基于ESP的车辆动力学动态建模与仿真

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3.0 陈辉 2024-11-19 7 4 2.53MB 47 页 15积分

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摘要

汽车行驶安全问题越来越受到人们的关注，当今最先进的汽车安全产品ESP(汽

车电子稳定性控制系统)在欧洲和日本已经有了相当深入的研究并且已经有了各自

的产品，而国内的研究处于起步阶段，尚未有产品上市。由于资金、研发周期和安

全等因素的限制，不可能在ESP研发过程中仅依靠实车实验，目前最常用的方式就

是以模拟仿真实验代替实车实验。因此，建立精确可靠的汽车动力学模型已经成为

ESP研发过程中关键的一个环节。

本文对基于ESP的汽车动力学建模和汽车动力学仿真模型的实现进行了系统的

研究。首先，简要介绍了面向对象的建模理论，根据面向对象的建模理论，对汽车

动力学系统进行了系统分析，将其划分为发动机、传动系、转向系、制动系、车身

五个对象，分别分析了它们各自的属性和操作，并给出了其动态模型、功能模型和

对象模型。在此基础上，分别建立了这五部分的数学模型。然后，根据数学模型实

现了基于MATLAB/SIMULINK的人机实时交互的汽车ESP仿真系统。

该仿真系统可以根据不同的参数设置，合成不同的整车模型进行仿真实验。该

仿真平台包括用户操作模块、数据存储模块、网络通信模块、动力学模型运算模块

数据曲线绘制和动画显示模块。其中用户操作模块的作用主要是汽车动力学模型的

参数设置和运行过程控制；数据存储模块主要负责仿真数据的存储；网络通信模块

主要负责各个PC机之间的数据通信；动力学模型运行模块单独运行在另一台PC机

上；数据曲线模块主要负责汽车各个关键量的曲线实时显示；动画显示模块主要负

责汽车运行时的姿态动画显示。

最后，通过实验对汽车动力学模型进行了有效性分析，验证了模型的有效性和

可用性。从而为汽车稳定性控制器的检测和实验提供了一种有效的仿真模型。

关键词：汽车电子稳定系统　汽车建模　系统仿真　系统建模

ABSTRACT

V e h i c l e s a f e t y i s m o r e a n d m o r e c o n c e r n e d a b o u t. F o r t h e m o s t a d v a n c e d

automotive safety products, ESP (electronic stability program) have been very in-depth

s t u di e d i n E u r o p e a n d J a p a n . A t t h e s a m e t i m e , E u r o p e a n d J a p a n h a v e t h e i r o w n

ESP products, but domestic research is still at the initial stage and there are no market

ESP products in domestic. For the reasons of funding, research and development cycle,

and safety, it is impossible for ESP researching and development only to rely on the real

veh ic l e exp erim e nts. A t pres e nt, t h e mos t com mo n way is to re p l ace the real ve h i cle

e x p e r i m e n t s w i t h s i m u l a t i o n e x p e r i m e n t s . A s a r e s u l t , t o e s t a b l i s h a n a c c u r a t e a n d

r e l i a b l e ve h i c l e m o d e l h a s b e c o m e a k e y s t e p i n p r o c e s s o f E S P r e s e a r c h a n d

development.

In this paper, vehicle dynamics modeling based on ESP and realization of vehicle

d y n a m i c s s i m u l a t i o n m o d e l h a v e b e e n i n t r o d u c e d i n t e n s i v e l y . F i r s t , o b j e c t - o r i e n t e d

modeling theory has been introduced briefly. Object-oriented modeling based on the

t h e o r y o f v e h i c l e d y n a m i c s s y s t e m a n a l y s i s i s d i v i d e d i n t o t h e e n g i n e , t r a n s m i s s i o n ,

steering system, brake system, and the vehicle body. The five parts are analyzed and the

p r o p e r t i e s o f t h e i r r e s p e c t i v e o p e r a t i o n s , a n d d y n a m i c m o d e l , f u n c t i o n a l m o d e l a n d

o b j e c t m o d e l a r e d e l i v e r e d . O n t h i s b a s i s , r e s p e c t i v e l y , s e t u p

m o d els o f t h e f i v e p a r t s i n m at h e m a t i c a l . T h e n, a c c or d i n g t o m a t h e ma t ic a l m o d e l o f

i m p l e m e n t a t i o n b a s e d o n MAT L A B/S I M U L I N K r e a l - t i m e i n t e r a c t i o n o f t h e h u m a n -

computer, ESP vehicle simulation model was implemented.

The simulation system can be set different parameters, so it can be assembled to

d i f f e r e n t v e h i c l e s i m u l a t i o n m o d e l . T h e s i m u l a t i o n p l a t f o r m i n c l u d e s u s e r

i n t e r f a c e m o d u l e , d a t a s t o r a g e m o d u l e , n e t w o r k c o m m u n i c a t i o n m o d u l e , d y n a m i c

computing module, data lines drawing module, and animation display module. The role

of user interface module is vehicle dynamics model parameters setting and operation of

p r o c e s s c o n t r o l . D a t a s t o r a g e m o d u l e i s m a i n l y r e s p o n s i b l e f o r t h e s i m u l a t i o n d a t a

storage. Network communication module is mainly responsible for data communication

b e t w e e n a l l P C m a c h i n e s. D y n a m i c m o d e l i s r u n n i n g o n a s e p a r a t e P C m a c h i n e .

Data lines drawing modul e is ma inly responsible for the key state data curve i n real-

t i m e . A n i m a t i o n d i s p l a y m o d u l e i s m a i n l y r e s p o n s i b l e f o r s h o wi n g t h e ve h i c l e ’s

posture.

F i n a l l y , E f f e c t i v e a n a l y s i s w a s d o n e t h r o u g h e x p e r i m e n t o f t h e m o d e l . T h e

E f f e c t i v e n e s s a n d a c c u r a c y w e r e v e r i f i e d . T h e n t h e a v a i l a b l e p l a t f o r m f o r t h e E S P

testing was established.

K e yWo r d：E S P , ve h i c l e m o d e l i n g，s y s t e m s i m u l a t i o n，s y s t e m

modeling

目  录
摘  要.......................................................................................................................1
ABSTRACT............................................................................................................2
目  录.......................................................................................................................3
第一章　绪 论........................................................................................................1
§1.1 课题的背景与意义..................................................................................1
§1.2 本文的主要内容......................................................................................2
§1.3 论文结构..................................................................................................2
第二章　系统建模理论及ESP简介......................................................................4
§2.1系统建模理论简介...................................................................................4
§2.2概念建模...................................................................................................5
§2.2.1实体——关系（ER）方法..........................................................5
§2.2.2面向对象的建模方法....................................................................5
§2.2.3基于本体的概念建模方法............................................................6
§2.3数学建模...................................................................................................6
§2.4 ESP系统介绍...........................................................................................8
§2.5本章小结.................................................................................................11
第三章　汽车动力学基本模型...........................................................................12
§3.1车辆动力学系统概念建模.....................................................................12
§3.1.1 车辆动力学系统概述.................................................................12
§3.1.2车辆动力学系统模型与功能模型..............................................12
§3.1.3 车辆动力学系统对象模型.........................................................13
§3.2车辆动力学系统数学建模.....................................................................16
§3.2.1 一般整车数学模型.....................................................................16
§3.2.2 四轮整车数学模型.....................................................................18
§3.2.3 轮胎模型.....................................................................................19
§3.2.4 制动系统模型.............................................................................20
§3.2.5 驱动系模型.................................................................................22
§3.2.6 转向系模型.................................................................................22
§3.3本章小结.................................................................................................23
......................................................................................................................23
第四章　汽车动力学仿真模型的实现...............................................................24
§4.1 仿真模型的系统结构............................................................................24
§4.1.1 前言.............................................................................................24
§4.1.2 MATLAB/SIMULINK工具简介...............................................25
§4.2 系统设计................................................................................................27
§4.2.1硬件环境结构..............................................................................27
§4.2.2仿真模型结构..............................................................................28
 

§4.3 汽车动力学数学模型的SIMULINK实现............................................29
§4.3.1 信息传输模块.............................................................................29
§4.3.2 驱动系传动系模块.....................................................................30
§4.3.3 轮胎模块.....................................................................................31
§4.3.4 车体模块.....................................................................................32
§4.4 汽车动力学仿真控制平台....................................................................32
§4.4.1 ESP实验平台用户界面..............................................................32
§4.4.2仿真参数设置..............................................................................33
§4.4.3车体参数设置..............................................................................34
§4.4.4工序设置......................................................................................34
§4.4.5仿真界面......................................................................................35
§4.5本章小结.................................................................................................37
第五章 车辆动力学模型验证实验...................................................................38
§5.1 汽车稳定性评价简介............................................................................38
§5.2 汽车动力学性能分析............................................................................38
§5.3 汽车ESP仿真试验.................................................................................41
§5.4 本章小结................................................................................................44
第六章　结论与展望...........................................................................................45
参考文献...............................................................................................................47

第一章　绪论

§1.1 课题的背景与意义

很多重大交通事故中，车辆往往由于在极端环境下车轮失去与地面的附着力而

导致失控。例如在紧急避让过程中，突然遇到湿滑、油污路面，或者在过弯当中车

速过快而导致的转向不足和转向过度，都有可能让车辆失控。

ESP(汽车电子稳定系统)通过传感器得知车辆的抱死情况、车辆的横摆惯量(车

身倾侧的程度)，当车辆出现失控趋势时，对特定的车轮给予额外的制动力，甚至

通过调整车辆的牵引力，务求以最大的程度保持住车轮的附着力。在ESP的控制作

用下，车辆遇到险情时往往能够做出及时调整躲避险情[1]。对于普通驾驶者而言，

ESP显得格外重要。

ESP被多家世界著名的汽车厂商和研究机构称之为“能拯救生命的ESP”，德国

的一项研究表明：25％造成严重伤害的交通事故和60％引起死亡的交通事故都是因

为车辆侧滑所致[2]。而装配有电子稳定程序ESP的车辆情况就不同了：ESP对过度

转向或不足转向特别敏感，能够迅速识别出这种危险情况并且做出快速反应，精确

地干预制动系统，使车辆安全地行驶在正确的轨迹上并防止车辆侧滑。所以，

ESP有效地避免了事故的发生。

ESP的作用就是当驾驶员操纵汽车超过极限值后自动介入修正驾驶。ESP控制

车辆运动的手段有两个：第一是控制节气阀收油，衰减汽车动力，让速度降下来；

第二个手段就是对某些车轮进行制动，让汽车的速度能够减小到极限值以内。当方

向盘转向角度传感器检测到驾驶员的转向角度以后，就会通知ESP；与此同时，各

个车轮转速传感器测得的车轮转速信息也会传递到ESP。ESP可以根据各个车轮的

转速计算出车辆的实际运动轨迹。如果实际运动轨迹和理论运动轨迹有区别，或者

检测出某个车轮打滑，ESP就会首先控制节气阀，减小开度（收油）。然后通知制

动系统对某个车轮进行制动，来修正运动轨迹。当实际运动轨迹与理论运动轨迹

（驾驶员意图）相一致时，ESP自动解除控制[3]。

因此，性能良好的ESP就显得尤为重要，本课题即：车辆动力学稳定性控制系

统(ESP)的动态建模与仿真，就是要建立一套基于ESP系统的车辆仿真模型，并对

ESP系统进行仿真实验以检测ESP在控制汽车稳定性方面的作用效果。现实中由于

危险性和实验代价过高的原因使得用汽车模型仿真实验成为首选的实验方式。由以

上情况分析可知，建立汽车ESP仿真实验模型是对ESP性能的重要检测手段，而性

能优良的ESP直接对人们的生命财产安全做出了很好的保护，很大程度上降低了交

通事故率。因此，研究基于ESP的汽车动力学建模仿真技术对保护人们的生命财产

安全有重要意义。

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摘要：

摘要汽车行驶安全问题越来越受到人们的关注，当今最先进的汽车安全产品ESP(汽车电子稳定性控制系统)在欧洲和日本已经有了相当深入的研究并且已经有了各自的产品，而国内的研究处于起步阶段，尚未有产品上市。由于资金、研发周期和安全等因素的限制，不可能在ESP研发过程中仅依靠实车实验，目前最常用的方式就是以模拟仿真实验代替实车实验。因此，建立精确可靠的汽车动力学模型已经成为ESP研发过程中关键的一个环节。本文对基于ESP的汽车动力学建模和汽车动力学仿真模型的实现进行了系统的研究。首先，简要介绍了面向对象的建模理论，根据面向对象的建模理论，对汽车动力学系统进行了系统分析，将其划分为发动机、传动系、转向系、...

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