專利名稱：汽車底盤集成控制器硬件在環仿真試驗臺的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種仿真試驗臺，特別涉及一種汽車底盤集成控制器 硬件在環仿真試驗臺。
背景技術：
汽車底盤集成控制系統(integrated Control System of Vehicle Chassis),是目前最典型最先進的底盤控制系統，它把制動防抱死控 制(ABS)，牽引力控制(TCS)和直接橫擺力矩控制(DYC)的功能進行集 成。系統的組成包括體現駕駛員意圖和車輛行駛狀態傳感器(輪速傳 感器、方向盤轉角傳感器、集成傳感器)，執行機構(電磁閥、直流 電機、電子節氣門)，和電子控制單元ECU(Eletronic Control Unit)。 硬件在環仿真實驗臺將車輛模型(車身模型、輪胎模型、發動機模型 和制動系統模型等)，電子控制單元ECU，和電磁閥等作動器包含在 回路中。
目前未有底盤集成控制器硬件在環仿真試驗臺。

發明內容
本發明的技術問題是要提供一種基于xPC目標工作環境，實現電 磁閥與發動機的數學模型、整車的各種運行工況數字仿真模型及ECU 的實時通訊，發動機、制動系統及各電磁閥的運行狀態由ECU進行控 制的汽車底盤集成控制器硬件在環仿真試驗臺。
為了解決以上的技術問題，本發明提供了一種汽車底盤集成控制 器硬件在環仿真試驗臺，包括宿主機、目標機、電控單元，所述的宿 主機上建立汽車整車九自由度動力學模型、輪胎路面模型、液壓及制動系統模型、發動機及傳動系統模型，并建立用以評價和優化控制策
略的各行駛工況的數字仿真模型，轉化為c代碼格式，經以太網由目
標機接收下載到其CPU內，電控單元控制執行器的常開閥和常閉閥 及直流電機，通過PCL板卡接收當前電磁閥的狀態信號，并通過PCL 板卡反饋至目標機實時顯示各路控制信號和車輛狀態信息，目標機同 時通過以太網反饋至宿主機判斷實驗結果，建立由電控單元進行控制 的汽車底盤集成控制器硬件在環仿真試驗臺。
基于動力學微分方程，利用Matlab/Simulink軟件，宿主機上建 立多種工況數字仿真數學模型如下
l)整車模型
首先需要建立汽車九自由度車輛底盤集成控制系統仿真模型，包 括車身的縱向、側向、橫擺，側傾，俯仰五個運動，四個車輪繞輪軸 的轉動。同時將模型劃分為三大子系統包括車身(簧載質量)、路面 輪胎系統、制動系統，制動系統包括壓力動態特性模型和制動器模型；
根據牛頓運動定律，對車輛縱向、側向、橫擺以及側傾運動進行 受力分析，可以得出各自由度的動力學微分方程如下
則x = - ^C^,/v/2 (1)
4附(v + wr) +附5 ^》=Z F》 (2)
+ F 二
4》+ — =附> sin - - W - C> (4)
;,=M"i-Mw-^i (5)
欲
^, = Mrf2-MA2-《2及 (6)
^, = Mrf3-MA3-《3及 (7)
^, = Mrf4-《4i (8)<formula>formula see original document page 13</formula>式中，-為車輛懸掛質量關于側翻軸線的側傾角，并在推導方程 (4)時假設側傾軸線始終保持水平，^和^分別為車輛質心絕對加 速度在車輛坐標系X方向和Y方向的分量，得
<formula>formula see original document page 13</formula>《,和^分別為各車輪所受的在X方向和Y方向的作用力，它們 均表示為輪胎牽引力和側向力的函數，表達式為-
<formula>formula see original document page 13</formula>考慮車輛的靜態質量及由車輛的運動所引起的載荷轉移，各車輪
所受的法向載荷表達式為:
<formula>formula see original document page 13</formula>其中&為前懸側翻剛度占整車側翻剛度的比率，它決定著1 載荷轉移在前后軸上的分配， 為懸掛質量的側向加速度
<formula>formula see original document page 13</formula>另外，因為車輛坐標系和慣性坐標系之間存在如下的變換關系:
所以，車輛在慣性坐標系的速度表達式為:
(<formula>formula see original document page 13</formula><formula>formula see original document page 14</formula>
以上各公式中，4-車輛迎風面積，"-質心至前軸的距離，6-質 心至后軸的距離，/-軸距，",-縱向加速度， -側向加速度，C,-空 氣阻力系數，C--側翻阻尼系數，《-車輪縱向力，F,-側向力，《-車輪法向力，《-輪胎側偏力，《-輪胎驅動力，g-重力加速度， 懸掛重量質心的高度，A'-懸掛重量質心至側翻軸線的距離，&-車 輛關于Z軸的轉動慣量，L-懸掛質量關于X軸的轉動慣量，K,--前懸側翻剛度比例系數，^-車輛側翻剛度，w-整車質量，w-車輛
懸掛質量，^-側傾角速度，卜橫擺角速度，r-輪距，車輛縱向
速度，v-車輛側向速度，『-車重，* —車輪半徑，5-轉向角，^-側 翻角，A-空氣密度，y-橫擺角； 2)輪胎-路面模型
汽車所受外力來源于輪胎與地面的作用力、空氣阻力、坡道阻力； 但是汽車在平直道路上制動時，輪胎與地面的作用力成為影響車輛運 動狀態的主要因素，所以輪胎-路面模型對車輛動力學的仿真計算起 著決定性的作用；由于輪胎結構、材料復雜，導致其高度非線性的力 學特性，所以它也是系統仿真中最不穩定的環節，路況與車輛運動狀 態的變化使輪胎的外特性復雜多變且難以預測 ，
荷蘭Delft工業大學Pacejka教授提出的魔術公式。魔術公式形式 簡潔，統一性強，用一套公式即可表達出輪胎的各向力特性，編程方 便，擬合的參數較少，而且精度非常高，魔術公式的核心內容是用三 角函數的組合及一組系數對輪胎在靜態載荷表現出的外特性，即輪胎 縱向力、橫向力和回正力矩分別與輪胎側偏角，車輪滑移率以及輪胎 法向反力之間的映射關系進行描述；
在純側偏、純縱滑工況下，作用在輪胎上的輪胎力可以表述為
縱向力《=D sin(C arctan諷l —+ SA) +五arctan[5(S + SJ]}) + Sv 其中S為縱向滑移率S=l-，
式中，w-車輪轉速 r-車輪輪心速度
及-車輪滾動半徑 C = 6。，曲線形狀因子 = 峰值因子
5.C力=(63F/+化K化
《-車輪垂向載荷，單位kN 側向力
Fx = Z) sin(C arctan{5(l — + + ￡ arctan[5(a + &)]}) + Sv
式中"-側偏角，單位度
7-側傾角，單位度 C ="。，曲線形狀因子
D = /vFz，峰值因子
= a3 sin[2 arctan(Fz/a4 )](l — a51 ;H)《-車輪垂向載荷，單位KN 在制動和轉彎聯合工況下，
當《 = 0時，定義^7 = ^，則縱向滑移率和側向滑移率為:
<formula>formula see original document page 16</formula>
縱向滑移率和側向滑移率的修正值為:
<formula>formula see original document page 16</formula>
其中:
定義
則輪胎力學特性為:
<formula>formula see original document page 16</formula>A"
其中i^為縱向力，^為橫向力，Mz為回正力矩； 3)液壓系統模型
以液壓制動系統為控制手段的底盤集成控制系統中，液壓系統的 建模是必要而關鍵的環節；液壓系統的動態特性將直接影響制動性 能；
利用系統的運行機理和運行經驗確定出模型的結構或結構的上 確界，確定部分參數的大小或可能的取值范圍，再根據系統輸入和輸 出數據，由系統辨識來估計和改善模型中的參數，使其精確化；這種 方法充分利用了全部可以利用的信息，所得模型相對更準確有效。
得出的液壓系統動態模型的統一描述表達式為
,=^V(i>m—戶wW — 。-^V(尸w—W"2"》 (19) 式中
A——輪缸的壓力 Pm——制動主缸的壓力 《——低壓蓄能器的壓力
c;——增壓集中等效液容 c:——減壓集中等效液容 A——集中等效液阻 k——增壓節流指數 k——減壓節流指數 ^——時間
、——增壓時系統傳輸滯后時間
1r:p——減壓時系統船速滯后時間
= 1,2)——電磁閥控制指令信號，其取值含義如下:
4)制動器模型
在控制器對制動管路內壓力進行調節時，輪缸活塞的受力及運動 狀態處于反復變化之中，因此在計算活塞通過制動鉗對制動盤施加的 正壓力時，應考慮動態特性的影響，建立輪缸活塞的動力學模型；根 據動力學基本原理，建立了用如下傳遞函數表示的制動器動力學數學 模型
<formula>formula see original document page 18</formula> (20)
;("——為制動力矩的拉氏變換
——為輪缸制動液壓力的拉氏變換 &——為效能因素 a——為活塞橫截面積 ?！獮橛行О霃?必 ——為系統固有頻率 《——制動器的阻尼系數
5)發動機模型除了節氣門的控制作用之外，發動機輸出的功率與發動機的轉速
直接相關；所以，內燃機的輸出特性常常用其轉速和輸出功率之間的 關系來表示，多項式是這種關系最常用的數學形式-
<formula>formula see original document page 19</formula> (21)
式中，s為發動機的功率，^為發動機的轉速，A為多項式的系數。
所以，發動機的輸出轉矩z;為
<formula>formula see original document page 19</formula>(22)
即 <formula>formula see original document page 19</formula> (23)。
宿主機上安裝有Visual C++目標語言編譯器和Matlab/Simulink 軟件，將數字仿真模型轉化為C代碼格式，并通過以太網將轉換后模 型下載到目標機的CPU中，CPU通過PCL板卡與ECU進行通信，并通 過ECU的指令實時記錄并顯示車輛的行駛性能。
ECU中的控制邏輯通過各種傳感器信號實時判斷路面條件和車 輛運行狀態，并控制電磁閥和發動機的工作狀態，并把當前電磁閥狀 態等信息通過PCL—726L板卡反饋給目標機的CPU。 ECU經過PCL板 卡反饋給工控機的數字信號共計8位，分別表示了 4個車輪所對應的 常開閥和常閉閥的狀態。
執行器主要是控制制動系統油壓的電磁閥，車輛狀態信息包括4 個輪速，橫擺角速度以及體現駕駛員意圖的油門踏板行程和方向盤轉 角。這些信號通過V/F轉換電路和A/D轉換進入到ECU中，作為控制 邏輯判斷和運算的依據。
所述電控單元的控制指令，是由另外設置的PC機，通過背景調 試模式，改變控制參數，編制控制程序，通過仿真頭燒結至電控單元內，每編制一個控制程序，都要通過仿真頭燒結至電控單元內。
控制程序在目標機運行，執行器的常開閥和常閉閥由電控單元控
制，其運行結果反饋至目標機的CPU，并通過網上反饋至宿主機，判
斷試驗結果。
經過以上步驟，就可建立一個硬件在環仿真試驗臺，試驗臺就可 運行并可對各種控制策略進行評價。
本發明的優越功效在于
1) 實現了底盤集成控制ECU與執行器的硬件在環，對各種控制策 略的預測結果更加準確；
2) 在ECU電子控制系統研發的前期，采用硬件在環仿真試驗臺， 可以對各種控制參數特別是極端危險狀況的控制參數進行優 化；
3) 可測試裝備底盤集成控制系統車輛的制動性能、彎道行駛及急 加速行駛時的穩定性，可實現制動系各部件參數的優化匹配， 可檢測、調試所設計的電子控制單元(ECU)的電路故障，可減 少實車試驗次數，縮短電子控制系統研發的周期；
4) 簡化試驗環境，測試得到的各項性能及獲得的優化參數與實車 試驗較接近。


圖1為汽車底盤集成控制系統的結構示意圖2為車輛動力學模型圖3輪胎模型魔術公式原理圖4輪胎在聯合工況下速度矢量圖
圖5輪缸活塞動力學模型圖
圖6本發明的原理方框圖
圖7為本發明的工作流程圖；l一宿主機； 2—目標機；
3—電控單元； 4一PCL板卡；
5—電磁閥； 6—PC機；
11—液壓控制單元； 12—輪速傳感器；
13— 電子油門；
14— 側向加速度和橫擺角速度傳感器；
15— 方向盤轉角傳感器； 16—真空助力器。
具體實施例方式
請參閱附圖所示，對本發明作進一步的描述。
如圖6所示，本發明提供了一種汽車底盤集成控制器硬件在環仿 真試驗臺，包括宿主機1、目標機2、電控單元3，所述的宿主機1 上建立汽車整車九自由度動力學模型、輪胎路面模型、液壓及制動系 統模型、發動機及傳動系統模型，并建立用以評價和優化控制策略的 各行駛工況的數字仿真模型，轉化為C代碼格式，經以太網由目標機 2接收下載到其CPU內，電控單元3控制電磁閥5的常開閥和常閉 閥及直流電機，通過PCL板卡4接收當前電磁閥5的狀態信號，并 通過PCL板卡4反饋至目標機2實時顯示各路控制信號和車輛狀態 信息，目標機2同時通過以太網反饋至宿主機1判斷實驗結果，建立 由電控單元進行控制的汽車底盤集成控制器硬件在環仿真試驗臺。
使所建的動力學模型具有代表，以圖1所示底盤集成控制系統的 結構示意圖為分析對象，進行建模分析，與車輛底盤集成控制相關的 部分主要包括集成化的液壓控制單元11、輪速傳感器12、側向加速 度和橫擺角速度傳感器14、方向盤轉角傳感器15、電子油門13、制 動器和真空助力器16等。
根據底盤集成控制系統在車輛穩定行駛以及主動安全方面所起的作用，按照國標13594—2003規定的試驗標準，需要進行高附路面、 低附路面、跳變路面和分離路面的緊急制動試驗；進行驅動防滑試驗， 驗證車輛起步加速時，防止車輪過度滑轉；進行操縱穩定性的試驗。 可以施加方向盤角正階躍輸入(左轉)、負階躍輸入(右轉)、單移線、 雙移線和蛇行路線行駛工況。
基于動力學微分方程，利用MATLAB/Simulink軟件，可在宿主機 1上建立整車的數字仿真模型，并按實驗標準設置仿真參數，所述整 車數字仿真模型如下-
l)整車模型
首先需要建立汽車九自由度車輛底盤集成控制系統仿真模型，包 括車身的縱向、側向、橫擺，側傾，俯仰五個運動，四個車輪繞輪軸 的轉動。同時將模型劃分為三大子系統包括車身(簧載質量)、路面 輪胎系統、制動系統，制動系統包括壓力動態特性模型和制動器模型；
車輛模型簡圖及其坐標系的設定如圖2所示，根據牛頓運動定 律，對車輛縱向、側向、橫擺以及側傾運動進行受力分析，可以得出 各自由度的動力學微分方程如下
<formula>formula see original document page 22</formula>式中，-為車輛懸掛質量關于側翻軸線的側傾角，并在推導方程
(4)時假設側傾軸線始終保持水平，^和 分別為車輛質心絕對加
速度在車輛坐標系X方向和Y方向的分量，得
(9)
^和^分別為各車輪所受的在X方向和Y方向的作用力，它們 均表示為輪胎牽引力和側向力的函數，表達式為-
《,=《cos & -尸《,sin & / = 1,2， 3,4 (10)
《,=F sin & +《,cos <5r, ! = 1,2,3， 4 (11)
考慮車輛的靜態質量及由車輛的運動所引起的載荷轉移，各車輪
所受的法向載荷表達式為
<formula>formula see original document page 23</formula>其中&為前懸側翻剛度占整車側翻剛度的比率，它決定著1
載荷轉移在前后軸上的分配，^為懸掛質量的側向加速度
(16)
另外，因為車輛坐標系和慣性坐標系之間存在如下的變換關系:
f x = X cos ^ - 7 si輝 l少=- sin y - 7 sin y
所以，車輛在慣性坐標系的速度表達式為:
(17)jx = wcosv/-vsiny (18) l少=-w sin y — v cos y
以上各公式中，A-車輛迎風面積，。-質心至前軸的距離，r質 心至后軸的距離，/-軸距，",-縱向加速度，^-側向加速度，g-空
氣阻力系數，C廠側翻阻尼系數，《-車輪縱向力，F,-側向力，Fz-車輪法向力，《-輪胎側偏力，《-輪胎驅動力，重力加速度，A-懸掛重量質心的高度，/z-懸掛重量質心至側翻軸線的距離，/ -車 輛關于Z軸的轉動慣量，4-懸掛質量關于X軸的轉動慣量， 前懸側翻剛度比例系數，^-車輛側翻剛度，附-整車質量，zn廣車輛 懸掛質量，p-側傾角速度，卜橫擺角速度，r-輪距，"-車輛縱向 速度，v-車輛側向速度，『-車重，i -車輪半徑，5-轉向角，--側 翻角，A-空氣密度，^-橫擺角； 2)輪胎-路面模型
汽車所受外力來源于輪胎與地面的作用力、空氣阻力、坡道阻力； 但是汽車在平直道路上制動時，輪胎與地面的作用力成為影響車輛運 動狀態的主要因素，所以輪胎-路面模型對車輛動力學的仿真計算起 著決定性的作用；由于輪胎結構、材料復雜，導致其高度非線性的力 學特性，所以它也是系統仿真中最不穩定的環節，路況與車輛運動狀 態的變化使輪胎的外特性復雜多變且難以預測；
荷蘭Delft工業大學Pacejka教授提出的魔術公式。魔術公式形式 簡潔，統一性強，用一套公式即可表達出輪胎的各向力特性，編程方 便，擬合的參數較少，而且精度非常高，魔術公式的核心內容是用三 角函數的組合及一組系數對輪胎在靜態載荷表現出的外特性，即輪胎 縱向力、橫向力和回正力矩分別與輪胎側偏角，車輪滑移率以及輪胎 法向反力之間的映射關系進行描述，變量之間的關系如圖3所示，圖 中"為側偏角，義為縱向滑移率，y為輪胎外傾角，i^為輪胎垂向載 荷，i^為縱向力，巧為橫向力，Mz為回正力矩。
在純側偏、純縱滑工況下，作用在輪胎上的輪胎力可以表述為縱向力
<formula>formula see original document page 25</formula>其中S為縱向滑移率S=l-，
式中，w-車輪轉速 r-車輪輪心速度 及-車輪滾動半徑 C = 6。，曲線形狀因子 D = /^《，峰值因子
<formula>formula see original document page 25</formula>
《一車輪垂向載荷，單位kN 側向力
<formula>formula see original document page 25</formula>
式中"-側偏角，單位度
T-側傾角，單位度 C ="。，曲線形狀因子 = 峰值因子
<formula>formula see original document page 25</formula>當《 = 0時，定義7 = ^,則縱向滑移率和側向滑移率為:
<formula>formula see original document page 26</formula>
縱向滑移率和側向滑移率的修正值為:
tan(a) ^
其中:
<formula>formula see original document page 26</formula>
定義
則輪胎力學特性為
26
《-車輪垂向載荷，單位KN 在制動和轉彎聯合工況下，<formula>formula see original document page 27</formula>
其中i^為縱向力，^為橫向力，Mz為回正力矩； 3)液壓系統模型
在以液壓制動系統為控制手段的底盤集成控制系統的研究中，液 壓系統的建模是必要而關鍵的環節。液壓系統的動態特性將直接影響 制動性能。所以，對車輛液壓制動系統特性的理論研究和建模是系統 仿真和設計的基礎。
車輛制動液壓系統是一本質非線性系統，建立其精確模型是非常 困難的。液壓系統常用的建模方法為系統辨識法，即將系統作為"黑 箱"，通過試驗數據求解其傳遞特性，但是求得的傳遞特性中各參數 不存在簡潔明確的力學意義，不利于進一步研究系統的結構和與特性 的關系以及對系統參數進行優化設計。我們采用理論與試驗相結合的 方法對車輛ABS液壓系統動態過程進行了深入的研究，即利用系統的 運行機理和運行經驗確定出模型的結構或結構的上確界，確定部分參 數的大小或可能的取值范圍，再根據系統輸入和輸出數據，由系統辨 識來估計和改善模型中的參數，使其精確化。這種方法充分利用了全 部可以利用的信息，所得模型相對更準確有效。
得出的液壓系統動態模型的統一描述表達式為
<formula>formula see original document page 27</formula>19)
式中
尺——輪缸的壓力 Pm——制動主缸的壓力 A——低壓蓄能器的壓力c;——增壓集中等效液容
c:——減壓集中等效液容 i g——集中等效液阻 K——增壓節流指數 ——減壓節流指數 /——時間
——增壓時系統傳輸滯后時間 ——減壓時系統船速滯后時間
%= 1,2)——電磁閥控制指令信號，其取值含義如下 當卜=\時，系統增壓
<formula>formula see original document page 28</formula>
當卜= 時，系統減壓 當卜=:時，系統保壓
<formula>formula see original document page 28</formula>
4)制動器模型
在控制器對制動管路內壓力進行調節時，輪缸活塞的受力及運動 狀態處于反復變化之中，因此在計算活塞通過制動鉗對制動盤施加的 正壓力時，應考慮動態特性的影響，建立輪缸活塞的動力學模型。如 圖5為輪缸活塞動力學模型示意圖，根據動力學基本原理，建立了用 如下傳遞函數表示的制動器動力學數學模型-
<formula>formula see original document page 28</formula>
式中
k(力——為制動力矩的拉氏變換 尺w——為輪缸制動液壓力的拉氏變換&——為效能因素
4—一為活塞橫截面積
?！獮橛行О霃?br> ——為系統固有頻率 -——制動器的阻尼系數
5)發動機模型
除了節氣門的控制作用之外，發動機輸出的功率與發動機的轉速 直接相關；所以，內燃機的輸出特性常常用其轉速和輸出功率之間的 關系來表示，多項式是這種關系最常用的數學形式
<formula>formula see original document page 29</formula> (2i)
式中，《為發動機的功率，^為發動機的轉速，f為多項式的系數。
所以，發動機的輸出轉矩7;為
(22)
即 7>ti>:-1 (23)。
宿主機1上安裝有Visual C++目標語言編譯器和 Matlab/Simulink軟件，將數字仿真模型轉化為C代碼格式，并通過 網絡將轉換后模型下載到目標機2的CPU中，CPU通過PCL板卡4與 電控單元3和電磁閥5等執行器進行通信，并通過電控單元3的指令 實時記錄并顯示車輛的行駛性能。
電控單元3實時判斷車輪的滑移率，車輛的橫擺角速度等狀態 信息，控制制動系統常開閥和常閉閥的工作狀態，并把當前油門開度、 車輛運行工況等信息通過PCL—726L板卡4反饋給目標機2的CPU;電控單元3經過PCL板卡4反饋給工控機的數字信號共計8位。作 動器包括4個車輪所對應常開閥和常閉閥，通過它們不同的狀態組合 實現對輪缸的調節。
所述電控單元3的控制指令，是由另外設置的PC機6， PC機6 上裝有Codewarrior軟件，通過飛思卡爾專用的背景調試模式 (Background Debug Mode),簡稱BDM，改變控制參數，利用C語言 編制控制程序，通過仿真頭燒結至電控單元3內，每編制一個控制程 序，都要通過仿真頭燒結至電控單元3內。
根據底盤集成控制系統的特點，基于飛思卡爾Freescale的16 位單片機-MC9S12DP256，自行設計了底盤集成控制的電控單元3,控 制程序在目標機2上運行，根據目標機2實時反饋的狀態變量，如橫 擺角速度、車輪轉速等，實時判斷緊急制動、急加速起步和雙移線等 的運行過程，控制電磁闊5的工作狀態，并把當前控制信號等信息通 過PCL板卡4反饋給目標機2的CPU，并通過網絡反饋至宿主機1， 判斷試驗結果。
經過以上步驟，就可建立一個硬件在環仿真試驗臺，硬件在環仿 真試驗臺就可運行并可對各種控制參數進行評價
如圖7本發明的工作流程圖所示，硬件在環仿真試驗臺可以對不 同參數組合時的控制效果進行評價，每次仿真結束，都能給出相應的 結果進行評價。比如ABS仿真，能夠全面給出各個個車輪的輪速變化、 滑移率變化、各個輪缸壓力變化、制動距離和制動時間等。從而實時 驗證控制策略、調整控制參數直到獲得滿意控制效果。
另外試驗臺還可以實現底盤、輪胎、傳動系各部件參數的優化匹 配，并可實現車輛在極限危險工況下的控制參數的調試?？蓹z測、調 試所設計的電子控制單元3的電路故障。
由于實現了電控單元3及執行電機的硬件在環，測試得到的各項 性能及獲得優化參數與實車試驗比較接近，從而顯著減少實車實驗的次數，縮短了開發周期的同時還節省了大量的開發成本。
權利要求
1、一種汽車底盤集成控制器硬件在環仿真試驗臺，包括宿主機、目標機、電控單元，其特征在于所述的宿主機上建立汽車整車九自由度動力學模型、輪胎路面模型、液壓及制動系統模型、發動機及傳動系統模型，并建立用以評價和優化控制策略的各行駛工況的數字仿真模型，轉化為C代碼格式，經以太網由目標機接收下載到其CPU內，電控單元控制執行器的常開閥和常閉閥及直流電機，通過PCL板卡接收當前電磁閥的狀態信號，并通過PCL板卡反饋至目標機實時顯示各路控制信號和車輛狀態信息，目標機同時通過以太網反饋至宿主機判斷實驗結果，建立由電控單元進行控制的汽車底盤集成控制器硬件在環仿真試驗臺。
2、 按權利要求1所述的汽車底盤集成控制器硬件在環仿真試驗臺，其特征在于所述宿主機上建立多種工況數字仿真數學模型如下-l)整車模型首先需要建立汽車九自由度車輛底盤集成控制系統仿真模型，包 括車身的縱向、側向、橫擺，側傾，俯仰五個運動，四個車輪繞輪軸 的轉動。同時將模型劃分為三大子系統包括車身(簧載質量)、路面輪胎系統、制動系統，制動系統包括壓力動態特性模型和制動器模型； 根據牛頓運動定律，對車輛縱向、側向、橫擺以及側傾運動進行 受力分析，可以得出各自由度的動力學微分方程如下-<formula>formula see original document page 2</formula> (1)<formula>formula see original document page 2</formula> (2)<formula>formula see original document page 3</formula>式中，-為車輛懸掛質量關于側翻軸線的側傾角，并在推導方程 (4)時假設側傾軸線始終保持水平，A和"，分別為車輛質心絕對加 速度在車輛坐標系X方向和Y方向的分量，得"i = ii — vr ， =i> + wr (9) 《,和^分別為各車輪所受的在X方向和Y方向的作用力，它們均表示為輪胎牽引力和側向力的函數，表達式為<formula>formula see original document page 3</formula>) 考慮車輛的靜態質量及由車輛的運動所引起的載荷轉移，各車輪所受的法向載荷表達式為<formula>formula see original document page 3</formula><formula>formula see original document page 0</formula>,附，Y., 附八r J(15)其中&為前懸側翻剛度占整車側翻剛度的比率，它決定著側向 載荷轉移在前后軸上的分配， 為懸掛質量的側向加速度附(16)另外，因為車輛坐標系和慣性坐標系之間存在如下的變換關系(17)所以，車輛在慣性坐標系的速度表達式為f x =義cos y — y sin y L少=—Xsiny-ysin^/[少=一w siny-vcosy(18)以上各公式中，々-車輛迎風面積，"-質心至前軸的距離，6-質 心至后軸的距離，/-軸距，縱向加速度， -側向加速度，Cd-空 氣阻力系數，。-側翻阻尼系數，《-車輪縱向力，i^-側向力，《-車輪法向力，《-輪胎側偏力，巧-輪胎驅動力，g-重力加速度，A-懸掛重量質心的高度，A'-懸掛重量質心至側翻軸線的距離，4-車 輛關于Z軸的轉動慣量，/^-懸掛質量關于X軸的轉動慣量，i^--前懸側翻剛度比例系數，^-車輛側翻剛度，m-整車質:-車輛TO'觀州速度，卜橫擺角速度，r-輪距，車輛縱向 速度，v-車輛側向速度，r-車重，/ -車輪半徑，5-轉向角，^-側翻角，A-空氣密度，^-橫擺角； 2)輪胎-路面模型汽車所受外力來源于輪胎與地面的作用力、空氣阻力、坡道阻力；但是汽車在平直道路上制動時，輪胎與地面的作用力成為影響車輛運動狀態的主要因素，所以輪胎-路面模型對車輛動力學的仿真計算起著決定性的作用；由于輪胎結構、材料復雜，導致其高度非線性的力 學特性，所以它也是系統仿真中最不穩定的環節，路況與車輛運動狀 態的變化使輪胎的外特性復雜多變且難以預測；魔術公式的核心內容是用三角函數的組合及一組系數對輪胎在 靜態載荷表現出的外特性，即輪胎縱向力、橫向力和回正力矩分別與 輪胎側偏角，車輪滑移率以及輪胎法向反力之間的映射關系進行描 述；在純側偏、純縱滑工況下，作用在輪胎上的輪胎力可以表述為 縱向力<formula>formula see original document page 5</formula> 其中S為縱向滑移率S=l-，式中，w-車輪轉速 r-車輪輪心速度i -車輪滾動半徑C = 6。，曲線形狀因子D = /vPz，峰值因子<formula>formula see original document page 5</formula>《-車輪垂向載荷，單位kN側向力《=Z>sin(Carctan{5(l —+ +Aarctan[_e(or + &)]}) + 5V式中"-側偏角，單位度^-側傾角，單位度 C ="。，曲線形狀因子 峰值因子B.C.D = a3sin[2arctan(F2/a4)](l_fl51 y|)Sv = + "12《+ 。13《-車輪垂向載荷，單位KN 在制動和轉彎聯合工況下，當"=0時，定義"=^，則縱向滑移率和側向滑移率為:<formula>formula see original document page 6</formula>縱向滑移率和側向滑移率的修正值為6<formula>formula see original document page 6</formula>其中:|5" = -& 《定義 =v《'。'+ 則輪胎力學特性為:《=A"°"聲其中i^為縱向力，^為橫向力，Mz為回正力矩； 3)液壓系統模型以液壓制動系統為控制手段的底盤集成控制系統中，液壓系統的 建模是必要而關鍵的環節；液壓系統的動態特性將直接影響制動性 能；利用系統的運行機理和運行經驗確定出模型的結構或結構的上 確界，確定部分參數的大小或可能的取值范圍，再根據系統輸入和輸 出數據，由系統辨識來估計和改善模型中的參數，使其精確化；這種 方法充分利用了全部可以利用的信息，所得模型相對更準確有效。得出的液壓系統動態模型的統一描述表達式為,=7^(^-尸X、)-T^r(尸wK、) (19)A——輪缸的壓力 &——制動主缸的壓力 A——低壓蓄能器的壓力 ——增壓集中等效液容c:——減壓集中等效液容&——集中等效液阻 ^——增壓節流指數f——減壓節流指數 r——時間s——增壓時系統傳輸滯后時間 、——減壓時系統船速滯后時間M,.(/ = l,2)——電磁閥控制指令信號，其取值含義如下:4)制動器模型在控制器對制動管路內壓力進行調節時，輪缸活塞的受力及運動 狀態處于反復變化之中，因此在計算活塞通過制動鉗對制動盤施加的 正壓力時，應考慮動態特性的影響，建立輪缸活塞的動力學模型；根 據動力學基本原理，建立了用如下傳遞函數表示的制動器動力學數學 模型<formula>formula see original document page 8</formula>式中——為制動力矩的拉氏變換 ——為輪缸制動液壓力的拉氏變換&——為效能因素a——為活塞橫截面積?！獮橛行О霃?——為系統固有頻率《--制動器的阻尼系數5)發動機模型除了節氣門的控制作用之外，發動機輸出的功率與發動機的轉速 直接相關；所以，內燃機的輸出特性常常用其轉速和輸出功率之間的 關系來表示，多項式是這種關系最常用的數學形式(21)f=0式中，g為發動機的功率，A為發動機的轉速，《為多項式的系數(所以，發動機的輸出轉矩7;為 。(22)即 ？;=2>"(23)f=0
3、按權利要求1所述的汽車底盤集成控制器硬件在環仿真試驗臺，其特征在于所述電控單元的控制指令，是由另外設置的pc機，根據汽車行 駛中環境背景、改變控制參數、編制控制程序，通過仿真頭燒結至電控單元內，每編制一個控制程序，都要通過仿真頭燒結至電控單元內。
4、按權利要求1所述的汽車底盤集成控制器硬件在環仿真試驗臺，其特征在于控制程序在目標機運行，執行器的常開闊和常閉閥由電控單元控 制，其運行結果反饋至目標機的CPU，并通過網上反饋至宿主機，判 斷試驗結果。
全文摘要
一種汽車底盤集成控制器硬件在環仿真試驗臺，宿主機建立汽車多工況的數字仿真數學模型，轉化為C代碼格式，經以太網由目標機接收下載到其CPU內，電控單元控制8個電磁閥，并通過PCL板卡接收接收電磁閥的狀態，控制目標機內存儲的汽車各種工況數字仿真模型運行及其反饋的信息。本發明的優點為實現了ECU及作動器的硬件在環，對各種控制參數的預測結果更準確；在底盤電子控制系統研發的前期，對極端危險狀況的控制參數進行優化；簡化試驗環境，測試得到的各項性能及獲得的優化參數與實車試驗較接近。
文檔編號G05B23/02GK101308386SQ20081004044
公開日2008年11月19日 申請日期2008年7月10日 優先權日2008年7月10日
發明者吳光強, 楊林孟, 晗 謝, 邱緒云, 鞠麗娟 申請人:同濟大學