一文讲清楚车辆动力学模型里包含的11种模型

有图有文有视频，就怕你看不懂。

1.车辆动力学模型介绍

1)车辆动力学建模方法

车辆动力学模型反映给定道路路面、阵风等环境影响下车辆对驾驶员或控制器输入的动态响应，包括车辆的动力性、操纵稳定性和行驶平顺性等。构成车辆动力学的组成因素包括车体（簧上质量）、悬架（弹簧与阻尼器）和轮胎（簧下质量）等，以及转向、动力及传动、制动等系统。车辆动力学建模所遵循的基本物理定律是牛顿第二定律和达朗贝尔原理，其多体动力学建模方法包括牛顿欧拉法、拉格朗日法、凯恩法、哈密尔顿法等，通过构建一组反映车辆受力与运动关系的微分方程研究车辆的动力学特性和动态响应。车辆动力学其建模精度决定了车辆的运动、姿态及轨迹精度，进而直接影响车载传感器的位置和姿态精度，不仅对车辆运动控制、而且对自动驾驶的传感感知及数据融合的准确性均具有重要的影响。

2)主要状态变量

3)车辆刚体动力学模型

车辆坐标系下车身动力学包括六个自由度，分别为三个平动和三个转动，包括纵向、侧向和垂向运动，以及横摆、俯仰和侧倾运动。

车轮动力学则是在车轮坐标系下包括其各自围绕轮轴旋转构成的四个转动自由度。

4)燃油动力传动系统模型

• 支持驱动构型（燃油）：前驱、后驱与四驱
• 基于二维表格插值的发动机扭矩计算模型
• 基于二维表格插值的燃油消耗率计算模型
• 基于一维表格插值的液力变矩器扭矩计算模型
• 液力变矩器锁止离合器模型
• 速敏型中央限滑差速器模型（四驱模式）
• 速敏型轮间限滑差速器模型（前、后驱模式）
• 支持用户配置激活差速器锁止离合器
• 支持用户配置发动机节气门一阶瞬态特性
• 支持用户配置传动系统的自然频率与阻尼比，用于描述传动系统的柔性特性
• 支持用户配置自动变速器升挡临界线
• 支持用户配置自动变速器降挡临界线
• 支持用户配置自动变速器挡位数（最高18挡）
• 支持用户配置变速器不同挡位对应的传动比系数
• 支持用户配置变速器不同挡位对应的转动惯量
• 支持用户配置变速器不同挡位对应的正反向传动效率

动力传动系统(燃油车四驱模式)

动力传动系统(燃油车前/后驱模式)

5)电驱动动力系统模型

• 支持电驱动构型（纯电）：双电机前驱、单电机前驱、双电机后驱、单电机后驱、双电机四驱、四电机四驱

• 基于等效内阻法（Rint）的一阶电池模型

• 基于一维表格插值的电机扭矩计算模型

• 基于二维表格插值的电机效率（机械功率/电功率）计算模型

• 再生制动能量回收功能

动力传动系统(单电机前驱)

动力传动系统(单电机后驱)

动力传动系统(双电机四驱)

动力传动系统(双电机前驱)

动力传动系统(双电机后驱)

动力传动系统(四电机四驱)

6)空气动力学模型

• 车辆模型考虑了外部环境风引起的作用于车体上的力和力矩

• 作用于空气动力学参考点的三维空气阻力(或气动力)计算模型

• 作用于空气动力学参考点的三维空气阻力矩(或气动力矩)计算模型

• 支持用户配置空气动力学阻力系数、升力系数、侧向力系数。

• 支持用户配置空气动力学侧倾力矩系数、俯仰力矩系数、横摆力矩系数

空气动力学示意图

7)转向系统模型

• 支持构型：齿轮齿条式转向器

• 基于标准多刚体动力学建模方法

• 支持用户配置主销定位参数

• 支持用户配置方向盘转角到转向器齿条位移的运动学关系曲线

• 支持用户配置转向器齿条位移到左、右两侧车轮转角的运动学关系曲线

• 支持用户配置作用于转向管柱上的迟滞摩擦力矩

• 支持用户配置转向管柱阻尼系数

• 支持用户配置转向管柱扭力杆刚度系数

• 支持用户配置转向轮静态前束角

• 支持用户配置激活转向管柱助力模式

• 支持用户配置激活转向齿条助力模式

• 考虑悬架运动学特性引起的前轮转角

• 考虑悬架柔性特性引起的前轮转角

• 支持用户配置转向系统低速附加力矩

• 支持用户配置转向限位块约束力

• 支持用户配置转向系统柔性

• 支持用户配置后轮转向系统

转向系统主销定位示意图

8)悬架系统模型

• 支持构型：独立悬架

• 支持用户配置非线性弹簧力

• 支持用户配置非线性阻尼力

• 支持用户配置非线性上限位块约束力

• 支持用户配置非线性下限位块约束力

• 支持用户配置侧倾稳定性附加力矩与阻尼系数

• 支持用户配置簧下质量侧倾角与轮跳间的非线性运动学关系曲线

• 支持用户配置簧下质量横摆角与轮跳间的非线性运动学关系曲线

• 支持用户配置簧下质量俯仰角与轮跳间的非线性运动学关系曲线

• 支持用户配置簧下质量侧向位移与轮跳间的非线性运动学关系曲线

• 支持用户配置簧下质量纵向位移与轮跳间的非线性运动学关系曲线

• 支持用户配置簧下质量侧倾角与轮心纵向力间的非线性柔性特性关系曲线

• 支持用户配置簧下质量侧倾角与轮心侧向力间的非线性柔性特性关系曲线

• 支持用户配置簧下质量侧倾角与车轮回正力矩间的非线性柔性特性关系曲线

• 支持用户配置簧下质量横摆角与轮心纵向力间的非线性柔性特性关系曲线

• 支持用户配置簧下质量横摆角与车轮回正力矩间的非线性柔性特性关系曲线

• 支持用户配置簧下质量纵向位移与轮心纵向力间的非线性柔性特性关系曲线

• 支持用户配置簧下质量侧向位移与轮心侧向力间的非线性柔性特性关系曲线

悬架系统示意图2

9)制动系统模型

• 支持用户配置制动主缸压力信号纯延时时长

• 支持用户配置激活制动防抱死控制系统

• 支持用户配置激活制动轮缸压力无延时计算模式

• 支持用户配置激活制动轮缸压力一阶延时计算模式

• 支持用户配置激活制动轮缸压力与油液体积一维非线性表格模式

• 支持用户配置激活最大有效制动力矩比例系数计算模式

• 支持用户配置激活最大有效制动力矩一维非线性表格计算模式

• 支持用户配置激活最大有效制动力矩制动热衰退计算模式

制动系统拓扑图

10)轮胎动力学模型

• 基于联合工况理论、数据表格形式的半经验轮胎六分力计算模型

• 稳态、瞬态(轮胎弹性迟滞特性，低速稳定性数值处理)纵滑率计算

• 稳态、瞬态(轮胎弹性迟滞特性，低速稳定性数值处理)侧偏角计算

• 考虑轮胎滚动阻力矩与功率平衡特性

• 支持用户配置轮胎垂向力与轮胎压缩量间的关系曲线

• 支持用户配置轮胎纵向力与轮胎垂向力和纵滑率间的关系曲线

• 支持用户配置轮胎侧向力与轮胎垂向力和侧偏角间的关系曲线

• 支持用户配置轮胎回正力矩与轮胎垂向力和侧偏角间的关系曲线

• 支持用户配置轮胎侧翻力矩与轮胎垂向力和侧偏角间的关系曲线

• 考虑车轮外倾角对轮胎侧向力的附加影响

• 考虑车轮外倾角对轮胎回正力矩的附加影响

• 考虑车轮外倾角对轮胎侧翻力矩的附加影响

• 魔术公式轮胎模型(5.2版本)

轮胎接地点坐标系

11) 3D道路路面模型

• 支持用户配置X-Y坐标形式的道路参考线

• 支持X-Y坐标与S-L曲线坐标间的相互转换

• 支持用户配置S-L曲线坐标形式的道路高层

• 支持用户配置S-L曲线坐标形式的路面附着系数

• 支持用户配置S-L曲线坐标形式的滚动阻力系数

12)驾驶员模型

• 支持车辆纵向速度闭环控制(PI控制)

• 支持车辆挡位闭环控制(前进、空挡和倒车)

• 支持路径跟踪侧向控制(多点预瞄方法)

• 支持方向盘转角与扭矩两种控制模式

13)驾驶操纵模型

• 纵向控制(加速信号模式1)：常量加速信号

• 纵向控制(加速信号模式2)：加速信号与仿真时间一维非线性表格

• 纵向控制(制动信号模式1)：常量制动主缸压力信号

• 纵向控制(制动信号模式2)：制动主缸压力信号与仿真时间一维非线性表格侧向控制(方向盘转角信号模式1)：常量方向盘转角信号

• 侧向控制(方向盘转角信号模式2)：方向盘转角信号与仿真时间一维非线性表格

• 侧向控制(方向盘扭矩信号模式1)：常量方向盘扭矩信号

• 侧向控制(方向盘扭矩信号模式2)：方向盘扭矩信号与仿真时间一维非线性表格

• 侧向控制(侧向路径跟踪模式1)：常量侧向路径偏移

• 侧向控制(侧向路径跟踪模式2)：侧向路径偏移与仿真时间一维非线性表格

• 侧向控制(侧向路径跟踪模式3)：侧向路径偏移与车辆S坐标位置一维非线性表格