汽车性能论文汽车安全性能论文

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汽车性能测试仿真平台的建立

摘要：为能够快速地改善上述实车测试的缺失以及提供车辆进行测试之后的相关评估性能指针并做为各车厂于开发新车过程中之依据，不但能够大幅度的缩短测试的时间，而且可以准确地获得该车辆的相关性能表现，这些都是建立汽车性能测试仿真平台，进行进行车辆性能测试的目标。

关键词：车辆；性能测试；仿真平台

1 仿真平台系统架构

在仿真实车测试性能过程中，驾驶者会被指定目标道路轨迹去依循，并将测出的车辆动态变量做为评估与分析车辆性能指针的用途。因此，本研究根据上述目的来规划建构出一套车辆性能测试仿真平台。

此车辆性能测试仿真平台架构包括了驾驶者动态仿真模块（driver motion model）、车辆动态仿真模块（vehicle dynamics model）、以及测试道路轨迹产生模块（desired trajectory generation）。因此将上述模块作结合的后，所获得的车辆性能测试仿真系统也就能够仿真真实驾驶者反应于操作车辆进行相关道路测试，同时根据量测出的相关车辆动态响应来做为评估与分析的车辆性能指针。

上图1红色虚线所包围的区域即为本研究车辆性能测试仿真平台的驾驶者动态仿真模块。其控制架构是真实人类于操控车辆的反应行为，包括有驾驶者实时补偿控制动态以及预期控制动态行为反应，最后再根据上述动态来规划出适合的驾驶者动态仿真模块。而图1的架构中，驾驶者实时补偿控制动态能够立即辨别出当下车辆运动轨迹参数与目标道路轨迹参数，并输出前轮转向角度?来调整车辆的动态行为以达到依循目标道路轨迹的目的；另外，驾驶者预期控制动态则透过观察即将到来的道路轨迹，并提前调整车辆动态亦可达到依循目标道路轨迹的目的。

2 实时补偿控制动态模型的建立

在驾驶者实时补偿控制部分，驾驶者反应会实时修正当下车辆运动轨迹与目标道路轨迹的间的误差，并调整车辆动态行为来追踨目标道路轨迹，此种驾驶者反应行为称为驾驶者实时补偿控制动态（compensatory control behavior）。驾驶者模型是以一个前馈暨回馈控制架构来组成并用来仿真真人实时补偿控制动态的反应行为。其中在回馈控制法则设计上，是以一个PID控制器以及延迟时间影响来做为驾驶者回馈控制动态。

如上式所示，为驾驶者实时补偿的回馈控制量；而则为车辆运动轨迹参数与目标道路轨迹参数的间的差异；另外Kp、Ki以及Kd 分别为PID控制器的大小、积分以及微分增益值，其中Kp代表驾驶者对依循道路轨迹误差的修正幅度大小，Ki代表驾驶者抵消外界干

扰（如迎风力大小或地面平整度等），Kd代表驾驶者对依循道路轨迹误差的修正速度快慢；最后的则为驾驶者反应延迟的转移函数表示，其中Td定义为驾驶者反应延迟时间（driver delay time）。

车辆运动力学模型是如下图所示的二次元四轮模型：

3 车辆动态仿真

在进行车辆性能测试的仿真时，本研究利用CarSim车辆动态仿真软件所建置的车辆动态模型来进行相关性能测试项目的仿真。其中CarSim软件的车辆动态仿真流程图可表示为下图。

如图3所示。首先，左上角的图形数据库（Graphical database）是由车辆模型参数、控制输入以及相关模拟设定所组成，并包含总共有140多种车辆相关数据的设定接口，且每个不同的设定接口都代表着不同的车辆数据。其次，在完成车辆相关的数据设定后，其内建的车辆数学模型（Vehicle mash model）会根据相关车辆运动方程式（equation of motion）计算并输出车辆相关动态。最后，车辆动态的仿真结果可以3D动画（Surface animator）来呈现，同时也可获得仿真完的车辆动态变量图形（Engineering plotter）。由于CarSim 车辆动态仿真软件内建的车辆动态模型涵盖了车体、轮胎、转向系统、悬吊系统、以及煞车系统等并建构出一个多刚体的车辆动态仿真系统。因此，CarSim车辆动态模型中总共有15个自由度，其中车身刚体部分使用了6个自由度，包含前向（forward）、侧向（lateral）、垂直正向（Vertical）、滚动（roll）、俯仰（pitch）以及横摆（yaw）；

而前后悬吊系统的各自垂直与滚动运动则占有4个自由度；每个轮胎的滚动则使用了1个自由度，共4个自由度；引擎输出轴的运动则是最后的1个自由度。

4 道路轨迹循迹误差计算

本文在模拟车辆进行测试过程中，驾驶者必须依照指定的道路轨迹来行驶并观察出车辆运动轨迹与目标道路轨迹的间的差异，最后再输出前轮转向角度以便调整车辆动态行为来达成依循道路轨迹的目的。因此，根据驾驶者实时补偿控制模型得知，驾驶者前馈暨回馈控制法则所输出的前轮转向角度?能够提供给车辆动态仿真模型来调整车辆动态行为，最后使得车辆达到依循目标道路轨迹的目的。其中，系统输入的前轮转向角度会直接影响车辆动态仿真模型并产生相关车辆动态响应，即车辆相对应于车体坐标（body-fixed coordinate system）的运动，然后此运动再进行车辆相对应于绝对坐标位置（global coordinate system）的计算并获得车辆实际行驶的道路轨迹参数并输出前轮转向角度来调整车辆的动态行为以达到依循目标道路轨迹的目的。若以定圆测试为例，当车辆进行测试并行驶于定圆道路轨迹上时，驾驶者实时补偿控制动态会去评估车辆运动轨迹的位置离开目标定圆道路轨迹中心的距离，此距离即为定圆道路轨迹的曲率半径R，所以道路轨迹参数即为定圆道路轨迹的曲率半径R。在经过驾驶者的反应判断的后，其所输出的前轮转向角度?也就能够调整车辆动态行为来达到依循道路轨迹的目的。

参考文献：

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