摘    要   

在汽車行業(yè)，持續(xù)改進(jìn)開發(fā)流程并處理整車系統(tǒng)日益復(fù)雜的需求是至關(guān)重要的。在這一過程中，一個(gè)重要的步驟是全面且互補(bǔ)地進(jìn)行仿真和測(cè)試。對(duì)整體動(dòng)態(tài)車輛行為的了解對(duì)于開發(fā)新的控制概念，如旨在改善操控質(zhì)量和乘坐舒適度的綜合車輛動(dòng)力學(xué)控制，變得日益重要。然而，當(dāng)前成熟的測(cè)試系統(tǒng)只能評(píng)估車輛動(dòng)力學(xué)的分離和孤立方面。

為了解決這些挑戰(zhàn)并進(jìn)一步將仿真和測(cè)試聯(lián)系起來，斯圖加特大學(xué)內(nèi)燃機(jī)與汽車工程研究所（IVK）與斯圖加特汽車工程與車輛發(fā)動(dòng)機(jī)研究所（FKFS）以及MTS Systems Corporation合作，推出了新的Handling Roadway（HRW）測(cè)試系統(tǒng)。HRW允許測(cè)試車輛的縱向、橫向和垂向特性，因此提供了在實(shí)驗(yàn)室條件下通過綜合車輛測(cè)試補(bǔ)充道路測(cè)試的可能性。  

IVK、FKFS和MTS同意建立HRW系統(tǒng)，共同推進(jìn)車輛動(dòng)力學(xué)的最新實(shí)驗(yàn)室評(píng)估，并開發(fā)新的測(cè)試應(yīng)用?？傮w目標(biāo)是通過創(chuàng)新的科學(xué)方法為汽車行業(yè)帶來益處。本文概述了HRW在IVK和FKFS現(xiàn)有測(cè)試系統(tǒng)的科學(xué)環(huán)境中以及它將產(chǎn)生的協(xié)同效應(yīng)。引入了一個(gè)仿真環(huán)境，該環(huán)境允許在系統(tǒng)投入使用之前研究HRW的預(yù)期應(yīng)用。更詳細(xì)地介紹了所選用例及其各自的局限性。這些用例包括在合成和真實(shí)操控操作期間測(cè)試車輛的操控特性，以及在不同行駛條件下評(píng)估車輛乘坐舒適度的擴(kuò)展可能性。

01  前    言 

今天的汽車行業(yè)在車輛動(dòng)力學(xué)開發(fā)方面面臨許多挑戰(zhàn)。縮短開發(fā)時(shí)間的需求與車輛變種數(shù)量的增加以及全新的車輛概念的出現(xiàn)提出了對(duì)評(píng)估和改進(jìn)整體駕駛員-車輛系統(tǒng)的高效程序的需求。  

雖然目前存在將開發(fā)工作量轉(zhuǎn)移到模擬和計(jì)算機(jī)輔助工程的持續(xù)趨勢(shì)，但測(cè)試車輛和部件仍然是不可或缺的。物理測(cè)試是必需的，以驗(yàn)證和證實(shí)虛擬開發(fā)工具和流程的所有新進(jìn)展。在物理測(cè)試領(lǐng)域，今天存在著多種不同的測(cè)試系統(tǒng)。它們通常是專門的系統(tǒng)，用于測(cè)試部件或車輛動(dòng)力學(xué)的單個(gè)方面和一維特性，例如用于縱向動(dòng)力學(xué)的測(cè)功機(jī)或用于垂直動(dòng)力學(xué)的四柱式試驗(yàn)臺(tái)。然而，隨著車輛動(dòng)力學(xué)控制系統(tǒng)和駕駛輔助系統(tǒng)的增加，車輛動(dòng)力學(xué)開發(fā)變得越來越復(fù)雜，成為一個(gè)多維挑戰(zhàn)。目前，對(duì)復(fù)雜的綜合車輛動(dòng)力學(xué)的評(píng)估通常是通過跟蹤測(cè)試來進(jìn)行的。 

 一種可以在試驗(yàn)臺(tái)上測(cè)試三維車輛動(dòng)力學(xué)的系統(tǒng)是新的Handling Roadway（HRW）測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)由IVK和FKFS與MTS Systems Corporation合作推出。它于2018年底投入使用，并具有進(jìn)行高度動(dòng)態(tài)測(cè)試的能力，能夠產(chǎn)生對(duì)駕駛員、控制和干擾輸入的真實(shí)整體車輛響應(yīng)。與跟蹤測(cè)試相比，HRW具有受控、可重復(fù)的室內(nèi)試驗(yàn)臺(tái)環(huán)境的優(yōu)勢(shì)。

02  斯圖加特處理路

圖1中顯示了HRW。車輛位于由動(dòng)態(tài)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的平帶裝置上，這些裝置使車輪在試驗(yàn)臺(tái)上旋轉(zhuǎn)。平帶裝置本身安裝在液壓垂直執(zhí)行器頂部，這些執(zhí)行器能夠使車輛受到垂直激勵(lì)。垂直執(zhí)行器與平帶裝置一起，可以使用額外的液壓轉(zhuǎn)向執(zhí)行器繞垂直軸旋轉(zhuǎn)。這會(huì)在車輪處產(chǎn)生側(cè)偏角，從而產(chǎn)生橫向輪胎力。  

車輛可以通過將變速器置于空擋并向電動(dòng)機(jī)命令速度來在HRW上牽引。也可以將車輛掛入擋位并行駛，此時(shí)電動(dòng)機(jī)會(huì)對(duì)車輛引擎和變速器施加的力做出反應(yīng)。驅(qū)動(dòng)平帶裝置的電動(dòng)機(jī)可以在兩個(gè)方向上對(duì)傳動(dòng)帶施加扭矩，因此可以實(shí)現(xiàn)牽引和制動(dòng)負(fù)載。車輛的輸入可以由最先進(jìn)的駕駛員機(jī)器人操作，該機(jī)器人由實(shí)時(shí)控制器控制。它可以操作踏板、換擋桿和方向盤。未來，也可以考慮由人類駕駛員操作。  

可以使用幾種不同的約束系統(tǒng)來約束試驗(yàn)臺(tái)上的車輛。圖1中還顯示了"重心約束系統(tǒng)"（CGR），它在縱向、橫向和偏航方向上約束車輛，但允許車輛圍繞其重心自由起伏、俯仰和翻滾。CGR中的液壓執(zhí)行器可以施加額外的垂直力以及俯仰和翻滾力矩。內(nèi)置傳感器測(cè)量CGR夾具和車身之間的約束力和力矩，這些數(shù)據(jù)用于HRW控制系統(tǒng)，以模擬車輛在道路上的行為。相應(yīng)的操作原理將在下一節(jié)簡(jiǎn)要解釋。作為CGR的替代方案，車輛也可以使用支柱或纜繩進(jìn)行約束。表1顯示了基本性能指標(biāo)。

圖1 IVK/FKFS的裝卸道路概述

表1 基本技術(shù)性能數(shù)據(jù)

 類似于HRW的試驗(yàn)臺(tái)包括上世紀(jì)90年代為菲亞特建造的Flat-Trac道路模擬器和2003年開放的美國(guó)陸軍道路模擬器。后者主要設(shè)計(jì)用于測(cè)試重型軍用卡車的操縱特性。與這些系統(tǒng)相比，斯圖加特處理路采用高度動(dòng)態(tài)的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)帶，而不是液壓馬達(dá)，從而使縱向通道的頻率帶寬更高。結(jié)合更高的計(jì)算能力和改進(jìn)的CGR力執(zhí)行器，預(yù)計(jì)應(yīng)用范圍和可控性水平將顯著提高。

工作原理

除了上述提到的約束車輛的不同方法之外，還有幾種不同的操作模式可用于為執(zhí)行器產(chǎn)生輸入信號(hào)。MTS提供的開放式軟件概念允許使用預(yù)定義的控制模式，并且還允許實(shí)施專為特定用例量身定制的新控制概念。

激勵(lì)信號(hào)可以通過明確定義的接口傳輸?shù)矫總€(gè)單獨(dú)的執(zhí)行器通道，使用內(nèi)置的函數(shù)發(fā)生器或外部實(shí)時(shí)控制器。例如，這可以用于使用隨機(jī)信號(hào)模擬道路激勵(lì)，或者借助MTS RPC® Pro軟件復(fù)制特定的激勵(lì)。用戶定義的開環(huán)輸入也可以用于對(duì)車身或輪胎施加位移或力，以測(cè)量車輛的反應(yīng)并識(shí)別相應(yīng)的傳遞函數(shù)。然而，可以說最復(fù)雜的操作模式是“道路負(fù)荷”模式，該模式允許試驗(yàn)臺(tái)復(fù)制逼真的閉環(huán)駕駛操作。該模式的一般操作原理將更詳細(xì)地介紹。

為了便于說明，我們現(xiàn)在考慮純粹的橫向動(dòng)力學(xué)操縱。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤（無論是由機(jī)器人還是人類駕駛員）時(shí)，前輪相應(yīng)地轉(zhuǎn)動(dòng)。由于車輛的車輪在移動(dòng)的平帶上滾動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生側(cè)滑角。就像在道路上一樣，這會(huì)在前輪上產(chǎn)生橫向胎力。在道路上，這些胎力會(huì)導(dǎo)致車輛相對(duì)于道路在偏航和橫向軸上運(yùn)動(dòng)。然而，由于在HRW上縱向、橫向和偏航自由度受到限制，因此車輛的結(jié)果運(yùn)動(dòng)必須通過控制器內(nèi)的模擬車輛模型進(jìn)行計(jì)算。 

CGR中的受限力和力矩由負(fù)荷傳感器測(cè)量。利用這些力和力矩以及已知的基本車輛屬性（質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量），可以計(jì)算模擬車身上的偏航、縱向和橫向加速度。這些對(duì)應(yīng)于車輛在道路上可能實(shí)現(xiàn)的即時(shí)加速度。計(jì)算得到的偏航角速率和速度x和速度y可以作為控制輸入應(yīng)用于試驗(yàn)臺(tái)的自由度。因此，輪胎速度和側(cè)滑角與在道路上的情況是可比的；在試驗(yàn)臺(tái)上，道路在車輛下方移動(dòng)，類似于車輛在道路上移動(dòng)。這反過來影響了輪胎與傳動(dòng)帶接觸界面上產(chǎn)生的輪胎力和受限力，這些受限力再次被反饋到回路中。這一過程在圖2中有示意圖表示。

局限性

沒有測(cè)試系統(tǒng)可以完美復(fù)制真實(shí)世界。HRW固有的幾個(gè)限制是已知的。在本節(jié)中，將概述與道路情況最關(guān)鍵的差異以及可能的緩解原則。首先，由于缺少自由度，車輛車身的一些耦合效應(yīng)，如陀螺力矩，在HRW上不會(huì)出現(xiàn)。這可能導(dǎo)致與在道路上的車輛響應(yīng)不同。然而，MTS提供的控制算法可以補(bǔ)償這些效應(yīng)。在使用CGR時(shí)，車輛的橫擺軸被固定在重心上。在道路上，車輛通常會(huì)繞其橫擺軸滾動(dòng)。因此，車身在試驗(yàn)臺(tái)上的橫擺運(yùn)動(dòng)會(huì)由于車輪的橫向運(yùn)動(dòng)而引起額外的側(cè)滑角。這會(huì)產(chǎn)生額外的橫向輪胎力，從而影響車輛的行為。已經(jīng)開發(fā)了一種動(dòng)態(tài)補(bǔ)償控制器，它可以根據(jù)對(duì)車輛特性的了解來糾正這些影響。

圖2 基本工作原理

 連接到車輛車身的CGR的額外慣性改變了車輛的質(zhì)量和慣性特性。MTS提供的慣性補(bǔ)償算法可以減小這種影響，該算法作為CGR力控制回路的補(bǔ)充。另外，為了進(jìn)行更高頻率的乘坐舒適性評(píng)估，可以使用纜繩代替CGR來限制車輛的運(yùn)動(dòng)。

 與曲面（如滾筒）相比，平帶系統(tǒng)提供了一個(gè)真實(shí)的輪胎接觸區(qū)域。然而，由于帶的柔韌性必須得到保持，修改表面和摩擦特性的可能性有限?？蛇x的方案包括未涂覆的鋼帶以及涂有砂紙或合成材料的帶。像Flat-Trac®輪胎測(cè)試系統(tǒng)上使用的砂紙預(yù)計(jì)會(huì)產(chǎn)生與真實(shí)道路相媲美的輪胎行為。然而，需要預(yù)期會(huì)出現(xiàn)一些偏差，比如稍微增加的側(cè)向輪胎剛度。

03  模擬環(huán)境

 在新HRW的規(guī)劃、建設(shè)和投入使用階段，利用模擬進(jìn)行了潛在用例的研究。旨在在實(shí)際接觸到設(shè)備之前啟動(dòng)研發(fā)流程，并作為HRW設(shè)備的一部分開發(fā)一個(gè)可行的模擬環(huán)境。對(duì)HRW進(jìn)行建模、實(shí)施和模擬結(jié)合車輛的工作還伴隨著不同的好處，     例如：- 更快、更高效的預(yù)先開發(fā)，例如：   - 評(píng)估方法    - 增強(qiáng)的控制策略    - 識(shí)別方法- 并行化能力，即不同的人可以同時(shí)在模擬中使用HRW。- 改善對(duì)系統(tǒng)和基本物理效應(yīng)的理論理解。- 安全環(huán)境，即可以在沒有任何物理損壞風(fēng)險(xiǎn)的情況下測(cè)試新的控制器或關(guān)鍵駕駛操作，并估計(jì)相關(guān)負(fù)載。- 可以提取不同的效應(yīng)和影響，例如測(cè)量噪聲、延遲等，用于基礎(chǔ)研究，如控制策略開發(fā)或新測(cè)試方法的開發(fā)。 

模塊化的模擬環(huán)境是根據(jù)真實(shí)系統(tǒng)創(chuàng)建的，各個(gè)子系統(tǒng)和組件之間具有明確定義和嚴(yán)格的接口。因此，基于模擬的開發(fā)很容易轉(zhuǎn)移到真實(shí)車輛動(dòng)力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)并進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)研究調(diào)查或目的的不同，開發(fā)了不同復(fù)雜度和建模深度的模型。這些模型可以分為三類： 

1. 簡(jiǎn)化模型，具有受限動(dòng)力學(xué)，例如只能描述橫向動(dòng)力學(xué)的模型。 

2. 集成的、實(shí)時(shí)可行的車輛動(dòng)力學(xué)模型，能夠描述車輛的耦合3D動(dòng)力學(xué)，頻率高達(dá)5赫茲。它們可與類似CarMaker等軟件工具相媲美。 

3. 復(fù)雜的多體系統(tǒng)（MBS）模型

圖3 模擬環(huán)境示例說明

簡(jiǎn)化模型的示例包括介紹的單軌模型和單軸滾動(dòng)模型。后者強(qiáng)調(diào)了車輛在給定測(cè)試臺(tái)條件下的基本關(guān)鍵動(dòng)態(tài)效應(yīng)，并將其與道路上的經(jīng)典車輛動(dòng)力學(xué)進(jìn)行比較?；谶@些研究，開發(fā)了增強(qiáng)車輛在道路和HRW上測(cè)試相似性的新控制策略或補(bǔ)償算法。第二類模型的示例用于進(jìn)行經(jīng)典的模擬分析，設(shè)計(jì)新的控制器，或者開發(fā)低模擬時(shí)間的新測(cè)試方法。這些模型和應(yīng)用在本文中未涉及。第三類提供了HRW和建模車輛的復(fù)雜和非常詳細(xì)的模型，能夠詳細(xì)描述整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)。例如，在使用實(shí)際硬件之前，它們用于開發(fā)控制器或方法的初步有效性驗(yàn)證。對(duì)于每一類，使用了不同的軟件工具和建模方法，通過共同仿真進(jìn)行耦合。在本文中，通過第三類示例闡釋了模塊化的模擬環(huán)境。共模擬環(huán)境用于將MBS軟件工具SIMPACK與MATLAB/Simulink®進(jìn)行耦合。此環(huán)境利用了兩種工具的優(yōu)勢(shì)。首先，在SIMPACK中對(duì)車輛和HRW的復(fù)雜耦合動(dòng)力學(xué)進(jìn)行建模。其次MATLAB/Simulink用于控制器設(shè)計(jì)和不同輸入及激勵(lì)的定義。仿真環(huán)境的管理和評(píng)估（預(yù)處理和后處理）也在MATLAB中實(shí)現(xiàn)。因此，仿真研究或優(yōu)化任務(wù)是可自動(dòng)化的。此共模擬環(huán)境的示意布局如圖3所示。

04  科學(xué)實(shí)驗(yàn)室中的觀察

 HRW是IVK/FKFS現(xiàn)有設(shè)施的重要擴(kuò)展。該研究所已經(jīng)運(yùn)營(yíng)著多種多樣的測(cè)試系統(tǒng)，包括幾個(gè)專業(yè)的風(fēng)洞、內(nèi)燃機(jī)測(cè)試臺(tái)以及若干動(dòng)力總成和混合動(dòng)力系統(tǒng)測(cè)試臺(tái)。其中，兩個(gè)系統(tǒng)特別適合與HRW相輔相成，它們分別是空氣聲學(xué)全尺寸風(fēng)洞和斯圖加特駕駛模擬器。HRW有潛力通過補(bǔ)充它們的先進(jìn)能力而產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)。

多年來，F(xiàn)KFS一直運(yùn)營(yíng)著斯圖加特大學(xué)的空氣聲學(xué)全尺寸風(fēng)洞，在2014年進(jìn)行了全面升級(jí)。這些更新顯著提升了測(cè)試能力。其中包括一個(gè)配備高精度地下平衡臺(tái)的新旋轉(zhuǎn)臺(tái)，可以在直線行駛和側(cè)風(fēng)條件下進(jìn)行高精度和動(dòng)態(tài)的空氣動(dòng)力力和力矩測(cè)量。一個(gè)獨(dú)特的擺動(dòng)系統(tǒng)使得可以研究非定常的空氣動(dòng)力和空氣聲學(xué)效應(yīng)。 

斯圖加特駕駛模擬器于2012年投入使用，如圖4所示，是整個(gè)歐洲研究領(lǐng)域中最大的設(shè)施。它可以用于模擬先進(jìn)的駕駛輔助系統(tǒng)，并研究自動(dòng)駕駛和安全相關(guān)系統(tǒng)對(duì)人類駕駛員在真實(shí)條件下的影響，而無需在真實(shí)道路上進(jìn)行測(cè)試。此外，駕駛模擬器可用于底盤開發(fā)和車輛操控特性的分析。例如，它已被用于分析駕駛員對(duì)路面沖擊產(chǎn)生的車輛車身運(yùn)動(dòng)的感知。懸掛特性的細(xì)微變化可能會(huì)極大地影響駕駛員對(duì)整車穩(wěn)定性和舒適性的整體感知。例如，可以通過選擇性地改變車輛模型的頂部支撐特性來確定懸掛特性的目標(biāo)值。然而，這些研究需要詳細(xì)的車輛模型。

圖4 斯圖加特駕駛模擬器

現(xiàn)有的測(cè)試系統(tǒng)提供了優(yōu)秀的手段，精確評(píng)估空氣動(dòng)力學(xué)和傳動(dòng)系統(tǒng)的特性，同時(shí)也是評(píng)估駕駛員對(duì)車輛模型動(dòng)力學(xué)的感知的開發(fā)工具。HRW將補(bǔ)充這些系統(tǒng)。例如，在風(fēng)洞中測(cè)量的穩(wěn)定和非定常空氣動(dòng)力力和力矩可以應(yīng)用到HRW上的車輛上，從而可以檢查車輛在真實(shí)駕駛條件下對(duì)這些激勵(lì)的反應(yīng)。獲得的有關(guān)車輛動(dòng)態(tài)行為的知識(shí)可以用于優(yōu)化駕駛模擬器的車輛模型，以便更仔細(xì)地檢查駕駛員對(duì)車輛行為的感知。

研究目標(biāo)

HRW已經(jīng)擁有由MTS建立的廣泛而多功能的車輛測(cè)試和開發(fā)應(yīng)用范圍。IVK/FKFS的目標(biāo)是為車輛動(dòng)力學(xué)開發(fā)創(chuàng)造新方法，并擴(kuò)大HRW應(yīng)用的范圍。此外，將進(jìn)行研究以克服前述裝置的局限性。必須對(duì)這些局限性和偏差的確切影響進(jìn)行檢查和評(píng)估。然后，可以構(gòu)思和開發(fā)進(jìn)一步的補(bǔ)償方法。HRW結(jié)合了幾個(gè)已建立的測(cè)試系統(tǒng)的元素。其中包括類似于Flat-Trac®輪胎測(cè)試系統(tǒng)使用的扁平帶式輪轂驅(qū)動(dòng)裝置，以及類似于四柱系統(tǒng)使用的垂直液壓執(zhí)行器。然而，對(duì)這些眾所周知的技術(shù)組合的經(jīng)驗(yàn)很少。因此，IVK、FKFS和MTS的使命是創(chuàng)建新的最佳實(shí)踐場(chǎng)景，不僅展示HRW的能力，而且證明概念并產(chǎn)生改進(jìn)車輛開發(fā)過程的可能性。為了克服系統(tǒng)的上述局限性，已經(jīng)開發(fā)并在模擬中進(jìn)行了幾種補(bǔ)償方法的測(cè)試。它們的功能必須在真實(shí)的HRW系統(tǒng)上實(shí)施和測(cè)試。這樣，HRW的能力甚至可以進(jìn)一步擴(kuò)展

05  應(yīng)用

由于其靈活和模塊化的構(gòu)成，HRW具有多種應(yīng)用。這些可以分為幾類。一個(gè)主要類別側(cè)重于駕駛動(dòng)力學(xué)開發(fā)，特別是車輛懸架和操縱性評(píng)估。正如前面提到的，HRW具有同時(shí)激勵(lì)和分析車輛縱向、橫向和垂直方向的優(yōu)勢(shì)。因此，不僅可以復(fù)制橫向動(dòng)力學(xué)的操縱，如階躍轉(zhuǎn)向和正弦轉(zhuǎn)向輸入，還可以進(jìn)行結(jié)合縱向和橫向動(dòng)力學(xué)的駕駛操縱，如關(guān)閉油門、加速或制動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)彎。當(dāng)然，也可以進(jìn)行純粹的縱向操縱，如直線加速。除了這些開環(huán)操縱，駕駛機(jī)器人的實(shí)時(shí)控制允許執(zhí)行閉環(huán)操縱。這些包括恒定半徑和恒定速度的打滑試驗(yàn)，還包括更復(fù)雜和要求更高的操縱，如雙車道變道和高動(dòng)態(tài)場(chǎng)景，比如傾翻傾斜測(cè)試。在所有這些操縱過程中，垂直執(zhí)行器可以用來通過模擬真實(shí)路面施加輕微激勵(lì)。或者，它們可以在這些操縱過程中施加特定的、預(yù)定義的干擾，如減速帶或橋梁接縫，以精確測(cè)量車輛的響應(yīng)，并具有高可重復(fù)性。

這些操縱可以用于評(píng)估整車特性。同時(shí)，也可以利用HRW來測(cè)試和開發(fā)制動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等子系統(tǒng)。 

另一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域側(cè)重于控制系統(tǒng)的研究、開發(fā)、驗(yàn)證和認(rèn)證。這些包括電子穩(wěn)定控制和扭矩矢量控制系統(tǒng)，以及其他底盤控制和高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)。控制器的功能可以在特定的、預(yù)定義的車輛狀態(tài)下使用完整的真實(shí)車輛進(jìn)行測(cè)試。同時(shí)，可以在安全環(huán)境中測(cè)試控制器對(duì)干擾或傳感器故障的穩(wěn)定性和魯棒性。此外，對(duì)HRW的研究可以通過系統(tǒng)和參數(shù)識(shí)別方法支持和補(bǔ)充基于模型的開發(fā)的模擬過程。在HRW上獲得的結(jié)果可以用于驗(yàn)證車輛模型，或改進(jìn)和增強(qiáng)模型，例如用于駕駛模擬器。

示例

為了展示可能的用例，介紹了兩個(gè)突出顯示HRW能力的示例操縱。這兩個(gè)示例展示了前面提到的SIMPACK和MATLAB/Simulink聯(lián)合仿真環(huán)境的模擬結(jié)果。模擬中使用的車輛模型是基于中型豪華車的詳細(xì)多體模型。所采用的輪胎模型基于Pacejka魔術(shù)公式模型，并經(jīng)過調(diào)整以允許在移動(dòng)道路上使用。在這些模擬中，使用了一個(gè)理想化的HRW模型，沒有測(cè)量誤差，用來展示理想HRW系統(tǒng)的能力。進(jìn)一步的理想化包括將CGR簡(jiǎn)化為一個(gè)3自由度關(guān)節(jié)的模型，如圖5中的綠色球所示。正在進(jìn)行的和未來的研究部分涉及預(yù)期在真實(shí)系統(tǒng)中出現(xiàn)的差異。

圖5  簡(jiǎn)化HRW上的車輛MBS模型

 逼真的行駛操縱：這個(gè)例子比較了在HRW上進(jìn)行恒定速度正弦操縱時(shí)的車輛動(dòng)力學(xué)與在道路上進(jìn)行相應(yīng)車輛動(dòng)力學(xué)的情況。為了確?？杀刃?，道路上的操縱是使用與HRW上相同的車輛模型和相同的條件進(jìn)行模擬的。選擇正弦操縱是因?yàn)樗且环N標(biāo)準(zhǔn)化操縱 [14]，經(jīng)常用于車輛測(cè)試，特別是用于評(píng)估電子穩(wěn)定系統(tǒng)。在接下來的模擬結(jié)果中，車速為80公里/小時(shí)，最大轉(zhuǎn)向盤角度為116°。轉(zhuǎn)向盤輸入如圖6所示。

圖6  方向盤輸入來自正弦波，具有駐留機(jī)動(dòng)

圖7和圖8顯示了側(cè)向加速度、橫擺角、偏航角速率和側(cè)滑角的模擬結(jié)果。最大側(cè)向加速度達(dá)到1 g 表明車輛接近其極限運(yùn)行。因此，這個(gè)操縱對(duì)車輛和HRW來說都是一次極限性能測(cè)試。需要注意的是，本文分析的目的并不是考察車輛的穩(wěn)定性，而是為了了解HRW的能力。因此，重點(diǎn)在于道路和HRW數(shù)據(jù)之間的差異。側(cè)向加速度和橫擺角表現(xiàn)出較好的匹配。就偏航角速率而言，出現(xiàn)了輕微的相位偏移，HRW數(shù)據(jù)領(lǐng)先于模擬道路數(shù)據(jù)。在振幅方面，HRW上計(jì)算得到的偏航角速率比道路上高出3.5%。特別是側(cè)滑角在兩種情況下表現(xiàn)出較大差異，HRW上的絕對(duì)振幅比道路上高出9.7%。同樣，出現(xiàn)了相位偏移。盡管如此，可比性得到了保持。

圖7  測(cè)試系統(tǒng)（HRW）上路況與車輛之間的橫向加速度和側(cè)傾角比較

圖8  測(cè)試系統(tǒng)（HRW）上路況和車輛之間的偏航率和側(cè)滑角比較

 由于在道路和HRW模擬中使用了完全相同的車輛模型，包括輪胎模型，因此觀察到的相位偏移可能是由道路和HRW之間不同的總體動(dòng)力學(xué)引起的。一個(gè)可能的原因是HRW執(zhí)行器的延遲運(yùn)動(dòng)。在轉(zhuǎn)動(dòng)前輪后，產(chǎn)生的力直接作用于道路上的車輛，并導(dǎo)致其偏航，從而降低前軸的側(cè)滑角。在HRW上，作用于車身的力必須被測(cè)量并轉(zhuǎn)換為執(zhí)行器命令。在命令執(zhí)行之前，輪胎會(huì)受到更高的側(cè)滑角的影響，這會(huì)導(dǎo)致更大的力，因此計(jì)算得到的偏航加速度更高。總體結(jié)果符合系統(tǒng)的已知限制。由于忽略的科里奧利和離心效應(yīng)在更高動(dòng)力學(xué)條件下的影響更大，因此在沒有使用額外的控制或補(bǔ)償算法的情況下，道路測(cè)試和HRW測(cè)試之間的差異就會(huì)更大。

在轉(zhuǎn)彎時(shí)的垂直激勵(lì)：在高速下，道路上的擾動(dòng)，如橋接縫和顛簸，會(huì)對(duì)車輛產(chǎn)生顯著的沖擊。由此產(chǎn)生的綜合偏航、橫擺和垂直車身運(yùn)動(dòng)對(duì)車輛的穩(wěn)定性和安全感產(chǎn)生了相當(dāng)大的影響[15]。在道路上，以可重復(fù)的方式產(chǎn)生期望的精確擾動(dòng)是具有挑戰(zhàn)性的。在這個(gè)例子中，車輛以120公里/小時(shí)的速度和6 m/s的側(cè)向加速度通過橫向正弦低頻顛簸。圖9顯示了垂直激勵(lì)曲線和由此產(chǎn)生的車身上下運(yùn)動(dòng)（相對(duì)于地面的穩(wěn)態(tài)高度）。

圖9  HRW執(zhí)行器的垂直位移和由此產(chǎn)生的車身運(yùn)動(dòng)

圖10  HRW執(zhí)行器的垂直位移和由此產(chǎn)生的車身運(yùn)動(dòng)

得到的模擬車輛車身橫擺、偏航和垂直加速度運(yùn)動(dòng)如圖10所示。需要注意的是，偏航角速率是根據(jù)測(cè)得的約束力計(jì)算得出的。擾動(dòng)可以清晰地看到并記錄下來。為了進(jìn)行比較，對(duì)直線行駛也模擬了相同的道路擾動(dòng)。在這種情況下，橫擺和偏航運(yùn)動(dòng)可以忽略不計(jì)，這是可以預(yù)料的。然而，垂直加速度也會(huì)發(fā)生，這在第三個(gè)子圖中有所體現(xiàn)。值得注意的是，在轉(zhuǎn)彎時(shí)的最大垂直加速度高于直線行駛時(shí)的最大垂直加速度。導(dǎo)致這種行為的一個(gè)原因是，在這種嚴(yán)峻的模擬轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)動(dòng)過程中，外側(cè)車輪懸架的減震緩沖器已經(jīng)被預(yù)應(yīng)力。額外的壓縮會(huì)導(dǎo)致額外的垂直力作用于車身，這會(huì)導(dǎo)致與直線行駛相比的車身運(yùn)動(dòng)差異。這個(gè)例子突顯了這類事件對(duì)駕駛穩(wěn)定性和舒適性具有相當(dāng)大的影響。在可重復(fù)條件下研究這些事件的可能性可以促進(jìn)并加速懸架的開發(fā)過程。在其他現(xiàn)有的測(cè)試系統(tǒng)或道路上幾乎不可能進(jìn)行這樣的測(cè)試。雖然在七柱式臺(tái)架上可以很容易地重現(xiàn)垂直激勵(lì)和純滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，但在那里不可能添加橫向力。動(dòng)力K&C系統(tǒng)具有施加橫向力以及前述激勵(lì)的能力。然而，它們?nèi)匀蝗狈υ谑录陂g測(cè)量由旋轉(zhuǎn)車輪產(chǎn)生的力的能力。 

總的來說，本文中介紹的兩個(gè)應(yīng)用示例都展示了新型HRW的優(yōu)勢(shì)。作為高度動(dòng)態(tài)駕駛機(jī)動(dòng)的常見代表，帶停留的正弦曲線機(jī)動(dòng)展示了在HRW上進(jìn)行此類機(jī)動(dòng)的可行性。第二個(gè)示例強(qiáng)調(diào)了在關(guān)注駕駛舒適性的情況下，在駕駛過程中額外垂直激勵(lì)的影響。這有助于底盤部件的設(shè)計(jì)、測(cè)試和驗(yàn)證。HRW的一個(gè)巨大優(yōu)勢(shì)是在受控條件下復(fù)制操縱機(jī)動(dòng)，這極大地增加了重復(fù)性。該臺(tái)架的重復(fù)性導(dǎo)致較少重復(fù)相同的機(jī)動(dòng)以收集重要數(shù)據(jù)。車輛懸架特性可以被修改，并且它們對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)的影響可以被更快地分析，這導(dǎo)致更快的開發(fā)時(shí)間。結(jié)合對(duì)車輛傳感器數(shù)據(jù)的仿真，HRW為駕駛動(dòng)力學(xué)和主動(dòng)底盤控制系統(tǒng)的測(cè)試和調(diào)整控制器開辟了新的領(lǐng)域。在撰寫本文時(shí)，HRW仍在調(diào)試中。下一步將是在真實(shí)的HRW上執(zhí)行這些測(cè)試，并確認(rèn)模擬結(jié)果。