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用于汽车稳定控制在环仿真的车身 姿态模拟方法

阅读：934发布：2024-01-06

专利汇可以提供用于汽车稳定控制在环仿真的车身姿态模拟方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及一种用于汽车稳定控制在环仿真的车身姿态模拟方法及其系统，属于车辆动力学控制技术领域。首先实时读取硬件在环仿真试验台计算出的车身姿态信息，通过将组合器绕其自身z轴和x轴旋转来模拟车身姿态，并将车身姿态的传感器实测信号反馈给硬件在环仿真试验台，实现了汽车横向加速度-横摆角速度组合传感器的硬件在环仿真。本发明的车身姿态模拟方法及其系统，使横摆角速度 -横向加速度可以在仿真试验台上进行标定和匹配，减少了实车试验的数量，从而减少了传感器以及整套电子汽车稳定控制系统在研发、匹配进程中的工作时间和成本，大幅度提高了电子汽车稳定控制系统的研发匹配速度和经济性。，下面是用于汽车稳定控制在环仿真的车身姿态模拟方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种用于汽车稳定控制硬件在环仿真的车身姿态模拟方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
(1)定义一个直角三维坐标系，在汽车的质心位置设置一个组合传感器1，组合传感器的底面与地面平行，组合传感器上标示有与x轴重合的方向指示，组合传感器的空间姿态代表车身姿态，当汽车在水平路面直线行驶时，定义汽车的前进方向为x轴，汽车左侧方向为y轴，垂直汽车方向为z轴；
(2)向汽车稳定控制硬件在环仿真试验台输入仿真所需的参数，实时计算出车身姿态的参数，包括车辆横摆角速度计算值γ、车辆横摆角速度计算方向、车辆横向加速度计算值ay和车辆横向加速度计算方向；
(3)通过控制器局域网络(CAN)实时读取上述车辆横摆角速度的计算值γ及车辆横摆角速度的计算方向，驱动上述汽车质心位置的组合传感器，以与车辆横摆角速度计算方向相同的方向，且与车辆横摆角速度计算值γ相同的角速度绕z轴旋转；
(4)通过控制器局域网络(CAN)实时读取车辆横向加速度的计算值ay及车辆横向加速度的计算方向，并驱动组合传感器以与车辆横向加速度计算方向相同的方向，绕x轴转动θ角，使重力在组合传感器的侧向产生分力，该分力模拟侧向加速度ay，其中θ角通过反解以下式子得到：
ay＝gsinθ
上式中，ay为横向加速度计算值，g为重力加速度；
(5)在步骤(3)和步骤(4)的作用下，组合传感器实时发出横摆角速度和横向加速度的测量值γ1和ay1，并将该测量值γ1和ay1通过控制器局域网络(CAN)反馈输入到汽车稳定控制系统硬件在环仿真试验台；
用于实现上述用于汽车稳定控制硬件在环仿真的车身姿态模拟方法的系统由机械系统和控制系统组成，其中，
所述的机械系统包括组合传感器、连接平台、x轴电机、支架、z轴电机和底座；所述的组合传感器固定在连接平台的一端，连接平台的另一端与所述的x轴电机输出轴相连，x轴电机固定在所述的支架的顶部，所述的支架的底部与z轴电机的输出轴相连，z轴电机固定在所述的底座上；
所述的控制系统包括：
电机控制器，用于在一个控制周期内，读取控制器局域网络(CAN)总线中汽车的横摆角速度和横向加速度信号，并计算出x轴电机驱动器所需脉冲数量，配置脉冲信号发送给x轴电机驱动器，计算出z轴驱动器所需脉冲频率，配置另一路脉冲信号发送给z轴电机驱动器；
同时根据汽车的横摆角速度方向配置一路电平输出至z轴电机驱动器，用于控制z轴电机转向；根据横向加速度增减趋势配置另一路电平输出至x轴电机驱动器，用于控制x轴电机转向；
z轴电机驱动器，用于接收电机控制器信号，对z轴电机进行位置控制；
x轴电机驱动器，用于接收电机控制器信号，对x轴电机进行位置控制；
开关电源，将220V市电转换为36V稳压直流电，用于为车身姿态模拟系统供电。

说明书全文

用于汽车稳定控制在环仿真的车身 姿态模拟方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种用于汽车稳定控制在环仿真的车身姿态模拟方法，属于车辆动力学控制技术领域。

背景技术

[0002] 为了加快汽车电子汽车稳定控制系统(ESC)的开发和标定的速度以及减少其中的成本，采用了硬件在环仿真试验。即通过汽车数学模型在计算机内建立实时闭环仿真回路，并将汽车的制动系、液压控制单元(HCU)、电子汽车稳定控制系统(ESC)控制器等电子汽车稳定控制系统(ESC)相关零部件以实物的形式加入仿真回路参与实时仿真，从而避免了数学模型与实际系统的误差。加入实物越多，试验越接近实车环境，仿真数据越准确。

发明内容

[0003] 本发明的目的是提出用于汽车稳定控制在环仿真的车身姿态模拟方法及其系统，实现电子汽车稳定控制系统(ESC)硬件在环仿真中，汽车横摆角速度-横向加速度组合传感器(以下简称“组合传感器”)的硬件在环，提高电子汽车稳定控制系统(ESC)的研发匹配速度和经济性。

[0004] 本发明提出的用于汽车稳定控制硬件在环仿真的车身姿态模拟方法，包括以下步骤：

[0005] (1)定义一个直角三维坐标系，在汽车的质心位置设置一个组合传感器1，组合传感器的底面与地面平行，组合传感器上标示有与x轴重合的方向指示，组合传感器的空间姿态代表车身姿态，当汽车在水平路面直线行驶时，定义汽车的前进方向为x轴，汽车左侧方向为y轴，垂直汽车方向为z轴；

[0006] (2)向汽车稳定控制硬件在环仿真试验台输入仿真所需的参数，实时计算出车身姿态的参数，包括车辆横摆角速度计算值γ、车辆横摆角速度计算方向、车辆横向加速度计算值ay和车辆横向加速度计算方向；

[0007] (3)通过控制器局域网络实时读取上述车辆横摆角速度的计算值γ及车辆横摆角速度的计算方向，驱动上述汽车质心位置的组合传感器，以与车辆横摆角速度计算方向相同的方向，且与车辆横摆角速度计算值γ相同的角速度绕z轴旋转；

[0008] (4)通过控制器局域网络实时读取车辆横向加速度的计算值ay及车辆横向加速度的计算方向，并驱动组合传感器以与车辆横向加速度计算方向相同的方向，绕x轴转动θ角，使重力在组合传感器的侧向产生分力，该分力模拟侧向加速度ay，其中θ角通过反解以下式子得到：

[0009] ay＝g sinθ

[0010] 上式中，ay为横向加速度计算值，g为重力加速度；

[0011] (5)在步骤(3)和步骤(4)的作用下，组合传感器实时发出横摆角速度和横向加速度的测量值γ1和ay1，并将该测量值γ1和ay1通过控制器局域网络反馈输入到汽车稳定控制系统硬件在环仿真试验台。本发明提出的用于汽车稳定控制硬件在环仿真的车身姿态模拟系统，由机械系统和控制系统组成；

[0012] 所述的机械系统包括组合传感器、连接平台、x轴电机、支架、z轴电机和底座；所述的组合传感器固定在连接平台的一端，连接平台的另一端与所述的x轴电机输出轴相连，x轴电机固定在所述的支架的顶部，所述的支架的底部与z轴电机的输出轴相连，z轴电机固定在所述的底座上；

[0013] 所述的控制系统包括：

[0014] 电机控制器，用于在一个控制周期内，读取控制器局域网络(CAN)总线中汽车的横摆角速度和横向加速度信号，并计算出x轴电机驱动器所需脉冲数量，配置脉冲信号发送给x轴电机驱动器，计算出z轴驱动器所需脉冲频率，配置另一路脉冲信号发送给z轴电机驱动器；同时根据汽车的横摆角速度方向配置一路电平输出至z轴电机驱动器，用于控制z轴电机转向；根据横向加速度增减趋势配置另一路电平输出至x轴电机驱动器，用于控制x轴电机转向；

[0015] z轴电机驱动器，用于接收电机控制器信号，对z轴电机进行位置控制；

[0016] x轴电机驱动器，用于接收电机控制器信号，对x轴电机进行位置控制；

[0017] 开关电源，将220V市电转换为36V稳压直流电，用于为车身姿态模拟系统供电。

[0018] 本发明提出用于汽车稳定控制在环仿真的车身姿态模拟方法及其系统，其优点是：

[0019] 1、本发明的车身姿态模拟方法，实时读取硬件在环仿真试验台计算出的车身姿态信息，通过将传感器绕其自身z轴和x轴旋转来模拟车身姿态，并通过传感器信号输出将车身姿态的传感器实测信号反馈给硬件在环仿真试验台，实现了汽车横向加速度-横摆角速度组合传感器的硬件在环，使横摆角速度-横向加速度可以在仿真试验台上进行标定和匹配，减少了实车试验的数量，从而减少了传感器以及整套电子汽车稳定控制系统(ESC)在研发、匹配进程中的工作时间和成本，大幅度提高了电子汽车稳定控制系统(ESC)的研发匹配速度和经济性。

[0020] 2、本发明提出的车身姿态模拟方法，对外通讯全部采用CAN信号，因此，不具备横向加速度-横摆角速度组合传感器的硬件在环的仿真试验台，也可以在不作任何硬件改动的情况下加装本发明的模拟系统，因而本发明模拟系统具有良好的实用性。

[0021] 3、本发明模拟系统中，组合传感器与系统中的其它机械结构可以方便地拆装，且安装点可以调整，以适应不同的组合传感器。因此本发明提出的模拟系统可以用作对不同的横向加速度-横摆角速度组合传感器的标定。附图说明

[0022] 图1所示为本发明提出的汽车稳定控制的车身姿态模拟系统的结构框图。

[0023] 图1中，1是组合传感器，2为连接平台，用于固定1，并载1进行两轴旋转运动；3为x轴电机，用于驱动绕x轴方向转动，模拟车辆横向加速度；4为支架，用于固定上部结构，并为2提供准确的安装位置，保证x轴电机和z轴电机轴线垂直；5为z轴电机，用于驱动绕z轴方向转动，模拟车辆横摆角速度；6为底座，用于支撑和固定整个机械结构。

具体实施方式

[0024] 本发明提出的用于汽车稳定控制硬件在环仿真的车身姿态模拟方法，包括以下步骤：

[0025] (1)定义一个直角三维坐标系，在汽车的质心位置设置一个组合传感器1，组合传感器的底面与地面平行，组合传感器上标示有与x轴重合的方向指示，组合传感器的空间姿态代表车身姿态，当汽车在水平路面直线行驶时，定义汽车的前进方向为x轴，汽车左侧方向为y轴，垂直汽车方向为z轴；

[0026] (2)向汽车稳定控制硬件在环仿真试验台输入仿真所需的参数，实时计算出车身姿态的参数，包括车辆横摆角速度计算值γ、车辆横摆角速度计算方向、车辆横向加速度计算值ay和车辆横向加速度计算方向；

[0027] (3)通过控制器局域网络(CAN)实时读取上述车辆横摆角速度的计算值γ及车辆横摆角速度的计算方向，驱动上述汽车质心位置的组合传感器，以与车辆横摆角速度计算方向相同的方向，且与车辆横摆角速度计算值γ相同的角速度绕z轴旋转；

[0028] (4)通过控制器局域网络(CAN)实时读取车辆横向加速度的计算值ay及车辆横向加速度的计算方向，并驱动组合传感器以与车辆横向加速度计算方向相同的方向，绕x轴转动θ角，使重力在组合传感器的侧向产生分力，该分力模拟侧向加速度ay，其中θ角通过反解以下式子得到：

[0029] ay＝g sinθ

[0030] 上式中，ay为横向加速度计算值，g为重力加速度；

[0031] (5)在步骤(3)和步骤(4)的作用下，组合传感器实时发出横摆角速度和横向加速度的测量值γ1和ay1，并将该测量值γ1和ay1通过控制器局域网络(CAN)反馈输入到汽车稳定控制系统硬件在环仿真试验台。

[0032] 本发明提出的用于汽车稳定控制硬件在环仿真的车身姿态模拟系统，其结构如图1所示，由机械系统和控制系统组成；

[0033] 其中的机械系统，包括组合传感器1、连接平台2、x轴电机3、支架4、z轴电机5和底座6。组合传感器1固定在连接平台2的一端，连接平台2的另一端与所述的x轴电机5输出轴相连，x轴电机3固定在支架4的顶部，支架4的底部与z轴电机5的输出轴相连，z轴电机5固定在底座6上。

[0034] 所述的控制系统，如图1中所示，包括：

[0035] 电机控制器，用于调制控制信号，控制器采用公司的XC164型32位单片机。在一个控制周期内(一般取10ms)，读取控制器局域网络(CAN)总线中汽车的横摆角速度和横向加速度信号，并计算出x轴电机驱动器所需脉冲数量，配置脉冲信号发送给x轴电机驱动器，计算出z轴驱动器所需脉冲频率，配置另一路脉冲信号发送给z轴电机驱动器；同时根据汽车的横摆角速度方向配置一路电平输出至z轴电机驱动器，用于控制z轴电机转向；根据横向加速度增减趋势配置另一路电平输出至x轴电机驱动器，用于控制x轴电机转向。控制周期是无限循环的；

[0036] z轴电机，用于驱动云台机械结构z轴旋转，提供对汽车横摆角速度的模拟。由于汽车横摆运动角速度低，要求电机能够平稳地低速旋转，故z轴电机采用60交流伺服电机，电机尾部带有17位绝对值编码器用于电机闭环控制。

[0037] z轴电机驱动器，用于接收电机控制器信号，对z轴电机进行位置控制；z轴电机驱动器采用公司的WS400交流电机驱动器。由于z轴电机是交流伺服电机，所以驱动器采用闭环位置控制。驱动器接收外部发送的脉冲信号和方向电平，驱动器每接收一个脉冲跳变就控制电机转过一定角度α

[0038] α＝360/217≈2.75×10-3(deg)

[0039] 驱动器接收方向电平为高电平时，电机正转，方向电平为低电平时，电机反转。调整PID参数使得电机的响应非常快，可以在一个控制周期的开始阶段使电机的转速与控制脉冲的频率匹配，保证电机转速时刻跟随控制信号。

[0040] x轴电机，用于驱动云台机械结构x轴旋转，提供对汽车横向加速度的模拟。x轴只需进行位置控制，而且要求x轴部件质量尽量小以便提高z轴相应，故x轴采用42两相步进电机。

[0041] x轴电机驱动器，用于接收电机控制器信号，对x轴电机进行位置控制；由于x轴电机工况为中速轻载，步进电机位置控制采用开环控制。x轴电机驱动器采用公司的DV540步进电机驱动器，设置为3200细分。驱动器接收外部发送的脉冲信号和方向电平，驱动器每接收一个脉冲跳变就控制电机转过一定角度β

[0042] β＝360/3200＝0.1125(deg)

[0043] 驱动器接收方向电平为高电平时，电机正转，方向电平为低电平时，电机反转。调整使电机转速足够快，则电机能够在一个控制周期内转过控制器指定的角度，保证电机位置时刻跟随控制信号。

[0044] 开关电源，将220V市电转换为36V稳压直流电，用于为车身姿态模拟系统供电。

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