【文章轉(zhuǎn)載】車輛動力學(xué)及場景建模軟件DYNA4新特性介紹

DYNA4為乘用車和商用車提供各種復(fù)雜的仿真模型，包括車輛動力學(xué)模型、發(fā)動機(jī)模型、動力系統(tǒng)模型、電機(jī)模型、ADAS傳感器和交通環(huán)境模型等。用戶通過DYNA4可以安全高效地進(jìn)行功能開發(fā)和測試驗(yàn)證，例如可用于開發(fā)早期的MIL和SIL仿真環(huán)境，或者ECU硬件在環(huán)系統(tǒng)（HIL）?；贒YNA4可以實(shí)現(xiàn)縱向、橫向以及垂向控制的整車級仿真，包含制動、轉(zhuǎn)向、主動懸架等。DYNA4還提供豐富的道路、基礎(chǔ)設(shè)施及交通環(huán)境模型，為駕駛輔助和智能駕駛提供重要的虛擬仿真環(huán)境平臺。

DYNA4不僅可以和CANoe無縫集成，而且具有高包容性的外部接口，支持與第三方軟硬件集成，以及與用戶的算法程序集成（Window/Linux）。除了支持傳統(tǒng)ECU的IO接口外，還支持目前熱門的ADAS及智能駕駛集成，實(shí)現(xiàn)將駕駛員的駕駛意圖和駕駛行為與DYNA4動力學(xué)模型集成驗(yàn)證，例如智駕的車道線保持LKA功能、路徑規(guī)劃、漂移等外部智駕模型等與DYNA4動力學(xué)模型集成，支持Window/Linux平臺下的諸多語言環(huán)境。

針對不同操作環(huán)境，

量身定制對應(yīng)的許可證形式

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桌面版Desktop Edition

適合于個人仿真研究以及學(xué)習(xí)

該許可證面向指定的用戶和局域網(wǎng)內(nèi)部設(shè)備的用戶，需提供電腦用戶及電腦物理信息

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臺架版Test Bench Edition

適用于個人電腦或測試臺架上的使用，例如硬件在環(huán)

該許可證用于測試臺架的設(shè)備激活，目前也支持SIL，許可證激活可不綁定于電腦

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服務(wù)器版本Server Edition

適用于大規(guī)模仿真、多運(yùn)算節(jié)點(diǎn)的持續(xù)測試任務(wù)。DYNA4在沒有主界面模式下執(zhí)行仿真

該許可證可用于項(xiàng)目或團(tuán)隊(duì)的網(wǎng)絡(luò)訪問、云端多實(shí)例并發(fā)的場景

下圖為使用DYNA4服務(wù)器版本實(shí)現(xiàn)CI/CT車輛控制單元持續(xù)集成測試。

圖1:DYNA4車輛控制單元持續(xù)集成測試CI/CT測試

DYNA4模型仿真目標(biāo)在之前基礎(chǔ)上，增加了Linux Executable 以及FMU Linux等的運(yùn)行模式，具體如下：

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Support of Windows 11

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Support of CANoe 16

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Support of Linux FMU for exporting DYNA4 Simulation Models

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Support of Concurrent SimWorkbench 2021.2-1

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Support of DYNA4 Linux Executable

全新界面以及參數(shù)自檢功能

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全新的模型參數(shù)界面

模型與模型參數(shù)的結(jié)構(gòu)樹更加清晰，容易理解

緊湊顯示項(xiàng)目中已激活的以及可用的測試場景和模型配置

在模型配置和場景視圖列表中，雙擊便可靈活方便地選擇并激活所需的模型和場景

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報(bào)錯自檢功能

智能提醒錯誤的信息及對應(yīng)錯誤位置，例如模型參數(shù)缺失、執(zhí)行目標(biāo)未曾編譯等

在之前的日志視圖基礎(chǔ)上，增加了整體潛在的問題的概述

提供快速修復(fù)的功能選項(xiàng)

圖2:DYNA4全新的模型參數(shù)統(tǒng)一界面以及報(bào)錯自檢功能

后處理功能提升

后處理的結(jié)果可以快速概覽以及分析，全新的視角視圖

通過仿真結(jié)果界面的條件篩選可以方便快速選擇所需的內(nèi)容

在信號瀏覽視圖里，展開結(jié)果文件選擇信號來進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，方便實(shí)現(xiàn)多文件的結(jié)果比較

結(jié)果文件（MDF格式）不需要打開MATLAB即可進(jìn)行分析

MDF文件記錄DYNAanimation動畫里面的信號

圖3:功能豐富、操作便捷的后處理界面

新增場景庫車輛以及新能源汽車示例

新增Tesla Model X的純電動汽車傳動和動力學(xué)模型示例，可生動表達(dá)傳動時功率能量流的動畫示意；同時場景里增加諸多3D的整車數(shù)模，如下：

Tesla Model X 2016

VW Arteon R Shooting Brake 2021

VW ID Buzz 2023

VW ID Space Vizzion 2023

VW Tiguan R 2021

VW ID.3 2020, VW ID.4 2020

International LTTractor Truck 2018,

Forage Harvester,

Krampe Big Body 650 Carrier Farm Trailer 2017

VW T6 2016

圖4:新增的場景及3D整車數(shù)模

可視化傳感器Visible Object Sensor

分類語義分割的功能

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可視化傳感器

可以輸出邊界框的二維像素坐標(biāo)

可以使用對象類別而不僅是單個對象進(jìn)行分割

分割后的圖像仍保持相機(jī)圖像畸變的狀態(tài)

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Visible Object Sensor和Lidar Sensor檢測到的物體類別可以為每個傳感器定制，即可以切換甚至過濾掉指定的類別

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Visible Object Sensor和Ground Truth Sensor可提供所檢測到物體的理想化3D邊界框信息

圖5:含圖像畸變的不同語義分割形式下的類別分割情況

高包容性的外部接口

DYNA4不僅可以和CANoe無縫集成，而且具有高包容性的外部接口，支持與第三方軟硬件集成，以及與用戶的算法程序集成（Window/Linux）。除了支持傳統(tǒng)ECU的IO接口外，還支持目前熱門的ADAS及智能駕駛集成，實(shí)現(xiàn)將駕駛員的駕駛意圖和駕駛行為與DYNA4動力學(xué)模型集成驗(yàn)證，例如智駕的車道線保持LKA功能、路徑規(guī)劃、漂移等外部智駕模型等與DYNA4動力學(xué)模型集成，支持Window/Linux平臺下的諸多語言環(huán)境。

下圖為將DYNA4里的變量接口與CANoe連接，實(shí)現(xiàn)了在CANoe里實(shí)時控制DYNA4車輛的縱向和橫向控制。圖中1處為DYNA4底層Simulink與CANoe的接口，2處為CANoe里橫縱向控制的面板設(shè)置。如果需要ECU的其他信號接口，可以方便地從DYNA4底層Simulink Bus里拉出所需的信號。

圖6:DYNA4底層Simulink與CANoe的接口及在CANoe里實(shí)現(xiàn)車輛橫縱向控制

DYNA4除了CANoe等諸多平臺接口支持外，還支持標(biāo)準(zhǔn)的模型交換接口Functional Mock-up Interface（FMI）的形式，可支持Window & Linux下的運(yùn)行。

以Linux下的C++語言調(diào)用為例。首先在模型里拉出所需的接口，然后在DYNA4主界面選擇“FMU Linux Export”模式，然后進(jìn)行編譯，再將編譯結(jié)果拷貝到Linux電腦。下圖為Ubuntu 20.04環(huán)境下，C++語言程序調(diào)用DYNA4的仿真情況。

如需其他語言平臺，可以在GitHub里下載對應(yīng)FMU調(diào)用的開源程序。例如，C++語言的開源程序?yàn)镕MI4cpp，Python程序?yàn)镻ythonFMU，Java程序?yàn)镕MI4j。整體來說，Linux下調(diào)用DYNA4是較為簡潔方便的，且并不需要安裝額外的依賴庫，極大方便客戶的算法與DYNA4的模型進(jìn)行集成仿真測試。

圖7:Ubuntu 20.04環(huán)境下，C++語言程序調(diào)用DYNA4的仿真情況

外部接口集成的應(yīng)用舉例

輔助智能駕駛

含有路徑規(guī)劃的外部駕駛模型集成

不管是車道保持、還是點(diǎn)對點(diǎn)的路徑規(guī)劃智能駕駛，車輛都會去代替/接管駕駛員去進(jìn)行車輛的駕駛控制。模擬駕駛員對車輛的控制，比較通行的駕駛員算法有MPC（模型預(yù)測控制）、LQR（線性二次調(diào)節(jié)器）及PP（Pure Pursuit）追隨預(yù)瞄；這里采用郭孔輝院士在《汽車操縱動力學(xué)原理》書籍里的“單點(diǎn)預(yù)瞄”的思路，在DYNA4動力學(xué)里集成，僅作思路的分享。

DYNA4設(shè)置過程如下圖，1處為從車輛里提取出需要的車輛狀態(tài)量；2處根據(jù)所預(yù)設(shè)的任意Path，計(jì)算車輛位置與目標(biāo)Path的預(yù)瞄點(diǎn)位置和角度的偏差兩個輸出量；3處為根據(jù)“單點(diǎn)預(yù)瞄”的思路進(jìn)行部分修改，求得期望的方向盤轉(zhuǎn)角；4處為對方向盤轉(zhuǎn)向進(jìn)行限制，規(guī)范其合理的變化速率以及上下限值；5處為將外部的方向盤轉(zhuǎn)角再輸入給DYNA4整車模型。

圖8:含有路徑規(guī)劃的外部駕駛員智駕算法集成_單點(diǎn)預(yù)瞄

路徑追隨的單點(diǎn)預(yù)瞄仿真效果如下圖，目標(biāo)Path路徑為側(cè)向偏置2m的水平車道，末端是直徑20m的圓周；車輛的縱向行為是36km/h的縱向勻速運(yùn)行，采用DYNA4內(nèi)部閉環(huán)控制；可以看出車輛從原點(diǎn)（0，0）處快速地駛?cè)肽繕?biāo)路徑，然后在路徑末端進(jìn)行繞圓運(yùn)動?？紤]預(yù)瞄算法的本身會導(dǎo)致一些跟隨的偏離，整體的路徑追隨的效果還是不錯的。這里整體的算法都是在Simulink內(nèi)部，當(dāng)然也可以是在其他平臺、其他語言環(huán)境下的集成。

圖9:路徑追隨的單點(diǎn)預(yù)瞄效果

助力整車“漂移”外部智駕的集成實(shí)現(xiàn)

除了讓車輛按照智能路徑規(guī)劃智駕以外，還可以讓車輛實(shí)現(xiàn)高難度動作如“漂移”，這應(yīng)該也是智駕的一種體現(xiàn)。對于更復(fù)雜的駕駛員閉環(huán)控制算法“漂移”，所對應(yīng)的控制算法從輸入輸出數(shù)量以及整體邏輯，都會相對更復(fù)雜些。通過匹配提取DYNA4模型里的輸入輸出接口，可以方便地實(shí)現(xiàn)車輛“漂移”的駕駛員模型嵌入。在車輛低附著路面漂移時，車速可以不用過高。通常采用后驅(qū)的車進(jìn)行“漂移”更容易，一般是前輪依然保持附著轉(zhuǎn)向的能力，而后輪進(jìn)行滑移。如下圖可以看出，漂移時，前輪與路徑前進(jìn)方向基本是“平行的”，而后輪基本是滑移狀態(tài)，有較大的側(cè)偏角，整個車身也是斜的。

圖10:漂移智駕的外部控制算法集成

上圖是智駕控制算法在DYNA4和CANoe里集成，實(shí)現(xiàn)助力漂移算法的驗(yàn)證，以供參考?？刂扑惴梢栽赟imulink或CANoe內(nèi)部，也可以是外部其他形式。當(dāng)然，不局限于平臺，可在Linux或云端運(yùn)行部署，且無需安裝諸多額外的依賴庫，極大方便客戶的（智駕）算法與DYNA4的模型進(jìn)行集成仿真測試。