5.2　车辆动力学建模与仿真

车辆动力学用于描述汽车的运动，是基于经典力学的一种工程应用。它研究在给定驾驶输入下，车辆在道路上的运动状态及车辆状态参数对驾驶输入的响应。

由于计算机软件的快速发展，计算机模拟成为一种高效可靠的工具。车辆动力学模拟也成为一种被广泛接受的方法，用以帮助改进车辆的设计。通过描述车辆的动力学特性，车辆动力学仿真软件可以预测车辆性能，解释现有设计中存在的问题，并找出解决方案，由此产生一个最佳的设计方案。车辆动力学仿真研究的内容与评价指标包括：动力性、燃油经济性、制动性、操纵稳定性、平顺性、通过性、主动安全和被动安全等[1,2]。通过仿真，可以对车辆的各个模块进行测试，也可以方便地建立特殊场景，完成真实世界中难以复制的测试。

在仿真中，车辆动力学的建模方法可以分为基于多体动力学的建模和基于参数的建模。基于多体动力学的建模中，根据车辆各个元件的位置和相互之间的运动关系把模型建立起来，通过拉格朗日方程、牛顿-欧拉方程等方法进行动力学解算[3]，这种动力学建模方法考虑了车辆各部件之间的位置关系、运动关系、接触条件和约束条件等，有很高的仿真精度，但运算复杂度很高，仿真速度相对较慢，这类仿真软件包括Adams、Simpack、RecurDyn[4]等。对于结构复杂、不能很直接地得出其特性的机械结构，这类软件能进行精确的分析。把柔性体的有限元模型导入这些多体动力学软件进行刚柔耦合分析，将获得更精确的计算结果。例如，对于车辆的悬架系统，需要确定装配硬点坐标位置、杆件的质量与几何形状、衬套的刚度、衬套的阻尼等，然后得到悬架的运动学和动力学特性曲线，模拟出试验结果。如图5-1所示为在Adams/Car中搭建的双横臂前悬架模型，可以仿真前束角、主销后倾角等参数和轮跳、车轮受力的关系[5]。

图5-1　Adams/Car中的双横臂前悬架模型

另一种建模方法基于车辆的参数特性，不考虑各部件的几何布置及相互之间的约束形式，把部件的特性和部件之间的运动关系用参数的形式表示出来。例如，悬架建模中不考虑各个杆件的硬点布置和橡胶衬套的特性，而是把轮距、前束角等动力学参数和轮跳、悬架受力的关系用参数表示出来，这类软件中所需的动力学特性参数往往可以从多体动力学软件中得到。基于参数特性来建模的仿真软件有CarSim、CarMaker、VI-grade、veDYNA及PanoSim等，它们建立的模型使用总成的特性。例如，悬架的K&C特性，基于递推动力学求解，并且很多特性都基于二维或三维查找表进行，计算速度快，需要的参数少，能够表征低频的车辆运动，多用于水平路面的仿真。

另外，还需要提到Matlab/Simulink，用户可以从零开始搭建自己的车辆动力学模型。Matlab自身也提供一个system-level的车辆组件库Simscape Driveline，提供了轮胎、变速箱到发动机的模型，可用于搭建动力学模型，并进行模拟，并能自动生成代码，进行实时仿真。如图5-2所示为用Simscape Driveline搭建的车辆传动系统模型。

图5-2　Simscape Driveline搭建的车传动系统模型

传统的汽车研发中用到的车辆动力学对仿真精度有很高的要求，往往对计算的复杂度和实时性没有特殊要求，而自动驾驶仿真系统不同。在对自动驾驶算法进行大规模验证中，不仅要求动力学仿真有较高的精度，而且要求其有较高的计算速度。硬件在环（HiL）测试和加速仿真也对动力学仿真的实时性和速度提出了更高的要求[6]。动力学仿真最简单、直接的方法是采用线性二自由度模型，忽略悬架、轮胎非线性等因素，虽然保证了运算速度，但精度很差。基于多体动力学的方法虽然精度较高，但运算速度慢，增加了时间成本，而且自动驾驶仿真中不关注各个部件之间是通过哪种约束连接的，因此这种方法在自动驾驶仿真中应用较少。基于特性参数的动力学建模方法计算速度快，而且仿真精度高，在自动驾驶仿真系统中有广泛的应用。自动驾驶仿真平台51Sim-One也采用基于参数特性的动力学模型，有较高的仿真精度和很快的运算速度，如图5-3所示为51Sim-One中动力学参数配置的界面。

图5-3　51Sim-One中动力学参数配置的界面