基于模拟驾驶系统的动力学仿真模型分析与构建

基于模拟驾驶系统的动力学仿真模型分析与构建

汽车动力学模型在模拟驾驶系统中的作用很大，它可以给学员提供有如真实驾车的感觉，要达到逼真的视景仿真和操纵仿真结果，就需要建立仿真模型并对模型进行仿真实验。分析介绍了在设计基于虚拟现实技术的汽车模拟驾驶系统中

进行动力学分析和仿真所需建立的相关动力学模型。

标签：虚拟现实；汽车模拟驾驶；汽车动力学；模型；仿真

1 引言

开发汽车模拟驾驶系统具有重大的社会效益和经济效益。它可取代驾驶培训中学员实车训练中的部分科目和内容以及研究道路行驶的安全状况，有利于驾驶培训正规化、科学化和规范化，减少交通事故的发生率，并具有节能、安全、经济、高效等优点。在汽车模拟驾驶系统的开发中，为了尽量达到实车的驾驶效果，则利用计算机技术、控制技术和声像技术来模拟汽车驾驶及其行驶环境，所以需要建立逼真的仿真模型。模拟驾驶系统中要求仿真的内容很多,而建立并实现汽车模拟驾驶的汽车动力学模型是研制汽车模拟驾驶系统的前提。要做好汽车动力学仿真,建立正确的动力学模型是关键。笔者在汽车模拟驾驶系统研究过程中,基于汽车动力学知识和计算机控制技术,采用动力学和运动学分析方法对汽车所受的力进行研究，将得出的动力学数学模型通过实验建模用于汽车模拟驾驶系统的仿真，开发了适合我国交通国情和道路状况的汽车模拟驾驶系统。此系统主要通过模拟驾驶舱和计算机生成汽车行驶过程中虚拟的视景、音响等驾驶环境，将仿真的实验数据发送给视景计算机，驱动视景变化，视景计算机对车辆运动进行碰撞检测，将碰撞结果反馈给主机进行所受外力的计算，将计算结果以脉冲信号的形式发送给下位机，下位机通过电机控制模拟驾驶座椅摇动及振动来达到模拟驾

驶的效果。下面仅就动力学仿真方面内容进行论述。

2 汽车运行状态的受力分析

汽车在行驶过程中,不仅受发动机驱动力影响,还要克服各种阻力等，而汽车的动力性又是汽车各种性能中最基本、最重要的一种性能，要建立汽车模拟驾驶系统的动力学模型需应用计算机对汽车的动力学性能进行模拟仿真，最关键的问题就在于计算是否与实际情况相符合。通过数学公式所以建立适当的、符合实际的模型，对于精确描述汽车动力系统的运动状态，提高仿真模拟精度是非常重要

的。以下是对汽车在不同情况下的受力分析。

汽车在起动时,受到水平方向发动机的驱动力F1,静摩擦力F f,空气阻力(小)F w,坡度阻力F i(上坡时为阻力,下坡时则转化为动力,坡度为零时此力为零,下同)，加速阻力F j。

汽车在运行过程中受到发动机的驱动力F t，滚动阻力F f,空气阻力F w,坡度阻力F i,加速阻力F j,在运动过程中踩刹车时还受制动力F b。加速阻力F j与制动力F b不会同时存在。

汽车在刹车时的受到发动机的驱动力F t，滚动阻力F f,空气阻力F w,坡度阻力F i，地面制动F b，F h手刹制动力F h(手刹拉起时)作用。当汽车发生碰撞时，碰撞外力为F o，是从视景计算机的碰撞检测中计算得到的。

3 车辆动力学仿真运动模型的建立

车辆运动模型主要包括匀速运动、匀变速运动、摘空挡后滑行、踏下离合器踏板后车辆滑行等模型，在模拟驾驶系统的开发过程中，采用了动力学和运动学分析方法对汽车行驶过程进行研究，得出其动力学数学方程，利用数学公式以及后面采用的试验方案进行仿真并检验其仿真度。下面仅讨论匀变速运动和滑行的

模型。

3.1 匀变速运动

汽车的操纵性、稳定性是汽车的重要性能之一，下面仅就六自由度汽车操纵动力学模型中汽车行驶包括加速行驶、

5 结论

文章分析介绍了作者在开发基于虚拟现实技术的汽车模拟驾驶系统中进行的动力学分析和仿真所需建立的相关动力学模型，为开发汽车模拟驾驶系统提供

了有益的参考。在模拟驾驶系统中利用基于力学分析的动力学模型进行仿真，其加速度的产生、发动机转速的计算完全模拟力学、动力学过程；通过上述的建模方法在实验过程中所建立的模型经适当修正后用于汽车模拟驾驶器上运行效果良好，有身临其境的感觉，通过视景计算机产生的视景图像不产生抖动，运动流

畅，基本能够真实仿真汽车的运行。

参考文献

［1］余志生.汽车理论［M］.北京:机械工业出版社，1981.

［2］［美］Thomas D.Gillespie著.车辆动力学基础［M］.北京;清华大学出版社，2006.

［3］刘德贵.费景高动.动力学系统数字仿真算法［M］.北京:科学出版社，2000.

［4］［德］Hans-Peter Willumeit著.孙逢春译.车辆动力学模拟及其方法［M］.

北京:北京理工大学出版社，1998.