汽车动态底盘控制系统硬件在环仿真试验台
阅读：370发布：2020-12-27
专利汇可以提供汽车动态底盘控制系统硬件在环仿真试验台专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开一种 汽车 动态底盘控制系统 硬件 在环仿真试验台，在宿主机上基于Matlab/Simulink平台搭建人‑车‑路闭环数字化仿真模型，通过RTW编译模 块 转化为可执行的C代码，下载到目标机的CPU中，DCC 控制器 通过I/O数据转换模块与目标机保持通讯，DCC控制器实时采集人‑车‑路闭环数字化模型数据，DCC控制器的输出控制 减振器 电磁 阀 ， 电流 采集模块实时采集减振器 电磁阀 的控制电流 信号 ，并通过I/O数据转换模块反馈给目标机，形成闭环回路；仿真试验台对不同工况和不同模式下的控制效果进行评价，每次仿真结束，给出相应的评价结果。本发明的优点是通过自适应调节四个减振器的阻尼 力 实现汽车底盘动态控制。，下面是汽车动态底盘控制系统硬件在环仿真试验台专利的具体信息内容。
1.一种汽车动态底盘控制系统硬件在环仿真试验台，其特征在于：该仿真试验台包括宿主机、目标机、监控机、I/O数据转换模块、网络接口卡、USBCAN接口卡，BDM下载器、DCC控制器、减振器电磁阀和电流采样模块，宿主机上基于Matlab/Simulink平台搭建人-车-路闭环数字化仿真模型，通过RTW编译模块转化为可执行的C代码，下载到目标机的CPU中，DCC控制器通过I/O数据转换模块与目标机保持通讯，DCC控制器实时采集目标机中的人-车-路闭环数字化模型数据，DCC控制器的输出控制减振器电磁阀，电流采集模块实时采集减振器电磁阀的控制电流信号，并通过I/O数据转换模块反馈给目标机，形成闭环回路；仿真试验台对不同工况和不同模式下的控制效果进行评价，每次仿真结束，给出相应的评价结果。
2.根据权利要求1所述的汽车动态底盘控制系统硬件在环仿真试验台，其特征在于：所述I/O数据转换模块包括I/O数据转换卡和CAN转换卡，所述I/O数据转换卡将目标机计算得到的车辆各项动态参数信号从数字量转化为模拟量，其中的车身高度传感器信号和车身垂向加速度传感器信号直接发送DCC控制器，其余信号由CAN转换卡打包为CAN数据发送至网络接口卡，通过CAN总线传到DCC控制器中；I/O数据转换卡同时把电流采样模块输出的模拟量转化为数字量发送目标机，形成闭合回路。
3.根据权利要求1或2所述的汽车动态底盘控制系统硬件在环仿真试验台，其特征在于：所述监控机通过CAN转换卡对CAN总线上的数据进行实时监控采集，对数据进行后处理和分析。
4.根据权利要求1所述的汽车动态底盘控制系统硬件在环仿真试验台，其特征在于：所述DCC控制器包括MC9S12XDP512最小系统、信号输入模块和输出驱动模块，MC9S12XDP512最小系统包括电源模块、时钟电路、复位电路、BDM接口电路，信号输入模块包括滤波电路模块、分压电路模块和CAN信号收发电路模块，输出驱动模块包括PWM模块，电磁阀驱动电路模块和电流反馈电路模块；所述DCC控制器的输入信号包括车身高度传感器信号、加速度传感器信号、DCC模式选择信号和CAN信号；在DCC系统仿真过程中，给出各个减振器阻尼力的变化、减振器控制电流的变化，实时验证控制策略、调整控制参数直到获得满意控制效果。
5.根据权利要求1所述的汽车动态底盘控制系统硬件在环仿真试验台，其特征在于：所述减振器电磁阀包括四个比例电磁阀，其采用控制芯片输出的PWM与I/O端口进行控制，改变PWM的占空比可控制比例电磁阀的阀芯开度，从而改变减振器输出的阻尼力。
6.根据权利要求1所述的汽车动态底盘控制系统硬件在环仿真试验台，其特征在于：所述电流采样模块包括高精度采样电阻、高阻抗放大器和滤波电路，高精度采样电阻串联在比例电磁阀的驱动电路中，高阻抗放大器放大采样电阻两端的电压，经滤波电路滤波后，输入至I/O数据转换卡中，反馈比例电磁阀当前的工作电流。
7.根据权利要求1所述的汽车动态底盘控制系统硬件在环仿真试验台，其特征在于：所述宿主机上基于Matlab/Simulink平台搭建人-车-路闭环数字化仿真模型，在分析车辆多系统耦合的复杂非线性动力学行为特性的基础上，实现车辆纵-侧-垂向动力学非线性模型的数学理论解析和仿真建模，包括以下步骤：1）建模假设；2）动力传动系统建模；3）车体建模；4）悬架建模；5）轮胎建模；6）驾驶员建模。
8.根据权利要求7所述的汽车动态底盘控制系统硬件在环仿真试验台，其特征在于：所述第1）建模假设，包括a）简化动力传动系统建模过程；b）忽略车轮定位参数不对称的影响，假设悬架中心距和轮距相等；c）假设侧倾中心和俯仰中心都位于汽车纵向平分面上，且侧倾轴线位于俯仰轴线上方；d）忽略簧下质量的侧倾和俯仰运动；e）假设簧下质量和簧上质量在垂直方向是弹性连接的，在水平方向是刚性连接。
9.根据权利要求7所述的汽车动态底盘控制系统硬件在环仿真试验台，其特征在于：所述第3）车体建模，基于拉格朗日分析力学建立车辆纵-侧-垂向统一动力学模型，得到六自由度车体模型的动力学方程
式中， ， 和 为系数矩阵， 为车辆坐标系下的广义坐标；
为车辆坐标系下的广义力。
10.根据权利要求7所述的汽车动态底盘控制系统硬件在环仿真试验台，其特征在于：
所述第6）驾驶员建模，车辆动力学模型的行驶方向控制采用最优曲率驾驶员模型，根据驾驶员操纵特性，建立驾驶员特性参数和车辆模型参数之间的关系，速度控制采用PID控制。
11.根据权利要求1所述的汽车动态底盘控制系统硬件在环仿真试验台，其特征在于：
所述网络接口卡为多节点CAN通信卡，实现由CAN转换卡到DCC控制器和USBCAN接口卡的CAN信号传输。
12.根据权利要求1所述的汽车动态底盘控制系统硬件在环仿真试验台，其特征在于：
所述USBCAN接口卡对CAN总线上的数据进行实时采集，发送至监控机。
汽车动态底盘控制系统硬件在环仿真试验台
技术领域
[0001] 本发明涉及一种仿真试验台，特别涉及一种汽车动态底盘控制系统硬件在环仿真试验台。
背景技术
[0002] 动态底盘控制系统（Dynamic Chassis Control，DCC）亦称“自适应底盘控制系统”，能够针对路面条件、驾驶工况及驾驶员要求实现四个悬架阻尼的自适应可变调整，将汽车底盘调节成“标准型”（Normal）、“运动型”（Sport）和“舒适型”（Comfort）三种模式。装备了DCC动态底盘控制系统的汽车能够在保持了路感清晰的基础上，也可以感受到前所未有的驾乘舒适性，根据不同的驾驶环境相应的选择运动性底盘还是舒适性底盘，使底盘能始终将行驶条件实时地与驾驶者的意愿完美地配合并维持其平衡。DCC通过可调节减振器和电动助力转向解决运动性底盘和舒适性底盘的设计冲突，同时兼顾了乘坐舒适性和操纵稳定性，能够有效解决汽车操作稳定性与乘坐舒适性技术难题。
[0003] 大众提出动态底盘控制（Dynamic Chassis Control，DCC）系统，该系统采用了天纳克旗下的MONROE（中文译为万里路）阀控连续阻尼可调减振器，控制器由德国大陆和大众共同开发，能够针对路面条件、驾驶工况及驾驶员要求实现四个悬架阻尼的自适应可变调整，将汽车底盘调节成“正常型”（Normal）、“运动型”（Sport）和“舒适型”（Comfort）三种模式，通过可调节减振器和电动助力转向解决运动性底盘和舒适性底盘的设计冲突，能够有效解决汽车操作稳定性与乘坐舒适性技术难题。
[0004] 合肥工业大学提出一种汽车底盘集成控制系统与控制方法（200810021298.9）。该控制系统通过传感器检测汽车的轮速信号、转矩信号、发动机转速信号、垂直加速度信号和制动踏板信号等，并将这些信号输入主协调CPU，主协调CPU将所述信号分别传送至ABSCPU、EPSCPU、ASSCPU，并且同时根据对所述信号的分析发出协调命令，ABSCPU、EPSCPU、ASSCPU则根据各自接收的传感器信号和协调命令控制相应驱动模块。该发明克服了现有汽车上EPS、ASS和ABS三个系统之间存在相互干扰的问题，实现了对三个系统的协调控制，全面提高汽车的行驶平顺性、安全性和操纵稳定性。同济大学提出一种汽车底盘集成控制器硬件在环仿真试验台（200810040444.2），把制动防抱死系统（ABS）、牵引力控制系统（TCS）和直接横摆力矩控制（DYC）的功能进行集成，进行硬件在环测试。
[0005] 本发明所述的动态底盘控制系统（DCC）作为一种比较新颖、实用的技术，通过自适应调节四个减振器的阻尼力实现车辆汽车底盘动态控制，与在先发明专利在整车建模方法、控制算法和执行器等方面都有很大区别。
发明内容
[0006] 本发明所要解决的技术问题是要提供一种基于xPC Target实时平台，实现减振器电磁阀与人-车-路闭环数字化仿真模型及DCC控制器的实时通讯，减振器电磁阀的运行状态由DCC控制器进行控制的汽车动态底盘控制系统硬件在环仿真试验台。
[0007] 为了解决以上的技术问题，本发明提供了一种汽车动态底盘控制系统硬件在环仿真试验台，该仿真试验台包括宿主机、目标机、监控机、I/O数据转换模块、网络接口卡、USBCAN接口卡，BDM下载器、DCC控制器、减振器电磁阀和电流采样模块，宿主机上基于Matlab/Simulink平台搭建人-车-路闭环数字化仿真模型，通过RTW编译模块转化为可执行的C代码，下载到目标机的CPU中，DCC控制器通过I/O数据转换模块与目标机保持通讯，DCC控制器实时采集目标机中的人-车-路闭环数字化模型数据，DCC控制器的输出控制减振器电磁阀，电流采集模块实时采集减振器电磁阀的控制电流信号，并通过I/O数据转换模块反馈给目标机，形成闭环回路；仿真试验台对不同工况和不同模式下的控制效果进行评价，每次仿真结束，给出相应的评价结果。
[0008] 所述宿主机上基于Matlab/Simulink平台搭建人-车-路闭环数字化仿真模型，为使所建立的动力学模型具有代表性，本发明提出一种车辆纵-侧-垂向动力学统一建模思路，在分析车辆多系统耦合的复杂非线性动力学行为特性的基础上，实现车辆纵-侧-垂向动力学非线性模型的数学理论解析和仿真建模，包括以下步骤：1）建模假设；2）动力传动系统建模；3）车体建模；4）悬架建模；5）轮胎建模；6）驾驶员建模。
[0009] 1）建模假设：通常，模型复杂程度越高或自由度数越多，仿真精度越高，但数值运算量也会随之增加并影响仿真实时性。因此，考虑必需的整车动力学耦合因素，进行相应的假设简化是必要的。车辆运动过程中必须考虑的耦合因素有：
车轮转向引起的车辆横摆运动存在运动学和动力学相互耦合；轮胎与路面之间的
相互作用是不容忽视的，其纵向和侧向轮胎力的分布受到附着摩擦椭圆的影响； 车辆的纵-侧-垂向运动之间存在耦合性，车辆纵向和侧向加速运动会引起车辆垂向载荷转移，从而影响车辆垂向动力学，而垂向载荷的变化会影响轮胎附着特性和侧偏特性，对整车制动性和操稳性产生影响。
车轮转向引起的车辆横摆运动存在运动学和动力学相互耦合；轮胎与路面之间的
相互作用是不容忽视的，其纵向和侧向轮胎力的分布受到附着摩擦椭圆的影响； 车辆的纵-侧-垂向运动之间存在耦合性，车辆纵向和侧向加速运动会引起车辆垂向载荷转移，从而影响车辆垂向动力学，而垂向载荷的变化会影响轮胎附着特性和侧偏特性，对整车制动性和操稳性产生影响。
[0010] 为简化建模过程，在充分考虑车辆耦合和强非线性的基础上，作以下假设：1、简化动力传动系统建模过程；2、忽略车轮定位参数不对称的影响，假设悬架中心距和轮距相等；3、假设侧倾中心和俯仰中心都位于汽车纵向平分面上，且侧倾轴线位于俯仰轴线上方；4、忽略簧下质量的侧倾和俯仰运动；5、假设簧下质量和簧上质量在垂直方向是弹性连接的，而在水平方向是刚性连接。
[0011] 2）动力传动系统建模：为全面表征车辆实际工作过程中的发动机非稳态过程，在发动机稳态输出特性基础上加入具有滞后特性的一阶惯性环节，得到发动机的动态扭矩特性，即：
(1)
式中， 为发动机动态输出扭矩， 表示发动机的稳态扭矩特性函数，其为发动
机转速 和节气门开度 的非线性函数，为时间常数，这里取 。
(1)
式中， 为发动机动态输出扭矩， 表示发动机的稳态扭矩特性函数，其为发动
机转速 和节气门开度 的非线性函数，为时间常数，这里取 。
[0013] 所研究车辆装备双离合自动变速器，建模过程中不考虑双离合器的接合/分离过程，认为发动机的输出扭矩等于变速器的输入扭矩，即 (3)
式中， 为某档位变速器转动部件和传动轴有效转动惯量； 和 为变速器某档位传动角加速度和角速度； 为车轮总的驱动扭矩；为变速器速比；为主减速器速比； 为传动系统传动效率； 为车轮角速度。
式中， 为某档位变速器转动部件和传动轴有效转动惯量； 和 为变速器某档位传动角加速度和角速度； 为车轮总的驱动扭矩；为变速器速比；为主减速器速比； 为传动系统传动效率； 为车轮角速度。
[0014] 总的驱动力矩 同时施加到两前轮，满足 ，车轮转动动力学方程如下：
(4)
式中， 为车轮等效转动惯量； 和 分别为车轮转动角速度和角加速度； 为
轮胎纵向力； 为轮胎有效半径； 和 分别为车轮的驱动力矩和制动力矩； 为车
轮转动阻尼系数； 分别对应左前、右前、左后和右后车轮。
(4)
式中， 为车轮等效转动惯量； 和 分别为车轮转动角速度和角加速度； 为
轮胎纵向力； 为轮胎有效半径； 和 分别为车轮的驱动力矩和制动力矩； 为车
轮转动阻尼系数； 分别对应左前、右前、左后和右后车轮。
[0015] 3）车体建模车体包括簧上质量和簧下质量两部分，本发明基于拉格朗日分析力学建立车辆纵-侧-垂向统一动力学模型。
[0016] 车辆坐标系 的原点 与俯仰中心 重合，侧倾中心 相对于 满足关系。簧上质量坐标系 的原点 与簧上质量质心重合，簧下质量主要对应
四个非悬挂质量。惯性坐标系 、车辆坐标系 和簧上质量坐标系 之
间可以相互转换。若用方向余弦矩阵 表示上述坐标旋转变换，即
(5)
惯性坐标系、车辆坐标系和簧上质量坐标系之间的转换关系为：
(6)
根据前面定义和分析，车体部分共包含6个自由度，即簧下质量和簧上质量共有的纵向、侧向和横摆3个自由度，簧上质量具有的侧倾、俯仰和垂向3个自由度。分别求出簧上质量和簧下质量的平动和转动角速度，然后表示出各自的动能和势能。
四个非悬挂质量。惯性坐标系 、车辆坐标系 和簧上质量坐标系 之
间可以相互转换。若用方向余弦矩阵 表示上述坐标旋转变换，即
(5)
惯性坐标系、车辆坐标系和簧上质量坐标系之间的转换关系为：
(6)
根据前面定义和分析，车体部分共包含6个自由度，即簧下质量和簧上质量共有的纵向、侧向和横摆3个自由度，簧上质量具有的侧倾、俯仰和垂向3个自由度。分别求出簧上质量和簧下质量的平动和转动角速度，然后表示出各自的动能和势能。
[0017] 根据坐标转换关系，簧上质量质心（簧上质量坐标系原点 ）在惯性坐标系下相对于 点的绝对位置矢量 和绝对速度矢量 分别为： (7)
(8)
式中， 为惯性坐标系下 点相对于 点的位置矢量； 为车辆坐标系下 点相对
于 点的位置矢量，表示为：
(9)
式中， 为矢量 的分量； 为 相对 垂向距离； 为 相对 垂向距离，
。
(8)
式中， 为惯性坐标系下 点相对于 点的位置矢量； 为车辆坐标系下 点相对
于 点的位置矢量，表示为：
(9)
式中， 为矢量 的分量； 为 相对 垂向距离； 为 相对 垂向距离，
。
[0018] 则惯性坐标系下 点的平动速度，即 (10)
记簧上质量绕其自身参考坐标轴的角速度为 ，则
(11)
簧上质量的动能包括簧上质量的平动和转动两部分，即：
(12)
式中， 为簧上质量； 为簧上质量绕其质心 惯性张量，考虑到簧上质量关于
平面对称，则 为：
(13)
式中， 为簧上质量绕质心 的转动惯量或惯性积。
记簧上质量绕其自身参考坐标轴的角速度为 ，则
(11)
簧上质量的动能包括簧上质量的平动和转动两部分，即：
(12)
式中， 为簧上质量； 为簧上质量绕其质心 惯性张量，考虑到簧上质量关于
平面对称，则 为：
(13)
式中， 为簧上质量绕质心 的转动惯量或惯性积。
[0019] 将式(10)(11)(13)代入式(12)，得到簧上质量动能 ： (14)
同理，簧下质量动能由簧下质量的平动、转动以及四个车轮的跳动构成的，即：
(15)
总的动能为簧上质量动能 和簧下质量动能 之和，即 。
同理，簧下质量动能由簧下质量的平动、转动以及四个车轮的跳动构成的，即：
(15)
总的动能为簧上质量动能 和簧下质量动能 之和，即 。
[0020] 车体的势能包括簧上质量高度变化产生的重力势能 (16)
式中，为簧上质量质心到非簧载质心的垂向位移； 为簧上质量在其平衡点位置时的值。
式中，为簧上质量质心到非簧载质心的垂向位移； 为簧上质量在其平衡点位置时的值。
[0022] 通常车辆的运动习惯于在车辆坐标系下描述，利用下面关系将(18)式中广义变量转换为车辆坐标系下的广义变量。
[0023] (18)式中， 为车辆坐标系下的广义坐标；
为车辆坐标系下的广义力。
为车辆坐标系下的广义力。
[0025] 若忽略空气阻力， 主要由地面轮胎力和悬架力产生， 表示为： (20)
式中， 为系数矩阵，
为四个车轮在轮胎坐标系 和 方向的轮
胎力，由轮胎模型得到； 为四个车轮对应的悬架力，由悬架模
型得到。
式中， 为系数矩阵，
为四个车轮在轮胎坐标系 和 方向的轮
胎力，由轮胎模型得到； 为四个车轮对应的悬架力，由悬架模
型得到。
[0026] 惯性坐标系下车辆的运动通过以下运动学关系得到： (21)
式中， , 为整车沿 轴的纵向、侧向速度；, 整车沿 轴的纵向、侧
向速度； 为车辆的横摆角度。
式中， , 为整车沿 轴的纵向、侧向速度；, 整车沿 轴的纵向、侧
向速度； 为车辆的横摆角度。
[0027] 4）悬架建模：这里建立悬架模型的目的是求得悬架力和车轮的垂向载荷，并给出簧下质量的垂向运动方程。悬架力包括弹性元件的弹力、阻尼元件的阻尼力和横向稳定杆的垂向作用力，各个车轮对应的悬架力表示为
(22)
式中， 为弹性元件的刚度系数； 为减振器阻尼力，其与控制电流 、减振器的相对运动速度 有关； 为横向稳定杆产生的垂向作用力； 为四个车轮的垂向位移；
为簧上质量与四个悬架接触点的垂向位移，可由车身俯仰角 、侧倾角 、以及车辆几何参数算出。
(22)
式中， 为弹性元件的刚度系数； 为减振器阻尼力，其与控制电流 、减振器的相对运动速度 有关； 为横向稳定杆产生的垂向作用力； 为四个车轮的垂向位移；
为簧上质量与四个悬架接触点的垂向位移，可由车身俯仰角 、侧倾角 、以及车辆几何参数算出。
[0028] 所述减振器阻尼力 与控制电流、减振器相对运动速度之间的关系如图4～5所示。
[0029] 车轮与地面的接触力为 (23)
式中， 分别为四个车轮与地面的接触力，即车轮垂向运动的车轮动载荷； 分别
为各个车轮的刚度系数， 为四个车轮对应的路面输入。
式中， 分别为四个车轮与地面的接触力，即车轮垂向运动的车轮动载荷； 分别
为各个车轮的刚度系数， 为四个车轮对应的路面输入。
[0030] 在悬架力和车轮与地面接触力的作用下，簧下质量的垂向运动方程为 (24)
车轮垂向载荷由静态法向力、纵向载荷转移量、侧向载荷转移量和轮胎动载荷构成，即
(25)
式中， 为四个车轮的垂向载荷； 为车辆静止状态下四个车轮的垂向载荷；
和 分别为由车辆纵向载荷转移和侧向载荷转移引起的车轮垂向载荷变化量； 为
四个车轮的轮胎动载荷。
车轮垂向载荷由静态法向力、纵向载荷转移量、侧向载荷转移量和轮胎动载荷构成，即
(25)
式中， 为四个车轮的垂向载荷； 为车辆静止状态下四个车轮的垂向载荷；
和 分别为由车辆纵向载荷转移和侧向载荷转移引起的车轮垂向载荷变化量； 为
四个车轮的轮胎动载荷。
[0031] 5）轮胎建模：轮胎模型是轮胎六分力与车轮运动参数之间的数学关系描述。本发明用MF轮胎模型得到作用于车体的广义力，其形式为
(26)
易知，轮胎力 与车轮垂向载荷 、纵向滑动率 、轮胎侧偏角 、路面
附着系数 和车轮外倾角 有关。
(26)
易知，轮胎力 与车轮垂向载荷 、纵向滑动率 、轮胎侧偏角 、路面
附着系数 和车轮外倾角 有关。
[0032] 6）驾驶员建模：仿真时需要对车辆动力学模型的速度和行驶方向进行控制，以保证车辆的速度和行驶轨迹符合期望值。速度控制采用PID控制，即
(27)
式中， 为设定车速； 为实际车速； 为期望加速度；控制参数 ，
， 。
(27)
式中， 为设定车速； 为实际车速； 为期望加速度；控制参数 ，
， 。
[0033] 车辆动力学模型的行驶方向控制采用最优曲率驾驶员模型，根据驾驶员操纵特性，建立驾驶员特性参数和车辆模型参数之间的关系。
[0034] 所述I/O数据转换模块包括I/O数据转换卡和CAN转换卡，所述I/O数据转换卡将目标机计算得到的车辆各项动态参数信号从数字量转化为模拟量，其中的车身高度传感器信号和车身垂向加速度传感器信号直接发送DCC控制器，其余信号由CAN转换卡打包为CAN数据发送至网络接口卡，通过CAN总线传到DCC控制器中；I/O数据转换卡同时把电流采样模块输出的模拟量转化为数字量发送目标机，形成闭合回路。
[0035] 所述监控机通过CAN转换卡对CAN总线上的数据进行实时监控采集，对数据进行后处理和分析。
[0036] 所述DCC控制器包括MC9S12XDP512最小系统、信号输入模块和输出驱动模块，MC9S12XDP512最小系统包括电源模块、时钟电路、复位电路、BDM接口电路，信号输入模块包括滤波电路模块、分压电路模块和CAN信号收发电路模块，输出驱动模块包括PWM模块，电磁阀驱动电路模块和电流反馈电路模块；所述DCC控制器的输入信号包括车身高度传感器信号、加速度传感器信号、DCC模式选择信号和CAN信号；在DCC系统仿真过程中，给出各个减振器阻尼力的变化、减振器控制电流的变化，实时验证控制策略、调整控制参数直到获得满意控制效果。
[0038] 所述电流采样模块包括高精度采样电阻、高阻抗放大器和滤波电路，高精度采样电阻串联在比例电磁阀的驱动电路中，高阻抗放大器放大采样电阻两端的电压，经滤波电路滤波后，输入至I/O数据转换卡中，反馈比例电磁阀当前的工作电流。
[0040] 所述USBCAN接口卡对CAN总线上的数据进行实时采集，发送至监控机。
[0041] 本发明的优越功效在于：1） 实现了动态底盘控制系统控制器与执行器的硬件在环，对各种控制策略的预测结果更加明确；
2） 在动态底盘控制系统控制器开发前期，采用硬件在环仿真试验台，可以对各种控制参数特别是在极端危险工况的控制参数进行优化；
3） 可以测试装配动态底盘控制系统车辆的平顺性、弯道工况的防侧倾稳定性、起步工况的俯仰姿态控制、紧急工况下的轮胎附着特性以及横向稳定性；
4） 简化试验环境，测试得到的各项性能及获得的优化参数与实车试验比较接近；
5） 以实时处理平台运行仿真模型来模拟车辆运行状态，对汽车动态底盘控制系统硬件进行全面的、系统测试，减少实车路试测试次数，有效降低试验故障风险，缩短开发时间及降低成本。
附图说明
2） 在动态底盘控制系统控制器开发前期，采用硬件在环仿真试验台，可以对各种控制参数特别是在极端危险工况的控制参数进行优化；
3） 可以测试装配动态底盘控制系统车辆的平顺性、弯道工况的防侧倾稳定性、起步工况的俯仰姿态控制、紧急工况下的轮胎附着特性以及横向稳定性；
4） 简化试验环境，测试得到的各项性能及获得的优化参数与实车试验比较接近；
5） 以实时处理平台运行仿真模型来模拟车辆运行状态，对汽车动态底盘控制系统硬件进行全面的、系统测试，减少实车路试测试次数，有效降低试验故障风险，缩短开发时间及降低成本。
附图说明
[0042] 构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：图1为本发明的原理框图；
图2为本发明宿主机的原理框图；
图3为本发明的车体运动学分析示意图；
图4为本发明的前减振器阻尼特性曲线图；
图5为本发明的后减振器阻尼特性曲线图；
图6为本发明CAN转换卡的电路原理框图；
图7为本发明DCC控制器的电路原理框图；
图8为本发明的电流采样模块的电路原理框图；
图9为本发明的工作流程图。
图2为本发明宿主机的原理框图；
图3为本发明的车体运动学分析示意图；
图4为本发明的前减振器阻尼特性曲线图；
图5为本发明的后减振器阻尼特性曲线图；
图6为本发明CAN转换卡的电路原理框图；
图7为本发明DCC控制器的电路原理框图；
图8为本发明的电流采样模块的电路原理框图；
图9为本发明的工作流程图。
具体实施方式
[0044] 下面结合附图详细说明本发明的实施例。
[0045] 图1示出了本发明实施例的原理框图。如图1所示，本发明提供了一种汽车动态底盘控制系统硬件在环仿真试验台，包括宿主机1、目标机2、监控机3、I/O数据转换卡4、CAN转换卡5、网络接口卡6、USBCAN接口卡7，BDM下载器8、DCC控制器9、减振器电磁阀10和电流采样模块11。在宿主机1上，基于Matlab/Simulink平台搭建人-车-路闭环数字化仿真模型，通过RTW编译模块转化为可执行的C代码，经由以太网下载到目标机2的CPU中，DCC控制器9通过I/O数据转换卡4与目标机2保持通讯，实时采集目标机中人-车-路闭环数字化模型信息，并控制四个减振器电磁阀10，电流采集模块9实时采集四个减振器电磁阀的控制电流信号，并通过I/O数据转换卡4反馈给目标机2，形成闭环回路。监控机3上装有LabVIEW图形化数据采集软件，通过CAN转换卡5对CAN总线上的数据进行实时监控采集，对数据进行后处理和分析。DCC控制器里面的软件代码可在宿主机1或其他PC机上编写，通过BDM8烧结到DCC控制器9中。
[0046] 基于上述软、硬件构成，建立由DCC控制器进行控制的汽车动态底盘控制系统硬件在环仿真试验台。
[0047] 如图2所示，所述宿主机1为安装有Matlab/Simulink和Visual C++目标语言编译器软件环境的PC机，在宿主机1上建立人-车-路闭环数字化仿真模型，通过RTW编译模块可转化为可执行的C代码。
[0048] 为使所建立的动力学模型具有代表性，本发明提出一种车辆纵-侧-垂向动力学统一建模思路，在分析车辆多系统耦合的复杂非线性动力学行为特性的基础上，实现车辆纵-侧-垂向动力学非线性模型的数学理论解析和仿真建模，包括以下步骤：1）建模假设；2）动力传动系统建模；3）车体建模；4）悬架建模；5）轮胎建模；6）驾驶员建模。
[0049] 1）建模假设：通常，模型复杂程度越高或自由度数越多，仿真精度越高，但数值运算量也会随之增加并影响仿真实时性。因此，考虑必需的整车动力学耦合因素，进行相应的假设简化是必要的。车辆运动过程中必须考虑的耦合因素有：
1、车轮转向引起的车辆横摆运动存在运动学和动力学相互耦合；2、轮胎与路面之间的相互作用是不容忽视的，其纵向和侧向轮胎力的分布受到附着摩擦椭圆的影响；3、车辆的纵-侧-垂向运动之间存在耦合性，车辆纵向和侧向加速运动会引起车辆垂向载荷转移，从而影响车辆垂向动力学，而垂向载荷的变化会影响轮胎附着特性和侧偏特性，对整车制动性和操稳性产生影响。
1、车轮转向引起的车辆横摆运动存在运动学和动力学相互耦合；2、轮胎与路面之间的相互作用是不容忽视的，其纵向和侧向轮胎力的分布受到附着摩擦椭圆的影响；3、车辆的纵-侧-垂向运动之间存在耦合性，车辆纵向和侧向加速运动会引起车辆垂向载荷转移，从而影响车辆垂向动力学，而垂向载荷的变化会影响轮胎附着特性和侧偏特性，对整车制动性和操稳性产生影响。
[0050] 为简化建模过程，在充分考虑车辆耦合和强非线性的基础上，作以下假设：1、简化动力传动系统建模过程；2、忽略车轮定位参数不对称的影响，假设悬架中心距和轮距相等；3、假设侧倾中心和俯仰中心都位于汽车纵向平分面上，且侧倾轴线位于俯仰轴线上方；4、忽略簧下质量的侧倾和俯仰运动；5、假设簧下质量和簧上质量在垂直方向是弹性连接的，而在水平方向是刚性连接。
[0051] 2）动力传动系统建模：为全面表征车辆实际工作过程中的发动机非稳态过程，在发动机稳态输出特性基础上加入具有滞后特性的一阶惯性环节，得到发动机的动态扭矩特性，即：
(1)
式中， 为发动机动态输出扭矩， 表示发动机的稳态扭矩特性函数，其为发动
机转速 和节气门开度 的非线性函数，为时间常数，这里取 。
(1)
式中， 为发动机动态输出扭矩， 表示发动机的稳态扭矩特性函数，其为发动
机转速 和节气门开度 的非线性函数，为时间常数，这里取 。
[0052] 发动机输出力矩与输出转速之间的动力学关系为： (2)
式中，为发动机转动部件和离合器部分有效转动惯量； 为发动机转动角加速度；
为发动机飞轮输出扭矩；为离合器输入力矩。
式中，为发动机转动部件和离合器部分有效转动惯量； 为发动机转动角加速度；
为发动机飞轮输出扭矩；为离合器输入力矩。
[0053] 所研究车辆装备双离合自动变速器，建模过程中不考虑双离合器的接合/分离过程，认为发动机的输出扭矩等于变速器的输入扭矩，即 (3)
式中， 为某档位变速器转动部件和传动轴有效转动惯量； 和 为变速器某档位传动角加速度和角速度； 为车轮总的驱动扭矩；为变速器速比；为主减速器速比； 为传动系统传动效率； 为车轮角速度。
式中， 为某档位变速器转动部件和传动轴有效转动惯量； 和 为变速器某档位传动角加速度和角速度； 为车轮总的驱动扭矩；为变速器速比；为主减速器速比； 为传动系统传动效率； 为车轮角速度。
[0054] 总的驱动力矩 同时施加到两前轮，满足 ，车轮转动动力学方程如下：
(4)
式中， 为车轮等效转动惯量； 和 分别为车轮转动角速度和角加速度； 为
轮胎纵向力； 为轮胎有效半径； 和 分别为车轮的驱动力矩和制动力矩； 为车
轮转动阻尼系数； 分别对应左前、右前、左后和右后车轮。
(4)
式中， 为车轮等效转动惯量； 和 分别为车轮转动角速度和角加速度； 为
轮胎纵向力； 为轮胎有效半径； 和 分别为车轮的驱动力矩和制动力矩； 为车
轮转动阻尼系数； 分别对应左前、右前、左后和右后车轮。
[0055] 3）车体建模车体包括簧上质量和簧下质量两部分，本发明基于拉格朗日分析力学建立车辆纵-侧-垂向统一动力学模型。
[0056] 车辆坐标系 的原点 与俯仰中心 重合，侧倾中心 相对于 满足关系。簧上质量坐标系 的原点 与簧上质量质心重合，簧下质量主要对应
四个非悬挂质量。惯性坐标系 、车辆坐标系 和簧上质量坐标系 之
间可以相互转换。若用方向余弦矩阵 表示上述坐标旋转变换，即
(5)
惯性坐标系、车辆坐标系和簧上质量坐标系之间的转换关系为：
(6)
根据前面定义和分析，车体部分共包含6个自由度，即簧下质量和簧上质量共有的纵向、侧向和横摆3个自由度，簧上质量具有的侧倾、俯仰和垂向3个自由度。分别求出簧上质量和簧下质量的平动和转动角速度，然后表示出各自的动能和势能。
四个非悬挂质量。惯性坐标系 、车辆坐标系 和簧上质量坐标系 之
间可以相互转换。若用方向余弦矩阵 表示上述坐标旋转变换，即
(5)
惯性坐标系、车辆坐标系和簧上质量坐标系之间的转换关系为：
(6)
根据前面定义和分析，车体部分共包含6个自由度，即簧下质量和簧上质量共有的纵向、侧向和横摆3个自由度，簧上质量具有的侧倾、俯仰和垂向3个自由度。分别求出簧上质量和簧下质量的平动和转动角速度，然后表示出各自的动能和势能。
[0057] 根据坐标转换关系，簧上质量质心（簧上质量坐标系原点 ）在惯性坐标系下相对于 点的绝对位置矢量 和绝对速度矢量 分别为： (7)
(8)
式中， 为惯性坐标系下 点相对于 点的位置矢量； 为车辆坐标系下 点相对
于 点的位置矢量，表示为：
(9)
式中， 为矢量 的分量； 为 相对 垂向距离； 为 相对 垂向距离，
。
(8)
式中， 为惯性坐标系下 点相对于 点的位置矢量； 为车辆坐标系下 点相对
于 点的位置矢量，表示为：
(9)
式中， 为矢量 的分量； 为 相对 垂向距离； 为 相对 垂向距离，
。
[0058] 则惯性坐标系下 点的平动速度，即 (10)
记簧上质量绕其自身参考坐标轴的角速度为 ，则
(11)
簧上质量的动能包括簧上质量的平动和转动两部分，即：
(12)
式中， 为簧上质量； 为簧上质量绕其质心 惯性张量，考虑到簧上质量关于
平面对称，则 为：
(13)
式中， 为簧上质量绕质心 的转动惯量或惯性积。
记簧上质量绕其自身参考坐标轴的角速度为 ，则
(11)
簧上质量的动能包括簧上质量的平动和转动两部分，即：
(12)
式中， 为簧上质量； 为簧上质量绕其质心 惯性张量，考虑到簧上质量关于
平面对称，则 为：
(13)
式中， 为簧上质量绕质心 的转动惯量或惯性积。
[0059] 将式(10)(11)(13)代入式(12)，得到簧上质量动能 ： (14)
同理，簧下质量动能由簧下质量的平动、转动以及四个车轮的跳动构成的，即：
(15)
总的动能为簧上质量动能 和簧下质量动能 之和，即 。
同理，簧下质量动能由簧下质量的平动、转动以及四个车轮的跳动构成的，即：
(15)
总的动能为簧上质量动能 和簧下质量动能 之和，即 。
[0060] 车体的势能包括簧上质量高度变化产生的重力势能 (16)
式中，为簧上质量质心到非簧载质心的垂向位移；为簧上质量在其平衡点位置时
的值。
式中，为簧上质量质心到非簧载质心的垂向位移；为簧上质量在其平衡点位置时
的值。
[0061] 将车体总的动能、势能和耗散能量带入拉格朗日方程，再对其求偏导数，即可得到车体的运动方程，车体拉格朗日方程为： (17)
式中， 为惯性坐标系下的广义坐标； 为
惯性坐标系下的广义力。
式中， 为惯性坐标系下的广义坐标； 为
惯性坐标系下的广义力。
[0062] 通常车辆的运动习惯于在车辆坐标系下描述，利用下面关系将(18)式中广义变量转换为车辆坐标系下的广义变量。
[0063] (18)式中， 为车辆坐标系下的广义坐标；
为车辆坐标系下的广义力。
为车辆坐标系下的广义力。
[0064] 至此，得到六自由度车体模型的动力学方程 (19)
式中， ， 和 为系数矩阵， 为车辆坐标系下的广义坐
标； 为车辆坐标系下的广义力。
式中， ， 和 为系数矩阵， 为车辆坐标系下的广义坐
标； 为车辆坐标系下的广义力。
[0065] 若忽略空气阻力， 主要由地面轮胎力和悬架力产生， 表示为： (20)
式中， 为系数矩阵，
为四个车轮在轮胎坐标系 和 方向的轮
胎力，由轮胎模型得到； 为四个车轮对应的悬架力，由悬架模
型得到。
式中， 为系数矩阵，
为四个车轮在轮胎坐标系 和 方向的轮
胎力，由轮胎模型得到； 为四个车轮对应的悬架力，由悬架模
型得到。
[0066] 惯性坐标系下车辆的运动通过以下运动学关系得到： (21)
式中， , 为整车沿 轴的纵向、侧向速度； , 整车沿 轴的纵向、侧
向速度； 为车辆的横摆角度。
式中， , 为整车沿 轴的纵向、侧向速度； , 整车沿 轴的纵向、侧
向速度； 为车辆的横摆角度。
[0067] 4）悬架建模：这里建立悬架模型的目的是求得悬架力和车轮的垂向载荷，并给出簧下质量的垂向运动方程。悬架力包括弹性元件的弹力、阻尼元件的阻尼力和横向稳定杆的垂向作用力，各个车轮对应的悬架力表示为
(22)
式中， 为弹性元件的刚度系数； 为减振器阻尼力，其与控制电流 、减振器的
相对运动速度 有关； 为横向稳定杆产生的垂向作用力； 为四个车轮的垂向位移；
为簧上质量与四个悬架接触点的垂向位移，可由车身俯仰角 、侧倾角 、以及车辆几何参数算出。
(22)
式中， 为弹性元件的刚度系数； 为减振器阻尼力，其与控制电流 、减振器的
相对运动速度 有关； 为横向稳定杆产生的垂向作用力； 为四个车轮的垂向位移；
为簧上质量与四个悬架接触点的垂向位移，可由车身俯仰角 、侧倾角 、以及车辆几何参数算出。
[0068] 所述减振器阻尼力 与控制电流、减振器相对运动速度之间的关系如图4～5所示。
[0069] 车轮与地面的接触力为 (23)
式中， 分别为四个车轮与地面的接触力，即车轮垂向运动的车轮动载荷； 分别
为各个车轮的刚度系数， 为四个车轮对应的路面输入。
式中， 分别为四个车轮与地面的接触力，即车轮垂向运动的车轮动载荷； 分别
为各个车轮的刚度系数， 为四个车轮对应的路面输入。
[0070] 在悬架力和车轮与地面接触力的作用下，簧下质量的垂向运动方程为 (24)
车轮垂向载荷由静态法向力、纵向载荷转移量、侧向载荷转移量和轮胎动载荷构成，即
(25)
式中， 为四个车轮的垂向载荷； 为车辆静止状态下四个车轮的垂向载荷；
和 分别为由车辆纵向载荷转移和侧向载荷转移引起的车轮垂向载荷变化量； 为
四个车轮的轮胎动载荷。
车轮垂向载荷由静态法向力、纵向载荷转移量、侧向载荷转移量和轮胎动载荷构成，即
(25)
式中， 为四个车轮的垂向载荷； 为车辆静止状态下四个车轮的垂向载荷；
和 分别为由车辆纵向载荷转移和侧向载荷转移引起的车轮垂向载荷变化量； 为
四个车轮的轮胎动载荷。
[0071] 5）轮胎建模：轮胎模型是轮胎六分力与车轮运动参数之间的数学关系描述。本发明用MF轮胎模型得到作用于车体的广义力，其形式为
(26)
易知，轮胎力 与车轮垂向载荷 、纵向滑动率 、轮胎侧偏角 、路面
附着系数 和车轮外倾角 有关。
(26)
易知，轮胎力 与车轮垂向载荷 、纵向滑动率 、轮胎侧偏角 、路面
附着系数 和车轮外倾角 有关。
[0072] 6）驾驶员建模：仿真时需要对车辆动力学模型的速度和行驶方向进行控制，以保证车辆的速度和行驶轨迹符合期望值。速度控制采用PID控制，即
(27)
式中， 为设定车速； 为实际车速； 为期望加速度；控制参数 ，
， 。
(27)
式中， 为设定车速； 为实际车速； 为期望加速度；控制参数 ，
， 。
[0073] 车辆动力学模型的行驶方向控制采用最优曲率驾驶员模型，根据驾驶员操纵特性，建立驾驶员特性参数和车辆模型参数之间的关系。
[0074] 所述目标机2为研华610H工控机，并通过数据转换模块实现目标机2和DCC控制器9之间的通讯。
[0075] 所述数据转换模块包括I/O数据转换卡4（研华PCL-818L和PCL-726）和CAN转换卡5。I/O数据转换卡4将目标机2计算得到的车辆各项动态参数信号从数字量转化为模拟量，其中的车身高度传感器信号和车身垂向加速度传感器信号直接供DCC控制器9接收，其余信号由CAN转换卡5打包为CAN消息发送至网络接口卡6上，通过CAN总线传到DCC控制器9中。I/O数据转换卡4同时把电流采样模块11输出的模拟量转化为数字量供目标机2接收，从而形成闭合回路。
[0076] 所述CAN转换卡5的电路原理如图6所示，本发明根据DCC控制器9的信号采集模块输入要求，以Freescale飞思卡尔8位控制芯片为核心设计CAN转换卡，将I/O数据转换卡4输出的车辆各项动态参数信号转换为CAN消息发送至网络接口卡6上，供DCC控制器9和USBCAN接口卡7接收。
[0077] 所述DCC控制器9的电路原理如图7所示，本发明根据DCC系统的特点，以Freescale（飞思卡尔）16位控制芯片MC9S12XDP512为核心，自行开发设计DCC控制器，其输入信号包括车身高度传感器信号、加速度传感器信号、DCC模式选择信号和CAN信号。DCC控制器包括MC9S12XDP512最小系统、信号输入模块和输出驱动模块。MC9S12XDP512最小系统包括电源模块、时钟电路、复位电路、BDM接口电路等组成；信号输入模块包括滤波电路模块、分压电路模块和CAN信号收发电路模块；输出驱动模块包括PWM模块，电磁阀驱动电路模块和电流反馈电路模块。
[0078] 所述减振器电磁阀10包括四个比例电磁阀，采用控制芯片输出的PWM与I/O端口进行控制。以Infineon（英飞凌）的BTS5090作为驱动芯片，通过I/O端口控制，改变PWM的占空比可实现比例电磁阀的阀芯开度，从而改变减振器输出的阻尼力。
[0079] 所述电流采样模块11如图8所示，包括高精度采样电阻、高阻抗放大器和滤波电路。通过在比例电磁阀驱动电路中串联一个高精度采样电阻，并使用高阻抗的差分放大器放大采样电阻两端的电压，再经过RC滤波电路，降低信号中的高频噪声。最后将滤波后的信号输入至宿主机1的I/O数据转换板卡4中，即可确定比例电磁阀当前的工作电流。
[0080] 所述网络接口卡6为多节点CAN通信卡，以实现由CAN转换卡5到DCC控制器9和USBCAN接口卡7的CAN信号传输。
[0081] 所述USBCAN接口卡7为ZLG USBCAN-II智能CAN接口卡，用于对CAN总线上的消息进行实时采集。
[0082] 所述监控机3为装有LabVIEW图形化数据采集软件的PC机，通过USBCAN接口卡7与网络接口卡6相连，实时采集目标机2与DCC控制器9的交互信息，监控试验过程中的异常数据，并保存数据以便进行后处理及分析。
[0084] 经过以上步骤，建立一个动态底盘控制系统硬件在环仿真试验台，硬件在环仿真试验台就可以运行并对电控单元的控制参数做出评价。人-车-路闭环系统模型在目标机2中运行，DCC控制器9根据目标机2实时给出的车辆信息，如高度传感器信号、加速度传感器信号、DCC模式选择信号、CAN信号等，控制电磁阀10的工作状态，电路采集模块9将此时对应的减振器电流通过数据板卡反馈给目标机2的CPU，监控机3通过USBCAN接口卡7实时判断试验结果。
[0085] 如图9所示为本发明的工作流程图，硬件在环仿真试验台可以对不同工况和不同模式下的控制效果进行评价，每次仿真结束，都能给出相应的结果进行评价。在DCC系统仿真过程中，能够全面给出各个减振器阻尼力的变化、减振器控制电流的变化等，从而实时验证控制策略、调整控制参数直到获得满意控制效果。
[0087] 由于实现了DCC控制器9及减振器电磁阀的硬件在环，测试得到的各项性能及获得优化参数与实车试验比较接近，从而显著减少实车试验的次数，缩短了开发周期的同时还节省了大量的开发成本。
[0088] 以上所述仅为本发明的优先实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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