无人驾驶车辆动力学模型的仿真验证

车辆动力学模型是进行车辆操纵稳定性分析、生成稳定性判据的基础，这里首先对本章提出的等效约束的车辆动力学模型的预测精度进行验证。

由于CarSim软件所提供的车辆动力学模型具有27个自由度，且模型中的轮胎非线性特性是根据实车数据拟合得到的，因此认为CarSim输出的车辆状态信息可靠，能反映真实车辆的动力学特性。在相同的车辆参数及控制输入下，通过对比分析CarSim输出的车辆信息和等效约束车辆动力学模型所预测的车辆状态信息之间的误差，来验证等效约束车辆动力学模型的预测精度及其有效性。

仿真所用车辆动力学模型为前轮驱动的D类SUV，如图2.21(a)所示。各项参数的具体数值如表2.2所示。Simulink以S函数的形式调用CarSim模块，实现控制器模块的输出和车辆动力学信息的输入，如图2.21(b)所示。

图2.21　Simulink/Carsim联合仿真

(a)Carsim车辆参数设置；(b)Simulink/Carsim联合仿真平台

表2.2　无人驾驶车辆参数说明

设置仿真环境，路面附着系数为0.8，转向盘转角输入为正弦曲线，如图2.22所示。以10 km/h为速度递增区间，使仿真车速在10～120 km/h变化，进行多组对比仿真实验，并对侧向速度、横摆角速度、侧倾角和侧倾角速度的预测误差进行分析，结果分别如图2.23和图2.24所示。

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图2.22　正弦转向盘转角输入

图2.23　等效约束车辆动力学模型预测精度及有效性仿真结果

(a)侧向速度预测误差；(b)横摆角速度预测误差

图2.24　等效约束车辆动力学模型预测精度及有效性仿真结果

(a)侧倾角预测误差；(b)侧倾角速度预测误差

可以看出，当车辆在稳定行驶时，CarSim输出的车辆状态信息和等效约束动力学模型的预测值整体偏差不大，从而证明了所建立的等效约束动力学模型的有效性。另外，可以看出，侧向速度和横摆角速度的预测误差明显大于车辆侧倾角与侧倾角速度的预测误差，这是由于车辆侧倾动力学与车辆的悬架系统有关，表示悬架系统性能的侧倾刚度系数和侧倾阻尼系数可以通过数据拟合准确获得。而车辆的侧向速度和横摆角速度与轮胎的线性侧偏刚度有关，若以表2.2中所示的固定值进行预测，会导致相对较大的预测误差。这也说明了对轮胎线性侧偏刚度进行实时估计的重要性。