基于MATLAB平臺(tái)的智能底盤的虛擬化開發(fā)

邏輯架構(gòu)構(gòu)建：在功能架構(gòu)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步發(fā)展出邏輯架構(gòu)。邏輯架構(gòu)關(guān)注功能如何在系統(tǒng)的各個(gè)部分之間邏輯分布，包括功能單元之間的邏輯聯(lián)系和數(shù)據(jù)流。

物理架構(gòu)構(gòu)建：最后，物理架構(gòu)將邏輯架構(gòu)的抽象概念具體化，定義了實(shí)現(xiàn)這些邏輯單元所需的硬件和軟件組件。

在架構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，開發(fā)團(tuán)隊(duì)可以通過選擇和定義特定的組件和算法模型來填充這些架構(gòu)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)行為的具體化。這為基于仿真的需求驗(yàn)證提供了基礎(chǔ)，允許團(tuán)隊(duì)在實(shí)際構(gòu)建和測(cè)試系統(tǒng)之前，通過仿真環(huán)境來驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否滿足既定需求。

MATLAB System Composer 是一個(gè)高效的系統(tǒng)和軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)工具，允許工程師快速構(gòu)建復(fù)雜系統(tǒng)的架構(gòu)模型并展示其組件、接口與交互。它支持將架構(gòu)模型直接關(guān)聯(lián)到系統(tǒng)需求，并通過集成的需求管理工具確保設(shè)計(jì)滿足既定需求。此外，System Composer 可以無縫集成 Simulink，使得控制器的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)和行為建模變得簡單，允許在組件級(jí)別定義和模擬控制邏輯。這種集成還支持系統(tǒng)級(jí)仿真，幫助工程師在設(shè)計(jì)初期驗(yàn)證系統(tǒng)架構(gòu)和控制策略，識(shí)別并解決潛在問題，加速開發(fā)過程并提高系統(tǒng)質(zhì)量。

虛擬仿真能力

智能化推動(dòng)了底盤域控制系統(tǒng)的發(fā)展，隨之而來的系統(tǒng)復(fù)雜度提升要求采用更高效的開發(fā)和仿真驗(yàn)證方法。

為了應(yīng)對(duì)智能化帶來的挑戰(zhàn)，仿真工具的要求超出了僅僅搭建被控對(duì)象模型的范疇，還需要能夠整合仿真平臺(tái)，提供一體化的仿真解決方案。MATLAB 在虛擬車輛是提供的解決方案包括車輛建模， 設(shè)計(jì)控制軟件，快速搭建仿真場(chǎng)景，以及部署優(yōu)化模型。

搭建車輛動(dòng)力學(xué)模型

提供了 Vehicle Dynamics Blockset，其中包含了預(yù)定義的整車模型和控制器，以及模塊庫，這些可以用來快速搭建和仿真車輛動(dòng)力學(xué)。

同時(shí)可以使用 Virtual Vehicle App 來快速搭建符合應(yīng)用復(fù)雜度的車輛模型。

雖然 Vehicle Dynamics Blockset 提供了一種快速搭建整車模型的方法，便于進(jìn)行車輛動(dòng)態(tài)分析和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，但在處理車輛的一些細(xì)節(jié)建模時(shí)，如制動(dòng)液壓系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向機(jī)電系統(tǒng)和懸架多體系統(tǒng)等，這種方法可能無法滿足精細(xì)化程度的建模需求。為此，Simscape 物理建模工具成為了重要的補(bǔ)充。

Simscape 允許用戶利用物理組件庫來構(gòu)建跨多個(gè)物理域（如機(jī)械、電氣、液壓和熱能）的模型，這對(duì)于精確模擬制動(dòng)液壓系統(tǒng)等復(fù)雜系統(tǒng)尤為重要。通過 Simscape，工程師可以創(chuàng)建出接近實(shí)際物理行為的模型，這些模型不僅可以用于深入理解系統(tǒng)的工作原理，還可以用于設(shè)計(jì)和測(cè)試控制策略。

在模擬制動(dòng)液壓系統(tǒng)時(shí)，Simscape 可以幫助準(zhǔn)確模擬液壓流體的動(dòng)力學(xué)行為和系統(tǒng)中各個(gè)組件的相互作用。對(duì)于轉(zhuǎn)向機(jī)電系統(tǒng)，Simscape 能夠結(jié)合電氣和機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為，提供更加全面和精確的模型。而在懸架多體系統(tǒng)的建模中，Simscape 的多體動(dòng)力學(xué)功能能夠模擬復(fù)雜的機(jī)械連接和運(yùn)動(dòng)，為懸架系統(tǒng)的分析和優(yōu)化提供了強(qiáng)大的工具。

通過結(jié)合 Vehicle Dynamics Blockset 的整車模型快速搭建能力和 Simscape 物理建模工具的細(xì)節(jié)建模能力，工程師可以創(chuàng)建出既快速又精確的車輛模型，這對(duì)于開發(fā)和驗(yàn)證高性能、高智能化的汽車系統(tǒng)至關(guān)重要。

使用 Simscape Multibody 搭建懸架模型：可以設(shè)計(jì)用于主動(dòng)或半主動(dòng)懸架系統(tǒng)的控制算法，以提高車輛的操控性和舒適性。Simulink 提供了一個(gè)交互式環(huán)境來測(cè)試和驗(yàn)證這些控制策略。

電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)：電子控制的制動(dòng)系統(tǒng)（如 ABS 和電子穩(wěn)定程序 ESP）可以在 Simulink 中進(jìn)行模擬，以確保它們?cè)诟鞣N駕駛情況下的性能。

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)：電子助力轉(zhuǎn)向（EPS）或主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向（AFS）等系統(tǒng)的控制邏輯可以在 Simulink 中開發(fā)和測(cè)試。

完成了物理模型后，我們可以根據(jù)功能需求設(shè)計(jì)底盤的控制算法。在一個(gè)整車底盤控制算中，整體可以分為車輛狀態(tài)信息觀測(cè)算法和控制策略方法。

車輛狀態(tài)信息觀測(cè)算法是底盤控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，它通過對(duì)車輛各種動(dòng)態(tài)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和估計(jì)，為控制策略的制定提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)。這些算法通常需要利用車輛上安裝的各種傳感器數(shù)據(jù)，如輪速傳感器、加速度計(jì)、陀螺儀、轉(zhuǎn)向角傳感器等，來觀測(cè)或估計(jì)車輛的狀態(tài)。

車輛狀態(tài)信息觀測(cè)包括車輪扭矩、輪胎力（橫向、縱向、垂直）、車速與加速度、地面摩擦系數(shù)、坡度、偏航角與偏航率、輪胎參數(shù)、前輪轉(zhuǎn)角，以及預(yù)期與實(shí)際偏航角差。這些數(shù)據(jù)為車輛控制系統(tǒng)提供精確的運(yùn)行狀態(tài)。

但是根據(jù)具體需求決定是否需要每個(gè)信息都需要觀測(cè)。

觀測(cè)方法，可以使用基于 MATLAB 的系統(tǒng)辨識(shí)工具箱和控制器設(shè)計(jì)工具箱，設(shè)計(jì)不同的觀測(cè)器。

底盤控制算法包括：基于預(yù)控的扭矩分配策略，車輛牽引力控制，橫擺控制等。以一個(gè)橫擺扭矩控制框架為例。

在這個(gè)橫擺扭矩控制案例的框架中， 包含了上層目標(biāo)需求的指定和下層轉(zhuǎn)矩分配。

在上層控制中，我們根據(jù)駕駛員的方向盤轉(zhuǎn)角信號(hào)，做一個(gè)前饋控制，計(jì)算出目標(biāo)橫擺角速度和目標(biāo)質(zhì)心側(cè)偏角。然后與車輛狀態(tài)觀測(cè)出的實(shí)際橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角做反饋控制。

在這個(gè)橫擺扭矩控制模塊中，可以使用基礎(chǔ)的 PID 控制。也可以使用 MATLAB 的控制工具箱幫助設(shè)計(jì)復(fù)雜的優(yōu)化控制等。例如模型預(yù)測(cè)控制，模糊邏輯控制，以及一些基于學(xué)習(xí)的控制等。

Simulink 在建模之外也是虛擬集成平臺(tái)，來源于不同領(lǐng)域、不同軟件、不同版本的算法、部件、系統(tǒng)和整車模型都可以在這個(gè)平臺(tái)集成并進(jìn)行仿真，F(xiàn)MU 的導(dǎo)入和導(dǎo)出、C 代碼的調(diào)用和導(dǎo)入等功能在不斷的完善和拓展 Simulink 作為集成平臺(tái)的能力。

融合了底盤功能的運(yùn)動(dòng)控制常常作為智駕的接口，參與到自動(dòng)駕駛的虛擬驗(yàn)證中。基于MATLAB 平臺(tái)搭建的整車模型及底盤控制算法，可以集成到與自動(dòng)駕駛算法仿真中。在 MATLAB 平臺(tái)上，依托 Roadrunner 場(chǎng)景建模工具，完成車輛與場(chǎng)景的自動(dòng)駕駛仿真框架。

底盤域控制器是車輛智能化的核心，隨著智能化水平的提升，系統(tǒng)復(fù)雜度增加，虛擬化開發(fā)和驗(yàn)證成為應(yīng)對(duì)復(fù)雜度挑戰(zhàn)的有效手段。基于模型的開發(fā)（MBD）是虛擬化的基石，涵蓋了虛擬原型、虛擬集成和虛擬驗(yàn)證三個(gè)關(guān)鍵階段。MATLAB 為這一流程提供全面的解決方案：包括車輛建模，控制設(shè)計(jì)，集成驗(yàn)證等。這套方法不僅提高了開發(fā)效率，降低了錯(cuò)誤率，還能在制造實(shí)際原型前發(fā)現(xiàn)問題，加速智能車輛的開發(fā)和市場(chǎng)推廣。