總結(jié)一些高效地定制和完善車輛動(dòng)力學(xué)模型的經(jīng)驗(yàn)

上期的強(qiáng)強(qiáng)對(duì)話中來(lái)自同濟(jì)大學(xué) DIAN Racing 車隊(duì)的周曉同學(xué)給我們分享了如何繞過(guò)車輛電氣系統(tǒng)開發(fā)中的一些坑。如果您對(duì)如何利用 Simulink 進(jìn)行車輛建模，仿真和開發(fā)還意猶未盡的話，千萬(wàn)不要錯(cuò)過(guò)這期的分享。這一期，我們邀請(qǐng)了大學(xué)生方程式 2020 賽季中脫穎而出，獲得 MATLAB/Simulink 車輛動(dòng)力學(xué)仿真一等獎(jiǎng)和控制策略開發(fā)及軟件實(shí)現(xiàn)二等獎(jiǎng)的華南農(nóng)業(yè)大學(xué)電車隊(duì)技術(shù)負(fù)責(zé)人黃華騰同學(xué)，來(lái)給我們分享他們車隊(duì)在開發(fā)車輛動(dòng)力學(xué)模型的過(guò)程中所積累的一些經(jīng)驗(yàn)。

黃華騰同學(xué)來(lái)自華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 2017 級(jí)車輛工程專業(yè)，自 2019 賽季起參與到車隊(duì)動(dòng)力總成組的MATLAB/ Simulink 方向的設(shè)計(jì)任務(wù)；在 2020 賽季中擔(dān)任車隊(duì)技術(shù)負(fù)責(zé)人，管理整車設(shè)計(jì)開發(fā)進(jìn)度，同時(shí)主導(dǎo)基于Simulink的車輛模型/控制策略方向的設(shè)計(jì)。

大家好，我是來(lái)自華南農(nóng)業(yè)大學(xué)電車隊(duì)的黃華騰。我們?cè)跒?FSAE 賽事開發(fā)車輛動(dòng)力學(xué)模型的過(guò)程中，曾遇到過(guò)以下幾個(gè)比較常見的問(wèn)題：

1．未能充分開發(fā)車輛動(dòng)力學(xué)模型的價(jià)值，搭建完模型之后不清楚如何應(yīng)用2．自行定制車輛動(dòng)力學(xué)模型時(shí)效率較低3．對(duì)于模型整體的架構(gòu)設(shè)計(jì)和各子系統(tǒng)間如何連接等問(wèn)題無(wú)從下手經(jīng)過(guò)幾個(gè)賽季的摸索，我們?cè)诮鉀Q這些問(wèn)題的過(guò)程中積累了一些經(jīng)驗(yàn)。

1. 車輛動(dòng)力學(xué)模型在FSAE整車開發(fā)中的應(yīng)用

就我們車隊(duì)的經(jīng)驗(yàn)來(lái)說(shuō)，車輛動(dòng)力學(xué)模型在 FSAE 賽事中最重要的價(jià)值是提供了一個(gè)以很低的成本來(lái)快速地進(jìn)行迭代優(yōu)化的工具。具體而言，其可以應(yīng)用在整車開發(fā)中的兩個(gè)場(chǎng)景：控制策略的迭代優(yōu)化以及賽車關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)的設(shè)計(jì)。1.1 加速控制策略的迭代優(yōu)化通常我們都需要通過(guò)一些實(shí)車測(cè)試的反饋數(shù)據(jù)來(lái)優(yōu)化控制策略的效果。

但是很多時(shí)候，到了實(shí)車下地的時(shí)間點(diǎn)，緊張的時(shí)間、人力、場(chǎng)地資源往往很難充分滿足我們的這一需求。另外，為 FSAE 定制的各種控制策略，都或多或少存在一些需要根據(jù)本車隊(duì)賽車設(shè)計(jì)參數(shù)、設(shè)計(jì)目標(biāo)，來(lái)進(jìn)行優(yōu)化的參數(shù)。特別是算法中一些參數(shù)需要提前設(shè)定好處于合理范圍內(nèi)的初始值，并對(duì)算法做一些驗(yàn)證工作，避免在實(shí)車上測(cè)試時(shí)發(fā)生意外。

而使用車輛動(dòng)力學(xué)模型這樣一輛存在于電腦中的賽車，就可以通過(guò)仿真快速完成初期的迭代優(yōu)化和參數(shù)設(shè)定，大大減少在實(shí)車下地測(cè)試時(shí)所需要占用的資源。我們的具體做法是，將控制策略模型放在控制器子系統(tǒng)中，如下圖，和車輛模型一起參與仿真，然后對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，以此對(duì)控制策略進(jìn)行迭代優(yōu)化。

1.2 輔助確定車輛動(dòng)力學(xué)模型為關(guān)鍵設(shè)計(jì)在賽季初，在根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和理論計(jì)算確定了一些待定設(shè)計(jì)參數(shù)，如減速器的傳動(dòng)比、輪距、空氣動(dòng)力學(xué)參數(shù)等的取值范圍后，可以使用車輛動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行多種工況的仿真來(lái)從整車的層面考察這些設(shè)計(jì)參數(shù)在相互作用時(shí)，對(duì)動(dòng)力性、操縱穩(wěn)定性等性能的影響，以及進(jìn)行圈速仿真，為確定一些設(shè)計(jì)參數(shù)的取值提供重要參考。

一種比較常見的做法是直接使用一些車輛動(dòng)力學(xué)仿真軟件去做仿真，而這里我們提供另外一種思路，即基于 Simulink 定制車輛模型。這樣做好處主要是可以進(jìn)行做出一個(gè)高度定制化的車輛模型，而且作為學(xué)生在建模的過(guò)程可以學(xué)以致用，應(yīng)用學(xué)到的理論知識(shí)。

這種做法在建模和仿真方面給予我們很大的施展空間。例如我們?cè)谀Ｐ彤?dāng)中加入了電機(jī)模型和電池模型，其中電池模型是基于放電實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)參數(shù)辨識(shí)的方法得到的。下圖中展示了我們所使用的的等效電路電池模型。那么這樣一來(lái)我們的車輛模型就具有了對(duì)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行仿真的能力，同時(shí)也能夠?qū)δ芰炕厥詹呗赃M(jìn)行進(jìn)一步的仿真和驗(yàn)證。

2. 善用 Simulink 相關(guān)的工具箱自行定制車輛動(dòng)力學(xué)模型時(shí)最重要的問(wèn)題就是效率問(wèn)題。如果自己根據(jù)理論知識(shí)利用基礎(chǔ)模塊，或者說(shuō)寫自定義模塊，來(lái)從無(wú)到有搭建起整個(gè)模型，需要非常大的工作量。況且以我們車隊(duì)的經(jīng)驗(yàn)來(lái)講，這種做法往往還會(huì)花費(fèi)大量時(shí)間在模型的 Debug 上。這樣的話，定制化所帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)就被效率問(wèn)題所掩蓋了。

所以，我們都優(yōu)先使用相關(guān)工具箱中已有的模塊，這些模塊更加可靠。我們只需要在使用前通過(guò)幫助文檔對(duì)模塊原理以及輸入輸出等進(jìn)行了解，判斷是否符合我們需求就行了。對(duì)于我們這個(gè)賽事而言，比較重要的兩個(gè)工具箱就是 Vehicle Dynamics Blockset 和 Powertrain Blockset。

這兩個(gè)工具箱中提供的模塊基本足以支持我們完成一個(gè)車輛動(dòng)力學(xué)模型的核心部分，包括發(fā)動(dòng)機(jī)/電動(dòng)機(jī)、行駛系、傳動(dòng)系、轉(zhuǎn)向系和制動(dòng)系等。上面介紹的等效電路電池模型，就是 Powertrain Blockset 中的模塊。學(xué)會(huì)利用相關(guān)的工具箱，可以大大加速我們定制車輛模型的速度。

3. 在 Simulink 案例模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行定制化在搭建模型的過(guò)程中，我們應(yīng)該只選取整車中的一些重要對(duì)象來(lái)建模，同時(shí)也要考慮各個(gè)系統(tǒng)之間的連接方式和層次設(shè)計(jì)。這容易使剛剛上手的同學(xué)覺得無(wú)從下手。Simulink 自帶的很多案例模型，以及線上競(jìng)賽提供的車輛模型就是學(xué)習(xí)的最佳材料。

我們也推介借鑒這些模型來(lái)開發(fā)和定制的車輛動(dòng)力學(xué)模型。這里我們以案例模型其中的一個(gè)來(lái)作為例子。打開名為 Constant Radius Reference Application 的案例，可以看到這個(gè)模型的架構(gòu)非常清晰。

我們就是在這些案例模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行定制的。例如刪去變速箱、差速器等相關(guān)的部分，增加上述的等效電路電池模型等。另外保留其整體架構(gòu)，參考案例模型中大部分子系統(tǒng)之間的相對(duì)位置和連接方式。在原有的架構(gòu)下去進(jìn)行各種修改。

這個(gè)案例模型中簧上質(zhì)量、簧下質(zhì)量以及懸架模型之間是如何相互連接的，這種連接方式也被我們的作品所采用。通過(guò)參考案例模型的方式可以在保證效率和可靠性的前提下快速地完成一個(gè)定制化的車輛動(dòng)力學(xué)模型。當(dāng)然，這種方式是必須要建立在理解和吸收原案例模型的基礎(chǔ)上的。

4. 其他經(jīng)驗(yàn)下面關(guān)于車輛動(dòng)力學(xué)模型，我們還有以下幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)想分享一下。使用實(shí)車數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)整車模型進(jìn)行驗(yàn)證和校正我們基于車輛動(dòng)力學(xué)模型做的應(yīng)用的實(shí)際效果，是受模型對(duì)實(shí)車的擬真程度的影響的。那么將賽車的數(shù)采系統(tǒng)記錄到的數(shù)據(jù)，與車輛模型在相同工況下的輸出進(jìn)行比較，可以讓我們對(duì)模型與實(shí)車表現(xiàn)的相似度進(jìn)行考察，并且通過(guò)分析確定需要改進(jìn)的地方。

我們將 8 字繞環(huán)項(xiàng)目中采集到的車手操作輸入整車模型，然后將實(shí)車數(shù)據(jù)跟整車模型的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)二者非常接近。雖然只進(jìn)行了定性的分析，但這也大大增強(qiáng)了我們基于整車模型所做的工作的信心。

使用虛幻引擎定制仿真場(chǎng)景我們自己定制的 Simulink 車輛動(dòng)力學(xué)模型也是可以實(shí)現(xiàn)3D可視化的。我們?nèi)ツ昃透鶕?jù) Help 文檔中的描述，使用虛幻 4 引擎實(shí)現(xiàn)了這一功能。將車輛動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行 3D 可視化，其實(shí)是將大量的仿真結(jié)果，包括車速、姿態(tài)角、車輛軌跡等，進(jìn)行了高度的集成并進(jìn)行了具象化，使得我們驗(yàn)證車輛動(dòng)力學(xué)模型的時(shí)候多了一種高效的手段。下圖是虛幻引擎編輯器的操作界面。

下圖是我們使用虛幻引擎編輯器搭建的場(chǎng)景，圖中的圓形賽道樁桶是按照 8 字繞環(huán)的規(guī)則擺放的（只擺了左圓）。在仿真過(guò)程中我們可以切換不同視角來(lái)觀察賽車的姿態(tài)、方向盤/前輪轉(zhuǎn)角和軌跡。

定制自己車隊(duì)的 GUI當(dāng)我們?cè)趯?duì)車輛設(shè)計(jì)參數(shù)或者控制策略進(jìn)行迭代優(yōu)化時(shí)會(huì)使用不同參數(shù)、在不同工況間切換進(jìn)行大量的仿真，這其中的一些操作可能會(huì)重復(fù)上幾十遍。這時(shí)，基于APP Designer開發(fā)的GUI就可以簡(jiǎn)化操作，提高效率，對(duì)已有的代碼進(jìn)行集成，增強(qiáng)人機(jī)交互性，降低負(fù)責(zé)其他方向的同學(xué)使用這個(gè)車輛動(dòng)力學(xué)模型的門檻。下圖是我們的一個(gè)GUI，我們可以直接在紅框中填入數(shù)值來(lái)設(shè)置減速器的的傳動(dòng)比。

此外可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)旋鈕來(lái)在各種預(yù)設(shè)工況間進(jìn)行切換，并通過(guò)右側(cè)按鈕直接設(shè)置各種控制策略的開/關(guān)，如下圖。

事實(shí)上使用 APP Designer 開發(fā)這樣的 GUI 是一件學(xué)習(xí)成本遠(yuǎn)低于收益的事。主要是這一工具不僅提供了圖形化的操作界面，還為代碼編寫提供了不少的輔助功能。所以通過(guò)這一工具自帶的參考示例自行摸索就能快速上手制作出實(shí)用的 GUI。致謝感謝在過(guò)去兩個(gè)賽季里所有跟我一起工作過(guò)的車隊(duì)成員以及指導(dǎo)老師們。特別是我們車隊(duì)MATLAB/Simulink 團(tuán)隊(duì)里幾位低調(diào)的成員，盡管時(shí)間和人力資源非常有限，但還是默契合作，出色完成了很多的工作。

另外也要特別感謝來(lái)自MathWorks的老師們，特別是董淑成老師（小編注：董淑成，MathWorks 公司高級(jí)工程師、技術(shù)專家，大學(xué)生方程式賽事資深裁判，MATLAB 中文論壇超級(jí)版主“老胡”，“基于模型的設(shè)計(jì)”微信公眾號(hào)創(chuàng)始人）和楚駿楠學(xué)姐（小編注：楚駿楠，MathWorks中國(guó)高級(jí)應(yīng)用工程師），他們?cè)谌ツ晗尻?yáng)賽場(chǎng)的答辯現(xiàn)場(chǎng)，以及三電分享的現(xiàn)場(chǎng)給予我們的指導(dǎo)和關(guān)切讓我印象深刻。

編輯：jq