本发明涉及车辆动力学控制技术领域，尤其是涉及一种车身姿态模拟装置设计方法与极限工况计算方法和装置。
背景技术：
esc(electronicstabilitycontroller，汽车电子稳定控制系统)是车辆新型的主动安全系统，是汽车防抱死制动系统(abs)和牵引力控制系统(tcs)功能的进一步扩展，并在此基础上，增加了车辆转向行驶时横摆率传感器、测向加速度传感器和方向盘转角传感器，通过ecu控制前后、左右车轮的驱动力和制动力，确保车辆行驶的侧向稳定性。该系统由传感器、电子控制单元(ecu)和执行器三大部分组成，通过电子控制单元监控汽车运行状态，对车辆的发动机及制动系统进行干预控制。典型的汽车电子稳定控制系统在传感器上主要包括4个轮速传感器、方向盘转角传感器、侧向加速度传感器、横摆角速度传感器、制动主缸压力传感器等，执行部分则包括传统制动系统(真空助力器、管路和制动器)、液压调节器等，电子控制单元与发动机管理系统联动，可对发动机动力输出进行干预和调整。
硬件在环仿真(hardware-in-the-loopsimulation，hils)也叫半实物仿真，仿真中某些简单部件是数学模型，而另外一些难以抽象为数学模型的复杂部件是实物的一种仿真方式，通常控制器也是实际控制器。由于有实物在仿真回路，必须采用实时仿真。硬件在环仿真将不能精确建模的部件采用实物参与到仿真回路，所以仿真精度较数学仿真有提高，通常通过仿真试验对控制系统的控制策略、控制功能及系统可靠性等进行测试和评估。这种仿真的另一个优势在于它实现了仿真模型和实际系统间的实时数据交互，使仿真结果的验证过程非常直观，大大缩短了产品开发周期。仿真时，电脑与实际硬件通过各种信息通道相连，电脑与实际硬件共同完成仿真工作，并将仿真结果在电脑中进行分析，从而判断硬件的运行情况。它充分利用计算机建模的简易性，减少了费用；便于对系统的输入进行灵活快捷的变更，在改变参数的同时可以详细观察系统性能的变化；对系统中非重点考察的复杂环节，可直接将其硬件连入仿真系统。
国内的esc硬件在环仿真系统基本构造是，用带方向盘转角传感器的方向盘，带位置传感器的油门、刹车踏板搭建成驾驶员输入系统，将汽车的整套制动系统包括助力器、主缸、管路、abs制动压力调节器、分泵和管路压力传感器等全套执行器部件作为在环硬件，进行硬件在环仿真。为了加快汽车电子汽车稳定控制系统(esc)的开发和标定的速度以及减少其中的成本，采用了硬件在环仿真试验。即通过汽车数学模型在计算机内建立实时闭环仿真回路，并将汽车的制动系、液压控制单元(hcu)、电子汽车稳定控制系统(esc)控制器等电子汽车稳定控制系统(esc)相关零部件以实物的形式加入仿真回路参与实时仿真，从而避免了数学模型与实际系统的误差。加入实物越多，试验越接近实车环境，仿真数据越准确。目前，现有车身姿态模拟装置为一个二旋转自由度的平台，只能模拟车辆的横向加速度和横摆角速度。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种车身姿态模拟装置设计方法与极限工况计算方法和装置，可以对车辆的纵向加速度、横向加速度和横摆角速度进行模拟，并且可以采集车辆esc在所模拟姿态下的工作特性。
第一方面，本发明实施例提供了一种车身姿态模拟装置的极限工况计算方法，该方法基于预先设定的车辆坐标系实现，在该车辆坐标系中，车辆的质心位于原点，该质心的加速度在该车辆坐标系的x轴、y轴、z轴的分量分别为横向加速度、纵向加速度和横摆角速度；该方法包括：获取车辆的横向加速度数据、纵向加速度数据、横摆角速度数据以及三个坐标轴上待驱动部分的转动惯量数据；根据上述横向加速度数据、纵向加速度数据、横摆角速度数据以及转动惯量数据计算得到各个坐标轴的驱动装置所需的最大转速和最大转矩。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，上述获取车辆的横向加速度数据、纵向加速度数据、横摆角速度数据以及三个坐标轴上待驱动部分的转动惯量数据的步骤包括：通过仿真得到车辆的横向加速度数据、纵向加速度数据与横摆角速度数据；通过三维模型的观测得到三个坐标轴上待驱动部分的转动惯量数据。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，上述方法还包括：根据上述最大转速和最大转矩选择各个坐标轴的驱动装置。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，x轴或y轴驱动装置最大转速的计算公式为：
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，x轴或y轴驱动装置最大转矩的计算公式为：
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，z轴驱动装置最大转速的计算公式为：
式中，ωzmax为z轴驱动装置最大转速，ωr为横摆角速度，ax是纵向加速度，ay是横向加速度，g为重力加速度。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，z轴驱动装置最大转矩的计算公式为：tzmax＝jz×α，其中，tzmax为z轴驱动装置最大转矩，jz为z轴待驱动部分的转动惯量，α为z轴角加速度。
第二方面，本发明实施例还提供了一种车身姿态模拟装置设计方法，包括：设计x轴支撑装置；该x轴支撑装置用于支撑车辆esc；计算得到驱动该x轴支撑装置所需的x轴最大转速和x轴最大转矩，并根据该x轴最大转速和该x轴最大转矩选择x轴驱动装置；设计y轴支撑装置；该y轴支撑装置用于支撑上述x轴支撑装置及x轴驱动装置；计算得到驱动该y轴支撑装置所需的y轴最大转速和y轴最大转矩，并根据该y轴最大转速和该y轴最大转矩选择y轴驱动装置；设计z轴支撑装置；该z轴支撑装置用于支撑上述x轴支撑装置、y轴支撑装置、x轴驱动装置以及y轴驱动装置；计算得到驱动该z轴支撑装置所需的z轴最大转速和z轴最大转矩，并根据该z轴最大转速和该z轴最大转矩选择z轴驱动装置；设计整体支撑装置；该整体支撑装置用于支撑上述x轴支撑装置、y轴支撑装置、z轴支撑装置、x轴驱动装置、y轴驱动装置以及z轴驱动装置。
第三方面，本发明实施例还提供了一种车身姿态模拟装置的极限工况计算装置，该装置基于预先设定的车辆坐标系实现，在该车辆坐标系中，车辆的质心位于原点，该质心的加速度在该车辆坐标系的x轴、y轴、z轴的分量分别为横向加速度、纵向加速度和横摆角速度；该装置包括：数据获取模块，用于获取车辆的横向加速度数据、纵向加速度数据、横摆角速度数据以及三个坐标轴上待驱动部分的转动惯量数据；计算模块，用于根据上述横向加速度数据、纵向加速度数据、横摆角速度数据以及转动惯量数据计算得到各个坐标轴的驱动装置所需的最大转速和最大转矩。
结合第三方面，本发明实施例提供了第三方面的第一种可能的实施方式，其中，该装置还包括：选择模块，用于根据上述最大转速和最大转矩选择各个坐标轴的驱动装置。
本发明实施例带来了以下有益效果：
本发明实施例提供的车身姿态模拟装置设计方法与极限工况计算方法和装置，该极限工况计算方法基于预先设定的车辆坐标系实现，在该车辆坐标系中，车辆的质心位于原点，该质心的加速度在该车辆坐标系的x轴、y轴、z轴的分量分别为横向加速度、纵向加速度和横摆角速度；该方法包括：获取车辆的横向加速度数据、纵向加速度数据、横摆角速度数据以及三个坐标轴上待驱动部分的转动惯量数据；根据上述横向加速度数据、纵向加速度数据、横摆角速度数据以及转动惯量数据计算得到各个坐标轴的驱动装置所需的最大转速和最大转矩；可以对车辆的纵向加速度、横向加速度和横摆角速度进行模拟，并且可以采集车辆esc在所模拟姿态下的工作特性。
本公开的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，或者，部分特征和优点可以从说明书推知或毫无疑义地确定，或者通过实施本公开的上述技术即可得知。
为使本公开的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种车辆坐标系示意图；
图2为本发明实施例提供的一种车身姿态模拟装置的极限工况计算方法的流程图；
图3为本发明实施例提供的一种车身姿态模拟装置的设计方法的流程图；
图4为本发明实施例提供的一种车身姿态模拟装置的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的一种车身姿态模拟装置的极限工况计算装置的结构示意图。
图标：
51-数据获取模块；52-计算模块；53-选择模块。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
目前，现有车身姿态模拟装置为一个二旋转自由度的平台，只能模拟车辆的横向加速度和横摆角速度。基于此，本发明实施例提供的一种车身姿态模拟装置设计方法与极限工况计算方法和装置，可以对车辆的纵向加速度、横向加速度和横摆角速度进行模拟，并且可以采集车辆esc在所模拟姿态下的工作特性。
为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种车身姿态模拟装置的极限工况计算方法进行详细介绍。
实施例一
本发明实施例提供的一种车身姿态模拟装置的极限工况计算方法基于预先设定的车辆坐标系实现，如图1所示，本发明实施例提供的一种车辆坐标系示意图，由图1可见，在该车辆坐标系中，车辆的质心位于原点，并且，车辆质心的加速度在该车辆坐标系的x轴、y轴、z轴的分量分别为横向加速度、纵向加速度和横摆角速度。这里，横向加速度指的是与汽车行驶方向垂直的方向的加速度，在车辆进行转弯行驶时产生的离心力所带来的加速度，也就是车被“甩飞”的趋势，这个加速度越大车子理论上就容易被“甩”离行驶路径。另外，横摆角速度是指汽车绕垂直轴的偏转，该偏转的大小代表汽车的稳定程度，如果偏转角速度达到一个阈值，说明汽车发生测滑或者甩尾等危险工况。
如图2所示，为本发明实施例提供的一种车身姿态模拟装置的极限工况计算方法的流程图，由图2可见，该方法的步骤包括：
步骤s201：获取车辆的横向加速度数据、纵向加速度数据、横摆角速度数据以及三个坐标轴上待驱动部分的转动惯量数据。
这里，转动惯量是刚体绕轴转动时惯性(回转物体保持其匀速圆周运动或静止的特性)的量度。转动惯量在旋转动力学中的角色相当于线性动力学中的质量，可形式地理解为一个物体对于旋转运动的惯性，用于建立角动量、角速度、力矩和角加速度等数个量之间的关系。转动惯量只决定于刚体的形状、质量分布和转轴的位置，而同刚体绕轴的转动状态(如角速度的大小)无关。
在实际操作中，可以通过仿真得到车辆的横向加速度数据、纵向加速度数据与横摆角速度数据；并通过三维模型的观测得到三个坐标轴上待驱动部分的转动惯量数据。
步骤s202：根据上述横向加速度数据、纵向加速度数据、横摆角速度数据以及转动惯量数据计算得到各个坐标轴的驱动装置所需的最大转速和最大转矩。
这里，x轴或y轴驱动装置最大转速的计算公式为：
式中，ωimax为x轴或y轴驱动装置最大转速，ti为车辆横向加速度或纵向加速度从0增长至1g所需的时间，g为重力加速度。
另外，x轴或y轴驱动装置最大转矩的计算公式为：
式中，timax为x轴或y轴驱动装置最大转矩，ji为x轴或y轴待驱动部分的转动惯量，t为驱动信号发送周期，t取值9×10-3s。
并且，z轴驱动装置最大转速的计算公式为：
其中，ωzmax为z轴驱动装置最大转速，ωr为横摆角速度，ax是纵向加速度，ay是横向加速度，g为重力加速度，ax和ay取值为0.8g。
此外，上述z轴驱动装置最大转矩的计算公式为：
tzmax＝jz×α
其中，tzmax为z轴驱动装置最大转矩，jz为z轴待驱动部分的转动惯量，α为z轴角加速度。
最后，在得到x轴、y轴和z轴的驱动装置所需的最大转速和最大转矩之后，根据该最大转速和最大转矩选取各个坐标轴的驱动装置。在其中一种或多种实施方式中，该驱动装置包括电机和减速器。其中电机用于提供动力源，产生驱动转矩。减速器用于给电机减速，它把电机高速运转的动力通过其输入轴上的齿数少的齿轮啮合输出轴上的大齿轮来达到给电机减速的目的。
本发明实施例提供的车身姿态模拟装置的极限工况计算方法，可以对车辆的纵向加速度、横向加速度和横摆角速度进行模拟，并且可以采集车辆esc在所模拟姿态下的工作特性。
实施例二
本发明实施例针对车身姿态模拟装置的极限工况计算方法中x轴、y轴和z轴的极限工况的计算方法分别进行更加详细地说明。
首先，x轴的极限工况计算过程如下所示。
步骤一：通过仿真得到一般轿车在方向盘角阶跃输入前后横向加速度随时间变化曲线。这里，对于x轴主要考虑汽车横向加速度的变化规律，汽车横向加速度变化最快的工况应该是方向盘角阶跃输入工况。
步骤二：获取横向加速度从0增长至0.5g所用的时间tx(认为在该时间段内横向加速度增长的最快)，计算出加速度的增长率为
步骤三：考虑到高性能汽车转向响应可能更快，取3倍裕量，认为汽车横向加速度增长率不会超过jx＝3j'x。
步骤四：计算得到汽车的横向加速度从0增长至1g的时间为
步骤五：根据车身姿态模拟的原理，x轴电机转过90°代表汽车横向加速度从0增长至1g，要满足汽车的极限工况，x轴电机必须能够在tx时间内从静止转过90°并再次静止，要实现精确控制电机转角，电机的加减速过程必须很短，所以可以忽略电机加减速过程，从而x轴电机需求最大转速要求ωxmax为：
步骤六：因为esc的主要重量集中在电机，故以电机所在轴线作为x轴可以近似得到物体的最小转动惯量，通过三维模型的观测得到x轴驱动的部分在x轴的转动惯量jx，为了使云台x轴有足够快的响应，x轴电机需要有足够的加速能力，由于实验台上的信号发送频率为10ms，所以设定电机能够在9ms内将x轴机械结构从静止加速到最大转速，使得电机在接收的下一个信号之前能达到预定位置，则所需x轴电机最大转矩txmax可以计算得到：
步骤七：根据所得到的ωxmax和txmax参数选择x轴合适的减速机和驱动电机。
其次，y轴的极限工况计算过程如下所示。
步骤一：通过实验数据得到一般轿车的起步加速度数据。这里，对于y轴主要考察汽车纵向加速度的变化规律，汽车加速度变化最快的工况是汽车气门全开的起步阶段。
步骤二：获取纵向加速度从0增长至0.48g所用的时间ty(认为在该时间段内横向加速度增长的最快)，并计算出加速度的增长率为
步骤三：考虑到高性能汽车转向响应可能更快，取3倍裕量，认为汽车纵向加速度增长率不会超过jy＝3j'y。
步骤四：计算得到汽车纵向加速度从0增长至1g的时间为
步骤五：根据车身姿态模拟的原理，y轴电机转过90°代表汽车纵向加速度从0增长至1g，要满足汽车的极限工况，y轴电机必须能够在ty时间内从静止转过90°并再次静止，要实现精确控制电机转角，电机的加减速过程必须很短，所以可以忽略电机加减速过程，所以y轴电机需求最大转速要求ωymax为：
步骤六：通过对三维模型的观测得到y轴所驱动部分的转动惯量为jy，为了使云台x轴有足够快的响应，y轴电机需要有足够的加速能力，由于实验台上的信号发送频率为10ms，所以设定电机能够在9ms内将y轴机械结构从静止加速到最大转速，使得电机在接收的下一个信号之前能达到预定位置，则所需x轴电机最大转矩tymax可以计算得到：
步骤七：根据所得到的ωymax和tymax参数选择y轴合适的减速机和驱动电机。
然后，z轴的极限工况计算过程如下所示。
步骤一：根据已有结论:
式中，ωr为横摆角速度，k为稳定性因数，k取值0.0024s2/m2，l取2.8m，而现代轿车的前轮转角一般不超过45°，所以δ可取π/4。由此求得ωr≤2.86rad/s。
步骤二：根据本装置模拟车身姿态的方法有如下公式：
联立上述3个式子，得
步骤三：假设汽车横向加速度不会超过0.8g，取ax＝0.8g，ay＝0.8g，则z轴需求最大转速ωzmax，
步骤四：汽车横摆角速度变化最快的工况也是在方向盘的角阶跃输入工况，通过仿真，得到某轿车在方向盘角阶跃输入前后横摆角速度随时间变化曲线。
步骤五：计算前0.5s内的横摆角速度的增长率，即前0.5s内z轴的角加速度，记为α’。考虑到高性能汽车转向响应可能更快，取3倍裕量，认为汽车横向加速度增长率不会超过α＝3α’。
步骤六：通过三维数模观测得z轴电机带动的转动部件相对于z轴的转动惯量为jz，对z轴电机最大加速的需求是在0.5s内加速至最大转速ωzmax，则z轴所需电机最大转矩tzmax有：
tzmax＝jz×α
步骤七：根据所得到的ωzmax和tzmax参数选择z轴合适的减速机和驱动电机。
至此，即得到了车身姿态模拟装置中各个坐标轴上的极限工况。
实施例三
本发明实施例还提供了一种车身姿态模拟装置设计方法，如图3所示，为本发明实施例提供的一种车身姿态模拟装置的设计方法的流程图，由图3可见，该设计方法的步骤包括：
步骤s301：设计x轴支撑装置；该x轴支撑装置用于支撑车辆esc。
在设计x轴支撑装置之前，还需要进行esc建模。其中，要求x轴、y轴以及z轴都穿过esc的轴心。这里的设计为机械设计，可在软件catia中进行三维模型的设计。
步骤s302：计算得到驱动x轴支撑装置所需的x轴最大转速和x轴最大转矩，并根据该x轴最大转速和x轴最大转矩选择x轴驱动装置。
按照上述实施例提供的车身姿态模拟装置的极限工况计算方法计算x轴的最大转速和最大转矩。
步骤s303：设计y轴支撑装置；该y轴支撑装置用于支撑上述x轴支撑装置及x轴驱动装置。
步骤s304：计算得到驱动y轴支撑装置所需的y轴最大转速和y轴最大转矩，并根据该y轴最大转速和y轴最大转矩选择y轴驱动装置。
步骤s305：设计z轴支撑装置；该z轴支撑装置用于支撑上述x轴支撑装置、y轴支撑装置、x轴驱动装置以及y轴驱动装置。
步骤s306：计算得到驱动z轴支撑装置所需的z轴最大转速和z轴最大转矩，并根据该z轴最大转速和z轴最大转矩选择z轴驱动装置。
步骤s307：设计整体支撑装置；该整体支撑装置用于支撑上述x轴支撑装置、y轴支撑装置、z轴支撑装置、x轴驱动装置、y轴驱动装置以及z轴驱动装置。
在其中至少一种实施方式中，如图4所示，为本发明实施例提供的一种车身姿态模拟装置的结构示意图，图中，esc上的电子控制单元(ecu)集成了检测车身姿态的加速度传感器和陀螺仪传感器，可以检测汽车的纵向加速度、横向加速度和横摆角速度。其中，各个轴上设置的电-液滑环可以将电路和以液压回路由静到旋转状态的传递。在装置工作时，x轴将带动esc一起转动，y轴带动整个x轴整体转动，z轴将带动y轴整体转动。
本发明实施例所提供的装置，其实现原理及产生的技术效果和前述方法实施例相同，为简要描述，装置实施例部分未提及之处，可参考前述方法实施例中相应内容。
实施例四
本发明实施例还提供了一种车身姿态模拟装置的极限工况计算装置，该装置基于预先设定的车辆坐标系实现，在该车辆坐标系中，车辆的质心位于原点，质心的加速度在车辆坐标系的x轴、y轴、z轴的分量分别为横向加速度、纵向加速度和横摆角速度。如图5所示，为本发明实施例提供的一种车身姿态模拟装置的极限工况计算装置的结构示意图，由图5可见，该装置包括依次相连的数据获取模块51、计算模块52和选择模块53，其中，各个模块的功能如下：
数据获取模块51，用于获取车辆的横向加速度数据、纵向加速度数据、横摆角速度数据以及三个坐标轴上待驱动部分的转动惯量数据。
计算模块52，用于根据上述横向加速度数据、纵向加速度数据、横摆角速度数据以及转动惯量数据计算得到各个坐标轴的驱动装置所需的最大转速和最大转矩。
选择模块53，用于根据上述最大转速和最大转矩选择各个坐标轴的驱动装置。
本发明实施例提供的车身姿态模拟装置的极限工况计算装置，与上述实施例提供的车身姿态模拟装置的极限工况计算方法具有相同的技术特征，所以也能解决相同的技术问题，达到相同的技术效果。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对步骤、数字表达式和数值并不限制本发明的范围。
附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。