精确性。
3、物理建模虚拟对象物理建模包括定义对象的质量、重量、惯性、表面纹理、光滑或粗糙、硬度、形状改变模式（橡皮带或塑料）等，这些特性与几何建模和行为规则结合起来，形成了更真实的虚拟物理模型。
4、行为建模在虚拟驾驶系统中，行为建模主要包括两个方面，一方面是对驾驶员所操纵的汽车的行为进行约束，建立汽车操纵模型，使其符合汽车自身的运动和驾驶人员的操作步骤；另一方面是对场景中非受控物体的行为进行建模，使其的运动符合自然规律，比如场景中自动运行的汽车、路旁的行人等。
5、模型分割二、虚拟驾驶系统各模块功能分析和开发方案确定1、汽车虚拟驾驶系统的构成汽车虚拟驾驶系统主要由虚拟驾驶操作输入系统、汽车动力学模型、运动仿真模型、实时操纵模型、场景管理管理平台、视景和声音渲染输出以及汽车数据模型库、场景模型库和声音模型库等组成。
其中汽车动力学模型、运动仿真模型、实时操纵模型和虚拟驾驶场景管理平台是汽车虚拟驾驶系统的核心子系统。
系统的工作过程如下：在系统初始化时，根据用户的需求从汽车数据模型库中将用于仿真的车辆数据模型调入到动力学模型中，同时选择运行的三维场景，通过模型解析模块把它从场景数据库中调入场景管理平台；在仿真过程中，驾驶人员通过虚拟驾驶操作输入系统进行模拟驾驶操作，人机交互接口将油门、制动、换档和转向等动力学操作信息以及发动机启动、喇叭鸣笛等按钮操作状态送入汽车动力学模型和实时操纵模型中；经过仿真计算后，汽车运动仿真数据被送入运动摄像机模块中控制场景内摄像机的运动，同时汽车的行驶姿态还受到地面因素的影响；然后，场景管理控制模块根据此时摄像机的运动状态，通过视景渲染模块将三维场景在投影屏幕上实时反映出来，模拟视景变化，形成行车体感，并且通过虚拟仪表输出此时的汽车运行参数。
汽车车辆动力学建模与仿真研究汽车车辆动力学是汽车工程的重要学科之一，其研究内容包括车辆运动、悬挂、转向、制动、驱动等方面。
为了更好地理解汽车动力学，进行科学的研究与优化，需要对汽车车辆动力学进行建模与仿真。
一、汽车车辆动力学建模汽车车辆动力学建模是指将汽车运动过程中的各个因素用数学模型表示出来，以便在计算机上进行仿真和分析。
1. 车辆模型车辆模型是汽车车辆动力学建模的基础，主要分为自由度模型和多体模型两种。
自由度模型通常包括垂直运动、横向运动和纵向运动三个自由度，其建模基于牛顿第二定律，包括了车辆的悬挂系统、车轮力、刹车等因素。
多体模型是指以整个车辆为一个多体系统进行建模，除了考虑车辆受力、受扭等因素外，还需要考虑车辆的刚度、弹性等因素。
2. 动力系统模型动力系统模型指的是发动机、变速器、传动系等部分的建模，主要用于模拟车辆行驶过程中的速度、加速度和所需的扭矩等参数。
这些参数可以帮助分析车辆的加速和制动性能，以及制定优化策略。
3. 环境模型环境模型包括路面状态、气象条件等因素，通过对这些因素的建模，可以更好地帮助预测车辆的行驶状态和性能。
例如，模拟不同路面条件下车辆的制动距离、转向响应和行驶稳定性等。
二、汽车车辆动力学仿真汽车车辆动力学仿真是通过计算机程序对汽车运动过程进行模拟，以评估汽车的性能、预测其行为并进行优化设计。
1. 动力学仿真动力学仿真主要用于分析车辆加速、制动和转向等性能。
通过仿真可以模拟不同车速下车辆的加速和制动距离、不同路面条件下车辆的制动力和转向响应等因素，从而得出优化设计的方案。
2. 悬挂系统仿真悬挂系统的仿真主要用于分析车辆在不同路面条件下的行驶稳定性和舒适性。
通过对悬挂系统进行仿真，可以预测不同路面下车辆的摇摆情况、平顺性能以及行驶性能等参数，为改进车辆悬挂系统提供设计方案。
3. 转向仿真转向仿真主要用于分析车辆在快速转向和超车等情况下的转向响应和稳定性。
通过对车辆转向系统的建模和仿真，可以分析车辆的稳定性、刹车距离和抓地力等因素，为设计更有效的转向系统提供方案。
汽车仿真技术研究一、引言汽车仿真技术是当今汽车技术领域的重要组成部分。
借助计算机技术，建立汽车的数字模型，对汽车的性能和行驶过程进行模拟与分析，既可以减少汽车设计和试验成本，也可以提高汽车设计质量和安全性。
本文将就汽车仿真技术的研究现状和应用进行介绍。
二、汽车仿真技术概述汽车仿真技术是一种以计算机模拟、分析汽车性能和行驶过程为主要手段的技术。
汽车仿真技术的主要作用是模拟汽车运行状态、各部件的工作状态及相互作用，为汽车设计者提供指导性的数据和情境，以及更全面、精确的性能预测。
其具有以下主要特点：（1）汽车仿真技术可以减少汽车设计和试验成本，缩短汽车开发周期；（2）汽车仿真技术可以实现对各种情况和复杂场景的仿真，了解汽车在极端条件下的性能表现；（3）汽车仿真技术可以设计出更安全、更实用的汽车，提高汽车的性能和品质。
三、汽车仿真技术的研究现状汽车仿真技术的研究范围广泛。
工程师们可以通过汽车仿真技术对汽车的各种性能指标进行预测，进而优化设计，提高汽车的安全性、节能性和环保性。
目前，汽车仿真技术的研究现状主要集中在以下几个方面：（1）汽车动力系统仿真研究。
汽车动力系统对汽车性能至关重要。
通过仿真计算发动机、变速器、传动系统、轮胎等构成的汽车动力系统的性能，可以优化设计和计算整车的系统性能；（2）汽车结构优化仿真研究。
通过仿真分析汽车的结构，对车身材料、车身设计和作动机构进行优化，可以提高车身刚度和抗振能力，减少车身的重量，从而达到节能、安全、环保的目的；（3）汽车底盘仿真研究。
汽车底盘是汽车的支撑系统，仿真计算其稳定性、悬挂系统、刹车系统等性能可以优化整个底盘设计，提高汽车的操控性和行驶稳定性；（4）汽车碰撞仿真研究。
汽车碰撞是安全性的重要指标，通过仿真计算不同车辆在不同速度下的碰撞过程，可以准确地模拟车辆变形情况，并推断乘员受伤程度，进而为汽车设计提供更直观、更真实、更安全的数据支持。
四、汽车仿真技术的应用前景汽车仿真技术在未来的应用前景非常广阔。
基于Cruise的纯电动汽车建模及仿真研究Modeling and simulation of pure electric vehicles based on Cruise朱红军1 李智豪21.江苏金彭集团有限公司，江苏 徐州 2110112.安徽工程大学智能汽车线控底盘系统安徽省重点实验室，安徽 芜湖 241000摘要：为了缩短纯电动汽车设计开发周期，采用基于Cruise与MATLAB/SIMULINK联合仿真的方法，依据仿真试验结果对所选电机及所设计控制策略运行状态进行分析。
首先，运用Cruise软件搭建纯电动汽车仿真模型；其次，在MATLAB/SIMULINK中建立纯电动汽车控制策略；最后，通过两者的联合仿真，在多个工况下分析车速跟随情况、电机转速及扭矩、电池荷电状态（state of charge，SOC）值变化情况，进而分析控制策略与所选电机运行状况是否匹配，缩短整车电机选型、控制策略设计及开发的周期。
关键词：纯电动汽车；Cruise；联合仿真；控制策略中图分类号：U469.72 文献标识码：A0 引言随着国内外新能源汽车产业的蓬勃发展，市场对新能源汽车的产品设计提出新要求，因此汽车更新迭代速度极快[1]。
在新能源汽车开发过程中，缩短设计、试制和试验周期，提高产品设计准确性与快速审计对抢占汽车市场先机具有重要意义[2]。
本文基于某款纯电动汽车车型，搭建仿真模型，通过分析计算结果来评估整车所选电机及控制策略是否满足设计需求。
首先，利用Cruise软件完成纯电动汽车建模设计。
其次，利用MATLAB/ SIMULINK软件进行控制策略设计。
基于两个软件的联合仿真功能，建立多工况下的模拟仿真任务。
通过分析仿真试验结果，判断所选电机及控制策略是否合理。
最后，依托试验结果来验证电机选型和控制策略是否需要调整，避免在开发过程中盲目进行电机选型和控制策略设计，从而缩短开发周期[3]。
1 纯电动汽车结构及参数该纯电动汽车动力系统主要由电机、动力电池、单挡变速箱、电耗元件、驱动桥和车轮组成（图1）。
第36卷第3期2002年5月浙 江 大 学 学 报(工学版)Jo ur nal o f Zhejiang U niv ersity(Eng ineer ing Science)Vol.36No.3May 2002收稿日期:2001-05-13.作者简介:蔡忠法(1969-),男,浙江温岭人,讲师,主要从事电子技术和系统仿真的研究.E-m ail:z fcai@m 汽车模拟驾驶模型与仿真的研究蔡忠法,章安元(浙江大学电气工程学院,浙江杭州310027)摘 要:在主动型驾驶模拟训练系统中,模拟驾驶舱各个操纵机构存在着多输入、多耦合、非线性的控制作用,而驾驶模拟训练要求驾驶动力学模型适于快速实时仿真.本文使用拟合多项式描述汽车发动机负荷特性,提出结构简化的汽车速度和方向控制模型.对模拟驾驶的仿真结构和学员操作的逻辑判断进行了讨论,通过对操纵机构输入的线性化处理,得到汽车行驶的仿真模型并选择快速仿真算法实现了所建模型.实验结果表明,本文提出的理论模型和仿真算法是正确可行的.关键词:汽车驾驶;模拟器;模型;仿真中图分类号:T P312 文献标识码:A 文章编号:1008-973X(2002)03-0327-04Study of automobile emulated driving model and simulationCAI Zhong -fa ,ZHANG A n -yuan(College of Electr ical Eng ineer ing ,Zhej iang U niv er sity ,H angz hou 310027,China )Abstract :In active automo bile driving training simulato r,the steering framewo rk in the simulated cabin has multi-input,m ulti-co upling and non-linear contro l effect.A driving training sim ulator r equires dynam ic model suitable for fast real -tim e simulation .T his paper uses poly nom ials to express the load characteristics of the automo bile engine ,and presents simplified -str ucture velocity and direction co ntro l models .T he sim ulation structure o f simulated driving and log ic alestimation o f driver oper ation are discussed,and illegal operation of driver and car backing state are judged cor rectly.T hr oug h the linearization process of the steering fr am ew or k input function ,sim ulation models for m ultiple driving cases w ere derived and effectiv e algo rithm w as selected to realize the models.Ex periment results show ed that the presented m odel and simulation alg orithm are corr ect and feasible.Key words :automo bile driving ;simulator ;model ;simulation 汽车驾驶模拟训练系统是通过模拟驾驶舱和计算机实时生成汽车行驶过程中虚拟的视境、音响等驾驶环境,训练正确的驾驶操作.它可取代实车训练中的部分科目和内容,有利于驾驶培训正规化、科学化和规范化,并具有节能、安全、经济、高效等优点,因此,开发适合我国交通国情和道路状况的汽车驾驶模拟训练系统具有重大的社会效益和经济效益.而建立并实现汽车模拟驾驶的动力学模型是研制汽车驾驶模拟训练系统的前提.以往的汽车动力学模型主要是通过汽车部件建模,因而结构复杂,计算时间长[1].在基于微机平台的主动型汽车驾驶模拟训练系统中,需建立适合快速实时仿真、结构简化的汽车行驶速度和方向控制模型,以确定汽车行驶的世界坐标位置,控制图形生成系统动态生成虚拟视景.在主动型汽车驾驶模拟训练系统中,图形实时生成系统占据了大部分CPU 时间,因此需要在模型的逼真度与复杂性之间作一折中.为了满足模拟训练的要求,简化模型结构和选择合适的快速仿真算法是实现驾驶实时仿真所必须首先考虑的问题.1 动力学模型的建立1.1 发动机特性描述汽车发动机是整个汽车运动的动力来源,描述发动机特性的方法主要有查表插值法和数学模型法两种.查表插值法虽然精度较高,但占用内存较多,运算速度较慢,故在项目中使用数学模型法来描述发动机的负荷特性.发动机的全负荷特性是发动机转矩与发动机转速的一元函数,因此发动机转矩M e0可以用发动机转速n e 的k 阶多项式来拟合[2]:M e0=∑ki =0a i n i e.(1)式(1)中,多项式系数可通过最小二乘法来求出.若已知一组N 个发动机全负荷转矩转速试验数据{(M e0i ,n e i )},i =1,2,…,N .设k 阶多项式拟合系数构成的(k +1)维矢量为A =[a 0a 1…a k ]T ,发动机全负荷转矩实验数据构成的N 维矢量为M e0=[M e01M e02…M e0N ]T,P 为N 个发动机转速试验数据构成的N ×(k +1)矩阵: P =1n e1…n k e11n e2…n ke21n e N …n k e N.则式(1)可表示为,M e0=PA + ,其中 =[1 2… N ]T为误差构成的N 维矢量.设J =∑Ni =12i =‖M e0-PA ‖2,根据最小二乘法原理[3],应有Ja j=0,j =0,1,2,…,k .由此可得各阶拟合系数矢量为A =(P TP )-1P TM e0.(2)1.2 汽车行驶速度模型直线行驶是汽车行驶过程中最基本的运动方式,在直线行驶过程中,汽车速度的变化与汽车的驱动力F k 、滚动阻力F f 、坡度阻力F i 、风阻力F w 有关,根据汽车行驶过程中力的平衡关系,汽车直线行驶过程中速度的数学模型[1,2]为 d v d t =g・G (F k -F f -F i -F w )= g ・G M k r i 0i g T -G ・f -G ・i -C D A 21.25u 2a .(3)式中:v 为汽车速度(m /s );g 为重力加速度(9.8m 2/s); 为旋转质量转换系数;G 为整车总重量(N );M k 为驱动轮转矩(N ・m );r 为车轮滚动半径(m );i 0为主传动比;i g 为各档传动比; T 为汽车传动系效率;f 为滚动阻力系数;i 为爬坡度;C D 为风阻力系数;A 为汽车迎风面积(m 2);u a =3.6v 为汽车速度(km /h).汽车在转向行驶过程中,还应考虑转向力和离心力在汽车行驶方向上的分量F j 对汽车速度的影响;汽车在制动过程中,脚刹制动器或手刹所产生的制动力F b 是影响汽车速度的重要因素.综合上述情况,汽车行驶速度模型为 d v d t =g ・G(F k -F b -F f -F i -F w -F j )(4)1.3 汽车行驶方向控制模型在主动型汽车驾驶模拟训练系统中,要确定汽车的世界坐标位置,不仅需要求出汽车行驶的速度,还需要求出汽车行驶的当前方向.假设汽车在平行于路面的平面上运动,汽车行驶方向模型可看作汽车转角与方向盘转角之间的函数关系,并假设汽车转向时汽车行驶方向的改变无延迟地跟随方向盘转角的控制.当方向盘转动 w 角度时,经时间d t 后,汽车行驶方向在初始方向基础上转过d !角度,如图1所示,其中汽车转向半径R 由方向盘转角 w 决定,即R =I w / w ,其中I w 为汽车转向半径与方向盘转角的系数.由此可以推导出:d !=∀=d s2#R×2#=v 0d t R =v 0d t I w w .(5)所以,汽车行驶方向控制模型为d !d t =v 0I ww .(6)图1 汽车行驶方向控制Fig .1 A ut omo bile driving direction contr ol2 动力学模型的仿真实现2.1 模拟驾驶仿真结构式(4)和式(6)建立了汽车行驶过程中速度和方向的理论模型.在主动型汽车驾驶模拟训练系统中,学员根据视境、声音、仪表等虚拟驾驶环境决定驾驶328浙 江 大 学 学 报(工学版) 第36卷 动作,操作模拟驾驶舱中的操纵机构;数据采集系统实时采样所有操纵机构的状态,包括方向盘、油门踏板、脚刹踏板、离合器踏板、档位、手刹车、点火开关等状态,并传递给动力学模型仿真系统作为其输入;动力学模型仿真系统根据这些操纵机构的状态和图形生成系统反馈的道路状况等信息,通过计算机的仿真计算,确定汽车行驶的世界坐标位置,控制图形生成系统实时动态生成下一帧虚拟视景,同时驱动声音提示和仪表显示,改变汽车在虚拟环境中的状态.其过程的不断循环,实现学员与虚拟驾驶环境之间的交互作用,从而达到驾驶模拟训练的目的,其结构如图2所示.由于三维虚拟视景的刷新频率为每25帧/s,故取模拟驾驶系统的采样步长为40ms,并使动力学模型的仿真步长T s 也为40ms,从而实现实时仿真.图2 模拟驾驶系统结构Fig.2 Str uct ur e of sim ulated dr iv ing sy st em由于制动器、离合器等汽车部件结构各异,操纵机构对汽车的行驶存在着多输入、多耦合、非线性的控制作用,而主动型汽车驾驶模拟训练系统要求动力学模型仿真系统计算快速,因此对各个操纵机构的输入控制模型进行线性化处理是非常必要的.由于系统的仿真步长相对较小,并且学员在“人-模拟汽车-虚拟驾驶环境”这一闭环系统中起着反馈的作用,因此,在汽车驾驶模拟训练系统中选择线性插值法对输入控制进行简化处理,并选择经典欧拉法进行快速仿真是可行的.2.2 发动机仿真模型在发动机全负荷特性拟合多项式中,经试验取二阶拟合能满足汽车驾驶模拟训练的要求.在用式(2)求解发动机拟合系数时,为防止计算机在数值计算时发生误差累积,宜将发动机转速n e 的单位取为1000N/min.在计算出各阶拟合系数后,根据式(1)可求出发动机的全负荷特性,其中发动机转速在稳定行驶过程中由下式决定[4]:n e =式中:n e 为发动机转速(N /min );v 为汽车行驶速度(m /s ).发动机部分负荷特性是指在某个油门开度∃下的发动机输出转矩M e .显然,当汽车未点火或熄火时,发动机输出转矩M e =0.设油门踏板完全未踩下,即油门踏板行程百分比p c =0时,油门开度为∃0,由线性插值法可得在油门踏板行程百分比为p c 时的发动机输出转矩为M e =M e0[p c +(1-p c )∃0].(8)考虑离合器在汽车行驶过程中传递力矩的作用,则汽车驱动轮转矩为M k =M e ・%,其中%为离合器力矩传递系数.设s 1为离合器开始分离位置,s 2为离合器完全分离位置,在s 1～s 2之间取线性插值,如图3所示,则离合器力矩传递系数为%=10≤s ≤s 1,s 2-s s 2-s 1s 1<s <s 2,0s 2≤s ≤1.图3 离合器传递力矩作用Fig.3 M o ment tr ansfer function of clutch2.3 汽车行驶速度和方向的仿真模型由于汽车制动器结构各异,在项目中采用一阶函数来模拟脚刹车产生的制动力矩F b ,即F b =K b p b ,p b 为脚刹踏板行程.在速度模型式(4)中,假设汽车的加速度在一个仿真步长内保持不变,即采用经典欧拉法[3]来仿真计算,可求得d v (k )/d t ,即汽车行驶加速度a (k ).则汽车行驶速度的离散化模型为v (k +1)=v (k )+a (k )T s .(9)在方向控制模型式(6)中,v 0为初始速度,即前一仿真时刻的汽车速度v (k ),由此可得汽车行驶方向控制模型的离散化模型为!(k +1)=!(k )+v (k )I wT s w (k ).(10)式中: w 为第k 个采样时刻的方向盘转角.由汽车行驶速度和方向容易得出汽车在(k +1)T s 时刻的世界坐标位置为(如图4所示) x (k +1)=x (k )+[v (k )cos !(k )+v (k +1)cos !(k +1)]・T s /2,(11)329 第3期蔡忠法,等:汽车模拟驾驶模型与仿真的研究图4 速度和方向与坐标位置的关系F ig.4 R elat ion o f velocit y and dir ectio n w it h co or d-inate po sition y (k +1)=y (k )+[v (k )sin !(k )+v (k +1)sin !(k +1)]・T s /2.(12)2.4 逻辑判断学员在模拟驾驶过程中操作随意性很大,不正确的随意操作可能使基于汽车正常驾驶操作基础上的动力学模型出现无法预料的结果.因此需要在仿真程序中增加逻辑评判模块和限速环节,当学员出现错误操作时,以语音或文字方式提示操作错误原因.图5 倒车逻辑判断F ig .5 L og ical estimatio n of backing o per ation倒车行驶是在排档置于倒档时的行驶状态.由于模拟驾驶舱中的排档开关不像实车那样与传动系统存在结构上的耦合,当车速不为零时,学员在倒档和前进档之间换档为非法操作.因此,学员在倒档和前进档之间换档时,应先判断是否为合法操作,如为非法操作,则置汽车为熄火状态并提示错误,如图5所示.在倒车行驶标志下,考虑汽车倒车行驶的特点,汽车行驶速度和方向模型为v (k +1)=v (k )-a (k )T s ,(13)!(k +1)=!(k )-v (k )I w T s w (k).(14)3 实验结果在主动型汽车驾驶模拟训练系统中,以桑塔纳轿车为原型实现了上述模型,通过对仿真结果与实车驾驶试验数据的对比(表1),发现二者吻合较好,其中误差主要由车辆状况、道路状况、模型简化、离散化采样误差、计算误差等因素造成,但能满足汽车驾驶模拟训练的要求.通过驾驶学员和教练员的使用评定,表明汽车驾驶模拟训练系统与实车驾驶情况基本相符,并对初级学员的汽车驾驶培训有很大的帮助.表1 仿真结果和实车试验数据的对比T ab.1 Co ntra stofsimulationr esultsandpracticalaut omo bile t est data试验项目条 件仿真结果实车试验最高车速/(k m ・h -1)1档、油门踩下约50%2档、油门踩下约50%3档、油门踩下约50%4档、油门踩下约50%39.964.881.484.2356078—起步时间/s 连续换档加速至40km /h 、油门踩下约50%1210制动时间/s 初始车速为40km/h 、急刹4～53～4空档滑行时间/s初始车速为40km/h5350实验结果表明,本文所建立的简化结构理论模型及所采用的快速仿真算法是正确可行的,不仅能简化汽车驾驶复杂情况的仿真计算,而且适合主动型驾驶模拟训练系统的实际要求.参考文献(References ):[1]李华兵,钱月明,孙拯.汽车驾驶模拟模型的研究[J].工程兵工程学院学报,1996,11(4):41-48.L I Hua -bin,QI AN Yue-ming,SU N Zhen.St udy of the modeling for the auto mobile simulato r [J].Journal of Nanj ing Engineering Institute ,1996,11(4):41-48.[2]余志生.汽车理论[M ].北京:机械工业出版社,1989.2-25.Y UZhi-sheng.Automobile theory [M ].Beijing :M echanical I ndust ry Pr ess,1989.2-25.[3]陈明逵,凌永祥.计算方法教程[M ].西安:西安交通大学出版社,1992.107-109,199-203.CHENM ing -kui,L IN GY ong -x iang.Calculationmethod tutorial [M ].Xi'an :Xi'an Jiaot ong U niv ersit yPr ess ,1992.107-109,199-203.[4](德)Bo sch 公司.Bo sch 汽车工程手册[M ].顾柏良,等译.北京:北京理工大学出版社,1999.398.(G ermany )Bosch Co .Bosch automobile engineering handbook [M ].G U Bai -liang ,et al t ransl .Beijing :Beijing T echnolog y Instit ut e Pr ess,1999.330浙 江 大 学 学 报(工学版) 第36卷 。
