【自动驾驶】控制算法（八）横向控制Ⅱ | Carsim 与 Matlab 联合仿真基本操作

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引言

  本篇博客是 自动驾驶控制算法 系列的第八节第Ⅱ部分。内容整理自 B站知名up主 忠厚老实的老王 的视频，作为博主的学习笔记，分享给大家共同学习。

本篇博客讲解仿真软件的操作，做仿真要有两个软件：

• Carsim
• Matlab

  推荐 Matlab R2020a + Carsim 2019.1 的版本，其他版本的 Matlab 和 Carsim 可能会不兼容。

一、Carsim 基础操作与车辆参数设置

1、Carsim 安装路径与数据库路径

  在安装 Carsim时，一定有两个文件路径：数据库路径、软件安装路径。

  Carsim 的数据库路径如下图所示：

  Carsim的安装路径如下图所示：

  这两个文件路径非常重要。Carsim在安装时，就要求设置这两个路径。

  打开Carsim，让选择数据库的文件路径：

  打开 Carsim 软件，启动时会提示选择 Carsim 的数据库路径。

  刚刚打开时可能什么都没有：

2、车辆参数选择

  点上面的C-Class, Hatchback后面的下拉按钮，可以选择车辆类型， $A$ 级车、 $B$ 级车、 $C$ 级车：

  每个车的质量、几何尺寸以及转动惯量不一样，这是 $E$ 级车，质量和惯量都可以在图上读到：

  在这里就选 $C$ 级车，就是普通的车：

  点击第一行的C-Class, Hatchback进入如下界面：

  可以读取到车辆相关的基本的信息：

  车辆的质量、惯量之类的，在这里点击 Front Suspension：

  可以读取到悬架的质量，因为上面 Unsprung mass 质量只是簧上质量，所以
$$整车质量=簧上质量+悬架质量$$  退出，看一下轮胎：

3、轮胎参数调整

  这里有比较重要的轮胎侧向力 $F_y$：

  这是轮胎的侧偏曲线：

  侧偏曲线反映的是轮胎的侧偏刚度，图中有多条曲线，因为轮胎的侧偏刚度和垂向力有关。所以看右边的表，第一行表示的是垂向力的大小，因为垂向力越大，侧偏刚度也就越大。真正的侧偏角和侧偏力的关系从第二行开始读曲线，看图也是从第二行开始画的，所以不同垂向力就对应了不同的侧偏刚度曲线。

  侧偏刚度的计算，是通过整车质量以及质心到前轮后轮的距离，把四个轮的垂向力算出来，再代到轮胎的侧偏力和侧偏角关系曲线里，根据垂向力找对应的侧偏力与侧偏角关系曲线，根据关系曲线计算侧偏刚度。

  侧偏刚度的计算就是求斜率。看一下侧偏力和侧偏角的关系曲线，发现在侧偏角较小时，近似为直线，侧偏角变大后就变成曲线，所以只求近似为直线段的斜率，就是侧偏刚度，因为做控制不允许出现过大的侧偏角情况，这样车辆有失稳的危险。所以只考虑线性段，即曲线在小侧偏角下的斜率，就是侧偏刚度。

  注意：因为侧偏刚度应该是负的，曲线的斜率是正的，所以计算时要改成负号。

  Carsim 有很多种轮胎，不同轮胎的侧偏刚度不同，下面换轮胎看看：

  侧偏刚度改变，所以可以换各种各样的轮胎。

二、Carsim 与 Simulink 联合仿真

如何把 Carsim 和 Simlink 联合在一起？

1、创建 Simulink 模型

  在 Models 里有 Simulink：

  选择它，再选第二个[Link to New Dataset]：

  随便起个名字，比如 test，点进去：

  在软件里，要指定 Simulink 模型的路径，但是现在还没有模型，所以要先建模型。

  打开 Matlab，后打开 Simulink ，建立空模型，起个名字test，保存文件到Carsim的数据库路径下：

  名字和 Carsim 的 test 可以不一样，随便取什么都行。

  在数据库文件里，找到刚建好的空模型：

  注意： Matlab 要设置添加两个路径： Carsim数据库路径和安装路径。

• 当前工作路径，就是 Matlab 工作路径，要设置成数据库的路径。

• Metlab 里面有个设置路径，在设置路径里把 Carsim 的两个路径都设置进去，添加并包含子文件夹，把 Metlab 里面的数据库路径和安装路径它都弄到里面去，就这两个路径全都弄到里面去，选择添加并包含子文件夹：

  要做这两步才可以，否则 Matlab 会报错。

  只有 Matlab 的工作路径设置成数据库路径，test才会自动保存在数据库路径的文件夹里。如果不是的话， test 可能保存到别的地方去，所以一定要先设置，再建 Simulink 模型。

2、配置 Carsim 输入输出通道

  回到 Carsim 软件，设置 输入(import) 和 输出(export)，选择IO Channels，选第二个选项I/O Channels: Import：

  点击[Link to New Dataset]，随便起个名字，输入(import) 和 输出(export)，选择IO Channels，选第二个选项I/O Channels: Import。

  点进去里面什么都没有，因为还没有加载任何文件，所以先选择Choose run to get import omformation，第二个框选择Quick Start Guide Example中的Baseline

  选 select by unit按单位选择变量，控制的输入是油门、前轮转角、后轮转角，把前轮转角、后轮转角都添加进去：

  Carsim 软件的输出按单位选择变量输出。在算法里面要输出车的$x,y,\phi ,v_x,v_y,\dot{\phi }$，所以把这些变量添加到输出变量里：

  如果不小心点错了，双击它就会消失。

  在 Carsim 里，经常会有这样的变量，比如 $L1、R1、L2、R2$，$L$ 是左的意思， $R$ 是右的意思，$1$ 是前的意思。$2$ 是后的意思，所以 $L1$ 是左前轮， $R1$ 是右前轮，$L2$ 是左后轮，$R2$ 是右后轮。

  设置完毕后退出，退出之后还没有完，先勾选 Show more options on this screen，再点 Advanced settings。在这里输入这一句话 opt_steer_ext(1) 4：

  如果不写这句话，只能通过方向盘改变车辆的前轮转角，而算法是通过直接控制前端转角来改变车辆航向。所以如果不加这句话，无法将前端转角作为输入，所以要把这句话加上。

  在 Procedure 里可以控制仿真时间以及仿真路程，因为路不是无限的，时间也不可能仿很久。比如在这里定义只仿真 $10$ 秒，或仿真到 $21000m$ 为止：

  两个条件任意一个达成，就停止仿真。

  一切准备就绪之后，点击 Send to Simulink就可以了。等一段时间后 Simulink 就跳出来了，可以看到模型还是空的，里面什么都没有，这样就没有办法仿真。

3、添加 Carsim 模块并运行仿真

  打开 Simulink，选择安装路径下的文件 Programs\solvers\Matlab84+\Solver_SF.slx，打开模块，里面有两个 Carsim 模块：

  把其中一个模块复制到空的 Simulink 模型。双击模块，有个参数是 Carsim 和 Simulink 连接的文件，Simulink 要填连接文件的名字，是在 Carsim 的数据库文件里，当点Send to Simulink 时，会自动会生成 simfile.sim 文件。

  文件名就是要填的参数，一般默认就是 simfile.sim ，当然可以改成其他名字，这样模块的参数也设置成相应的文件。

  当在 Carsim 里改轮胎，改车辆质量、车辆的惯量之类的参数，每次修改都要重新点击Send to Simulink ，simfile 文件就会自动更新。

三、仿真结果分析

1、车辆直线行驶

  这样一切准备已经完成，运行一下试试。首先设置输入，比如节气门开度就是油门，设为 $0.15$，前轮转角、后轮转角都是 $0$：

  运行一下，用示波器看输出：

  因为只仿真 $10$ 秒，所以跑得非常快。

  在 Carsim 里看一下结果：

  因为没有打方向盘，所以车辆就是简单的直线行驶，不停加速。

2、车辆转向运动

  在 Simlink 模型里，把前端转角从 $0$ 改成 $30$，再看一下仿真结果：

  从 Carsim 动画里看出来，车辆在不停地打转。 Simlink 示波器显示车辆坐标 $(x,y)$，是类似正余弦函数的形式。

四、总结

  本篇博客讲解了 Carsim 基本操作，本篇博客详细介绍了如何使用Carsim和Matlab进行联合仿真。目的是让读者了解如何使用Carsim和Matlab进行联合仿真，以便更好地进行自动驾驶控制算法的研究和开发。

参考资料

  【基础】自动驾驶控制算法第八讲(二) 简单的软件操作

后记：

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