无人驾驶车辆联合仿真平台设计

1.启动CarSim软件

运行CarSim后会出现“选择数据库”对话框。此对话框中显示了最近使用的数据库。对于初次使用或者没有创建过新数据库的用户，此处只有一个选项，即CarSim软件自带的基础数据库，其路径与安装时的设置有关，如图3.8(a)所示。

选中目标数据库后单击“Continue with the selected database”，出现“License Settings”对话框，如图3.8(b)所示；选择“Select”，即进入CarSim的主界面。CarSim主界面主要由三大部分组成：车辆参数及仿真工况的设置、数学模型求解、运算结果与后处理。用户可以修改车辆参数，根据需要来设置仿真工况。

图3.8　CarSim启动时的对话框

(a)“选择数据库”的对话框；(b)“License Settings”对话框

2.新建数据集

在CarSim中进行整车模型搭建、仿真工况设置和外部接口设置等工作之前，通常需要新建一个数据集(Dataset)来进行仿真环境的存储和管理。在菜单栏选择“File→New dataset”来新建一组Dataset。在出现的对话框中输入新建Dataset的分组和名称，本例将其设为“BOOK_MPC_Examples”和“Chapter3_SpeedTrackingControl_MPC”，如图3.9(a)所示。单击“Set”后完成新建，新建的Dataset会在主菜单中“Datasets”的下拉菜单中出现，如图3.9(b)所示。

图3.9　创建新的Dataset

(a)输入新建Dataset的分组和名称的对话框；(b)新建Dataset的结果

3.在CarSim中搭建整车模型

在CarSim主界面的车辆参数设置部分，单击图3.10(a)所示的下拉菜单选择目标车辆模型。读者即可在CarSim提供的车辆模型库中选择，也可以根据实际试验车辆搭建自定义的车辆模型。

这里使用默认参数配置的CarSim车辆进行仿真测试，选择的车辆为前驱D-Class SUV，使用150 kW汽油机和6挡自动(AT)变速器。D-class SUV的车辆模型尺寸参数，如图3.10(b)所示。

图3.10　在CarSim中搭建整车模型

(a)选择车辆模型的对话框；(b)车辆参数

4.在CarSim中设置仿真工况

在CarSim主界面中单击图3.11所示的仿真工况设置按钮，即可进入图3.12所示的仿真工况设置界面。在仿真工况设置界面需要设定车辆的行驶速度、制动控制、挡位控制、转向控制、路面参数和仿真过程控制等部分。

图3.11　仿真工况设置按钮

图3.12　仿真工况设置界面

针对速度跟踪控制这一实例，驱动控制和制动控制设为无，即不需要模型自身施加驱动力和制动力，挡位控制选择自动升挡。由于本例程不涉及横向控制，所以转向盘输入由“Driver path follower”控制。因此，选择驱动控制设定为“No Open→Loop Throttle”，制动控制设定为“No Open→Loop Braking Pressure”，挡位控制设定为“AT All Gears”，转向控制设定为“No Offset，1.5 sec.Preview”。仿真道路设定为“1200m One Lane”，仿真时长设为120 s，并选择初始化车辆位置、航向和速度。

5.外部接口设置

外部接口设置的主要内容有连接器选择、求解器选择和输入输出接口设置三部分。本书中的仿真程序主要在Simulink环境中进行，因此在CarSim主界面的数学模型求解模块的Models选项，选择“Models：Simulink”，如图3.13(a)所示。然后需要选择合适的Dataset将CarSim与Simulink连接起来。若需要新建一个Dataset，则单击如图3.13(b)所示的选项，选择“[Link to New Dataset]”，弹出如图3.13(c)所示的对话框，输入新建Dataset的分组和名称，这里将其设为“BOOK_MPC_Models”和“MPC_SpeedCtrl_Sim”，单击“Create and Link”按钮，完成新建。

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图3.13　CarSim的Simulink模型设置

(a)连接器的选择；(b)Link to New Dataset；(c)新建一个与Simulink联合的Dataset

单击如图3.14(a)所示的“MPC_SpeedCtrl_Sim”，将会弹出求解器设置界面，如图3.14(b)所示。在求解器设置界面可以选择积分算法(如AM-2，RK-2，AM-4，AB-2等)和仿真步长，这里使用默认的“AM-2(2 updates per step)”，仿真步长设为“0.001s”。在此界面还可以指定目标工作路径和Simulink Model所在的路径，本例设置为

(1)目标工作路径：E：\Carsim\Book_examples\chap3_MPC_SpeedCtrl。

(2)Simulink Model的路径：e：\Carsim\Book_examples\chap3_MPC_Speed-Ctrl\LEO_MPC_SpeedCtrl.mdl，LEO_MPC_SpeedCtrl.mdl为事先建好的空工程。

在输入和输出端口可以设置CarSim的导入变量以及CarSim导出到Simulink的变量。单击如图3.15(a)所示的“Import Channels”，选择“[Link to New Dataset]”；然后单击“[Link to New Dataset]”，在弹出的对话框中输入新建Dataset的分组和名称，这里分别设置为“BOOK_MPC_Sim_Imports”和“SpeedCtrl_Imports”，如图3.14(b)所示。单击“Create and Link”按钮，完成创建。，进入CarSim导入变量设置界面，将“Readme file for imports”设置为Programs\solvers\ReadMe\i_i_imports_tab.txt。定义CarSim的导入变量依次设置为IMP_THROTTLE_ENGINE(油门输入)、IMP_PCON_BK(制动主缸压力[MPa])，如图3.15(c)所示。

图3.14　外部接口设置

(a)单击“MPC_SpeedCtrl_Sim”；(b)求解器设置界面

单击

图3.15　新建SpeedCtrl_Imports

(a)Link to New Dataset；(b)设置Dataset的分组和名称；(c)SpeedCtrl_Imports导入的控制量

同理，可以定义CarSim的导出变量，将“Readme file for outputs”设置为Programs\solvers\ReadMe\i_i_outputs_tab.txt。定义CarSim的导出变量车速和加速度，顺序依次设为vx(质心车速)和ax(质心处加速度)。需要注意的是：CarSim的导入变量是和Simulink中MPC模型的输出量相对应的。

另外，还可以在此界面将CarSim与所安装的MATLAB版本进行匹配，如果安装的是64位版的MATLAB，则需要选择“Use 64-bit Matlab”，如果安装的是32位版的MATLAB，则需要选择“Use 32-bit Matlab”。

完成上述设定后，单击CarSim主界面如图3.16(a)所示的“Send to Simulink”按钮，此时，MATLAB及事先建好的空白工程LEO_MPC_SpeedCtrl.mdl将被 打 开。在MATLAB Command Window中输入Simulink，回 车，打 开Simulink Library Browser发现此时Simulink库里多了一个“CarSim S-Function”。将其拖曳到LEO_MPC_SpeedCtrl.mdl中，Simulink即可以S函数的形式调用该CarSim模块。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。

6.在LEO_MPC_SpeedCtrl.mdl中加入基于MPC的速度跟踪控制器

将Simulink Library Browser中的“S-Function”图标拖到LEO_MPC_Speed-Ctrl.mdl中，并双击该图标，弹出如图3.16(b)所示的对话框，在S-function name中输入Main_MPC_SpeedCtrl。单击Edit按钮，将基于MPC的速度跟踪控制算法M文件导入。注意此模块恰好有一个输入接口和一个输出接口，分别对应着轨迹跟踪控制器(Main_MPC_SpeedCtrl)的导入变量和导出变量，其输入量为上一时刻CarSim模块的导出变量，而该模块输出的节气门控制量和制动主缸压力又被导入CarSim模块。

图3.16　CarSim与Simulink之间的调用

(a)CarSim模型发送至Simulink；(b)Simulink调用CarSim模块

搭建完成的LEO_MPC_SpeedCtrl.mdl，如图3.17所示；考虑实际情况，在系统中增加了延时模块。至此，完成了联合仿真平台的搭建。在CarSim主界面单击“Run Now”即可运行此仿真实例。单击“Animate”还可以查看速度跟踪的仿真动画。

图3.17　Simulink中LEO_MPC_SpeedCtrl.mdl设计

对于能够熟练使用Simulink/CarSim联合仿真的读者，本书还提供了已经搭建好的数据集(Datasets)文件“chapter3_4_1”，可以将其直接导入CarSim实现联合仿真。