前言

本文詳細介紹CARLA的動力學模型，以便開發(fā)者能更加得心應(yīng)手地使用CARLA。

什么是車輛動力學？

車輛動力學是研究車輛在不同駕駛條件下的運動和力學特性的學科。它涉及到汽車的運動、操作和控制，以及汽車所受到的各種力和力矩。

1. 車輛模型：通常會采用一些簡化的車輛模型，如集中質(zhì)量模型、彈簧-阻尼模型等，以便于分析車輛的動力學特性；
2. 牛頓運動定律：包括慣性定律、動量定律和能量定律等。這些定律描述了物體運動的基本規(guī)律，可以用來分析車輛的運動狀態(tài)；
3. 車輛動力學特性：包括車輛的加速度、速度、角速度等運動參數(shù)，以及輪胎的力-滑移特性、發(fā)動機的扭矩-轉(zhuǎn)速特性等。這些特性決定了車輛在不同條件下的運動表現(xiàn)；
4. 穩(wěn)定性分析：穩(wěn)定性是車輛動力學的一個重要問題，包括縱向穩(wěn)定性、橫向穩(wěn)定性和垂向穩(wěn)定性等。穩(wěn)定性分析可以用來研究車輛在行駛過程中的平衡狀態(tài)和失穩(wěn)條件；
5. 操縱性分析：操縱性是評價車輛動力學性能的重要指標之一，包括轉(zhuǎn)向性能、制動性能和加速性能等。操縱性能的好壞直接影響到駕駛者的操控感受和車輛的安全性能；
6. 空氣動力學：如空氣阻力、升力、側(cè)向力和壓力分布等。空氣動力學對車輛的動力學性能和行駛穩(wěn)定性有一定的影響；
7. 輪胎力學：輪胎是車輛與地面接觸的唯一部分，其力學特性對車輛的動力學性能有很大的影響。輪胎力學包括輪胎的力-滑移特性、輪胎的側(cè)向力和縱向力等；

UE的物理引擎

目前業(yè)界主要有三大物理引擎，分別是PhysX、Havok、Bullet。PhysX：由NVIDIA開發(fā)的實時物理模擬引擎，廣泛用于游戲開發(fā)，提供高性能、精確和逼真的物理模擬功能。Havok：一款可靠且廣泛應(yīng)用的物理引擎，提供出色的碰撞檢測和物體模擬功能，被廣泛應(yīng)用于游戲和影視制作領(lǐng)域。Bullet：開源的物理引擎，具有廣泛的跨平臺支持，并以其穩(wěn)定性和高性能而聞名，被廣泛應(yīng)用于游戲和動畫領(lǐng)域。Unreal Engine(簡稱UE)原生默認支持PhysX物理引擎解決方案，這也是大部分項目常用的技術(shù)方案。與此同時，UE 從4.23版本之后，也推出了Unreal Chaos物理系統(tǒng)。對于大多數(shù)項目而言，Unreal PhysX基本能夠滿足需求，可以良好地支持常規(guī)場景查詢和物理模擬。Chaos的主要技術(shù)目標是實現(xiàn)大規(guī)模物理可破壞組件的使用。如果項目具有大量高級物理模擬和可破碎建筑，那么使用Chaos會帶來更穩(wěn)定和高效的性能。在一般場景查詢方面，PhysX的性能優(yōu)于Chaos，只有在處理高級大規(guī)?？善茐奈矬w模擬時，Chaos才能展現(xiàn)其優(yōu)勢。CARLA用于模擬車輛在各種復(fù)雜交通場景下的自動駕駛性能，較少涉及破碎效果的模擬。因此，對于CARLA來說，PhysX物理系統(tǒng)是個不錯的選擇（UE從V5開始，拋棄了PhysX，如果要使用UE5或為更長遠做打算，也建議選用Chaos）。

UE 的車輛動力學

CARLA當前版本（0.9.15）基于UE4.26，這個版本的UE同時支持PhysXVehicles和ChaosVehicles（前者被標記為deprecated），但基于上面的分析，CARLA中依舊選用了PhysXVehicles。

我們來對比一下這兩個插件的組成部分，可以看出二者功能是相似的：

可以在 UnrealEditor -> Edit -> Plugins 中搜索到PhysXVehicles插件。

車輪

1. 車輪半徑（ShapeRadius）
2. 車輪寬度（ShapeWidth）
3. 車輪質(zhì)量（Mass）
4. 阻尼率（DampingRate）：阻尼系數(shù)，用于衡量車輪在受到外部沖擊時吸收沖擊能量的能力。阻尼率的值越大，車輪的減震效果越好，車輛行駛更加平穩(wěn)。
5. 轉(zhuǎn)向角度（SteerAngle）：車輪與車輛直行方向之間的夾角，以度數(shù)表示。
6. 輪胎摩擦力（TireConfig）：輪胎的摩擦系數(shù)和摩擦角度。
7. 橫向剛度值（LatStiffValue）：輪胎在受到橫向力時的剛度表現(xiàn)或者對該橫向力的抵抗能力。高橫向剛度值表示輪胎具有更好的操控性和穩(wěn)定性。
8. 縱向剛度值（LongStiffValue）：輪胎在受到縱向力時的剛度表現(xiàn)或者對該縱向力的抵抗能力。較高的縱向剛度值表示輪胎具有更好的加速和制動性能，并能更好地傳遞動力和提供牽引力。
9. 最大制動扭矩（MaxBrakeTorque）：車輪能夠承受的最大制動力矩，反映了車輪和制動系統(tǒng)的極限能力。制動扭矩越大，車輛在制動過程中的減速速度越快，制動距離越短。
10. 最大手剎制動扭矩（MaxHandBrakeTorque）：車輪能夠承受的最大手剎制動力矩，用于評估手剎系統(tǒng)的性能和可靠性。

車輪位置（Location）和速度（Velocity）也是車輪參數(shù)的一部分，可以用于定位和測量車輪的狀態(tài)。

車輛運動組件

汽車運動組件的核心在于UWheeledVehicleMovementComponent4W，它實現(xiàn)了四輪車輛的動態(tài)表現(xiàn)。其中包含的參數(shù)集不容忽視，包括但不限于以下幾個：

1. 車輛引擎數(shù)據(jù)：涉及車輛引擎性能方面的各種參數(shù)，如扭矩曲線、最大轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)動慣量等。
2. 車輛差速器數(shù)據(jù)：車輛前后輪及左右輪之間的扭矩分配比例。
3. 車輛變速器數(shù)據(jù)：車輛換擋及各種齒輪比率、換擋時間等參數(shù)。
4. 方向盤曲線：表示允許的最大轉(zhuǎn)向角度與前向速度的關(guān)系曲線。隨著車速的提高，允許的最大轉(zhuǎn)向角度也相應(yīng)減小。

車輛引擎

車輛引擎是汽車動力組件中不可或缺的一部分，下面是該部分的各項參數(shù)和功能。

1. 扭矩曲線（TorqueCurve）：用以描述引擎在給定轉(zhuǎn)速下扭矩（Nm）的變化曲線。其對于揭示引擎的動力輸出與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系具有重要意義。
2. 最大轉(zhuǎn)速（MaxRPM）：該屬性代表著引擎的最高轉(zhuǎn)速，以每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)（RPM）為單位進行度量。這個屬性限制了引擎最高可以旋轉(zhuǎn)的速率。
3. 轉(zhuǎn)動慣量（MOI）：用于描述引擎在旋轉(zhuǎn)時的慣性，以千克米平方（Kgm^2）為單位。其值的高低對于引擎在不同轉(zhuǎn)速下的穩(wěn)定性和響應(yīng)性具有決定性作用。
4. 阻尼率（DampingRate）：阻尼率用于描述物體在振動過程中衰減的速率，對于控制引擎的振動特性具有至關(guān)重要的作用。阻尼率在不同轉(zhuǎn)速下也有所不同，可分為全油門、零油門、離合器接合、離合器分離四種狀態(tài)。
5. 峰值扭矩（PeakTorque）：峰值扭矩是引擎動力輸出的最高點，其位置取決于引擎的結(jié)構(gòu)和設(shè)計。通過扭矩曲線找到峰值扭矩可用于測算引擎最大動力輸出。

變速器

變速器是車輛運動組件的一個部分，數(shù)據(jù)詳細如下：

1. bUseGearAutoBox：表示是否使用自動變速器。如果為true，則車輛將自動選擇最適合當前行駛條件的傳動檔位；如果為false，則需要手動選擇檔位。
2. GearSwitchTime：表示切換檔位所需的時間（以秒為單位）。它定義了從一個擋位到另一個擋位的過渡時間。較短的過渡時間意味著換擋速度更快。
3. GearAutoBoxLatency：表示自動變速器發(fā)起換擋所需的最小時間，以秒為單位。在車輛使用自動變速器時，該時間定義了自動變速器檢測到需要換擋并實際發(fā)起換擋之間的延遲。
4. FinalRatio：最終擋位比例，用于乘以傳動擋位比例。它決定了最終擋位的效果。通過調(diào)整這個比例，可以改變車輛的加速性能和最高速度。
5. ForwardGears：一個存儲正向擋位比例的數(shù)組。它可以包含多達30個正向擋位。每個正向擋位比例定義了車輛在不同擋位下的傳動比例，影響了車輛的速度和加速能力。
6. ReverseGearRatio：表示倒擋的比例。它定義了車輛在倒擋時的傳動比例，用于控制倒車速度。
7. NeutralGearUpRatio：定義了引擎轉(zhuǎn)速（engineRevs）相對于最大引擎轉(zhuǎn)速（maxEngineRevs）的一個高值比例。當引擎轉(zhuǎn)速達到這個比例時，車輛會遞增擋位，正常情況下是從空擋轉(zhuǎn)到第一擋。
8. ClutchStrength：這個變量表示離合器的強度，以Kgm^2/s為單位。離合器用于控制發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩到變速器的傳遞。離合器強度越大，傳遞給變速器的轉(zhuǎn)矩越高，車輛的加速能力也就更強。

CARLA的車輛動力學

CARLA車輛的基類是CarlaWheeledVehicle，它繼承自PhysXVehicle組件的WheeledVehicle。生成車輛時，這個類的構(gòu)造函數(shù)初始化了VehicleBounds和baseMovementComponent，前者用于保存和獲取車輛的長寬高，后者是繼承于UE的MovementComponent的移動組件類。在這個類的BeginPlay函數(shù)中，設(shè)置了車門以及初始化了輪胎摩擦力。另外類中有一些設(shè)置（Setter）和獲取（Getter）函數(shù)，包括車輛狀態(tài)、控制信號、BoundingBox、物理（動力學）特性等。

CARLA支持UE PhysX車輛動力學，也支持CarSim車輛動力學，默認為前者。

VehicleControl是一個結(jié)構(gòu)體，包括了控制車輛所需的所有變量，即油門、轉(zhuǎn)向、剎車等。當車輛接收到輸入的控制信號時，CARLA車輛移動組件會調(diào)用ProcessControl函數(shù)來將控制信號應(yīng)用到車輛上。

其中第3行GetVehicleMovementComponent函數(shù)是PhysXVehicle組件的一個API，用于獲取車輛的移動組件：

最后，CARLA車輛的物理特性用VehiclePhysicsControl來表示，其包含了上文中的部分物理特性，另外還有2個關(guān)于車輛本身的物理特性：

1. DragCoefficient：空氣阻力系數(shù)，是衡量車輛在行駛過程中所受空氣阻力的一個重要參數(shù)。它是由一定特征面積計算得出的單位面積，表示空氣對行駛中的車輛形成的一種反向力?？諝庾枇εc速度的平方成正比，因此，高速車對空氣阻力的影響非常明顯。如果汽車的風阻系數(shù)較高，意味著行駛時所受的空氣阻力較大，會導(dǎo)致更高的油耗和更低的車輛穩(wěn)定性。
2. CenterOfMass：質(zhì)心位置，對于車輛的控制比較重要。當質(zhì)心位置在車輛前方時，會降低車輛的轉(zhuǎn)向靈敏度（Understeering），當質(zhì)心位置在車輛后方時，會增加車輛的轉(zhuǎn)向靈敏度（Oversteering）。因此如果要調(diào)整車輛的轉(zhuǎn)向性能，質(zhì)心時不可忽視的點。

如果要在CARLA中設(shè)置車輛的動力學參數(shù)，例如下面這樣即可：

CARLA Vehicle的apply_physics_control方法會在被調(diào)用的下一幀將參數(shù)應(yīng)用到車輛上。

總結(jié)

在對汽車性能進行模擬的場景下，CARLA 提供了豐富的動力學模擬工具。在不過于苛求精確性的仿真場景，這些工具具有良好的適用性。導(dǎo)入外部車輛動力學模型時，如果未明確相關(guān)的動力學參數(shù)，則可以結(jié)合已有模型進行修改，以便優(yōu)化加速性能和轉(zhuǎn)向性能。比如，當車輛過于敏捷時，可以適當增加輪胎橫向剛度，或向前調(diào)整質(zhì)心位置以改善轉(zhuǎn)向表現(xiàn)。當發(fā)現(xiàn)車輛動力性能低于實際車輛時，可以進行優(yōu)化調(diào)整，如調(diào)整扭矩曲線、降低輪胎摩擦力、降低風阻系數(shù)等，以改善加速表現(xiàn)。