[发明专利]汽车底盘集成控制器硬件在环仿真试验台

权利要求书

1.一种汽车底盘集成控制器硬件在环仿真试验台，包括宿主机、 目标机、电控单元，其特征在于：

所述的宿主机上建立汽车整车九自由度动力学模型、轮胎路面模 型、液压及制动系统模型、发动机及传动系统模型，并建立用以评价 和优化控制策略的各行驶工况的数字仿真模型，转化为C代码格式， 经以太网由目标机接收下载到其CPU内，电控单元控制执行器的常 开阀和常闭阀及直流电机，通过PCL板卡接收当前电磁阀的状态信 号，并通过PCL板卡反馈至目标机实时显示各路控制信号和车辆状 态信息，目标机同时通过以太网反馈至宿主机判断实验结果，建立由 电控单元进行控制的汽车底盘集成控制器硬件在环仿真试验台；

所述电控单元的控制指令，是由另外设置的PC机，根据汽车行 驶中环境背景、改变控制参数、编制控制程序，通过仿真头烧结至电 控单元内，每编制一个控制程序，都要通过仿真头烧结至电控单元内；

所述宿主机上建立多种工况数字仿真数学模型如下：

1)整车模型

首先需要建立汽车九自由度车辆底盘集成控制系统仿真模型，包 括车身的纵向、侧向、横摆，侧倾，俯仰五个运动，四个车轮绕轮轴 的转动；同时将模型划分为三大子系统包括车身(簧载质量)、路面 轮胎系统、制动系统，制动系统包括压力动态特性模型和制动器模型；

根据牛顿运动定律，对车辆纵向、侧向、横摆以及侧倾运动进行 受力分析，可以得出各自由度的动力学微分方程如下：

max=Σi=14Fxi-12CdAfρau2---(1)]]>

m(v·+ur)+msh′p·=Σi=14Fyi---(2)]]>

Izzr·=a(Fy1+Fy3)-b(Fy2+Fy4)+T2(Fx1+Fx2)-T2(Fx3+Fx4)---(3)]]>

Ixxsp·+msh′ayu=msgh′sinφ-Kφφ-Cφφ·---(4)]]>

JWdω1dt=Md1-Mb1-Fx1R---(5)]]>

JWdω2dt=Md2-Mb2-Fx2R---(6)]]>

JWdω3dt=Md3-Mb3-Fx3R---(7)]]>

JWdω4dt=Md4-Mb4-Fx4R---(8)]]>

式中，φ为车辆悬挂质量关于侧翻轴线的侧倾角，并在推导方程 (4)时假设侧倾轴线始终保持水平，a_x和a_yu分别为车辆质心绝对加 速度在车辆坐标系X方向和Y方向的分量，得：

ax=u·-vr,]]>ayu=v·+ur---(9)]]>

F_xi和F_yi分别为各车轮所受的在X方向和Y方向的作用力，它们 均表示为轮胎牵引力和侧向力的函数，表达式为：

F_xi＝F_ticosδ_Ti-F_sisinδ_Ti  i＝1，2，3，4      (10)

F_xi＝F_tisinδ_Ti+F_sicosδ_Ti  i＝1，2，3，4      (11)

考虑车辆的静态质量及由车辆的运动所引起的载荷转移，各车轮 所受的法向载荷表达式为：

Fz1=W2[bl-axg(hl)+KR[aysg(hT)-(msm)(h′T)sinφ]]---(12)]]>

Fz2=W2[al+axg(hl)+(1-KR)[aysg(hT)-(msm)(h′T)sinφ]]---(13)]]>

Fz3=W2[bl-axg(hl)-KR[aysg(hT)-(msm)(h′T)sinφ]]---(14)]]>

Fz4=W2[al+axg(hl)-(1-kR)[aysg(hT)-(msm)(h′T)sinφ]]---(15)]]>

其中K_R为前悬侧翻刚度占整车侧翻刚度的比率，它决定着侧向 载荷转移在前后轴上的分配，a_ys为悬挂质量的侧向加速度：

ays=v·+ur+msmh′p·---(16)]]>

另外，因为车辆坐标系和惯性坐标系之间存在如下的变换关系：

x=Xcosψ-Ysinψy=-Xsinψ-Ysinψ---(17)]]>

所以，车辆在惯性坐标系的速度表达式为：

x·=ucosψ-vsinψy·=-usinψ-vcosψ---(18)]]>

以上各公式中，A_f-车辆迎风面积，a-质心至前轴的距离，b-质 心至后轴的距离，l-轴距，a_x-纵向加速度，a_y-侧向加速度，C_d-空 气阻力系数，C_φ-侧翻阻尼系数，F_x-车轮纵向力，F_y-侧向力，F_z- 车轮法向力，F_s-轮胎侧偏力，F_t-轮胎驱动力，g-重力加速度，h- 悬挂重量质心的高度，h′-悬挂重量质心至侧翻轴线的距离，I_zz-车 辆关于Z轴的转动惯量，I_xxs-悬挂质量关于X轴的转动惯量，K_R-- 前悬侧翻刚度比例系数，K_φ-车辆侧翻刚度，m-整车质量，m_s-车辆 悬挂质量，p-侧倾角速度，r-横摆角速度，T-轮距，u-车辆纵向 速度，v-车辆侧向速度，W-车重，R-车轮半径，δ-转向角，φ-侧 翻角，ρ_a-空气密度，ψ-横摆角；

2)轮胎-路面模型

在纯侧偏、纯纵滑工况下，作用在轮胎上的轮胎力可以表述为：

纵向力：

F_x＝Dsin(Carctan{B(1-E)(S+S_h)+Earctan[B(S+S_h)]})+Sv

其中S为纵向滑移率：

式中，ω-车轮转速

V-车轮轮心速度

R-车轮滚动半径

C＝b₀，曲线形状因子

D＝μ_PF_z，峰值因子

μ_p＝b₁F_z+b₂

B.C.D=(b3Fz2+b4Fz)e-b5Fz]]>

E=b6Fz2+b4Fz+b8]]>

S_h＝b₉F_z+b₁₀

S_v＝0

F_z-车轮垂向载荷，单位：kN

侧向力：

F_x＝Dsin(Carctan{B(1-E)(α+S_h)+Earctan[B(α+S_h)]})+Sv

式中α-侧偏角，单位：度

γ-侧倾角，单位：度

C＝a₀，曲线形状因子

D＝μ_yPF_z，峰值因子

μ_yp＝b₁F_z+b₂

B.C.D＝a₃sin[2arctan(F_z/a₄)](1-a₅|γ|)

E＝a₆F_z+a₇

S_h＝a₈γ+a₉F_z+a₁₀

S_v＝a₁₁γF_z+a₁₂F_z+a₁₃

a₁₁＝a₁₁₁F_z+a₁₁₂

F_z-车轮垂向载荷，单位：KN

在制动和转弯联合工况下，

令σx=vsxVrσy=vsyVr]]>

当α＝0时，定义则纵向滑移率和侧向滑移率为：

σx=vsxu-vsx=-σ1+|σ|σy=vsyu-vsx=tan(α)1+|σ|]]>

纵向滑移率和侧向滑移率的修正值为：

σxtot=-σ1+|σ|-δσσytot=tan(α)1+|σ|+δα]]>

其中：

δσ=-Shδα=-Sh-SvBCD]]>

定义

σtot=σxtot2+σytot2]]>

则轮胎力学特性为：

Fx=σxtotσtot·Fx(σtot)Fy=σytotσtot·Fy(σtot)Mz=σytotσtot·Mz(σtot)]]>

其中：F_X为纵向力，F_Y为横向力，M_Z为回正力矩；

3)液压系统模型

利用系统的运行机理和运行经验确定出模型的结构或结构的上 确界，确定部分参数的大小或可能的取值范围，再根据系统输入和输 出数据，由系统辨识来估计和改善模型中的参数，使其精确化；

得出的液压系统动态模型的统一描述表达式为：

dPwdt=1CeRe(Pm-Pw)κu1(t-τvp)-1CeRe′(Pw-Pr)κu2(t-τvp′)---(19)]]>

式中

P_w——轮缸的压力

P_m——制动主缸的压力

P_r——低压蓄能器的压力

C_e——增压集中等效液容

C′_e——减压集中等效液容

R_e——集中等效液阻

κ——增压节流指数

κ′——减压节流指数

t——时间

τ_vp——增压时系统传输滞后时间

τ′_vp——减压时系统船速滞后时间

u_i(i＝1，2)——电磁阀控制指令信号，其取值含义如下：

当u1=1u2=0]]>时，系统增压

当u1=0u2=1]]>时，系统减压

当u1=0u2=0]]>时，系统保压

4)制动器模型

根据动力学基本原理，建立了用如下传递函数表示的制动器动力 学数学模型：

Tb(s)Pw(s)=KdAwrd1+2sζωn+s2ωn---(20)]]>

式中

T_b(s)——为制动力矩的拉氏变换

P_w(s)——为轮缸制动液压力的拉氏变换

K_d——为效能因素

A_w——为活塞横截面积

r_d——为有效半径

ω_n——为系统固有频率

ζ——制动器的阻尼系数

5)发动机模型

Pe=Σi=03Piωei---(21)]]>

式中，P_e为发动机的功率，ω_e为发动机的转速，P_i为多项式的系数， 所以，发动机的输出转矩T_e为

Te=peωe---(22)]]>

即Te=Σi=03Piωei-1---(23).]]>