实时多体仿真：宝马如何用虚拟技术革新驾驶动力学开发

在汽车行业，虚拟技术正成为变革的关键力量。今天，我们就来深入探讨宝马团队如何利用实时多体系统仿真（RT - MBS）技术，在驾驶模拟器中实现虚拟驾驶动力学评估，这一创新为汽车开发流程带来了巨大变革。  

一、虚拟驾驶动力学评估的挑战与机遇  

汽车开发流程里，驾驶动力学开发（DDD）环节需要大量的实体原型车进行测试，成本高且耗时久。将其虚拟化，能减少对实体原型车的依赖，降低成本和时间。但虚拟化也面临挑战：  

1. 主观评估难题：驾驶动力学开发过程中，专家驾驶员的主观体验和评估至关重要，可虚拟结果不像真实测试那样直观，这就给主观评估带来了困难。  

2. 实时性要求：驾驶模拟所用模型必须能实时运行，即模型计算要在极短且固定的时间步长内完成，若模型的实时指数（RTI）低于 1，才具备实时能力。    

3. 模型精度需求：为了在驾驶模拟器中真实再现车辆动力学并做出准确的主观评估，需要高精度、详细的仿真模型。多体系统仿真（MBS）虽能满足这一需求，但计算成本高，通常耗时较长，不太适合实时应用。    

不过，虚拟化带来的好处也很显著。除了降低实体原型车开发成本，还能让车辆模型在开发早期就得到评估，增加了开发灵活性。而且虚拟评估比实际测试更简便、快捷，能快速切换不同设置进行连续评估，减少等待时间，提高评估可靠性。同时，也降低了物流复杂度，驾驶模拟的安全性、可控性和可重复性也更强。  

二、仿真基础设施大揭秘  

宝马团队搭建了一套复杂而精密的仿真基础设施：  

1. 多体仿真软件 - SIMULIA Simpack：这是构建和模拟 RT - MBS 车辆模型的核心软件，它能处理任意系统的非线性运动建模与求解。Simpack Realtime 为其增添了实时功能，通过调整模型配置，可轻松在非实时和实时模式间切换。    

2. 实时硬件 - Concurrent iHawk：选用了两种不同规格的iHawk计算机， 即 Ruby - iHawk 和 Diamond - iHawk，它们配备了 RedHawk Linux 实时操作系统，为时间关键型仿真提供强大算力支持。    

3. 实时软件框架 - 仿真工作台（SimWB）：负责管理、协调和执行实时仿真，配置仿真过程的实时执行参数，启动 Simpack 实时求解器并监控运行时间，还为 Simpack 模型与其他软件搭建了通信桥梁。    

4. 仿真软件 - Spider：宝马的驾驶模拟环境 Spider，为分布式实时驾驶仿真提供了模块化框架，可控制模拟的各个环节。RT - MBS 车辆模型通过插件集成到车辆动力学模块，与 SimWB 协同工作，将车辆数据传输到运动提示模块，进而与模拟器运动基座的控制软件通信。    

5. 驾驶模拟器：团队在两款驾驶模拟器上对 RT - MBS 模型进行评估。Ruby Space 是 9 自由度模拟器，运动空间和加速度指标出色，低频响应好，适合处理和行驶相关的 DDD 测试；Diamond Space 是 7 自由度模拟器，凭借大横向运动空间优势，在评估车辆横向动力学极限方面表现卓越。    

三、研究方法与模型构建  

（一）仿真用例  

专家驾驶员借助 RT - MBS 模型，对车辆横向和垂向动力学进行评估。横向评估模拟真实场景，在多车道直道上用正弦波、阶跃转向等操作测试车辆响应、稳定性和转向手感；垂向评估则基于慕尼黑特定粗糙路面的扫描数据，在模拟器中重现该路面，测试车辆行驶舒适性和车身控制性能。评估选用了宝马5 系轿车（2017）、X5 SUV（2018）以及一款开发中的新车型原型的RT - MBS 模型。  

在汽车驾驶动力学模拟领域，双轨建模（two-track model ）和实时多体系统建模（RT-MBS）是两种不同的建模方法。TT 建模相对简单，它通过使用特性曲线替代复杂的物理组件模型，大大减少了模型所包含的状态数量，从而降低了计算复杂度，提高了计算速度。相比之下，RT-MBS模型虽然计算成本高，但因其保留了更多物理细节，能更精确地模拟车辆的动力学特性，这在需要高精度模拟的驾驶动力学开发场景中具有重要意义。例如，宝马X5的RT-MBS模型包含600个状态变量，而传统双轨模型仅有16个。  

（二）多体系统仿真  

为实现实时应用，团队精心选择线性隐式积分方案，平衡了计算效率和稳定性。针对车辆拓扑结构中的运动学闭环问题，用高刚度力元件替代闭环关节，将微分代数方程（DAE）求解转换为常微分方程（ODE）求解，减少计算时间，同时通过设置1ms 的时间步长，保障了模型的实时性和准确性。在组件建模与集成上，大量使用Simpack 标准库，部分组件借助FMI 接口实现模型交换与协同仿真，提高了模型复用性和互操作性。  

（三）柔性车身建模  

车辆组件的结构柔性对驾驶动力学影响重大，在Simpack 中，通过包含柔性体输入（FBI）文件来体现车身柔性。以X5 车型为例，对比了刚性模型、完全柔性模型和去除部分加强筋的柔性模型，分析车身刚度变化对车辆动力学的影响，为模型优化提供了关键依据。  

四、令人惊喜的研究成果  

（一）实时性能表现  

研究测试了多种组件变化对实时性能的影响，如柔性车身、轮胎建模、阻尼器模型、球铰摩擦模型和发动机悬置模型等。结果显示，这些组件的复杂设置虽会增加计算负载，但通过合理设计和调整，能在保证模型精度的同时，满足实时性要求。  

（二）客观评估结果  

通过客观分析不同柔性设置下X5 车身垂直加速度频谱图发现，经过优化的“具备实时能力的柔性”模型，在20Hz 以上能很好地逼近完全柔性模型，且明显优于刚性模型，为模型优化指明了方向。  

（三）主观评估结论  

专家驾驶员的主观评价表明，RT - MBS 模型在车辆横向和垂向动力学响应方面，相较于传统双轨（TT）模型有显著提升，能更真实地再现驾驶动力学现象。同时，柔性车身、复杂轮胎建模和动态阻尼器建模对提升模型质量作用突出，但这些特性也增加了计算成本。此外，模拟器测试结果与实际赛道测试高度吻合，验证了RT - MBS 模型在驾驶模拟器中进行DDD 评估的有效性。  

五、研究总结与未来展望  

宝马团队的研究表明，RT - MBS 模型在驾驶动力学评估上，相较于TT 模型有明显优势，且其在驾驶模拟器中的测试结果与实际赛道测试结果相符，这意味着驾驶动力学开发过程的很大一部分有望在虚拟环境中完成。不过，目前的验证结果还只是初步的，需要更多专家驾驶员参与的正式评估研究。同时，如何在保证模型高保真度的前提下提升实时性能，仍是未来研究的重点方向。未来，宝马团队还计划开发新的车辆模型、进一步优化模型并加强验证工作，推动汽车驾驶动力学开发的虚拟化进程迈向新高度。  

汽车行业的虚拟化变革正在加速，实时多体仿真技术的应用为汽车开发带来了更多可能。相信在未来，这项技术会不断完善，让汽车开发更加高效、智能。  

（本文基于宝马2023年欧洲VR会议论文编译，案例与数据均来自公开技术文档）