Trucksim车辆动力学模型

1． Trucksim动力学模型

TruckSim软件是由美国机械仿真公司(Mechanical Simulation Corporation，简称MSC，专门研究汽车动力学软件的专业公司）开发的专为卡车、客车和挂车动态仿真开发的工业仿真软件。TruckSim提供的车型种类几乎涵盖了世界上大部分卡车和客车。由于软件操作的方便性与仿真的实时性，使其成为了许多汽车制造商及研发单位的有力工具，被广泛地应用于现代汽车系统的开发。
TruckSim采用面向特性的参数化建模手段，用于仿真及分析轻型货车、大客车、重型半挂车、重型卡车、多轴军用汽车，其中包括具有双轮、非对称转向系统、多轴以及单个或多个拖车的情况等车辆，对驾驶员操纵（转向、制动、加速）、3D路面及空气动力学输入的响应，主要用来预测和仿真汽车整车的操纵稳定性、制动性、平顺性、动力性和经济性。
TruckSim软件优点：

(1) 使用方便

Trucksim主要由图形化数据库、车辆数学模型及求解器、仿真动画显示器和绘图器四部分组成。所有组成部分都由一个图形用户界面来控制。用户通过点击“Run Math Model”来进行仿真。通过点击“Animate”按钮可以以三维动画形式观察仿真的结果。点击“Plot”按钮可以察看仿真结果曲线。很短的时间内，你就可以掌握TruckSim的基本使用方法，完成一次简单仿真并观察仿真结果。
所要设置或调整的特性参数都可以在图形界面上完成。包括整车（二、三、四轴）模型数据库、控制输入（速度、转向、制动、油门、驾驶员模型、路面信息）数据库、仿真设置（仿真起始时间、距离和仿真频率）数据库。150多个图形窗口使用户能够访问车辆的所有属性，控制输入，路面的几何形状，绘图及仿真设置。利用TruckSim的数据库建立一个车辆模型并设置仿真工况，在很短的时间内即可完成。在数据库里有一系列的样例并允许用户建立各种组件、车辆及测试结果的库文件。这一功能使得用户能够迅速地在所做的不同仿真之间切换，对比仿真结果并作相应的修改。车辆及其参数是利用各种测试手段所得到的数据和表格，包括实验测试及悬架设计软件的仿真测试等。
TruckSim为快速建立车辆模型提供了新的标准。对于控制输入，TruckSim可以接受制动和转向角输入的时间关系曲线（开环控制）。它也具有对于转向（驾驶员模型）和速度控制的闭环控制选项。

(2) 报告与演示

TruckSim输出的数据可以导出并添加到报告、excel工作表格及PowerPoint演示中。仿真的结果也可以很方便地导入到各种演示软件中。

(3) 快速

将整车数学模型与计算速度很好地结合在一起，车辆模型在主频为3GHz的PC机上能以十倍于实时的速度运行。这使得TruckSim很容易支持硬件在环（HIL）或软件在环(SIL)所进行的实时仿真。TruckSim支持Applied Dynamics International(ADI), A&D, dSPACE,　ETAS,　Opal-RT及其它实时仿真系统。TruckSim这一快速特性也使得它可以应用于优化及试验设计等。

(4) 精度及验证

TruckSim建立在对车辆特性几十年的研究基础之上，通过数学模型来表现车辆的特性。每当加入新的内容时，都有相应的实验来验证。使用TruckSim的汽车制造商及供应商提供了很多关于实验结果与TruckSim仿真结果一致性的报告。

(5) 标准化及可扩展性

TruckSim可以在一般的Windows系统及便携式电脑上运行。TruckSim也可以在用于实时系统的计算机上运行。数学模型的运动关系式已经标准化并能和用户扩展的控制器，测试设备，及子系统协调工作。这些模型有以下三种形式：
TruckSim自带的内嵌模块嵌入模型的MATLAB/Simulink S-函数具有为生成单独EXE文件的可扩展C代码的库文件。TruckSim软件的Matlab CMEX函数可在Simulink环境中使用，可以快速建立控制器开发的数学模型。

(6) 有效、稳定、可靠

TruckSim包括了车辆动力学仿真及观察结果所需的所有工具。MSC利用先进的代码自动生成器来生成稳定可靠的仿真程序，这比传统的手工编码方式进行软件开发要快很多。

2． 虚拟车辆整车动力学建模

2．1整车建模

整车建模主要是对车辆的整体尺寸、质量及绕各转动轴的转动惯量进行建模。包括簧载质量建模界面和非簧载质量建模界面。簧载质量建模针对车辆簧载质量、车身长宽高、质心位置以及绕各个轴的转动惯量，界面设置如图2-1所示。本文仿真所用虚拟车辆原型为苏州金龙牌KLQ6125D系列客车。整车整备质量为14000kg，其中簧载质量12240kg，非簧载质量 。非簧载质量以及前后轮距建模包含在悬架系统建模中。

2．2轮胎建模

轮胎是车辆动力学分析中重要组成部分，轮胎特性直接影响车辆的动力性、制动性、操纵稳定性、平顺性及安全性。TruckSim中轮胎建模主要包括轮胎的外形尺寸、稳态力学特性、瞬态响应特性以及动力学迟滞损失。其中最重要的是轮胎力学特性建模。该部分建模可以采用实验数据建模，也可以采用经验或半经验轮胎模型通过参数设置建模。轮胎力学特性包括纵向力、侧向力、回正力矩，合理的轮胎特性才能在仿真时正确反应车辆状态。KLQ6125D采用米其林（型号295/80R22.5，840kPa）轮胎，前轴单胎，后轴双胎。因轮胎多处于联合工况，本文采用Magic Formula轮胎模型对该型号轮胎建模，建模简单且既可以反应轮胎在纯工况下的力学特性，又可以反映轮胎在联合工况下的力学特性。

2．3 动力总成设置

车辆动力总成包括发动机和传动系统。发动机设置主要是发动机外特性曲线描述，传动系统设置包括离合器、变速器和主减速器。KLQ6125D客车采用D2066LOH11发动机，额定功率287kw/1900rpm，变速器为手动六档，各挡传动比：I挡6.32，II挡3.62, III挡2.15, IV挡1.37, V挡1.00, VI挡0.81，倒挡5.81。最高车速 125km/h，根据发动机特性，轮胎尺寸以及变速器传动比，确定主传动比为4.0。

变速器换挡策略直接影响车辆的动力性能，关系到车辆能否在短时间内加速至期望车速，从而上路行驶。Trucksim中换挡策略包含开环控制和闭环控制两种。开环控制可以将档位始终置于某档位也可以连续加档，连续加档由事先确定的档位随时间变化策略进行换挡操作；闭环控制采用自动的换档策略，自动实现离合器结合或脱离。如图（）所示为一种开环换档策略，由一档换至二档时以及二档换至三档时间隔较短，以便于车辆能从起步状态迅速加至某一车速，之后换档间隔较长，以便稳定车速，使车辆不至处于危险状态。

2．4悬架系统建模

悬架系统对车辆的操纵稳定性和行驶平顺性影响较大。TruckSim中提供多种可供选择的悬架形式：独立悬架、非独立悬架、简化独立悬架和简化非独立悬架。根据实际仿真需要，可以选择非线性形式或线性化形式。悬架系统的刚度、阻尼以及减震器的相关参数均可进行设置。悬架系统建模界面还提供轮距和非簧载质量设置。

2．5转向系统

TruckSim中转向系统设置主要是转向轴的设置，提供三种形式转向轴：长型、中型和短型。可以根据需要设置传动比，以及转向系统的非线性性质。转向控制分为开环控制和闭环控制以及驾驶员在环控制。

2．6制动系统

TruckSim中提供多种形式的制动系统：气压制动、液压制动、有ABS、无ABS。制动控制可以采用常压制动、阶梯增压、根据实验数据设置压力调节方式以及根据车辆当前运行状态采用相应控制策略控制压力。

2．7载荷建模

KLQ6125D客车乘员数为24-51，按照每位乘客60kg的重量来算，客车满载时相当于加载3000kg左右的载荷，左右两边各加载1500kg。TruckSim中加载载荷建模采用在原有车身质量的基础上加载配重块的方式实现。配重块如图2-2所示，呈长方形，质量1500kg，符合客车加载需求。

2．8参考点的选取

3． 道路环境建模

道路环境设置用于模拟车辆经常行驶的道路环境，如直线道路、换道行驶、弯道行驶、环山公路行驶、爬坡行驶以及冰雪湿滑路面等。Trucksim中可以设置三维路面，可以在任何位置将路面抬高，设置横向以及纵向坡度，同时可以任意设置道路形状，急弯缓弯等，用于模拟一些复杂的道路环境。Trucksim道路设置中还可以任意变动路面附着系数，用于模拟一些易发生危险状况的低路面附着系数工况，同时还可以设置对开、对接路面，进行车辆制动性分析。如图3-1所示是一环山公路。公路上可以设置路标，路旁可以设置如矮山、树木等风景。道路宽度也可以根据实际要求进行修改，车道数目以及需标明的线等都可以设置。

3．1 参数

3．2外部环境

4. 输入输出模块

TruckSim支持MATLAB/Simulink、LabVIEW、ASCET、dSPACE等。外部模型或硬件在环变量可以输入给TruckSim，TruckSim也可以将其变量输出给外部模型或硬件在环模型。例如当需要在原有车辆基础上加装诸如ABS、主动转向、DYC、ESP等控制系统时，则需采用TruckSim/database中的Simulink模型。车辆仿真运行时将TruckSim车辆生成一个S-Function函数，该函数的输入为Simulink的输出，该函数的输出为Simulink的输入。

4．1 输入

TruckSim的输入即是Simulink的输出，由Simulink导入TruckSim的变量多达354个。主要分为以下几部分：
 控制输入
 轮胎/路面输入
 轮胎的力和力矩
 弹簧及阻尼力
 转向系统的角度
 传动系的力矩
 制动力矩及制动压力
 风的输入
 任意的力和力矩
我们可以在Simulink中定义变量，也可以在其他软件中定义并导入Simulink模型中，导入的变量将以三种可选择方式作用到TruckSim内部相应的变量中，用户可以选择需要的设置。这三种方式分别是：替换内部相应的变量，叠加至内部相应的变量和与内部相应的变量相乘。

4．2 输出

TruckSim的输出即是Simulink的输入，由TruckSim导入Simulink的变量多达867个。如车辆各个部分的位置、姿态、运动变量以及受到的力和力矩等。

本文不是翻译，也不是转载，是在一个安装包中，我觉得不错就发布出来了，写在最后欢迎加入我的自动驾驶仿真QQ交流群864462169