基于模擬駕駛系統的動力學仿真模型分析與構建

摘 要：汽車動力學模型在模擬駕駛系統中的作用很大，它可以給學員提供有如真實駕車的感覺，要達到逼真的視景仿真和操縱仿真結果，就需要建立仿真模型并對模型進行仿真實驗。分析介紹了在設計基于虛擬現實技術的汽車模擬駕駛系統中進行動力學分析和仿真所需建立的相關動力學模型。

關鍵詞：虛擬現實；汽車模擬駕駛；汽車動力學；模型；仿真

中圖分類號：TP391.9文獻標識碼：A文章編號：1672-3198（2008）09-0353-03

1 引言

開發汽車模擬駕駛系統具有重大的社會效益和經濟效益。它可取代駕駛培訓中學員實車訓練中的部分科目和內容以及研究道路行駛的安全狀況，有利于駕駛培訓正規化、科學化和規范化，減少交通事故的發生率，并具有節能、安全、經濟、高效等優點。在汽車模擬駕駛系統的開發中，為了盡量達到實車的駕駛效果，則利用計算機技術、控制技術和聲像技術來模擬汽車駕駛及其行駛環境，所以需要建立逼真的仿真模型。模擬駕駛系統中要求仿真的內容很多，而建立并實現汽車模擬駕駛的汽車動力學模型是研制汽車模擬駕駛系統的前提。要做好汽車動力學仿真，建立正確的動力學模型是關鍵。筆者在汽車模擬駕駛系統研究過程中，基于汽車動力學知識和計算機控制技術，采用動力學和運動學分析方法對汽車所受的力進行研究，將得出的動力學數學模型通過實驗建模用于汽車模擬駕駛系統的仿真，開發了適合我國交通國情和道路狀況的汽車模擬駕駛系統。此系統主要通過模擬駕駛艙和計算機生成汽車行駛過程中虛擬的視景、音響等駕駛環境，將仿真的實驗數據發送給視景計算機，驅動視景變化，視景計算機對車輛運動進行碰撞檢測，將碰撞結果反饋給主機進行所受外力的計算，將計算結果以脈沖信號的形式發送給下位機，下位機通過電機控制模擬駕駛座椅搖動及振動來達到模擬駕駛的效果。下面僅就動力學仿真方面內容進行論述。

2 汽車運行狀態的受力分析

汽車在行駛過程中，不僅受發動機驅動力影響，還要克服各種阻力等，而汽車的動力性又是汽車各種性能中最基本、最重要的一種性能，要建立汽車模擬駕駛系統的動力學模型需應用計算機對汽車的動力學性能進行模擬仿真，最關鍵的問題就在于計算是否與實際情況相符合。通過數學公式所以建立適當的、符合實際的模型，對于精確描述汽車動力系統的運動狀態，提高仿真模擬精度是非常重要的。以下是對汽車在不同情況下的受力分析。

汽車在起動時，受到水平方向發動機的驅動力F1，靜摩擦力Ff，空氣阻力(小)Fw，坡度阻力Fi(上坡時為阻力，下坡時則轉化為動力，坡度為零時此力為零，下同)，加速阻力Fj。

汽車在運行過程中受到發動機的驅動力Ft，滾動阻力Ff，空氣阻力Fw，坡度阻力Fi，加速阻力Fj，在運動過程中踩剎車時還受制動力Fb。加速阻力Fj與制動力Fb不會同時存在。

汽車在剎車時的受到發動機的驅動力Ft，滾動阻力Ff，空氣阻力Fw，坡度阻力Fi，地面制動Fb，Fh手剎制動力Fh(手剎拉起時)作用。當汽車發生碰撞時，碰撞外力為Fo，是從視景計算機的碰撞檢測中計算得到的。

3 車輛動力學仿真運動模型的建立

車輛運動模型主要包括勻速運動、勻變速運動、摘空擋后滑行、踏下離合器踏板后車輛滑行等模型，在模擬駕駛系統的開發過程中，采用了動力學和運動學分析方法對汽車行駛過程進行研究，得出其動力學數學方程，利用數學公式以及后面采用的試驗方案進行仿真并檢驗其仿真度。下面僅討論勻變速運動和滑行的模型。

3.1 勻變速運動

汽車的操縱性、穩定性是汽車的重要性能之一，下面僅就六自由度汽車操縱動力學模型中汽車行駛包括加速行駛、

5 結論

文章分析介紹了作者在開發基于虛擬現實技術的汽車模擬駕駛系統中進行的動力學分析和仿真所需建立的相關動力學模型，為開發汽車模擬駕駛系統提供了有益的參考。在模擬駕駛系統中利用基于力學分析的動力學模型進行仿真，其加速度的產生、發動機轉速的計算完全模擬力學、動力學過程；通過上述的建模方法在實驗過程中所建立的模型經適當修正后用于汽車模擬駕駛器上運行效果良好，有身臨其境的感覺，通過視景計算機產生的視景圖像不產生抖動，運動流暢，基本能夠真實仿真汽車的運行。

參考文獻

［1］余志生.汽車理論［M］.北京:機械工業出版社，1981.

［2］［美］Thomas D.Gillespie著.車輛動力學基礎［M］.北京;清華大學出版社，2006.

［3］劉德貴.費景高動.動力學系統數字仿真算法［M］.北京:科學出版社，2000.

［4］［德］Hans-Peter Willumeit著.孫逢春譯.車輛動力學模擬及其方法［M］.北京:北京理工大學出版社，1998.