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摘要：汽車動(dòng)力學(xué)模型在模擬駕駛系統(tǒng)中的作用很大，它可以給學(xué)員提供有如真實(shí)駕車的感覺(jué)，要達(dá)到逼真的視景仿真和操縱仿真結(jié)果，就需要建立仿真模型并對(duì)模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。分析介紹了在設(shè)計(jì)基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的汽車模擬駕駛系統(tǒng)中進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析和仿真所需建立的相關(guān)動(dòng)力學(xué)模型。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)；汽車模擬駕駛；汽車動(dòng)力學(xué)；模型；仿真

1引言

開發(fā)汽車模擬駕駛系統(tǒng)具有重大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。它可取代駕駛培訓(xùn)中學(xué)員實(shí)車訓(xùn)練中的部分科目和內(nèi)容以及研究道路行駛的安全狀況，有利于駕駛培訓(xùn)正規(guī)化、科學(xué)化和規(guī)范化，減少交通事故的發(fā)生率，并具有節(jié)能、安全、經(jīng)濟(jì)、高效等優(yōu)點(diǎn)。在汽車模擬駕駛系統(tǒng)的開發(fā)中，為了盡量達(dá)到實(shí)車的駕駛效果，則利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)和聲像技術(shù)來(lái)模擬汽車駕駛及其行駛環(huán)境，所以需要建立逼真的仿真模型。模擬駕駛系統(tǒng)中要求仿真的內(nèi)容很多,而建立并實(shí)現(xiàn)汽車模擬駕駛的汽車動(dòng)力學(xué)模型是研制汽車模擬駕駛系統(tǒng)的前提。要做好汽車動(dòng)力學(xué)仿真,建立正確的動(dòng)力學(xué)模型是關(guān)鍵。筆者在汽車模擬駕駛系統(tǒng)研究過(guò)程中,基于汽車動(dòng)力學(xué)知識(shí)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù),采用動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析方法對(duì)汽車所受的力進(jìn)行研究，將得出的動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型通過(guò)實(shí)驗(yàn)建模用于汽車模擬駕駛系統(tǒng)的仿真，開發(fā)了適合我國(guó)交通國(guó)情和道路狀況的汽車模擬駕駛系統(tǒng)。此系統(tǒng)主要通過(guò)模擬駕駛艙和計(jì)算機(jī)生成汽車行駛過(guò)程中虛擬的視景、音響等駕駛環(huán)境，將仿真的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)送給視景計(jì)算機(jī)，驅(qū)動(dòng)視景變化，視景計(jì)算機(jī)對(duì)車輛運(yùn)動(dòng)進(jìn)行碰撞檢測(cè)，將碰撞結(jié)果反饋給主機(jī)進(jìn)行所受外力的計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果以脈沖信號(hào)的形式發(fā)送給下位機(jī)，下位機(jī)通過(guò)電機(jī)控制模擬駕駛座椅搖動(dòng)及振動(dòng)來(lái)達(dá)到模擬駕駛的效果。下面僅就動(dòng)力學(xué)仿真方面內(nèi)容進(jìn)行論述。

2汽車運(yùn)行狀態(tài)的受力分析

汽車在行駛過(guò)程中,不僅受發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)力影響,還要克服各種阻力等，而汽車的動(dòng)力性又是汽車各種性能中最基本、最重要的一種性能，要建立汽車模擬駕駛系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型需應(yīng)用計(jì)算機(jī)對(duì)汽車的動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行模擬仿真，最關(guān)鍵的問(wèn)題就在于計(jì)算是否與實(shí)際情況相符合。通過(guò)數(shù)學(xué)公式所以建立適當(dāng)?shù)?、符合?shí)際的模型，對(duì)于精確描述汽車動(dòng)力系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，提高仿真模擬精度是非常重要的。以下是對(duì)汽車在不同情況下的受力分析。

汽車在起動(dòng)時(shí),受到水平方向發(fā)動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)力F1,靜摩擦力Ff,空氣阻力(小)Fw,坡度阻力Fi(上坡時(shí)為阻力,下坡時(shí)則轉(zhuǎn)化為動(dòng)力,坡度為零時(shí)此力為零,下同)，加速阻力Fj。

汽車在運(yùn)行過(guò)程中受到發(fā)動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)力Ft，滾動(dòng)阻力Ff,空氣阻力Fw,坡度阻力Fi,加速阻力Fj,在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中踩剎車時(shí)還受制動(dòng)力Fb。加速阻力Fj與制動(dòng)力Fb不會(huì)同時(shí)存在。

汽車在剎車時(shí)的受到發(fā)動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)力Ft，滾動(dòng)阻力Ff,空氣阻力Fw,坡度阻力Fi，地面制動(dòng)Fb，F(xiàn)h(huán)手剎制動(dòng)力Fh(huán)(手剎拉起時(shí))作用。當(dāng)汽車發(fā)生碰撞時(shí)，碰撞外力為Fo，是從視景計(jì)算機(jī)的碰撞檢測(cè)中計(jì)算得到的。

3車輛動(dòng)力學(xué)仿真運(yùn)動(dòng)模型的建立

車輛運(yùn)動(dòng)模型主要包括勻速運(yùn)動(dòng)、勻變速運(yùn)動(dòng)、摘空擋后滑行、踏下離合器踏板后車輛滑行等模型，在模擬駕駛系統(tǒng)的開發(fā)過(guò)程中，采用了動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析方法對(duì)汽車行駛過(guò)程進(jìn)行研究，得出其動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)方程，利用數(shù)學(xué)公式以及后面采用的試驗(yàn)方案進(jìn)行仿真并檢驗(yàn)其仿真度。下面僅討論勻變速運(yùn)動(dòng)和滑行的模型。

3.1勻變速運(yùn)動(dòng)

汽車的操縱性、穩(wěn)定性是汽車的重要性能之一，下面僅就六自由度汽車操縱動(dòng)力學(xué)模型中汽車行駛包括加速行駛、

5結(jié)論

文章分析介紹了作者在開發(fā)基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的汽車模擬駕駛系統(tǒng)中進(jìn)行的動(dòng)力學(xué)分析和仿真所需建立的相關(guān)動(dòng)力學(xué)模型，為開發(fā)汽車模擬駕駛系統(tǒng)提供了有益的參考。在模擬駕駛系統(tǒng)中利用基于力學(xué)分析的動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行仿真，其加速度的產(chǎn)生、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的計(jì)算完全模擬力學(xué)、動(dòng)力學(xué)過(guò)程；通過(guò)上述的建模方法在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所建立的模型經(jīng)適當(dāng)修正后用于汽車模擬駕駛器上運(yùn)行效果良好，有身臨其境的感覺(jué)，通過(guò)視景計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的視景圖像不產(chǎn)生抖動(dòng)，運(yùn)動(dòng)流暢，基本能夠真實(shí)仿真汽車的運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

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［3］劉德貴.費(fèi)景高動(dòng).動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)數(shù)字仿真算法［M］.北京:科學(xué)出版社，2000.

［4］［德］Hans-PeterWillumeit著.孫逢春譯.車輛動(dòng)力學(xué)模擬及其方法［M］.北京:北京理工大學(xué)出版社，1998.