自动驾驶仿真(一)—— 基于CarSim与Simulink的ABS系统仿真
自動駕駛仿真一—— 基于CarSim與Simulink的ABS系統仿真
- 1. 各大主流自動駕駛仿真軟件
- 2. Carsim仿真軟件
- 3. CarSim與Simulink聯合仿真
- 3.1 CarSim和matlab軟件安裝
- 3.2 聯合仿真配置
- 3.3 聯合仿真實例——ABS系統仿真分析
- 3.3.1 滑移率相關知識
- 3.3.2 ABS 系統結構組成
- 3.3.3 ABS工作原理及控制策略
- 3.3.4 仿真結果對比
- 4.參考學習的書目教材
就自己手上還負責管理的一些自動駕駛仿真建模相關的項目，涉及如VTD建模仿真，Unity建模仿真等，就想著也可以動筆寫寫自動駕駛仿真相關的內容吧。因為其實自己之前搞汽車研發就是做仿真這塊的，一直也都有關注著自動駕駛仿真相關的一些行業動態，并且CarSim和PreScan等自動駕駛仿真軟件也是自己用來做過相應的仿真建模學習研究的，對自動駕駛仿真相關的知識和軟件實踐也是有所積累的。現在新公司這負責技術項目管理這塊，在應對VTD及Unity建模仿真等項目時，博主以前在自動駕駛仿真方法及建模相關知識積累，也就幫助自己更好的對接分析客戶需求及把控項目狀態。現在這些項目也都做得差不多了，那么也就可以簡單寫寫自動駕駛仿真相關的博文了。
1. 各大主流自動駕駛仿真軟件
自動駕駛汽車在真正商業化應用前，需要經歷大量的道路測試才能達到商用要求。采用路測來優化自動駕駛算法耗費的時間和成本太高，且開放道路測試仍受到法規限制，極端交通條件和場景復現困難，測試安全存在隱患。目前，自動駕駛仿真測試已經被行業廣泛接受, 自動駕駛算法測試大約 90% 通過仿真平臺完成，9% 在測試場完成，1% 通過實際路測完成。以下介紹幾篇不錯的相關文章：
中國首部自動駕駛仿真藍皮書《中國自動駕駛仿真技術研究報告（2019）》
《中國自動駕駛仿真測試技術研究報告（2019）》是目前為止第一部全面介紹中國自動駕駛仿真測試發展現狀的工具書，既結合了當前學術機構的前沿研究成果，又結合了領先企業的最新工程實踐，內容涵蓋自動駕駛仿真測試所有領域，包括：仿真測試市場需求分析、方法應用、搭建技術方案、軟件現狀、虛擬場景數據庫、示范區測試方法介紹、標準介紹、挑戰及發展趨勢八個部分，由自動駕駛仿真領域多位行業專家意見匯編而成。
其中談及典型的自動駕駛仿真軟件包括傳統的動力學仿真軟件，也包括較新的來自于國內外初創公司的仿真產品，還有相關的用作交通仿真的商業軟件。CarSim、CarMaker、PreScan、PTV Vissim、SUMO、VIRESVTD、rFpro、Cognata、RightHook、Parallel Domain、51Sim-One、Pilot-D GaiA、Metamoto、ESI Pro-Sivic、NVIDIA Drive Constellation、PanoSim、AAI、AirSim、CARLA、LGSVL Simulator、百度 Apollo、Waymo Carcraft
7大國內外自動駕駛仿真平臺匯總
上面的文章中列舉了PreScan、CarMaker、CarSim、VIRES VTD、PTV Vissim、TESS NG、CARLA等目前國內外較知名的自動駕駛仿真平臺的盤點
百度《基于Unity的自動駕駛模擬》
Unity是實時3D互動內容創作和運營平臺。包括游戲開發、美術、建筑、汽車設計、影視在內的所有創作者，借助Unity將創意變成現實。百度使用Unity開發自動駕駛模擬的一些工作。文中的視頻效果是非常高精度的渲染，可以模擬一天不同的時間，白天或夜晚不同的光照效果，開燈或關燈的效果，還有路面開裂，標志線不清楚等不同的路況。還有不同的天氣，下雨天有路面的反射效果，變成晴天的效果。
其實在以上的自動駕駛仿真軟件中，VTD軟件目前沒有試用版，也沒有可用的免費license，所以當時想嘗試自己電腦安裝，但由于沒有相關安裝資源所以沒能如愿。Unity其實更廣泛的用于游戲開發中，作為游戲引擎絕對龍頭，全平臺（包括PC/主機/移動設備）所有游戲中有超過一半都是使用Unity創作的。作為博主自動駕駛仿真系列博文的第一篇，我還是想以汽車行業主流的車企自動駕駛仿真軟件先入手來來寫，所以就還是基于自己熟悉的CarSim和PreScan軟件，做做簡要介紹及實例講解分享，并且結合自己在matlab/simulink的應用積累，就直接先從CarSim與Simulink聯合仿真例子開始吧。
2. Carsim仿真軟件
CarSim, 還有相關的TruckSim 和BikeSim是Mechanical Simulation公司開發的強大的動力學仿真軟件， 被世界各國的主機廠和供應商所廣泛使用。CarSim針對四輪汽車， 輕型卡車，TruckSim針對多軸和雙輪胎的卡車，BikeSim針對兩輪摩托車。CarSim是一款整車動力學仿真軟件， 主要從整車角度進行仿真，它內建了相當數量的車輛數學模型， 并且這些模型都有豐富的經驗參數，用戶可以快速使用，免去了繁雜的建模和調參的過程。
CarSim模型在計算機上運行的速度可以比實時快10倍，可以仿真車輛對駕駛員控制，3D路面及空氣動力學輸入的響應，模擬結果高度逼近真實車輛，主要用來預測和仿真汽車整車的操縱穩定性、制動性、平順性、動力性和經濟性。CarSim同時提供了 RT 版本，可以支持主流的 HIL測試系統，如 dSpace和 NI的系統，方便的聯合進行 HIL仿真。
3. CarSim與Simulink聯合仿真
CarSim自帶標準的Matlab/Simulink接口，可以方便的與Matlab/Simulink 進行聯合仿真，用于控制算法的開發，同時在仿真時可以產生大量數據結果用于后續使用Matlab或者Excel進行分析或可視化。
3.1 CarSim和matlab軟件安裝
自己當前電腦使用的軟件如下配置：
CarSim 8.02 下載鏈接
Matlab R2019b 下載鏈接
以上兩個軟件版本聯合配置沒有問題的。大家可以下載好安裝即可。
3.2 聯合仿真配置
其實CarSim和Simulink軟件的配置還是需要注意的，一般常見的問題其實網上也都能找的到。這里自己簡單點兩個：
1）軟件的版本適配問題
博主博文中的CarSim 8.02和Matlab R2019b聯合配置沒問題，其他版本可以參考其實聯合配置成功的博主亦可。
2）send to simulink提示matlab not found
快捷方式追加參數-regserver，以管理員權限運行快捷方式
3.3 聯合仿真實例——ABS系統仿真分析
本博文選擇一個基礎典型的仿真案例來介紹，ABS系統仿真分析相關的帖子已經不少了，我這里也不會去寫太多的操作示意，相比于知其然，知其所以然是更重要的，我這里就簡單介紹一下其他博文中論述尚少的理論相關知識吧。畢竟理解相關理論知識，再實操建模做一遍，相關操作就更容易消化和理解。
3.3.1 滑移率相關知識
汽車從純滾動到抱死拖滑的制動過程是一個漸進的過程，經歷了純滑動、邊滾邊滑和純滑動三個階段。為了評價汽車車輪滑移成分所占比例的多少，常用滑移率s來表示，其定義如下：
式中：u為車速； uw為車輪速度；ω為車輪滾動角速度；r為車輪半徑。
當車輪純滾動時，uw = u ，s = 0；當車輪抱死純滑動時， uw = 0 , s =100%；當車輪邊滾邊滑時，u> uw ，0<s<100%。車輪滑移率越大，說明車輪在運動中滑動成分所占的比例越大。
滑移率對汽車車輪制動附著系數?X和側向附著系數?y影響極大，從而影響汽車的制動性能。當地面對車輪法向反作用力一定時，滑移率大約在20%左右時制動縱向附著系數?x最大，車輪與路面之間的附著力就最大，此時的地面制動力也就最大，制動效果最佳。當滑移率等于零時，側向附著系數?y最大，汽車抗側滑能力最強，制動時方向穩定性最好。? y隨著滑移率的增大而減小，當車輪完全抱死拖滑時? y ≈0 ，汽車制動穩定性最差。
3.3.2 ABS 系統結構組成
ABS系統主要由車輪轉速傳感器、ABS電子控制裝置和制動壓力調節器（執行器）三個部分組成。其系統原理結構圖如下圖所示，車速傳感器分別安裝前后四個車輪上，當ABS啟動工作時，ECU接收車輪輪速信息，各個車輪的制動壓力 通過ECU根據各個車輪的速度來控制，車輪液壓控制單元接受控制信號對車輪分泵的壓力進行調節。
3.3.3 ABS工作原理及控制策略
ABS的工作原理是依靠車速傳感器和輪速傳感器檢測車速和輪速狀態，并由電子控制單元計算出實際的車輛滑移率，再通過電磁閥增減制動器的制動力，來控制汽車在車輪緊急制動過程中的實際運動狀態，從而使車輪始終保持在最佳的緊急制動狀態下，獲得最佳制動效果。
在制動主缸/輪缸壓力和車速/輪速控制模塊中寫入ABS的PID控制策略，其策略是以緊急制動時輪胎所期望達到的滑移率為控制目標，通過輪速與車速傳感器收集汽車車速、轉速信號，同時計算出各車輪輪胎滑移率，并與期望目標滑移率進行比較分析，計算出二者的偏差，并將其輸入量輸入給PID控制器，在控制的過程中不斷的調整PID各個參數值，從而使得制動力大小、實際滑移率也相應改變，反復調節控制參數，最終使實際滑移率處于最佳滑移率附近，使汽車在最佳滑移率所對應的地面制動力下進行制動
3.3.4 仿真結果對比
本次仿真主要考慮有無ABS控制進行仿真和結果對比，具體的建模仿真流程，感興趣的小伙伴可以參考下面這篇博文：
CarSim與Simulink聯合仿真
以下給出自己之前做的仿真結果，加入ABS控制后車速與各輪速的關系曲線：
有無ABS控制的仿真結果對比動畫示圖：
在針對車輛防抱死制動系統測試的雙路面緊急制動測試工況下，對于有無ABS控制進行仿真，通過對比分析可以明顯的看出：加入ABS后，使車輛具有很好的穩定性能；無ABS車輛橫擺角變化特別大，很容易造車車輛側翻。
4.參考學習的書目教材
=文檔信息=
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總結
以上是生活随笔為你收集整理的自动驾驶仿真(一)—— 基于CarSim与Simulink的ABS系统仿真的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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