车辆电子控制虚拟实验教学平台研究

2015-02-21 05:28席军强王文硕
实验室研究与探索 2015年1期
关键词:整车虚拟现实动力学

席军强, 宗 莹, 王文硕

(北京理工大学 机械与车辆学院,北京 100081)



车辆电子控制虚拟实验教学平台研究

席军强, 宗 莹, 王文硕

(北京理工大学 机械与车辆学院,北京 100081)

为满足车辆电子控制技术实验教学的需要,通过在Matlab/Simulink中搭建8自由度整车动力学模型,应用外部交互设备和Matlab/GUI组建人机交互系统,利用3D MAX和Vizard4.0软件制作虚拟场景,并完成各软件数据接口的设计,构建了车辆电子控制的虚拟实验平台,实现了理论教学与虚拟实验教学的良好结合。探讨了该虚拟实验平台在教学中应用的可行性,并对虚拟教学的应用实践进行了总结和分析。结果表明,该平台在实践教学的应用加深了学生对车辆控制理论知识的理解,且效果良好。

实验教学; 车辆电子控制; 虚拟现实; 实验平台

0 引 言

实验教学是高校教学活动中的重要环节,在深化理论知识、培养学生动手能力、增强创新能力等方面,具有无可替代的作用[1-3]。车辆电子控制技术作为车辆工程专业的必修课,重点介绍底盘、车身电子控制设备的基本理论、基本组成、工作过程和控制原理[4],应以实验教学为主,实验课程建设的好坏直接影响所培养学生质量的高低。当今实验教学方式分为实车实验和仿真实验。实车实验对实验条件要求高,经费需求大,受到设备和经费的限制,学生难以亲自动手实验,教学质量受到影响。而仿真实验虽然能够通过仿真曲线图定量地显示车辆的运行状态,但车辆控制者却无法直观体验车辆的动态变化[5-7]。因此,现用的车辆电子控制实验教学手段和方法已不能满足车辆电子控制技术课程发展的要求。

虚拟现实(Virtual Reality,VR)技术作为一种用户通过专用设备与计算机产生的虚拟环境进行交互的崭新技术,开创了教学领域发展的新方向。目前,虚拟现实技术已成为车辆、建筑、医学、机械设计等专业教学的研究热点[8]。在车辆教学领域中,北京理工大学开发的坦克构造与设计视景仿真教学平台已成功应用于实验教学,并取得了良好效果[9]。而针对车辆电子控制技术课程,尚未开发出完善的虚拟实验平台。

本文将虚拟现实技术应用到车辆电子控制课程的实验教学中,利用整车建模仿真技术、虚拟现实技术、三维场景技术构建车辆电子控制虚拟实验平台,借助人机交互系统对整车及控制等内容进行实验教学,不仅可达到与实车实验相同的效果,而且可提高实验效率,增强学生主动性,培养动手能力和创新能力[10-12]。

1 虚拟实验平台的总体结构

根据功能需求和分析,虚拟实验平台需要一定的软硬件支持。结合实验效果和实验成本,本平台采用了如图1所示的设备。主要的硬件设备包括一台ThinkStationD30系列的工作站、模拟方向盘、制动和油门踏板及换挡手柄等。软件环境为在Vizard4.0软件下,结合3D MAX和Matlab/Simulink进行设计开发,同时设计连接各软件的数据接口。图2为本虚拟实验平台的工作流程图,驾驶员通过方向盘、油门和制动踏板等外部交互设备和GUI界面输入驾驶信息和车辆参数信息,计算机通过接口进行数据采集后,对整车动力学模型进行仿真计算,并将计算结果输入到虚拟场景中动态展示。虚拟场景包括虚拟道路模型、虚拟环境模型和虚拟车辆模型。

图1 虚拟实验平台原理及设备

整车动力学模型为该平台的主体,而虚拟场景为载体,单有动力学模型并不能直观显示车辆的运行状态,单有虚拟场景也不能实现车辆性能仿真,必须先由动力学模型进行仿真,将仿真结果输入到虚拟场景中,驱动虚拟车辆,才能模拟出车辆真实的运行状态,达到建立车辆虚拟实验平台的目的。

图2 虚拟实验平台流程图

2 平台关键技术的实现

2.1 整车动力学模型的建立

整车动力学模型是虚拟实验平台的关键部分,综合考虑运算实时性和仿真精度,本平台采用Matlab/Simulink搭建8自由度的整车模型[13]。在建立Simulink车辆模型的过程中,采用用户自主编写动力学公式和控制策略的方式进行建模,使该平台具有较高的保真度和可信度。

整车动力学模型包括驾驶员模块、发动机模块、变速器模块、差速器模块以及转向系、制动系模块等。车辆动力学模型的计算流程如图3所示。

图3 整车动力学模型计算流程

图4展示了在车辆坐标系下的整车动力学模型。其中,8个自由度包括车体的纵向运动、侧向运动、横摆运动、侧倾运动,以及四个车轮的旋转运动。

整车动力学模型各自由度方向的动力学微分方程如下所示:

图4 车辆坐标系下的车辆动力学模型

式中:Mv、Ms分别为整车质量、悬挂质量;a、b分别为质心到前、后轴的距离;B为轮距;hs为侧倾中心高度;Rw为轮胎负载半径;ax和ay分别为纵向和侧向加速度;Vx和Vy分别为车辆纵向和侧向速度;ωr为横摆角速度;φ为侧倾角;δ为前轮转角;ωij为轮胎的旋转角速度,其中,i=f、r分别为前、后轮,j=l、r分别为左右轮;Ff为空气阻力;Ix、Iz、Ixz分别为悬挂质量绕X、Z轴转动惯量及惯性积;Fxij、Fyij分别为轮胎纵向力和侧向力,j=l,r分别为左、右轮;Kφij、Cφij分别为悬架的侧倾刚度和阻尼;Tdij、Tbij各车轮上驱动力矩、制动力矩。

2.2 人机交互系统的设计

虚拟实验平台的一大特点是可以进行人机交互操作,使实验者从被动地观察变为主动地参与。人机交互系统主要用于实现平台中不同层次的信息交换,如操作者与车辆动力学模型间的信息交换、整车动力学模型与虚拟车辆模型和虚拟环境的信息交换等。

由以上分析可知,人机交互系统需由相应的软硬件构成,其中硬件部分包括外部交互设备和计算机交互界面,可以实现信息输入、采集以及车辆参数修改等功能。本平台的外部交互设备包括方向盘、油门和制动踏板、换挡手柄等,这些设备构成驾驶模拟器,如图5所示,用来采集驾驶员输入信号,并将采集到的信号通过USB接口输入到整车动力学模型中。利用Matlab/GUI设计开发的计算机交互界面可对车辆参数进行直接修改,便于学生操作。

图5 车辆驾驶模拟器

人机交互系统软件部分的重点在于数据接口的设计。本平台应用UDP作为外部交互设备与Simulink模型间的接口,以使外部交互设备采集到的信息作为输入信号传递到整车动力学模型中。另外,利用Python语言编写了Simulink与Vizard4.0的接口文件(Pymat文件),将整车动力学模型的仿真结果输出到Vizard4.0中进行场景演示。通过以上两个接口的设计,保证了数据传输的有效性、实时性和精确性。

2.3 虚拟实验场景的设计

虚拟场景是实验者最直接的接触部分。虚拟场景越逼真,该平台所展现出的车辆运行状态越真实,实验者也越具有沉浸感[14]。因此,虚拟场景的设计是搭建该实验平台的重要环节。虚拟场景主要包括虚拟道路模型、虚拟车辆模型以及虚拟环境模型,图6展示了虚拟实验场景的总体构造。虚拟道路模型和虚拟环境模型由3D MAX软件设计开发。针对不同实验目的的需要,分别设计了不同类型的道路模型,如不同附着系数路面(干燥路面、湿路面、冰雪路面等)和不同材料路面(水泥路面、沥青路面等)。

其次,虚拟实验场景最终由Vizard4.0软件生成。应用3D MAX建立的道路环境模型,生成IVE格式文件,导入Vizard4.0中,建立车辆物理模型、整车动力学模型和道路、环境模型之间的联系,从而实现虚拟车辆运行状态与动力学仿真结果的一致性。

3 虚拟实验平台的教学应用实例

通过建立整车动力学模型、开发人机交互界面和虚拟场景,并设计各软件间的数据接口,搭建了虚拟实验平台。该平台各底层程序均自主编写,可自行更改,具有较强的可操作性和通用性。车辆电子控制虚拟实验平台可对车辆进行换挡控制实验、动力性实验[15]、操纵稳定性实验[16]等,可满足车辆电子控制技术课程要求的实验教学任务。为了分析和验证利用该平台进行虚拟实验的可行性,以某轿车的物理参数为整车模型的仿真基础,进行了换挡规律验证实验。

自动换挡规律是影响车辆动力性和经济性的重要因素,是自动变速器系统的核心,因此,换挡规律的设计是车辆电子控制技术课程的重要内容之一。传统的换挡规律以同一油门开度下相邻两挡加速度相等为设计原则,根据参数的不同分为单参数、双参数和三参数三种类型。

本文根据换挡规律的设计原则,采用平台中整车动力学模型内嵌的换挡规律设计模块Matlab/Stateflow,如图7所示。分别设计了单参数和双参数换挡规律,如图8和图9所示。在车速初值为0,油门开度为100%的工况下,通过仿真,得到了反映车辆动力性能的实验数据,如图10所示,进而将仿真结果输入虚拟场景中直观地显示车辆的运行状态(见图11)。通过虚拟场景,学生可以形象地观察到此换挡规律下车辆的运行状态和动力性能表现。

图7 换挡规律设计模块

由于该实验平台具有数据存储功能,可实现对仿真实验过程的回放与再现。因此,在实验中,可将单参数与双参数的换挡规律实验数据同时输入到虚拟场景中,驱动两辆汽车运动,观察不同换挡规律对于车辆性能的影响,如图12所示。

图8 单参数换挡规律

图9 双参数换挡规律

图10 换挡规律仿真结果图

图11 车辆运行状态显示图

实验结果表明,该平台可直观地观察车辆在不同换挡规律下,车辆性能的不同表现来进行换挡规律的验证实验。此外,在虚拟场景直观显示和回放功能的作用下,学生不仅可以形象地了解车辆在此换挡规律下的运行状态,还能观察到不同换挡规律对车辆性能的影响,加深学生对车辆换挡规律的理解。

图12 不同车辆运动对比图

4 结 语

将虚拟现实技术与车辆仿真技术结合起来运用于车辆电子控制实验教学中,给车辆电子控制技术课程提供了一种崭新的教学手段。将车辆仿真技术的数字化和被动性与虚拟现实技术的交互性和沉浸性相融合,满足了车辆电子控制实验教学的要求。通过该虚拟实验平台的各项创新性实验,加深了学生对于车辆底盘各控制器理论知识的理解,同时在进行实验的过程中,将控制策略与车辆运行性能相对应,有效地培养了学生的动手实践能力和创新能力。

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Research on Virtual Experimental Teaching Platform of Vehicle Electronic Control

XIJun-qiang,ZONGYing,WANGWen-shuo

(School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)

According to needs of the experimental teaching, an 8-DOF overall vehicle dynamic model is built by using MATLAB/Simulink. A human-computer interaction system which includes external interactive devices and MATLAB GUI is established, virtual scenarios are made by 3D MAX and Vizard4.0, and data interfaces between softwares are finished. Finally, the virtual experimental platform of vehicle electronic control is established to realize the successful combination of real and virtual teachings. The feasibility of the virtual experimental platform applied in teaching is discussed, and its application in virtual teaching is also summarized and analyzed. The results verify that the use of the platform deepens the understanding of vehicle control theory and application, and the effect is good.

eperiment teaching; vehicle electronic control; virtual reality; experiment platform

2014-04-04

国家留学基金管理委员会项目(2011AA11A252);北京理工大学学位与研究生教育发展研究生课题

席军强(1972-),男,北京人,副教授,博士生导师,主要从事车辆自动变速理论及设计方向教学科研等工作。

Tel.:13651353076; E-mail: xijunqiang@bit.edu.cn

TP 391.9;G 434

A

1006-7167(2015)01-0079-05

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