本發(fā)明涉及一種仿真試驗臺，特別涉及一種汽車動態(tài)底盤控制系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真試驗臺。

背景技術(shù)：

動態(tài)底盤控制系統(tǒng)（dynamicchassiscontrol，dcc）亦稱“自適應底盤控制系統(tǒng)”，能夠針對路面條件、駕駛工況及駕駛員要求實現(xiàn)四個懸架阻尼的自適應可變調(diào)整，將汽車底盤調(diào)節(jié)成“標準型”（normal）、“運動型”（sport）和“舒適型”（comfort）三種模式。裝備了dcc動態(tài)底盤控制系統(tǒng)的汽車能夠在保持了路感清晰的基礎上，也可以感受到前所未有的駕乘舒適性，根據(jù)不同的駕駛環(huán)境相應的選擇運動性底盤還是舒適性底盤，使底盤能始終將行駛條件實時地與駕駛者的意愿完美地配合并維持其平衡。dcc通過可調(diào)節(jié)減振器和電動助力轉(zhuǎn)向解決運動性底盤和舒適性底盤的設計沖突，同時兼顧了乘坐舒適性和操縱穩(wěn)定性，能夠有效解決汽車操作穩(wěn)定性與乘坐舒適性技術(shù)難題。

大眾提出動態(tài)底盤控制（dynamicchassiscontrol，dcc）系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了天納克旗下的monroe（中文譯為萬里路）閥控連續(xù)阻尼可調(diào)減振器，控制器由德國大陸和大眾共同開發(fā)，能夠針對路面條件、駕駛工況及駕駛員要求實現(xiàn)四個懸架阻尼的自適應可變調(diào)整，將汽車底盤調(diào)節(jié)成“正常型”（normal）、“運動型”（sport）和“舒適型”（comfort）三種模式，通過可調(diào)節(jié)減振器和電動助力轉(zhuǎn)向解決運動性底盤和舒適性底盤的設計沖突，能夠有效解決汽車操作穩(wěn)定性與乘坐舒適性技術(shù)難題。

合肥工業(yè)大學提出一種汽車底盤集成控制系統(tǒng)與控制方法（200810021298.9）。該控制系統(tǒng)通過傳感器檢測汽車的輪速信號、轉(zhuǎn)矩信號、發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號、垂直加速度信號和制動踏板信號等，并將這些信號輸入主協(xié)調(diào)cpu，主協(xié)調(diào)cpu將所述信號分別傳送至abscpu、epscpu、asscpu，并且同時根據(jù)對所述信號的分析發(fā)出協(xié)調(diào)命令，abscpu、epscpu、asscpu則根據(jù)各自接收的傳感器信號和協(xié)調(diào)命令控制相應驅(qū)動模塊。該發(fā)明克服了現(xiàn)有汽車上eps、ass和abs三個系統(tǒng)之間存在相互干擾的問題，實現(xiàn)了對三個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制，全面提高汽車的行駛平順性、安全性和操縱穩(wěn)定性。同濟大學提出一種汽車底盤集成控制器硬件在環(huán)仿真試驗臺（200810040444.2），把制動防抱死系統(tǒng)（abs）、牽引力控制系統(tǒng)（tcs）和直接橫擺力矩控制（dyc）的功能進行集成，進行硬件在環(huán)測試。

本發(fā)明所述的動態(tài)底盤控制系統(tǒng)（dcc）作為一種比較新穎、實用的技術(shù)，通過自適應調(diào)節(jié)四個減振器的阻尼力實現(xiàn)車輛汽車底盤動態(tài)控制，與在先發(fā)明專利在整車建模方法、控制算法和執(zhí)行器等方面都有很大區(qū)別。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是要提供一種基于xpctarget實時平臺，實現(xiàn)減振器電磁閥與人-車-路閉環(huán)數(shù)字化仿真模型及dcc控制器的實時通訊，減振器電磁閥的運行狀態(tài)由dcc控制器進行控制的汽車動態(tài)底盤控制系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真試驗臺。

為了解決以上的技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種汽車動態(tài)底盤控制系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真試驗臺，該仿真試驗臺包括宿主機、目標機、監(jiān)控機、i/o數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、網(wǎng)絡接口卡、usbcan接口卡，bdm下載器、dcc控制器、減振器電磁閥和電流采樣模塊，宿主機上基于matlab/simulink平臺搭建人-車-路閉環(huán)數(shù)字化仿真模型，通過rtw編譯模塊轉(zhuǎn)化為可執(zhí)行的c代碼，下載到目標機的cpu中，dcc控制器通過i/o數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊與目標機保持通訊，dcc控制器實時采集目標機中的人-車-路閉環(huán)數(shù)字化模型數(shù)據(jù)，dcc控制器的輸出控制減振器電磁閥，電流采集模塊實時采集減振器電磁閥的控制電流信號，并通過i/o數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊反饋給目標機，形成閉環(huán)回路；仿真試驗臺對不同工況和不同模式下的控制效果進行評價，每次仿真結(jié)束，給出相應的評價結(jié)果。

所述宿主機上基于matlab/simulink平臺搭建人-車-路閉環(huán)數(shù)字化仿真模型，為使所建立的動力學模型具有代表性，本發(fā)明提出一種車輛縱-側(cè)-垂向動力學統(tǒng)一建模思路，在分析車輛多系統(tǒng)耦合的復雜非線性動力學行為特性的基礎上，實現(xiàn)車輛縱-側(cè)-垂向動力學非線性模型的數(shù)學理論解析和仿真建模，包括以下步驟：1）建模假設；2）動力傳動系統(tǒng)建模；3）車體建模；4）懸架建模；5）輪胎建模；6）駕駛員建模。

1）建模假設：

通常，模型復雜程度越高或自由度數(shù)越多，仿真精度越高，但數(shù)值運算量也會隨之增加并影響仿真實時性。因此，考慮必需的整車動力學耦合因素，進行相應的假設簡化是必要的。車輛運動過程中必須考慮的耦合因素有：

車輪轉(zhuǎn)向引起的車輛橫擺運動存在運動學和動力學相互耦合；輪胎與路面之間的相互作用是不容忽視的，其縱向和側(cè)向輪胎力的分布受到附著摩擦橢圓的影響；車輛的縱-側(cè)-垂向運動之間存在耦合性，車輛縱向和側(cè)向加速運動會引起車輛垂向載荷轉(zhuǎn)移，從而影響車輛垂向動力學，而垂向載荷的變化會影響輪胎附著特性和側(cè)偏特性，對整車制動性和操穩(wěn)性產(chǎn)生影響。

為簡化建模過程，在充分考慮車輛耦合和強非線性的基礎上，作以下假設：

1、簡化動力傳動系統(tǒng)建模過程；2、忽略車輪定位參數(shù)不對稱的影響，假設懸架中心距和輪距相等；3、假設側(cè)傾中心和俯仰中心都位于汽車縱向平分面上，且側(cè)傾軸線位于俯仰軸線上方；4、忽略簧下質(zhì)量的側(cè)傾和俯仰運動；5、假設簧下質(zhì)量和簧上質(zhì)量在垂直方向是彈性連接的，而在水平方向是剛性連接。

2）動力傳動系統(tǒng)建模：

為全面表征車輛實際工作過程中的發(fā)動機非穩(wěn)態(tài)過程，在發(fā)動機穩(wěn)態(tài)輸出特性基礎上加入具有滯后特性的一階慣性環(huán)節(jié)，得到發(fā)動機的動態(tài)扭矩特性，即：

(1)

式中，為發(fā)動機動態(tài)輸出扭矩，表示發(fā)動機的穩(wěn)態(tài)扭矩特性函數(shù)，其為發(fā)動機轉(zhuǎn)速和節(jié)氣門開度的非線性函數(shù)，為時間常數(shù)，這里取。

發(fā)動機輸出力矩與輸出轉(zhuǎn)速之間的動力學關系為：

(2)

式中，為發(fā)動機轉(zhuǎn)動部件和離合器部分有效轉(zhuǎn)動慣量；為發(fā)動機轉(zhuǎn)動角加速度；為發(fā)動機飛輪輸出扭矩；為離合器輸入力矩。

所研究車輛裝備雙離合自動變速器，建模過程中不考慮雙離合器的接合/分離過程，認為發(fā)動機的輸出扭矩等于變速器的輸入扭矩，即

(3)

式中，為某檔位變速器轉(zhuǎn)動部件和傳動軸有效轉(zhuǎn)動慣量；和為變速器某檔位傳動角加速度和角速度；為車輪總的驅(qū)動扭矩；為變速器速比；為主減速器速比；為傳動系統(tǒng)傳動效率；為車輪角速度。

總的驅(qū)動力矩同時施加到兩前輪，滿足，車輪轉(zhuǎn)動動力學方程如下：

(4)

式中，為車輪等效轉(zhuǎn)動慣量；和分別為車輪轉(zhuǎn)動角速度和角加速度；為輪胎縱向力；為輪胎有效半徑；和分別為車輪的驅(qū)動力矩和制動力矩；為車輪轉(zhuǎn)動阻尼系數(shù)；分別對應左前、右前、左后和右后車輪。

3）車體建模

車體包括簧上質(zhì)量和簧下質(zhì)量兩部分，本發(fā)明基于拉格朗日分析力學建立車輛縱-側(cè)-垂向統(tǒng)一動力學模型。

車輛坐標系的原點與俯仰中心重合，側(cè)傾中心相對于滿足關系?；缮腺|(zhì)量坐標系的原點與簧上質(zhì)量質(zhì)心重合，簧下質(zhì)量主要對應四個非懸掛質(zhì)量。慣性坐標系、車輛坐標系和簧上質(zhì)量坐標系之間可以相互轉(zhuǎn)換。若用方向余弦矩陣表示上述坐標旋轉(zhuǎn)變換，即

(5)

慣性坐標系、車輛坐標系和簧上質(zhì)量坐標系之間的轉(zhuǎn)換關系為：

(6)

根據(jù)前面定義和分析，車體部分共包含6個自由度，即簧下質(zhì)量和簧上質(zhì)量共有的縱向、側(cè)向和橫擺3個自由度，簧上質(zhì)量具有的側(cè)傾、俯仰和垂向3個自由度。分別求出簧上質(zhì)量和簧下質(zhì)量的平動和轉(zhuǎn)動角速度，然后表示出各自的動能和勢能。

根據(jù)坐標轉(zhuǎn)換關系，簧上質(zhì)量質(zhì)心（簧上質(zhì)量坐標系原點）在慣性坐標系下相對于點的絕對位置矢量和絕對速度矢量分別為：

(7)

(8)

式中，為慣性坐標系下點相對于點的位置矢量；為車輛坐標系下點相對于點的位置矢量，表示為：

(9)

式中，為矢量的分量；為相對垂向距離；為相對垂向距離，。

則慣性坐標系下點的平動速度，即

(10)

記簧上質(zhì)量繞其自身參考坐標軸的角速度為，則

(11)

簧上質(zhì)量的動能包括簧上質(zhì)量的平動和轉(zhuǎn)動兩部分，即：

(12)

式中，為簧上質(zhì)量；為簧上質(zhì)量繞其質(zhì)心慣性張量，考慮到簧上質(zhì)量關于平面對稱，則為：

(13)

式中，為簧上質(zhì)量繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動慣量或慣性積。

將式(10)(11)(13)代入式(12)，得到簧上質(zhì)量動能：

(14)

同理，簧下質(zhì)量動能由簧下質(zhì)量的平動、轉(zhuǎn)動以及四個車輪的跳動構(gòu)成的，即：

(15)

總的動能為簧上質(zhì)量動能和簧下質(zhì)量動能之和，即。

車體的勢能包括簧上質(zhì)量高度變化產(chǎn)生的重力勢能

(16)

式中，為簧上質(zhì)量質(zhì)心到非簧載質(zhì)心的垂向位移；為簧上質(zhì)量在其平衡點位置時的值。

將車體總的動能、勢能和耗散能量帶入拉格朗日方程，再對其求偏導數(shù)，即可得到車體的運動方程，車體拉格朗日方程為：

(17)

式中，為慣性坐標系下的廣義坐標；為慣性坐標系下的廣義力。

通常車輛的運動習慣于在車輛坐標系下描述，利用下面關系將(18)式中廣義變量轉(zhuǎn)換為車輛坐標系下的廣義變量。

(18)

式中，為車輛坐標系下的廣義坐標；為車輛坐標系下的廣義力。

至此，得到六自由度車體模型的動力學方程

(19)

式中，，和為系數(shù)矩陣，為車輛坐標系下的廣義坐標；為車輛坐標系下的廣義力。

若忽略空氣阻力，主要由地面輪胎力和懸架力產(chǎn)生，表示為：

(20)

式中，為系數(shù)矩陣，

為四個車輪在輪胎坐標系和方向的輪胎力，由輪胎模型得到；為四個車輪對應的懸架力，由懸架模型得到。

慣性坐標系下車輛的運動通過以下運動學關系得到：

(21)

式中，,為整車沿軸的縱向、側(cè)向速度；,整車沿軸的縱向、側(cè)向速度；為車輛的橫擺角度。

4）懸架建模：

這里建立懸架模型的目的是求得懸架力和車輪的垂向載荷，并給出簧下質(zhì)量的垂向運動方程。懸架力包括彈性元件的彈力、阻尼元件的阻尼力和橫向穩(wěn)定桿的垂向作用力，各個車輪對應的懸架力表示為

(22)

式中，為彈性元件的剛度系數(shù)；為減振器阻尼力，其與控制電流、減振器的相對運動速度有關；為橫向穩(wěn)定桿產(chǎn)生的垂向作用力；為四個車輪的垂向位移；為簧上質(zhì)量與四個懸架接觸點的垂向位移，可由車身俯仰角、側(cè)傾角、以及車輛幾何參數(shù)算出。

所述減振器阻尼力與控制電流、減振器相對運動速度之間的關系如圖4～5所示。

車輪與地面的接觸力為

(23)

式中，分別為四個車輪與地面的接觸力，即車輪垂向運動的車輪動載荷；分別為各個車輪的剛度系數(shù)，為四個車輪對應的路面輸入。

在懸架力和車輪與地面接觸力的作用下，簧下質(zhì)量的垂向運動方程為

(24)

車輪垂向載荷由靜態(tài)法向力、縱向載荷轉(zhuǎn)移量、側(cè)向載荷轉(zhuǎn)移量和輪胎動載荷構(gòu)成，即

(25)

式中，為四個車輪的垂向載荷；為車輛靜止狀態(tài)下四個車輪的垂向載荷；和分別為由車輛縱向載荷轉(zhuǎn)移和側(cè)向載荷轉(zhuǎn)移引起的車輪垂向載荷變化量；為四個車輪的輪胎動載荷。

5）輪胎建模：

輪胎模型是輪胎六分力與車輪運動參數(shù)之間的數(shù)學關系描述。本發(fā)明用mf輪胎模型得到作用于車體的廣義力，其形式為

(26)

易知，輪胎力與車輪垂向載荷、縱向滑動率、輪胎側(cè)偏角、路面附著系數(shù)和車輪外傾角有關。

6）駕駛員建模：

仿真時需要對車輛動力學模型的速度和行駛方向進行控制，以保證車輛的速度和行駛軌跡符合期望值。速度控制采用pid控制，即

(27)

式中，為設定車速；為實際車速；為期望加速度；控制參數(shù)，，。

車輛動力學模型的行駛方向控制采用最優(yōu)曲率駕駛員模型，根據(jù)駕駛員操縱特性，建立駕駛員特性參數(shù)和車輛模型參數(shù)之間的關系。

所述i/o數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊包括i/o數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換卡和can轉(zhuǎn)換卡，所述i/o數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換卡將目標機計算得到的車輛各項動態(tài)參數(shù)信號從數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬量，其中的車身高度傳感器信號和車身垂向加速度傳感器信號直接發(fā)送dcc控制器，其余信號由can轉(zhuǎn)換卡打包為can數(shù)據(jù)發(fā)送至網(wǎng)絡接口卡，通過can總線傳到dcc控制器中；i/o數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換卡同時把電流采樣模塊輸出的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量發(fā)送目標機，形成閉合回路。

所述監(jiān)控機通過can轉(zhuǎn)換卡對can總線上的數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)控采集，對數(shù)據(jù)進行后處理和分析。

所述dcc控制器包括mc9s12xdp512最小系統(tǒng)、信號輸入模塊和輸出驅(qū)動模塊，mc9s12xdp512最小系統(tǒng)包括電源模塊、時鐘電路、復位電路、bdm接口電路，信號輸入模塊包括濾波電路模塊、分壓電路模塊和can信號收發(fā)電路模塊，輸出驅(qū)動模塊包括pwm模塊，電磁閥驅(qū)動電路模塊和電流反饋電路模塊；所述dcc控制器的輸入信號包括車身高度傳感器信號、加速度傳感器信號、dcc模式選擇信號和can信號；在dcc系統(tǒng)仿真過程中，給出各個減振器阻尼力的變化、減振器控制電流的變化，實時驗證控制策略、調(diào)整控制參數(shù)直到獲得滿意控制效果。

所述減振器電磁閥包括四個比例電磁閥，其采用控制芯片輸出的pwm與i/o端口進行控制，改變pwm的占空比可控制比例電磁閥的閥芯開度，從而改變減振器輸出的阻尼力。

所述電流采樣模塊包括高精度采樣電阻、高阻抗放大器和濾波電路，高精度采樣電阻串聯(lián)在比例電磁閥的驅(qū)動電路中，高阻抗放大器放大采樣電阻兩端的電壓，經(jīng)濾波電路濾波后，輸入至i/o數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換卡中，反饋比例電磁閥當前的工作電流。

所述網(wǎng)絡接口卡為多節(jié)點can通信卡，實現(xiàn)由can轉(zhuǎn)換卡到dcc控制器和usbcan接口卡的can信號傳輸。

所述usbcan接口卡對can總線上的數(shù)據(jù)進行實時采集，發(fā)送至監(jiān)控機。

本發(fā)明的優(yōu)越功效在于：

1）實現(xiàn)了動態(tài)底盤控制系統(tǒng)控制器與執(zhí)行器的硬件在環(huán)，對各種控制策略的預測結(jié)果更加明確；

2）在動態(tài)底盤控制系統(tǒng)控制器開發(fā)前期，采用硬件在環(huán)仿真試驗臺，可以對各種控制參數(shù)特別是在極端危險工況的控制參數(shù)進行優(yōu)化；

3）可以測試裝配動態(tài)底盤控制系統(tǒng)車輛的平順性、彎道工況的防側(cè)傾穩(wěn)定性、起步工況的俯仰姿態(tài)控制、緊急工況下的輪胎附著特性以及橫向穩(wěn)定性；

4）簡化試驗環(huán)境，測試得到的各項性能及獲得的優(yōu)化參數(shù)與實車試驗比較接近；

5）以實時處理平臺運行仿真模型來模擬車輛運行狀態(tài)，對汽車動態(tài)底盤控制系統(tǒng)硬件進行全面的、系統(tǒng)測試，減少實車路試測試次數(shù)，有效降低試驗故障風險，縮短開發(fā)時間及降低成本。

附圖說明

構(gòu)成本申請的一部分的說明書附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解，本發(fā)明的示意性實施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當限定。在附圖中：

圖1為本發(fā)明的原理框圖；

圖2為本發(fā)明宿主機的原理框圖；

圖3為本發(fā)明的車體運動學分析示意圖；

圖4為本發(fā)明的前減振器阻尼特性曲線圖；

圖5為本發(fā)明的后減振器阻尼特性曲線圖；

圖6為本發(fā)明can轉(zhuǎn)換卡的電路原理框圖；

圖7為本發(fā)明dcc控制器的電路原理框圖；

圖8為本發(fā)明的電流采樣模塊的電路原理框圖；

圖9為本發(fā)明的工作流程圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例進行詳細說明，但是本發(fā)明可以由權(quán)利要求限定和覆蓋的多種不同方式實施。

下面結(jié)合附圖詳細說明本發(fā)明的實施例。

圖1示出了本發(fā)明實施例的原理框圖。如圖1所示，本發(fā)明提供了一種汽車動態(tài)底盤控制系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真試驗臺，包括宿主機1、目標機2、監(jiān)控機3、i/o數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換卡4、can轉(zhuǎn)換卡5、網(wǎng)絡接口卡6、usbcan接口卡7，bdm下載器8、dcc控制器9、減振器電磁閥10和電流采樣模塊11。在宿主機1上，基于matlab/simulink平臺搭建人-車-路閉環(huán)數(shù)字化仿真模型，通過rtw編譯模塊轉(zhuǎn)化為可執(zhí)行的c代碼，經(jīng)由以太網(wǎng)下載到目標機2的cpu中，dcc控制器9通過i/o數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換卡4與目標機2保持通訊，實時采集目標機中人-車-路閉環(huán)數(shù)字化模型信息，并控制四個減振器電磁閥10，電流采集模塊9實時采集四個減振器電磁閥的控制電流信號，并通過i/o數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換卡4反饋給目標機2，形成閉環(huán)回路。監(jiān)控機3上裝有l(wèi)abview圖形化數(shù)據(jù)采集軟件，通過can轉(zhuǎn)換卡5對can總線上的數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)控采集，對數(shù)據(jù)進行后處理和分析。dcc控制器里面的軟件代碼可在宿主機1或其他pc機上編寫，通過bdm8燒結(jié)到dcc控制器9中。

基于上述軟、硬件構(gòu)成，建立由dcc控制器進行控制的汽車動態(tài)底盤控制系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真試驗臺。

如圖2所示，所述宿主機1為安裝有matlab/simulink和visualc++目標語言編譯器軟件環(huán)境的pc機，在宿主機1上建立人-車-路閉環(huán)數(shù)字化仿真模型，通過rtw編譯模塊可轉(zhuǎn)化為可執(zhí)行的c代碼。

為使所建立的動力學模型具有代表性，本發(fā)明提出一種車輛縱-側(cè)-垂向動力學統(tǒng)一建模思路，在分析車輛多系統(tǒng)耦合的復雜非線性動力學行為特性的基礎上，實現(xiàn)車輛縱-側(cè)-垂向動力學非線性模型的數(shù)學理論解析和仿真建模，包括以下步驟：1）建模假設；2）動力傳動系統(tǒng)建模；3）車體建模；4）懸架建模；5）輪胎建模；6）駕駛員建模。

1）建模假設：

通常，模型復雜程度越高或自由度數(shù)越多，仿真精度越高，但數(shù)值運算量也會隨之增加并影響仿真實時性。因此，考慮必需的整車動力學耦合因素，進行相應的假設簡化是必要的。車輛運動過程中必須考慮的耦合因素有：

1、車輪轉(zhuǎn)向引起的車輛橫擺運動存在運動學和動力學相互耦合；2、輪胎與路面之間的相互作用是不容忽視的，其縱向和側(cè)向輪胎力的分布受到附著摩擦橢圓的影響；3、車輛的縱-側(cè)-垂向運動之間存在耦合性，車輛縱向和側(cè)向加速運動會引起車輛垂向載荷轉(zhuǎn)移，從而影響車輛垂向動力學，而垂向載荷的變化會影響輪胎附著特性和側(cè)偏特性，對整車制動性和操穩(wěn)性產(chǎn)生影響。

為簡化建模過程，在充分考慮車輛耦合和強非線性的基礎上，作以下假設：

1、簡化動力傳動系統(tǒng)建模過程；2、忽略車輪定位參數(shù)不對稱的影響，假設懸架中心距和輪距相等；3、假設側(cè)傾中心和俯仰中心都位于汽車縱向平分面上，且側(cè)傾軸線位于俯仰軸線上方；4、忽略簧下質(zhì)量的側(cè)傾和俯仰運動；5、假設簧下質(zhì)量和簧上質(zhì)量在垂直方向是彈性連接的，而在水平方向是剛性連接。

2）動力傳動系統(tǒng)建模：

為全面表征車輛實際工作過程中的發(fā)動機非穩(wěn)態(tài)過程，在發(fā)動機穩(wěn)態(tài)輸出特性基礎上加入具有滯后特性的一階慣性環(huán)節(jié)，得到發(fā)動機的動態(tài)扭矩特性，即：

(1)

式中，為發(fā)動機動態(tài)輸出扭矩，表示發(fā)動機的穩(wěn)態(tài)扭矩特性函數(shù)，其為發(fā)動機轉(zhuǎn)速和節(jié)氣門開度的非線性函數(shù)，為時間常數(shù)，這里取。

發(fā)動機輸出力矩與輸出轉(zhuǎn)速之間的動力學關系為：

(2)

式中，為發(fā)動機轉(zhuǎn)動部件和離合器部分有效轉(zhuǎn)動慣量；為發(fā)動機轉(zhuǎn)動角加速度；為發(fā)動機飛輪輸出扭矩；為離合器輸入力矩。

所研究車輛裝備雙離合自動變速器，建模過程中不考慮雙離合器的接合/分離過程，認為發(fā)動機的輸出扭矩等于變速器的輸入扭矩，即

(3)

式中，為某檔位變速器轉(zhuǎn)動部件和傳動軸有效轉(zhuǎn)動慣量；和為變速器某檔位傳動角加速度和角速度；為車輪總的驅(qū)動扭矩；為變速器速比；為主減速器速比；為傳動系統(tǒng)傳動效率；為車輪角速度。

總的驅(qū)動力矩同時施加到兩前輪，滿足，車輪轉(zhuǎn)動動力學方程如下：

(4)

式中，為車輪等效轉(zhuǎn)動慣量；和分別為車輪轉(zhuǎn)動角速度和角加速度；為輪胎縱向力；為輪胎有效半徑；和分別為車輪的驅(qū)動力矩和制動力矩；為車輪轉(zhuǎn)動阻尼系數(shù)；分別對應左前、右前、左后和右后車輪。

3）車體建模

車體包括簧上質(zhì)量和簧下質(zhì)量兩部分，本發(fā)明基于拉格朗日分析力學建立車輛縱-側(cè)-垂向統(tǒng)一動力學模型。

車輛坐標系的原點與俯仰中心重合，側(cè)傾中心相對于滿足關系?；缮腺|(zhì)量坐標系的原點與簧上質(zhì)量質(zhì)心重合，簧下質(zhì)量主要對應四個非懸掛質(zhì)量。慣性坐標系、車輛坐標系和簧上質(zhì)量坐標系之間可以相互轉(zhuǎn)換。若用方向余弦矩陣表示上述坐標旋轉(zhuǎn)變換，即

(5)

慣性坐標系、車輛坐標系和簧上質(zhì)量坐標系之間的轉(zhuǎn)換關系為：

(6)

根據(jù)前面定義和分析，車體部分共包含6個自由度，即簧下質(zhì)量和簧上質(zhì)量共有的縱向、側(cè)向和橫擺3個自由度，簧上質(zhì)量具有的側(cè)傾、俯仰和垂向3個自由度。分別求出簧上質(zhì)量和簧下質(zhì)量的平動和轉(zhuǎn)動角速度，然后表示出各自的動能和勢能。

根據(jù)坐標轉(zhuǎn)換關系，簧上質(zhì)量質(zhì)心（簧上質(zhì)量坐標系原點）在慣性坐標系下相對于點的絕對位置矢量和絕對速度矢量分別為：

(7)

(8)

式中，為慣性坐標系下點相對于點的位置矢量；為車輛坐標系下點相對于點的位置矢量，表示為：

(9)

式中，為矢量的分量；為相對垂向距離；為相對垂向距離，。

則慣性坐標系下點的平動速度，即

(10)

記簧上質(zhì)量繞其自身參考坐標軸的角速度為，則

(11)

簧上質(zhì)量的動能包括簧上質(zhì)量的平動和轉(zhuǎn)動兩部分，即：

(12)

式中，為簧上質(zhì)量；為簧上質(zhì)量繞其質(zhì)心慣性張量，考慮到簧上質(zhì)量關于平面對稱，則為：

(13)

式中，為簧上質(zhì)量繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動慣量或慣性積。

將式(10)(11)(13)代入式(12)，得到簧上質(zhì)量動能：

(14)

同理，簧下質(zhì)量動能由簧下質(zhì)量的平動、轉(zhuǎn)動以及四個車輪的跳動構(gòu)成的，即：

(15)

總的動能為簧上質(zhì)量動能和簧下質(zhì)量動能之和，即。

車體的勢能包括簧上質(zhì)量高度變化產(chǎn)生的重力勢能

(16)

式中，為簧上質(zhì)量質(zhì)心到非簧載質(zhì)心的垂向位移；為簧上質(zhì)量在其平衡點位置時的值。

將車體總的動能、勢能和耗散能量帶入拉格朗日方程，再對其求偏導數(shù)，即可得到車體的運動方程，車體拉格朗日方程為：

(17)

式中，為慣性坐標系下的廣義坐標；為慣性坐標系下的廣義力。

通常車輛的運動習慣于在車輛坐標系下描述，利用下面關系將(18)式中廣義變量轉(zhuǎn)換為車輛坐標系下的廣義變量。

(18)

式中，為車輛坐標系下的廣義坐標；為車輛坐標系下的廣義力。

至此，得到六自由度車體模型的動力學方程

(19)

式中，，和為系數(shù)矩陣，為車輛坐標系下的廣義坐標；為車輛坐標系下的廣義力。

若忽略空氣阻力，主要由地面輪胎力和懸架力產(chǎn)生，表示為：

(20)

式中，為系數(shù)矩陣，

為四個車輪在輪胎坐標系和方向的輪胎力，由輪胎模型得到；為四個車輪對應的懸架力，由懸架模型得到。

慣性坐標系下車輛的運動通過以下運動學關系得到：

(21)

式中，,為整車沿軸的縱向、側(cè)向速度；,整車沿軸的縱向、側(cè)向速度；為車輛的橫擺角度。

4）懸架建模：

這里建立懸架模型的目的是求得懸架力和車輪的垂向載荷，并給出簧下質(zhì)量的垂向運動方程。懸架力包括彈性元件的彈力、阻尼元件的阻尼力和橫向穩(wěn)定桿的垂向作用力，各個車輪對應的懸架力表示為

(22)

式中，為彈性元件的剛度系數(shù)；為減振器阻尼力，其與控制電流、減振器的相對運動速度有關；為橫向穩(wěn)定桿產(chǎn)生的垂向作用力；為四個車輪的垂向位移；為簧上質(zhì)量與四個懸架接觸點的垂向位移，可由車身俯仰角、側(cè)傾角、以及車輛幾何參數(shù)算出。

所述減振器阻尼力與控制電流、減振器相對運動速度之間的關系如圖4～5所示。

車輪與地面的接觸力為

(23)

式中，分別為四個車輪與地面的接觸力，即車輪垂向運動的車輪動載荷；分別為各個車輪的剛度系數(shù)，為四個車輪對應的路面輸入。

在懸架力和車輪與地面接觸力的作用下，簧下質(zhì)量的垂向運動方程為

(24)

車輪垂向載荷由靜態(tài)法向力、縱向載荷轉(zhuǎn)移量、側(cè)向載荷轉(zhuǎn)移量和輪胎動載荷構(gòu)成，即

(25)

式中，為四個車輪的垂向載荷；為車輛靜止狀態(tài)下四個車輪的垂向載荷；和分別為由車輛縱向載荷轉(zhuǎn)移和側(cè)向載荷轉(zhuǎn)移引起的車輪垂向載荷變化量；為四個車輪的輪胎動載荷。

5）輪胎建模：

輪胎模型是輪胎六分力與車輪運動參數(shù)之間的數(shù)學關系描述。本發(fā)明用mf輪胎模型得到作用于車體的廣義力，其形式為

(26)

易知，輪胎力與車輪垂向載荷、縱向滑動率、輪胎側(cè)偏角、路面附著系數(shù)和車輪外傾角有關。

6）駕駛員建模：

仿真時需要對車輛動力學模型的速度和行駛方向進行控制，以保證車輛的速度和行駛軌跡符合期望值。速度控制采用pid控制，即

(27)

式中，為設定車速；為實際車速；為期望加速度；控制參數(shù)，，。

車輛動力學模型的行駛方向控制采用最優(yōu)曲率駕駛員模型，根據(jù)駕駛員操縱特性，建立駕駛員特性參數(shù)和車輛模型參數(shù)之間的關系。

所述目標機2為研華610h工控機，并通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊實現(xiàn)目標機2和dcc控制器9之間的通訊。

所述數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊包括i/o數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換卡4（研華pcl-818l和pcl-726）和can轉(zhuǎn)換卡5。i/o數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換卡4將目標機2計算得到的車輛各項動態(tài)參數(shù)信號從數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬量，其中的車身高度傳感器信號和車身垂向加速度傳感器信號直接供dcc控制器9接收，其余信號由can轉(zhuǎn)換卡5打包為can消息發(fā)送至網(wǎng)絡接口卡6上，通過can總線傳到dcc控制器9中。i/o數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換卡4同時把電流采樣模塊11輸出的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量供目標機2接收，從而形成閉合回路。

所述can轉(zhuǎn)換卡5的電路原理如圖6所示，本發(fā)明根據(jù)dcc控制器9的信號采集模塊輸入要求，以freescale飛思卡爾8位控制芯片為核心設計can轉(zhuǎn)換卡，將i/o數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換卡4輸出的車輛各項動態(tài)參數(shù)信號轉(zhuǎn)換為can消息發(fā)送至網(wǎng)絡接口卡6上，供dcc控制器9和usbcan接口卡7接收。

所述dcc控制器9的電路原理如圖7所示，本發(fā)明根據(jù)dcc系統(tǒng)的特點，以freescale（飛思卡爾）16位控制芯片mc9s12xdp512為核心，自行開發(fā)設計dcc控制器，其輸入信號包括車身高度傳感器信號、加速度傳感器信號、dcc模式選擇信號和can信號。dcc控制器包括mc9s12xdp512最小系統(tǒng)、信號輸入模塊和輸出驅(qū)動模塊。mc9s12xdp512最小系統(tǒng)包括電源模塊、時鐘電路、復位電路、bdm接口電路等組成；信號輸入模塊包括濾波電路模塊、分壓電路模塊和can信號收發(fā)電路模塊；輸出驅(qū)動模塊包括pwm模塊，電磁閥驅(qū)動電路模塊和電流反饋電路模塊。

所述減振器電磁閥10包括四個比例電磁閥，采用控制芯片輸出的pwm與i/o端口進行控制。以infineon（英飛凌）的bts5090作為驅(qū)動芯片，通過i/o端口控制，改變pwm的占空比可實現(xiàn)比例電磁閥的閥芯開度，從而改變減振器輸出的阻尼力。

所述電流采樣模塊11如圖8所示，包括高精度采樣電阻、高阻抗放大器和濾波電路。通過在比例電磁閥驅(qū)動電路中串聯(lián)一個高精度采樣電阻，并使用高阻抗的差分放大器放大采樣電阻兩端的電壓，再經(jīng)過rc濾波電路，降低信號中的高頻噪聲。最后將濾波后的信號輸入至宿主機1的i/o數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換板卡4中，即可確定比例電磁閥當前的工作電流。

所述網(wǎng)絡接口卡6為多節(jié)點can通信卡，以實現(xiàn)由can轉(zhuǎn)換卡5到dcc控制器9和usbcan接口卡7的can信號傳輸。

所述usbcan接口卡7為zlgusbcan-ii智能can接口卡，用于對can總線上的消息進行實時采集。

所述監(jiān)控機3為裝有l(wèi)abview圖形化數(shù)據(jù)采集軟件的pc機，通過usbcan接口卡7與網(wǎng)絡接口卡6相連，實時采集目標機2與dcc控制器9的交互信息，監(jiān)控試驗過程中的異常數(shù)據(jù)，并保存數(shù)據(jù)以便進行后處理及分析。

所述bdm8用于將宿主機1或其他pc機上編寫的控制代碼燒結(jié)到dcc控制器9中，實現(xiàn)對微處理器flash的讀寫和擦除操作，并方便對控制代碼的運行進行在線跟蹤與調(diào)試，提升控制器開發(fā)效率。

經(jīng)過以上步驟，建立一個動態(tài)底盤控制系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真試驗臺，硬件在環(huán)仿真試驗臺就可以運行并對電控單元的控制參數(shù)做出評價。人-車-路閉環(huán)系統(tǒng)模型在目標機2中運行，dcc控制器9根據(jù)目標機2實時給出的車輛信息，如高度傳感器信號、加速度傳感器信號、dcc模式選擇信號、can信號等，控制電磁閥10的工作狀態(tài)，電路采集模塊9將此時對應的減振器電流通過數(shù)據(jù)板卡反饋給目標機2的cpu，監(jiān)控機3通過usbcan接口卡7實時判斷試驗結(jié)果。

如圖9所示為本發(fā)明的工作流程圖，硬件在環(huán)仿真試驗臺可以對不同工況和不同模式下的控制效果進行評價，每次仿真結(jié)束，都能給出相應的結(jié)果進行評價。在dcc系統(tǒng)仿真過程中，能夠全面給出各個減振器阻尼力的變化、減振器控制電流的變化等，從而實時驗證控制策略、調(diào)整控制參數(shù)直到獲得滿意控制效果。

另外，硬件在環(huán)仿真試驗臺還可以實現(xiàn)車輛底盤、輪胎、傳動系各部件參數(shù)的優(yōu)化匹配，并可實現(xiàn)車輛在極限危險工況下的控制參數(shù)調(diào)試，可檢測、調(diào)試所設計的電子控制單元3的電路故障。

由于實現(xiàn)了dcc控制器9及減振器電磁閥的硬件在環(huán)，測試得到的各項性能及獲得優(yōu)化參數(shù)與實車試驗比較接近，從而顯著減少實車試驗的次數(shù)，縮短了開發(fā)周期的同時還節(jié)省了大量的開發(fā)成本。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)先實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。