汽车电控系统仿真平台的关键技术研究

论文摘要

汽车电控系统利用先进的车载传感器系统、无线通讯系统、信息处理系统和执行系统,监控驾驶员、道路以及周围车辆的状态信息,并做出综合的分析和判断,以便在存在安全隐患的情况下给驾驶员发出警告信息或者接替驾驶员完成部分操作功能,因此可以有效地减少因驾驶员主观因素产生的交通事故,从而提高车辆运行安全和交通效率。目前,汽车电控系统正朝着集成化、网络化和智能化的方向发展。开发汽车电控系统需要研究车与车以及车与交通环境之间的相互作用。开发阶段的实车场地试验无疑存在成本高、试验可重复性差以及危险性高等缺点,而传统的汽车仿真平台往往侧重于单一车辆在驾驶员输入下的汽车性能问题,缺乏对交通环境的考虑,因此很难满足汽车电控系统的发展需要。因此,适合汽车电控系统新特点的仿真平台的研究是当今汽车仿真领域所面临的新课题,这也正是本文的研究出发点和学术价值所在。本文结合国际合作项目“新一代汽车建模与仿真环境”,研究了开发汽车电控系统新一代仿真平台所需解决的关键问题,即车辆动力学、传感器感知、道路环境、驾驶场景、驾驶员控制等关键子系统的建模问题、集成问题和求解问题。本文针对这些问题进行了分析,并提出了相应的工程解决方案。针对车辆动力学建模问题,传统多刚体系统动力学方法建立的车辆动力学模型虽然能够全面的描述汽车各个子系统的相互耦合作用,但其数学方程往往是微分代数方程组或刚性微分方程组,因此计算效率较低,很难满足汽车电控系统对车辆动力学模型的实时性要求。本文将悬架视为连接车体和轮轴的无质量复合铰,基于凯恩方法推导了复合铰的约束方程,并在此基础上建立了整车动力学模型,仿真结果表明该模型在满足动力学实时仿真要求的同时具有较高的仿真精度。传感器是汽车电控系统的重要组成部分,也是组成汽车电控系统完整测试环境的关键环节之一。本文通过分析传感器的功用,并针对建立传感器完整物理模型的实际困难,提出了传感器功能框架模型的概念,阐述了传感器功能模型的框架结构。重点研究和分析了雷达传感器功能框架模型的实现方法,利用空间圆锥体表示雷达传感器波束的有效探测范围,将雷达传感器的对象探测问题转化为圆锥体与平面、线段的相交测试问题,研究了圆锥体与平面、线段的相交测试算法以及相对距离、相对速度的求解算法。研究了视觉传感器功能框架模型的数据结构以及建立这种模型的关键方法：真实感图像生成方法和高斯白噪声生成方法。对于道路环境和驾驶场景子系统,重点研究它们的交互式、图形化建模方法。现代汽车的行驶环境复杂多变,既存在道路几何、交通标志、建筑物、树木、植被等静态元素,也存在主车辆、交通车辆、行人、云彩、飞鸟走兽等动态元素。传统汽车电控系统仿真平台基于数据表格建立道路环境模型,这种建模方式效率较低且容易出错,并且缺乏道路交叉口模型,很难描述复杂的道路网络结构。交互式图形建模环境具有直观、用户友好等特点,可以有效降低建模难度,提高建模效率。本文研究了利用交互式道路环境编辑器生成道路环境模型的关键方法,着重介绍了道路模型、交叉口模型和道路网络模型的数据结构和交互式建模方法。重点研究了利用交互式驾驶场景编辑器生成真实感驾驶场景的关键问题和关键方法。在汽车电控系统仿真应用中主车辆遭遇的最重要的动态元素是交通车辆,这些交通车辆组成主车辆周围的局部交通环境。基于统计规律的交通仿真方法,交通车辆缺乏个性,本文研究了基于带驾驶员模型交通车辆的局部交通环境生成方法。道路环境模型和驾驶场景模型由三维动画模块演示,研究了基于图形引擎OSG的交互式三维动画演示模块实现方法。通常三维动画所需资源数据量较多,文件散乱,其演示方式一般有抓取演示图片、生成视频文件、生成可执行程序几种,其中图片方式无法实现动画的视觉连续性,而视频文件又无法动态改变视角,所以生成带场景数据库的可执行程序成为最佳选择,出于这个目的,本文研究了生成带场景数据库的可执行程序的关键方法。在建立起各个关键子系统的仿真模型后,需要将这些模型放入数据库进行管理,并在仿真应用时从数据库取出集成为一个整体模型进行仿真分析。一个典型的仿真实例包含有大量的车辆动力学模型、传感器模型、道路环境模型、驾驶场景模型和驾驶员控制模型,为有效管理这些模型,研究了面向对象的仿真数据库技术。鉴于国内外研究人员在Simulink下开发大量成熟的模型和算法,为了复用现有的模型和减少建模者手动集成带来的失误,重点研究了基于Simulink模型文件自动生成的模型集成方法以及其C++实现。为了提高仿真计算的速度,可将每个子系统模型放在单独计算节点上进行分布式求解,但Simulink缺乏对分布式仿真应用的有效支持。本文建立了一个分布式仿真框架,并在这个框架的基础上研究了选择各个子系统仿真步长的关键方法,从而在不影响求解效率的情况下更好地检测事件。仿真实例表明,仿真平台的关键模型具有较高仿真精度,关键方法可行、有效,对汽车电控系统的仿真开发具有一定的工程应用价值。综上所述,本文主要研究成果如下：1.建立基于悬架复合铰和凯恩方法的车辆实时多体动力学模型,可满足汽车电控系统对车辆动力学模型精度和实时性的要求。2.针对建立传感器完整物理模型的实际困难,提出了传感器功能框架模型的概念,研究了实现雷达传感器和视觉传感器功能框架模型的关键方法,建立了车载雷达传感器和视觉传感器的功能框架模型。3.建立了一个交互式、图形化道路环境和驾驶场景建模环境。开发了交互式三维动画演示程序,该程序除了实时动画演示外,还可打包生成带场景数据库的可执行文件。4.开发了Simulink模型文件自动生成器支持基于Simulink的子系统模型集成与仿真,针对Simulink在分布式仿真方面的不足,建立了支持模型即插即用的分布式仿真框架。

论文目录

• 前言
• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的背景和提出
• 1.2 汽车电控系统的研究现状
• 1.2.1 先进底盘控制系统
• 1.2.2 智能辅助驾驶系统
• 1.3 汽车电控系统仿真平台的需求分析和关键技术
• 1.3.1 汽车电控系统仿真平台的需求分析
• 1.3.2 汽车电控系统仿真平台的关键技术
• 1.4 汽车电控系统仿真平台关键技术的研究进展
• 1.4.1 车辆动力学模型的发展现状
• 1.4.2 传感器模型的发展现状
• 1.4.3 驾驶员-车辆-交通闭环系统仿真开发环境的发展现状
• 1.5 论文的主要研究内容
• 第2章 汽车电控系统仿真平台的关键问题
• 2.1 引言
• 2.2 关键子系统的建模问题
• 2.2.1 车辆动力学子系统
• 2.2.2 传感器子系统
• 2.2.3 道路环境子系统
• 2.2.4 驾驶场景子系统
• 2.2.5 驾驶员控制子系统
• 2.3 仿真子系统的集成问题
• 2.3.1 交互式图形化建模
• 2.3.2 仿真数据库管理
• 2.3.3 分布式仿真框架
• 2.4 仿真模型的求解问题
• 2.4.1 事件检测与处理
• 2.4.2 微分代数方程组的指标约简
• 2.4.3 刚性常微分方程组的求解
• 2.4.4 多速率积分方法
• 2.5 本章小结
• 第3章 基于凯恩方法的实时车辆动力学模型
• 3.1 引言
• 3.2 凯恩方法的理论基础
• 3.2.1 凯恩方法简介
• 3.2.2 多体系统动力学理论基础
• 3.2.3 基于虚功原理推导凯恩方程
• 3.3 基于凯恩方法的悬架复合铰模型
• 3.3.1 悬架建模方法
• 3.3.2 麦弗逊式悬架模型
• 3.3.3 扭转梁式悬架模型
• 3.4 基于凯恩方法的整车模型
• 3.4.1 转向系统模型
• 3.4.2 UniTire轮胎模型
• 3.4.3 整车动力学模型
• 3.4.4 仿真试验验证
• 3.5 本章小结
• 第4章 车载传感器功能框架模型研究
• 4.1 引言
• 4.2 车载传感器建模与仿真
• 4.2.1 车载传感器功能分析
• 4.2.2 传感器模型接口设计
• 4.3 雷达传感器功能框架模型研究
• 4.3.1 探测范围的几何表示
• 4.3.2 基于层次包围盒的碰撞检测
• 4.3.3 圆锥体与平面相交测试
• 4.3.4 圆锥体与线段相交测试
• 4.3.5 最短距离和相对速率计算
• 4.3.6 仿真验证
• 4.4 视觉传感器功能框架模型研究
• 4.4.1 真实感图像生成过程
• 4.4.2 增强图像真实感的光照方法
• 4.4.3 白噪声生成方法
• 4.4.4 仿真验证
• 4.5 本章小结
• 第5章 交互式图形化建模环境的关键环节研究
• 5.1 引言
• 5.2 交互式道路环境建模环节
• 5.2.1 道路模型
• 5.2.2 交叉口模型
• 5.2.3 道路网络模型
• 5.3 交互式驾驶场景建模环节
• 5.3.1 宏观交通参数
• 5.3.2 主车辆和交通车辆
• 5.3.3 驾驶场景建模
• 5.4 交互式三维动画演示环节
• 5.4.1 三维图形引擎OSG
• 5.4.2 场景生成与管理
• 5.4.3 带场景数据库的可执行程序生成
• 5.5 本章小结
• 第6章 系统集成与求解的关键方法研究
• 6.1 引言
• 6.2 面向对象的仿真数据库研究
• 6.2.1 仿真数据库对象分析
• 6.2.2 仿真数据库C++实现
• 6.3 Simulink模型文件自动产生方法研究
• 6.3.1 基于Simulink的系统集成与求解
• 6.3.2 关键子系统模型的S-Function
• 6.3.3 Simulink MDL文件自动生成方法
• 6.4 模型即插即用的分布式仿真框架研究
• 6.4.1 分布式仿真框架
• 6.4.2 仿真时钟管理
• 6.4.3 仿真模型即插即用
• 6.4.4 仿真步长选择
• 6.5 仿真实例
• 6.5.1 自适应巡航控制仿真
• 6.5.2 简单交叉口仿真
• 6.6 本章小结
• 第7章 全文总结和展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 研究展望
• 参考文献
• 附录A
• 附录B
• 攻读博士学位期间发表的学术论文及从事的科研工作
• 致谢