基于動態(tài)駕駛模擬器的底盤虛擬調校

李世杰 曹振乾 王偉 王吉亮 高磊

【摘要】為解決傳統(tǒng)汽車底盤調校試驗周期長、成本高、安全性低的問題，提出了采用動態(tài)駕駛模擬器進行底盤虛擬調校的試驗方法。底盤虛擬調校與實車底盤調校車輛的動力學主客觀試驗對比結果表明，采用動態(tài)駕駛模擬器底盤虛擬調校能夠替代傳統(tǒng)的實車底盤調校。

主題詞：駕駛模擬器 底盤調校 虛擬現實

中圖分類號：U463.1? ?文獻標志碼：A? ?DOI： 10.19620/j.cnki.1000-3703.20230060

Virtual Chassis Tuning Based on Dynamic Driving Simulator

【Abstract】In order to address the issue of long cycle， high cost and low safety of traditional vehicle chassis tuning test， this paper proposes a test method of virtual chassis tuning using dynamic driving simulator. By comparing the subjective and objective test results of vehicle dynamics between virtual chassis tuning and real vehicle chassis tuning， it is shown that the virtual chassis tuning of dynamic driving simulator can achieve the same effect compared with the traditional real chassis tuning.

Key words： Driving simulator， Chassis tuning， Virtual reality

1 前言

動態(tài)駕駛模擬器是一種模擬真實車輛運動的臺架測試設備。專業(yè)測試人員可以通過動態(tài)駕駛模擬器進行虛擬的車輛性能主觀評價。底盤調校是基于專業(yè)測試人員對車輛性能的主觀評價結論，調整底盤部件規(guī)格參數，并不斷迭代最終達到性能目標的過程。該方法可大幅縮短研發(fā)周期、降低研發(fā)成本、提高試驗安全性。

田順等[1]基于智能汽車和交通安全等領域對駕駛模擬技術的發(fā)展需求，探討了駕駛模擬器技術的不足和最新應用。Carl等[2]驗證了駕駛模擬器用于操縱穩(wěn)定性主觀評價與真實車輛相近。Andrew Hamish[3]針對駕駛模擬器運動平臺的標定進行研究，給出了運動平臺標定參數選擇與取值的建議。涂輝招等[4]通過構建晴、霧天氣下2個自由駕駛試驗場景，對比分析了8自由度和零自由度駕駛模擬器對自由駕駛變速行為、期望速度等變量的影響。

當前針對使用動態(tài)駕駛模擬器進行底盤虛擬調校的研究較少，因此本文針對該問題進行可行性論證。

2 參數化實時車輛動力學模型搭建

由于傳統(tǒng)多體動力學模型建立過程復雜、所需參數和零部件特性較多，且由于模型自由度較多，求解效率較低，無法滿足駕駛模擬器的在環(huán)實時仿真要求。為解決上述問題，本文搭建了基于VI-CarRealTime（VICRT）軟件的高精度參數化實時模型，如圖1所示。該模型包括3個子模型：高級轉向系統(tǒng)模型、懸架系統(tǒng)模型、實時輪胎模型。該模型僅考慮系統(tǒng)的外部特性，不包含底盤結構和零部件屬性，結構較為簡單，解算效率較高。

2.1 高級轉向系統(tǒng)模型

為使駕駛員的駕駛感受更真實，需要在搭建轉向系統(tǒng)模型時充分考慮所有的系統(tǒng)特性，故搭建了考慮系統(tǒng)剛度、系統(tǒng)摩擦力、系統(tǒng)阻尼等物理參數的高級轉向系統(tǒng)模型；同時采用用戶數據報協(xié)議（User Datagram Protocol，UDP）通信技術進行電動助力轉向系統(tǒng)（Electric Power Steering，EPS）電控模型集成，實現復雜場景下的聯合仿真。

2.1.1 轉向系統(tǒng)模型建立

轉向系統(tǒng)物理模型建立分為基礎模型搭建和高級參數辨識2部分[5]。為了將輪胎受力轉換為轉向拉桿力，進而通過齒輪傳遞至轉向盤，基礎模型建立需獲取車輛轉向橫拉桿相關硬點空間參數。

應用VICRT軟件建立計算轉向盤手力矩的基礎轉向模型，模型原理如圖2所示，圖中[Tswa]為轉向盤力矩，[?τ]為齒條位移增量，[Frack]為轉向器齒條推力。

轉向主銷力矩的計算公式為：

Mk=r·Ft （1）

式中：[Mk]為主銷力矩，[r]為主銷軸與轉向橫拉桿外點的距離，[Ft]為轉向橫拉桿力。

需要對左、右側車輪相連的橫拉桿力分別進行計算：

式中：[?θ]為主銷軸線旋轉角增量，[FtL]為左側拉桿力，[FtR]右側拉桿力，[MkL]為左側主銷力矩，[MkR]右側主銷力矩，[?θL]為左側主銷轉角增量，[?θR]為右側主銷轉角增量。

轉向盤力矩計算公式為：

式中：[?θswa]為轉向盤轉角增量；[Frack]為轉向器齒條推力，為[FtL]和[FtR]的和。

基于VICRT設計的轉向模型需考慮轉向系統(tǒng)剛度、摩擦特性、阻尼特性等高級物理參數，獲取這些參數需通過轉向系統(tǒng)和零部件試驗進行測試和辨識，辨識過程如圖3所示。

2.1.2 電動助力轉向控制模型的集成

建立基于UDP通信協(xié)議的人在環(huán)復雜模型接入測試方法，實現多系統(tǒng)聯合仿真，同時保證轉向系統(tǒng)，如轉向盤主動回正、阻尼補償、摩擦補償等高級功能得以實現。EPS集成過程如圖4所示。

2.2 懸架系統(tǒng)模型

基于VICRT設計的懸架模型采用參數化建模的方式，通過多體動力學模型仿真，計算懸架的運動學與彈性運動學特性，再通過VICRT提供的接口模塊，自動生成參數化懸架系統(tǒng)模型。

2.3 輪胎實時仿真模型

本次虛擬調校的輪胎平順性模型采用FTire模型，為滿足實時仿真的要求，利用FTire HIL特性通過削減輪胎有限元網格減少計算時間。輪胎模型實時化轉化的流程包括路面格式確認、CRT求解器參數調整及FTire模型文件處理。

完成實時化轉化的輪胎平順性模型可以用于DIL/HIL仿真測試，進一步提升虛擬調校的精確性。

3 底盤虛擬調校試驗

3.1 試驗準備

本文采用的駕駛模擬器由9自由度運動平臺座艙、視景系統(tǒng)和計算機控制系統(tǒng)3部分組成。評價人員通過對模擬器進行駕駛行為輸入，由控制系統(tǒng)計算車輛運動響應參數，最后由運動平臺模擬輸出車輛的響應。

通過對駕駛模擬器運動平臺控制參數的標定，使駕駛模擬器達到和真實車輛相近的運動特性。運動平臺控制參數及標定結果如表1所示。

3.2 試驗過程

3.2.1 評價路面選取

選取高速公路、車輛動力學測試區(qū)（Vehicle Dynamic Area，VDA）、綜合操控路和舒適性路為底盤虛擬調校的評價路面。

高速公路用于評價動態(tài)駕駛模擬器的直行操縱穩(wěn)定性和變線操縱穩(wěn)定性；車輛動力學測試區(qū)用于評價動態(tài)駕駛模擬器的彎道極限穩(wěn)定性；綜合操控路用于評價動態(tài)駕駛模擬器的操縱穩(wěn)定性綜合性能；舒適性路用于評價動態(tài)駕駛模擬器的平順性。

3.2.2 底盤虛擬調校

按照彈簧、緩沖塊、穩(wěn)定桿、減振器的順序依次進行底盤虛擬調校。調整彈簧剛度和緩沖塊長度，優(yōu)化起伏的位移控制以及車輛的俯仰平衡；調整穩(wěn)定桿剛度，優(yōu)化側傾角度與前后平衡，以及前后的抓地力平衡。調整減振器速度特性的阻尼力曲線，優(yōu)化操縱穩(wěn)定性和平順性。

3.3 試驗結果

通過底盤虛擬調校試驗，確定了彈簧、穩(wěn)定桿、緩沖塊和減振器特性參數的值，如表2所示。

4 底盤虛擬調校試驗驗證

為驗證底盤虛擬調校效果，進行底盤虛擬調校的主觀評價駕駛員也同樣進行實車調校試驗。最后，依據虛擬調校結果與實車調校結果試制出2套樣件，先后裝配到同一臺量產車上，進行2次車輛動力學主客觀測試，并對測試數據進行對比。

4.1 車輛參數

試驗所用車型為一輛小型SUV，整車主要參數如表3所示。

4.2 客觀評價

4.2.1 穩(wěn)態(tài)客觀測試

穩(wěn)態(tài)客觀測試采用ISO 4138：2012試驗標準中規(guī)定的定車速緩慢增加轉向盤轉角試驗方法[6]。試驗車速為100 km/h，對轉向盤轉角梯度、質心側偏角梯度和側傾角梯度進行測量。線性域指標如表4所示，非線性域指標如圖5、圖6所示。

4.2.2 瞬態(tài)客觀測試

瞬態(tài)客觀試驗采用ISO 7401∶2011試驗標準中規(guī)定的連續(xù)正弦輸入試驗方法[7]，試驗車速為100 km/h，對頻率特性進行了測試，得出橫擺角速度諧振頻率、諧振峰水平、響應延遲時間。實車調校和虛擬調校的結果對比如表5所示，橫擺角速度增益隨頻率的變化如圖7所示。

4.2.3 平順性測試

平順性測試采用公司內部試驗標準，分為隨機路面工況和脈沖沖擊工況。

在隨機路面工況中對座椅導軌Z向加速度、俯仰角加速度和側傾角加速度進行測量，試驗車速為60 km/h，試驗結果見表6，加速度均方根值隨頻率的變化如圖8～圖10所示。

脈沖沖擊工況對座椅導軌Z向加速度峰值、Z向加速度衰減時間進行測量，試驗車速為30 km/h，試驗結果如表7所示。

4.3 主觀評價

從操縱穩(wěn)定性和平順性2個方面對車輛動力學性能進行主觀評價，打分系統(tǒng)采用10分制[8]。

實車調校和底盤虛擬調校操縱穩(wěn)定性主觀評價的對比結果如表8所示。

評價結果表明，底盤虛擬調校在操縱性和穩(wěn)定性方面優(yōu)于實車調校。具體表現在虛擬調校樣車的中心區(qū)響應速度更快，柔性感減弱。瞬態(tài)響應延遲與實車調校相當，但彎道響應的線性感更好。虛擬調校的極限不足轉向度較小，側傾角較小，前后平衡更好。

實車調校和底盤虛擬調校平順性主觀評價的對比結果如表9所示。

評價結果表明，虛擬調校在平順性方面稍差于實車調校。具體表現在虛擬調校的車身控制略緊，俯仰和側傾動作較快，在破損路面上觸感偏硬。

5 結束語

客觀驗證結果顯示，虛擬調校操穩(wěn)指標與實車調校基本相當，且在非線性域內的不足轉向度、質心側偏角以及側傾梯度方面優(yōu)于實車調校。但在平順性方面，虛擬調校結果的俯仰和側傾角加速度均方根值，以及脈沖沖擊下的加速度峰峰值均大于實車調校。

主觀評價驗證顯示，虛擬調校的操縱穩(wěn)定性優(yōu)于實車調校，而平順性方面稍差于實車調校。主客觀試驗結果呈現出了較高的相關性。虛擬調校平順性的主客觀試驗結果雖然不及實車調校，但也達到了項目性能目標要求。

在運動平臺控制參數精確標定和提供高精度實時車輛動力學模型的前提下，采用動態(tài)駕駛模擬器進行底盤虛擬調校可以替代傳統(tǒng)的實車底盤調校，解決了傳統(tǒng)汽車底盤調校試驗周期長、成本高、安全性低的問題。

參 考 文 獻

[1] 田順， 谷亞蒙， 魏郎， 等. 駕駛模擬器的發(fā)展歷程及最新應用實例[J]. 汽車技術， 2018（4）： 35-42.

TIAN S， GU Y M， WEI L， et al. The Development of Driving Simulator and the Latest Application of Technology[J]. Automobile Technology， 2018（4）： 35-42.

[2] Carl A E， JOSU D C. Validation of A Moving Base Driving Simulator for Subjective Assessments of Steering and Handling[D]. G?teborg： Charlmers University of Technology， 2015.

[3] HAMISH A， JAMSON J. Motion Cueing in Driving Simulators for Research Applications[D]. Leeds： The University of Leeds Institute for Transport Studies， 2010.

[4] 涂輝招， 李振飛， 孫立軍. 駕駛模擬器運動系統(tǒng)對自由駕駛行為的影響分析[J]. 同濟大學學報（自然科學版），2015， 43（11）： 1696-1702.

TU H Z， LI Z F， SUN L J. Effects of Motion System of Driving Simulator on Free Driving Behaviors[J]. Journal of Tongji University （Natural Science Edition）， 2015，43（11）： 1696-1702.

[5] 郭雪凱. 電動助力轉向系統(tǒng)建模仿真及試驗分析[D]. 長沙： 湖南大學， 2016.

GUO X K. Modeling， Simulation and Test of Electric Power Steering System[D]. Changsha： Hunan University， 2016.

[6] ISO. Passenger Cars-Steady State Circular Driving Behavior-Open Loop Test Methods：ISO 4138： 2021[S]. Switzerland： International Standard Organization， 2021.

[7] ISO. Road Vehicles-Lateral Transient Response Test Methods-Open Loop Test Methods：ISO 7401： 2011[S]. Switzerland： International Standard Organization， 2011.

[8] 吳禮軍， 管欣. 汽車整車性能主觀評價[M]. 北京： 北京理工大學出版社， 2016.

WU L J， GUAN X. Automobile Vehicle Performance Subjective Evaluation[M]. Beijing： Beijing Institute of Technology Press， 2016.