CarSim与Simulink联合仿真

1 软件介绍

在MATLAB中,Simulink是用来建模、仿真和分析动态多维系统的交互工具。可以使用Simulink提供的标准模型库或者自行创建模型库,描述、模拟、评价和精化系统行为,同时,Simulink和MATLAB之间的联系十分便捷,可以使用一个灵活的操作系和应用广泛的分析和设计工具。最后,除了可以使用Simulink建模和仿真之外,还可以通过其他软件联合来完成更多的分析任务,如CarSim、ADAMS、AMEsim等许多软件。
CarSim是专门针对车辆动力学的仿真软件,CarSim模型在计算机上运行的速度比实时快3-6倍,可以仿真车辆对驾驶员,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,同时被广泛地应用于现代汽车控制系统的开发。CarSim可以方便灵活的定义试验环境和试验过程,详细的定义整车各系统的特性参数和特性文件。CarSim软件的主要功能如下:

适用于以下车型的建模仿真:轿车、轻型货车、轻型多用途运输车及SUV;
可分析车辆的动力性、燃油经济性、操纵稳定性、制动性及平顺性;
可以通过软件如MATLAB,Excel等进行绘图和分析;
可以图形曲线及三维动画形式观察仿真的结果;
包括图形化数据管理界面,车辆模型求解器,绘图工具,三维动画回放工具,功率谱分析模块;
程序稳定可靠;
软件可以实时的速度运行,支持硬件在环,CarSim软件可以扩展为CarSim RT, CarSim RT 是实时车辆模型,提供与一些硬件实时系统的接口,可联合进行HIL仿真;
先进的事件处理技术,实现复杂工况的仿真;
友好的图形用户界面,可快速方便实现建模仿真;
提供多种车型的建模数据库;
可实现用户自定义变量的仿真结果输出;
可实现与simulink的相互调用;
多种仿真工况的批运行功能;

2 CarSim与Simulink联合仿真

2.1 Simulink接口

1) 变量由Simulink导入CarSim(导入变量)

可由Simulink导入到CarSim中的变量可达160多个,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
CarSim与Simulink联合仿真_第1张图片
图2.1 CarSim导入变量分类

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,导入的变量将叠加到 CarSim内部相应的变量中。

2)变量由CarSim导入Simulink(导出变量)

导出变量可以应用于用户自定义的Simulink模型,CarSim的导出变量多达560之多,如车辆的位置、姿态、运动变量等。

CarSim与Simulink联合仿真_第2张图片
图2.2 CarSim导出变量分类
图2.3为CarSim软件所提供的一个CarSim与Simulink联合仿真的例子
CarSim与Simulink联合仿真_第3张图片 图2.3 简单驾驶员模型

2.2 CarSim与Simulink联合仿真

以CarSim中所提供的与Simulink联合仿真的一个例子为例(稍有修改),来介绍CarSim与Simulink联合仿真的整个过程。

CarSim与Simulink联合仿真_第4张图片
说明:选用同一车型的两辆汽车,同样的仿真工况,但其中一辆加入在Simulink中建立的ABS控制器,相当于一辆汽车带有ABS,而另一辆汽车没有带ABS,方便对比。

(1) 双击桌面上CarSim的图标 ,运行CarSim,这里选用是的CarSim8.0版本;

(2) 出现‘选择数据库’对话框,如图2.4所示,选择好数据库文件夹后点击‘Continue with the selected database’,若想要不再出现此对话框,可以将左下角‘Don’t show this window the next time you start’选中;

CarSim与Simulink联合仿真_第5张图片 图2.4 选择数据库

(3) 然后将会出现如图2.5所示的对话框(‘许可设置’),选择‘Select’,即可打开CarSim的主界面,如图2.6所示;CarSim与Simulink联合仿真_第6张图片

图2.5 许可设置

CarSim与Simulink联合仿真_第7张图片图2.6 CarSim主界面
由图2.6可以看到在CarSim主界面中,主要有三大部分:车辆参数及仿真工况的设置、数学模型求解、后处理。用户可以修改车辆参数,根据需要来设置仿真工况,图2.6中所示为双移线仿真工况。在后处理部分,可以显示模型的仿真动画及绘制仿真曲线,如图2.7。

CarSim与Simulink联合仿真_第8张图片
图2.7 仿真动画与曲线

(4)点击在这里插入图片描述 ,来新建一组dataset,如图2.8,在两个文本框中分别输入’Example’和’ABS’,然后点击’set’,以完成新建。

在这里插入图片描述图2.8 新建dataset

(5) 选择’datasets’下拉菜单,看有何不同,如图2.9。

CarSim与Simulink联合仿真_第9张图片图2.9 第(4)步中所建的dataset

(6) 点击图2.10(a)中的下三角,选择相应的车型,如图2.10(b)。

在这里插入图片描述
(a)
CarSim与Simulink联合仿真_第10张图片 (b)
图2.10 选择车型

(7)新建一个所要求的仿真工况:

( 1)点击图2.11中所示的工况,如图2.12所示。
在这里插入图片描述
图2.11 120km/h双移线仿真工况
CarSim与Simulink联合仿真_第11张图片图2.12 120km/h双移线仿真工况的主界面
2) 新建仿真工况,点击+ ,在图2.13中的文本框中依次输入‘ABS Example’和‘Split Mu’,点击‘Set’完成新建。
在这里插入图片描述
图2.13 新建仿真工况
3) 根据例子中的要求设置仿真工况:
 初始车速为65km/h;
 节气门开度为0;
 2s后紧急制动;
 档位控制选用闭环四档模式;
 方向盘转角为0deg;
 路面选择对开路面;
完成设置后,如图2.14所示。
CarSim与Simulink联合仿真_第12张图片
图2.14 仿真工况设置
4) 设置仿真时间:
同样在设置仿真工况的主界面里,在如图2.15所示的文本框内输入‘10’。

CarSim与Simulink联合仿真_第13张图片
图2.15 仿真时间设置
5) 选择前面新建的仿真工况:点击home ,返回CarSim的主界面,选择前面新建的‘Split Mu’工况,如图2.16。CarSim与Simulink联合仿真_第14张图片
图2.16 选择仿真工况
6) 设置仿真步长:
在CarSim主界面下,点击下拉菜单‘Tools’,选择‘Preferences’,出现如图2.17的界面,在图中红色圆角矩形框内,将仿真步长设为‘0.001s’。
CarSim与Simulink联合仿真_第15张图片图2.17 设置仿真步长

(8) 点击 Run math model运行数学模型,计算结束后,点击Animate ,观看仿真动画,看一下无ABS车辆在对开路面上紧急制动的效果,如图2.18所示,也可以点击 Plot来绘制曲线。CarSim与Simulink联合仿真_第16张图片

图2.18 仿真动画显示

(9) 建立CarSim与Simulink联合仿真的模型:

1) 点击如图2.19所示的下三角,选择‘Models:Simulink’。

CarSim与Simulink联合仿真_第17张图片

图2.19 选择Simulink接口

2)点击如图2.20所示的下三角,选择‘[Link to New Dataset]’。

CarSim与Simulink联合仿真_第18张图片图2.20 Link to New Dataset

3) 此时将弹出一个如图2.21所示的对话框,在文本框中依次输入‘Example’和‘ABS’,点击copy and link 完成新建,如图2.22。

CarSim与Simulink联合仿真_第19张图片
图2.21 新建一个与Simulink联合的Dataset

CarSim与Simulink联合仿真_第20张图片
图2.22 选择建立的‘ABS’dataset

4)点击ABS , 如图2.24所示,

注意到:①浏览工作路径:在这里选择D:\Program Files\CarsimData;
②Simulink Model的路径:在D:\Program Files\CarsimData\Extensions\Simulink目录下新建一个空白的Simulink Model,命名为ABS.mdl。点击 浏览ABS.mdl,如图2.23所示

在这里插入图片描述图2.23 选择路径
CarSim与Simulink联合仿真_第21张图片
图2.24 Simulink {Example}ABS的主界面

5) 定义CarSim的导入变量:

点击如图2.25(a)所示的下三角,选择‘I/O Channels:Import’,然后按图2.25(b)、©新建导入变量;
CarSim与Simulink联合仿真_第22张图片
(a)
CarSim与Simulink联合仿真_第23张图片
(b)
CarSim与Simulink联合仿真_第24张图片

c
图2.25 新建ABS input
点击 ABS input,显示如图2.26,这里需要浏览找到Readme file for output,这里为Programs\solvers\ReadMe\i_i_imports_tab.txt。定义CarSim导入变量为4个车轮的轮缸压力,顺序依次为:IMP_PBK_L1(左前轮缸压力[MPa])、IMP_PBK_R1(右前轮缸压力[MPa])、IMP_PBK_L2(左后轮缸压力[MPa])、IMP_PBK_R2(右后轮缸压力[MPa]),记下导入顺序。
CarSim与Simulink联合仿真_第25张图片图2.26 定义CarSim导入变量

6)定义CarSim的导出变量:

步骤同5) 定义CarSim的导入变量相同,首先新建名为ABS output的一个dataset。点击 ABS output,弹出如图2.27所示的界面,这里需要浏览找到Readme file for output,这里为Programs\solvers\ReadMe\i_i_outputs_tab.txt。定义CarSim的导出变量依次为:Vx_L1(左前轮速[km/h])、Vx_R1(右前轮速[km/h])、Vx_L2(左后轮速[km/h])、Vx_R2(左前轮速[km/h])、Vx_SM(汽车质心处的速度[km/h])、Pbk_Con(主缸压力的控制输入[MPa]),记下导出顺序。

CarSim与Simulink联合仿真_第26张图片图2.27 定义CarSim导出变量

7) 点击Home ,返回CarSim主界面,然后点击图2.27所示的 ,此时Matlab及前面所新建的空白的模型ABS.mdl将被打开,如图2.28。

CarSim与Simulink联合仿真_第27张图片
图2.27 数学模型求解器
CarSim与Simulink联合仿真_第28张图片图2.28 MATLAB Command Window及ABS.mdl

8)在MATLAB Command Window中键入simulink,回车,打开Simulink Library Browser,注意现在的Simulink Library Browser比单独运算MATLAB/Simulink时多了一个‘CarSim S-Function’,如图2.29所示,将 在这里插入图片描述拖拽到ABS.mdl里,显示为 在这里插入图片描述,注意此模块恰好有一个输入接口和一个输出接口,分别对应着CarSim的导入变量和导出变量 。

CarSim与Simulink联合仿真_第29张图片图2.29 含有CarSim S-Function模块的Simulink Library Browser

9) 在ABS.mdl中加入ABS控制策略,CarSim的导出量经过Simulink计算,决策出各个轮缸的压力,然后导入到CarSims模块里,如图2.30所示

CarSim与Simulink联合仿真_第30张图片图2.30 CarSim与Simulink联合仿真的ABS控制模型

10) 返回CarSim主界面,点击Run now ,运行结束后,再点击send to simulink ,弹出ABS.mdl,如图2.30,点击模型的在这里插入图片描述 ,即可运行整个模型。

说明:若对CarSim软件里的参数(车辆参数、仿真工况等)进了修改,则要再点击Run now ,运行结束后,然后点击 send to simulink,来重新读入修改后的参数,最后点击模型的 在这里插入图片描述,运行整个模型;若只在Simulink模型里作相应的修改,不影响CarSim中的参数,直接点击在这里插入图片描述 即可。CarSim与Simulink联合仿真_第31张图片
图2.31加入ABS控制后,车速与各轮速的关系曲线

11) 观察加入ABS控制后的车辆行驶,点击Animate ,查看动画,如图2.32,同样也可点击 绘制plot曲线。

CarSim与Simulink联合仿真_第32张图片图2.32 带有ABS控制的仿真动画

(10) 在前述操作的基础上,为了更好的显示ABS控制效果,采用同样车型,同样的仿真工况,而其中一辆加入了ABS控制,另一辆不带ABS。

1) 在CarSim主界面下,点击NEW ,新建一个dataset如图2.33所示,点‘Set’完成操作。在这里插入图片描述图2.33 新建No ABS Control dataset
2) 取消与Simulink联合仿真的选择,如图2.34,选择‘[No linked library]’。

CarSim与Simulink联合仿真_第33张图片图2.34 取消与Simulink联合仿真

3) 选择CarSim主界面右下方的在这里插入图片描述 ,选择前面所建立的dataset,如图2.35,完成操作后,点击该处的,弹出ABS的CarSim的主界

CarSim与Simulink联合仿真_第34张图片图2.35选择dataset

4)完成上面3)操作后,点击该处的ABS ,弹出ABS的CarSim的主界面,同样按上面3)操作方法,选择在1)所建的‘No ABS Control’。在主界面右上角,选中SET RUN COLOR ,并设置为红色;
5)点击主界面上的 run math model ,运行模型,结束后,点击animate ,查看仿真动画,如图2.36所示,其中红色车辆为不带ABS控制的车辆。

CarSim与Simulink联合仿真_第35张图片图2.36 有无ABS控制的对比

写在最后欢迎加入我的自动驾驶仿真QQ交流群864462169CarSim与Simulink联合仿真_第36张图片

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