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(tǒng)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(lián)合仿真
- 3.1 CarSim和matlab軟件安裝
- 3.2 聯(lián)合仿真配置
- 3.3 聯(lián)合仿真實例——ABS系統(tǒng)仿真分析
- 3.3.1 滑移率相關(guān)知識
- 3.3.2 ABS 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成
- 3.3.3 ABS工作原理及控制策略
- 3.3.4 仿真結(jié)果對比
- 4.參考學(xué)習(xí)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(guān)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(guān)的內(nèi)容吧。因為其實自己之前搞汽車研發(fā)就是做仿真這塊的，一直也都有關(guān)注著自動駕駛仿真相關(guān)的一些行業(yè)動態(tài)，并且CarSim和PreScan等自動駕駛仿真軟件也是自己用來做過相應(yīng)的仿真建模學(xué)習(xí)研究的，對自動駕駛仿真相關(guān)的知識和軟件實踐也是有所積累的。現(xiàn)在新公司這負責技術(shù)項目管理這塊，在應(yīng)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(guān)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(tài)。現(xiàn)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(guān)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(yè)化應(yīng)用前，需要經(jīng)歷大量的道路測試才能達到商用要求。采用路測來優(yōu)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(guī)限制，極端交通條件和場景復(fù)現(xiàn)困難，測試安全存在隱患。目前，自動駕駛仿真測試已經(jīng)被行業(yè)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(guān)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(shù)研究報告（2019）》
《中國自動駕駛仿真測試技術(shù)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(fā)展現(xiàn)狀的工具書，既結(jié)合了當前學(xué)術(shù)機構(gòu)的前沿研究成果，又結(jié)合了領(lǐng)先企業(yè)的最新工程實踐，內(nèi)容涵蓋自動駕駛仿真測試所有領(lǐng)域，包括：仿真測試市場需求分析、方法應(yīng)用、搭建技術(shù)方案、軟件現(xiàn)狀、虛擬場景數(shù)據(jù)庫、示范區(qū)測試方法介紹、標準介紹、挑戰(zhàn)及發(fā)展趨勢八個部分，由自動駕駛仿真領(lǐng)域多位行業(yè)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(tǒng)的動力學(xué)仿真軟件，也包括較新的來自于國內(nèi)外初創(chuàng)公司的仿真產(chǎn)品，還有相關(guān)的用作交通仿真的商業(yè)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(nèi)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(nèi)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(nèi)容創(chuàng)作和運營平臺。包括游戲開發(fā)、美術(shù)、建筑、汽車設(shè)計、影視在內(nèi)的所有創(chuàng)作者，借助Unity將創(chuàng)意變成現(xiàn)實。百度使用Unity開發(fā)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(guān)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(guān)安裝資源所以沒能如愿。Unity其實更廣泛的用于游戲開發(fā)中，作為游戲引擎絕對龍頭，全平臺（包括PC/主機/移動設(shè)備）所有游戲中有超過一半都是使用Unity創(chuàng)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(yè)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(jié)合自己在matlab/simulink的應(yīng)用積累，就直接先從CarSim與Simulink聯(lián)合仿真例子開始吧。
2. Carsim仿真軟件
CarSim, 還有相關(guān)的TruckSim 和BikeSim是Mechanical Simulation公司開發(fā)的強大的動力學(xué)仿真軟件， 被世界各國的主機廠和供應(yīng)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(xué)仿真軟件， 主要從整車角度進行仿真，它內(nèi)建了相當數(shù)量的車輛數(shù)學(xué)模型， 并且這些模型都有豐富的經(jīng)驗參數(shù)，用戶可以快速使用，免去了繁雜的建模和調(diào)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(xué)輸入的響應(yīng)，模擬結(jié)果高度逼近真實車輛，主要用來預(yù)測和仿真汽車整車的操縱穩(wěn)定性、制動性、平順性、動力性和經(jīng)濟性。CarSim同時提供了 RT 版本，可以支持主流的 HIL測試系統(tǒng)，如 dSpace和 NI的系統(tǒng)，方便的聯(lián)合進行 HIL仿真。
3. CarSim與Simulink聯(lián)合仿真
CarSim自帶標準的Matlab/Simulink接口，可以方便的與Matlab/Simulink 進行聯(lián)合仿真，用于控制算法的開發(fā)，同時在仿真時可以產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)結(jié)果用于后續(xù)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(lián)合配置沒有問題的。大家可以下載好安裝即可。
3.2 聯(lián)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(wǎng)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(lián)合配置沒問題，其他版本可以參考其實聯(lián)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(shù)-regserver，以管理員權(quán)限運行快捷方式
3.3 聯(lián)合仿真實例——ABS系統(tǒng)仿真分析
本博文選擇一個基礎(chǔ)典型的仿真案例來介紹，ABS系統(tǒng)仿真分析相關(guān)的帖子已經(jīng)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(guān)知識吧。畢竟理解相關(guān)理論知識，再實操建模做一遍，相關(guān)操作就更容易消化和理解。
3.3.1 滑移率相關(guān)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(jīng)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(shù)?X和側(cè)向附著系數(shù)?y影響極大，從而影響汽車的制動性能。當?shù)孛鎸囕喎ㄏ蚍醋饔昧σ欢〞r，滑移率大約在20%左右時制動縱向附著系數(shù)?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(cè)向附著系數(shù)?y最大，汽車抗側(cè)滑能力最強，制動時方向穩(wěn)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(wěn)定性最差。
3.3.2 ABS 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成
ABS系統(tǒng)主要由車輪轉(zhuǎn)速傳感器、ABS電子控制裝置和制動壓力調(diào)節(jié)器（執(zhí)行器）三個部分組成。其系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)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(jù)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(diào)節(jié)。
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(tài)，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(tài)，從而使車輪始終保持在最佳的緊急制動狀態(tài)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(zhuǎn)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(diào)整PID各個參數(shù)值，從而使得制動力大小、實際滑移率也相應(yīng)改變，反復(fù)調(diào)節(jié)控制參數(shù)，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(yīng)的地面制動力下進行制動
3.3.4 仿真結(jié)果對比
本次仿真主要考慮有無ABS控制進行仿真和結(jié)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(lián)合仿真
以下給出自己之前做的仿真結(jié)果，加入ABS控制后車速與各輪速的關(guān)系曲線：
有無ABS控制的仿真結(jié)果對比動畫示圖：
在針對車輛防抱死制動系統(tǒng)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(wěn)定性能；無ABS車輛橫擺角變化特別大，很容易造車車輛側(cè)翻。
4.參考學(xué)習(xí)的書目教材
=文檔信息=
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總結(jié)
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(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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