一种汽车驱动功能的仿真验证方法及系统与流程

1.本发明涉及汽车安全验证技术领域，具体为一种汽车驱动功能的仿真验证方法及系统。


背景技术：

2.为避免或缓解因电子电气系统失效造成的安全风险，iso26262提供了产品设计、开发管理和支持过程的方法论；国内随着gb/t 34590等功能安全标准的导入，越来越多的oem也开始在产品开发过程中引入功能安全设计；合理的设计功能安全fhti时间是实现系统功能安全设计的关键； 但是iso26262仅提供方法论的指导，对于如何导出量化的fhti时间介绍较少。
3.因此，如何在概念阶段需要根据危害分析和风险评估结果导出可量化的功能安全目标，并进一步设计出合理的故障容忍时间间隔，成为国内主机厂在功能安全开发过程中的一大难点。


技术实现要素：

4.本发明的目的是针对背景技术中存在的缺点和问题加以改进和创新，提供一种汽车驱动功能的仿真验证方法及系统。
5.实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种汽车驱动功能的仿真验证方法，具体包括：搭建汽车驱动功能仿真验证模型，仿真验证模型基于汽车驱动系统的力学模型和车辆运动学模型；输入车辆参数、失效场景参数、故障扭矩和故障注入时间，并选择驱动功能失效模式，然后进行仿真试验，计算得到本车、前方车辆/行人、后方车辆/行人的速度和里程的运动曲线；根据本车、前方车辆/行人、后方车辆/行人的速度和里程的运动曲线，分析和判断是否满足安全目标验收指标，从满足要求的故障注入时间中选择最短的故障注入时间作为安全需求的故障注入时间。
6.由上述技术方案可见，本发明通过搭建基于汽车驱动系统的力学模型和车辆运动学模型的仿真验证模型，进行仿真试验，能够得到量化的安全需求的fhti时间，同时保证了仿真验证方法的准确性和可靠性；当故障扭矩介于驱动车辆移动的最小扭矩和电机峰值扭矩之间，量化的安全需求的fhti时间均能够满足安全目标验收指标，降低了极端场景测试的人员安全风险。
7.进一步的方案是，所述车辆参数包括整车质量、风阻系数、迎风面积、轮胎半径、道路坡度、重力加速度、空气密度、滚动阻力系数、减速器输入轴转动惯量、减速器输出轴转动惯量、减速器传动速比、机械传动效率、电机转动惯量和旋转质量换算系数。
8.进一步的方案是，所述驱动功能失效模式包括非预期加速、非预期减速、非预期车辆移动和非预期扭矩换向，所述失效场景参数包括失效时车辆驱动状态、初始本车速度、初
始后方车辆/行人速度、前方车辆/行人初始速度、初始前后车距/车人间距、驾驶员制动响应时间、车辆初始加速度和轮端紧急制动力。
9.进一步的方案是，所述汽车驱动系统的力学模型包括：车辆驱动力：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（1）其中，
ꢀꢀ
为电机扭矩；为减速器速比， 为机械传动效率；为轮胎滚动半径；车辆制动力：
ꢀꢀꢀꢀ
（2）其中， 为车辆制动扭矩；车辆驱动力-行驶阻力平衡公式：
ꢀꢀ
（3）其中， 为车辆行驶阻力。
10.进一步的方案是，所述车辆运动学模型包括：车辆行驶阻力： （4）其中，m为整车质量；g为重力加速度；f为滚阻系数；cd为风阻系数；a为车辆迎风面积；u为行驶车速；为道路坡度；
ꢀꢀ
为旋转质量换算系数；车辆行驶距离： （5）。
11.进一步的方案是，所述计算得到本车、前方车辆/行人、后方车辆/行人的速度和里程的运动曲线具体包括：根据失效时车辆驱动状态，初始本车速度计算初始轮端的驱动扭矩，并根据输入的故障扭矩和故障注入时间计算轮端的故障扭矩；根据输入的驾驶员制动响应时间、轮端紧急制动力和轮胎半径计算轮端的制动扭矩；初始轮端的驱动扭矩、轮端的故障扭矩和轮端的制动扭矩计算轮端的综合扭矩；根据轮端的综合扭矩、本车初始车速、前方车辆/行人初始速度、后方车辆/行人初始速度，计算得到本车、前方车辆/行人、后方车辆的车速和里程的运动曲线。
12.进一步的方案是，所述从满足要求的故障注入时间中选择最短的故障注入时间作为安全需求的fhti时间之后还包括：选取若干组故障注入时间和对应的故障扭矩，进行实车故障注入测试，将仿真结果和实车测试结果进行对比，校核和仿真验证模型的准确性。
13.一种汽车驱动功能的仿真验证系统，具体包括：车辆参数设置模块，用于提供车辆参数的输入界面；失效场景参数设置模块，用于提供失效场景参数和驱动功能失效模式的输入界面；
安全监控机制设置模块，用于提供故障扭矩和故障注入时间的输入界面；驱动扭矩故障注入模块，用于根据失效场景参数计算初始轮端的驱动扭矩以及根据故障扭矩和故障注入时间计算轮端的故障扭矩；驾驶员刹车响应模块，用于根据车辆参数和失效场景参数计算轮端的制动扭矩；车辆轮端扭矩计算模块，用于根据初始轮端的驱动扭矩、轮端的故障扭矩和轮端的制动扭矩计算轮端的综合扭矩；车辆运动仿真模块，用于根据轮端的综合扭矩、失效场景参数和车辆参数计算本车、前方车辆/行人、后方车辆的车速和里程的运动曲线；安全确认分析模块，用于根据本车、前方车辆/行人、后方车辆的运动曲线，分析和判断是否满足安全目标验收指标。
14.由上述技术方案可见，仿真验证模型基于汽车驱动系统的力学模型和车辆运动学模型，得到量化的安全需求的fhti时间，降低了系统集成测试和安全确认测试阶段的工作量，由于兼顾了轮端的故障扭矩、轮端的制动扭矩和轮端的综合扭矩，保证了仿真验证模型的准确性和可靠性。
15.进一步的方案是，所述车辆参数包括整车质量、风阻系数、迎风面积、轮胎半径、道路坡度、重力加速度、空气密度、滚动阻力系数、减速器输入轴转动惯量、减速器输出轴转动惯量、减速器传动速比、机械传动效率、电机转动惯量和旋转质量换算系数。
16.进一步的方案是，所述驱动功能失效模式包括非预期加速、非预期减速、非预期车辆移动和非预期扭矩换向，所述失效场景参数包括失效时车辆驱动状态、初始本车速度、初始后方车辆/行人速度、前方车辆/行人初始速度、初始前后车距/车人间距、驾驶员制动响应时间、车辆初始加速度和轮端紧急制动力。
17.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过仿真验证方法和仿真验证系统在概念设计阶段就能够得到量化的安全需求的fhti时间，降低了系统集成测试和安全确认测试阶段的工作量；当故障扭矩介于驱动车辆移动的最小扭矩和电机峰值扭矩之间，量化的安全需求的fhti时间均能够满足安全目标验收指标，降低了极端场景测试的人员安全风险；仿真验证模型基于汽车驱动系统的力学模型和车辆运动学模型，兼顾了轮端的故障扭矩、轮端的制动扭矩和轮端的综合扭矩，保证了仿真验证模型和仿真验证方法的准确性和可靠性；通过选取若干组故障注入时间和对应的故障扭矩，对比实车测试结果和仿真结果，实车测试工作量小，并验证了依据仿真验证模型和仿真验证方法的准确性和可靠性。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1是本发明第一实施例仿真验证方法的流程图；图2是本发明第一实施例计算得到本车、前方车辆/行人、后方车辆/行人的速度和里程的运动曲线流程图；图3是本发明第二实施例仿真验证系统的结构框图；图4是本发明第三实施例非预期车辆移动数学模型示意图；
图5是本发明第三实施例非预期车辆移动实车测试和仿真结果对比示意图。
具体实施方式
20.为使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
21.需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
22.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
23.实施例一下面以纯电动汽车驱动系统的驱动功能为例说明一种汽车驱动功能的仿真验证方法：对象定义：纯电动汽车驱动系统，包含油门踏板传感器、制动踏板传感器、整车控制器、电机控制器、驱动电机、减速器、传动轴和车轮。驱动功能：系统根据驾驶操作控制驱动电机输出纵向扭矩驱动车辆行驶。在对象定义过程中可确定驱动系统的力学模型和车辆运动学模型。
24.请参阅图1，该方法包括以下步骤：步骤s1、搭建汽车驱动功能仿真验证模型，仿真验证模型基于汽车驱动系统的力学模型和车辆运动学模型；具体的，所述汽车驱动系统的力学模型包括：车辆驱动力：
ꢀꢀꢀꢀꢀ
（1）其中， 为电机扭矩；为减速器速比， 为机械传动效率；
ꢀꢀ
为轮胎滚动半径；车辆制动力：
ꢀꢀꢀꢀ
（2）其中， 为车辆制动扭矩车辆驱动力-行驶阻力平衡公式：
ꢀꢀ
（3）其中， 为车辆行驶阻力。
25.车辆运动学模型包括：车辆行驶阻力：
ꢀꢀꢀ
（4）其中，m为整车质量；g为重力加速度；f为滚阻系数；cd为风阻系数；a为车辆迎风面
积；u为行驶车速；
ꢀꢀ
为道路坡度； 为旋转质量换算系数， 为对行驶车速求导；车辆行驶距离：
ꢀꢀꢀꢀꢀ
（5）。
26.在本实施例，汽车为纯电动汽车。
27.步骤s2、输入车辆参数、失效场景参数、故障扭矩和故障注入时间，并选择驱动功能失效模式，然后进行仿真试验，计算得到本车、前方车辆/行人、后方车辆/行人的速度和里程的运动曲线；具体的，所述车辆参数包括整车质量、风阻系数、迎风面积、轮胎半径、道路坡度、重力加速度、空气密度、滚动阻力系数、减速器输入轴转动惯量、减速器输出轴转动惯量、减速器传动速比、机械传动效率、电机转动惯量和旋转质量换算系数。
28.所述驱动功能失效模式包括非预期加速、非预期减速、非预期车辆移动和非预期扭矩换向。
29.所述失效场景参数包括失效时车辆驱动状态、初始本车速度、初始后方车辆/行人速度、前方车辆/行人初始速度、初始前后车距/车人间距、驾驶员制动响应时间、车辆初始加速度和轮端紧急制动力。
30.步骤s3、根据本车、前方车辆/行人、后方车辆/行人的速度和里程的运动曲线，分析和判断是否满足安全目标验收指标，从满足要求的故障注入时间中选择最短的故障注入时间作为安全需求的fhti时间。
31.需要说明的是，根据本车、前方车辆/行人、后方车辆/行人的速度和里程的运动曲线，能够得到本车与前方车辆/行人、后方车辆/行人或者目标物的相对移动位移或者加速度等物理参数，输入不同的故障扭矩和故障注入时间，能够得到不同的相对移动位移或者加速度等物理参数，由于在进行仿真试验之前，已经设定一个与运动曲线物理参数相关的安全目标验收指标，判断不同的相对移动位移或者加速度等物理参数是否满足安全目标验收指标，从满足要求的物理参数对应的故障注入时间中选择最短的故障注入时间作为安全需求的fhti（故障注入）时间，从而实现导出量化的ftti时间的目的，并用于指导安全监控系统设置监控阈值。
32.步骤s4、选取若干组故障注入时间和对应的故障扭矩，进行实车故障注入测试，将仿真结果和实车测试结果进行对比，校核和验证仿真模型的准确性。
33.需要说明的是，由于在概念设计阶段已经进行了大量的仿真验证试验，仿真验证模型基于汽车驱动系统的力学模型和车辆运动学模型，兼顾了轮端的故障扭矩、轮端的制动扭矩和轮端的综合扭矩，保证了仿真验证模型和仿真验证方法的准确性和可靠性，因此在系统集成测试阶段，只需选取若干组故障注入时间和对应的故障扭矩，进行实车故障注入测试，不用进行大量的实车故障注入测试，降低了测试成本，将仿真结果和实车测试结果进行对比，比较仿真结果和实车测试结果的趋势是否相一致以及误差是否在接收的范围内，校核和验证仿真模型的准确性。
34.其中，请参阅图2，上述步骤s2中计算得到本车、前方车辆/行人、后方车辆/行人的速度和里程的运动曲线具体包括：步骤s21、根据失效时车辆驱动状态，初始本车速度计算初始轮端的驱动扭矩，并根据输入的故障扭矩和故障注入时间计算轮端的故障扭矩；其中失效时车辆驱动状态包括
加速、匀速、滑行和制动。
35.步骤s22、根据输入的驾驶员制动响应时间、轮端紧急制动力和轮胎半径计算轮端的制动扭矩，其中轮端的制动扭矩=轮端紧急制动力*轮胎的半径；步骤s23、初始轮端的驱动扭矩、轮端的故障扭矩和轮端的制动扭矩计算轮端的综合扭矩；步骤s24、根据轮端的综合扭矩、故障注入时间、驾驶员制动响应时间、本车初始车速、前方车辆/行人初始速度、后方车辆/行人初始速度，计算得到本车、前方车辆/行人、后方车辆的车速和里程的运动曲线。
36.实施例二请参阅图3，一种汽车驱动功能的仿真验证系统，具体包括：车辆参数设置模块，用于提供车辆参数的输入界面；失效场景参数设置模块，用于提供失效场景参数和驱动功能失效模式的输入界面；安全监控机制设置模块，用于提供故障扭矩和故障注入时间的输入界面；驱动扭矩故障注入模块，用于根据失效场景参数计算初始轮端的驱动扭矩以及根据故障扭矩和故障注入时间计算轮端的故障扭矩；驾驶员刹车响应模块，用于根据车辆参数和失效场景参数计算轮端的制动扭矩；车辆轮端扭矩计算模块，用于根据初始轮端的驱动扭矩、轮端的故障扭矩和轮端的制动扭矩计算轮端的综合扭矩；车辆运动仿真模块，用于根据轮端的综合扭矩、失效场景参数和车辆参数计算本车、前方车辆/行人、后方车辆的车速和里程的运动曲线；安全确认分析模块，用于根据本车、前方车辆/行人、后方车辆的运动曲线，分析和判断是否满足安全目标验收指标。
37.所述车辆参数包括整车质量、风阻系数、迎风面积、轮胎半径、道路坡度、重力加速度、空气密度、滚动阻力系数、减速器输入轴转动惯量、减速器输出轴转动惯量、减速器传动速比、机械传动效率、电机转动惯量和旋转质量换算系数。
38.所述驱动功能失效模式包括非预期加速、非预期减速、非预期车辆移动和非预期扭矩换向，所述失效场景参数包括失效时车辆驱动状态、初始本车速度、初始后方车辆/行人速度、前方车辆/行人初始速度、初始前后车距/车人间距、驾驶员制动响应时间、车辆初始加速度和轮端紧急制动力。
39.实施例三本实施例基于实施例一中的一种汽车驱动功能的仿真验证方法，请参阅图4，以“非预期车辆移动”的失效模式为例说明该仿真验证方法。
40.车辆停止在红绿灯路口，等待行人通过，在t0时刻发生故障扭矩，车辆开始移动；在t1时刻，故障扭矩被安全监控系统处理清零，车辆继续滑行；在t2时刻，驾驶员意识到车辆移动并紧急踩下制动踏板，车辆开始制动减速；在t3时刻车辆被刹停；该场景下“非预期车辆移动”的安全目标为“不与前方行人发生碰撞”，由于车辆停止线与行人斑马线间隔为1米，所以定义的安全目标验收准则为“非预期车辆移动距离小于1米”。
41.根据驱动系统的力学模型和车辆运动学模型和失效模式
‑“
非预期车辆移动”搭建仿真验证模型；输入车辆参数、失效场景参数和不同的故障扭矩和fhti时间（即故障注入时间）并进行仿真。如下表1所示为输入不同的故障扭矩和故障注入时间导致的车辆位移仿真结果：表1
ꢀ“
非预期车辆移动”仿真结果序号故障扭矩/nm故障注入时间/ms车辆位移仿真结果/m15010000.63325015000.79531004000.61941006000.91851008001.1862002000.66372002500.84383001500.77293001700.886103002000.1055判断车辆运动是否满足安全目标验收指标。根据表1所示的仿真结果判断车辆位移是否满足“非预期车辆移动距离小于1米”的安全目标验收指标。由于电机峰值扭矩为300nm，故障扭矩可以在可驱动车辆移动的最小扭矩和电机峰值扭矩之间，即在6nm至300nm内选取，本实施例故障扭矩的选择间隔为50nm，工程师可以根据需要合理选择间隔扭矩值；考虑车辆位移不超过100cm，同时从保守设计的思路出发，从故障扭矩设置为300nm且车辆位移接近100cm的仿真数据中，选取最短的故障注入时间作为安全需求的fhti时间，即从2/4/7/9组数据中选择第9组，设计fhti时间为170ms；将作为安全需求的fhti时间导入安全监控系统，设置为监控阈值，即“当检测到驱动系统故障扭矩时，驱动系统应在170ms内将故障扭矩降为0nm”按照表1设置的故障扭矩和故障注入时间进行实车故障注入测试，测试实车车辆位移。实车测试结果和仿真结果对比如图5所示，仿真结果和实车测试结果的趋势相一致以及误差是在接收的范围内，验证了依据仿真平台的准确性和可靠性。
42.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对发明的限制。
43.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。
44.显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或者特性可以包含在本实施例
申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或是备选的实施例。本领域技术人员可以显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
45.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。