［１］蔡忠法，章安元．汽车模拟驾驶模型与仿真的研究［Ｊ］，浙江大学 学报（工学版），２００５，５（３）：３２７—３３０． ［２］余志生．汽车理论（第三版）［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００４． ［３］曾辉，严新平，吴超仲等．基于动力学分析的驾驶模拟器运动仿 真算法［Ｊ］，武汉理工大学学报（交通科学与工程版），２００５，６（３）：
肘。为离合器上的扭矩，丝为发动机输出扭矩，
万方数据
．１ １．
２００７年第４期
农业装备与车辆工程
面的平面上运动，汽车行驶方向模型可看作汽车转 角与方向盘转角之间的函数关系，并假设汽车转向 时汽车行驶方向的改变无延迟地跟随方向盘转角的 控制。当方向盘转动８Ｗ角度时，经时间出后，汽车 行驶方向在初始方向基础上转过施角度，其中汽车 转弯半径Ｒ由方向盘转角＆决定，即Ｒ＝％／岛，其 中乇为汽车转弯半径与方向盘转角的系数。由此可 以推导出：
ｄＯ＝≯醣ｄｔ
１Ｗ
（１０）
２．４制动系模型 采用一阶函数来模拟脚刹车产生的制动力矩 吒，即：Ｅ＝矗６ｘｐ６ （１１）
４结果和改进
本文介绍了～个基于ＤｉｒｅｃｔＸ技术的汽车驾驶 模拟操纵控制模型，这一控制模型包括汽车运动学 数学模型、３Ｄ环境下的运动仿真模型以及根据驾车 实际情况制定的汽车转向和换挡操作策略。实验表 明。本系统较好地模拟了汽车驾驶操作及其在三维 场景的行驶。今后将在汽车的动力学建模、行驶碰撞 反应以及汽车３Ｄ实体模型等方面加以改进，使得 基于此模型的虚拟现实模拟驾驶系统具备更好的真 实感，使操作者能够更好地“沉浸”在汽车驾驶当中。
ｃｏｎｔｅｎｔ
ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ．Ｔｈｅ ｍａｉｎ
ｉｓ
ａ
ｒｅａｌ ｔｉｍｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ、ｔｅｒｒａｉｎ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ、ｔｈｅ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｏｆ ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ
ｌｏｇｉｃａｌ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｈｉｆｔ ｃｈａｎｇｅ ｆｏｒ ３Ｄ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ． Ｋｅｙ
丝啦¨＋掣（喁ｏ
２．２速度模型和传动系模型 过程中的动力学方程为：
发动机转速‘ＪＯ／ｒ・ｍｉｎ。
圈２发动机外特性及部分负荷特性转矩曲线
（４）
接受用户的输人，包括汽车模型的加速、制动、离合、 转向以及换挡操作等。
直线行驶是汽车行驶过程中最基本的运动方 式，在直线行驶过程中，汽车速度的变化与汽车的驱 动力Ｅ、滚动阻力Ｅ、坡度阻力ｔ、风阻力％有关， 根据汽车行驶过程中力的平衡关系。汽车直线行驶
２００７年第４期 （总第１８９期）
农业装备与车辆工程
ＡＧＲＩＣＵＬＴＵＲＡＬ ＥＱＵＩＰＭＥＮＴ＆ＶＥＨＩＣＬＥ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ
Ｎｏ，４
２００７
（Ｔｏｔａｌｌｙ １８９）
【设计与研究】
基于ＤｉｒｅｃｔＸ的汽车动力学模型研究木
荆旭１，王龙江２，柴山１，焦学键１，王树凤１，刚宪约１
（１．山东理工大学交通与车辆工程学院，山东淄博２５５０４９；２．山东理工大学机械工程学院，山东淄博２５５０４９） 摘要：介绍了一种基于ＤｉｒｅｃｔＸ技术的汽车模拟驾驶仿真操纵模型，对建模与仿真、ＤｉｒｅｃｔＸ及碰撞检测等技术在汽 车模拟驾驶操纵模型方面的应用进行了探索与尝试，并重点介绍了汽车在３Ｄ环境下的实时数字仿真模型、地形检 测算法、汽车转向控制策略以及换档过程的逻辑判断。 关键词：ＤｉｒｅｃｔＸ；破５－真；模拟驾驶；虚拟现实；汽车
２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｚｉｂｏ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｅｓｅｎｔｓ
ａｓ ａ
２５５０４９ Ｃｈｉｎａ）
ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｖｅｈｉｃｌｅ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ ｅｍｕｌａｔｅｄ ｄｒｉｖｉｎｇ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＤｉｒｅｃｔＸ．Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｓｕｃｈ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ、ＤｉｒｅｅｔＸ ａｎｄ ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｗｅｒｅ ｔｅｓｔｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｏｆ ｖｉｓｕａｌ ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ ｅｍｕｌａｔｅｄ ｄｒｉｖｉｎｇ
为发动机转速。Ｍ．０为发动机转矩。
（１）
式中：秽为汽车速度（ｍ／ｓ）；ｇ为重力加速度（９．８ｍ／ｓ‘）； ６为旋转质量转换系数；Ｇ为整车总重量（Ｎ）；Ｍ。 为驱动轮转矩（Ｎ．ｍ）；ｒ为车轮滚动半径（ｍ）；ｉ。为 主传动比；ｉ。为各挡传动比；卵，为汽车传动系效率； ／为滚动阻力系数；ｉ为爬坡度；Ｇ为风阻力系数；Ａ 为汽车迎风面积（ｍ’）；％＝３．５ｖ为汽车速度（ｋｉｎ／ｈ）。
哦（ｉ－－０，１，２，３）为转矩与转速关系拟合系数耽，
在计算出各阶拟合系数后．可求出发动机的全 负荷特性，其中发动机转速在稳定行驶过程中由下 式（ｍ／ｓ）。
（２）
汽车在制动过程中。脚刹制动器或手刹所产生 的制动力Ｅ是影响汽车速度的重要因素。综合上述 情况．汽车行驶动力学方程为：
万方数据
荆旭等：基于ＤｉｒｅｃｔＸ的汽车动力学模型研究
２００７年４月
产臁 襄燃Ｉ口ｌ匝亟蛔ｌ软件模拟
ｌ ＤｉｒｅｃｔＸ予程序ｌ
Ｗｉｎｄｏｗｓ Ｗｉｎ３２应用程序
，＿、
暑
杰
、一
ｉ
Ｉ．耋ｌ薹ｌ薹ｌ砉ｌ喾
４暑舞苗￡ＩＱ
言磊苗岩盘
警 鼎 辑
硬件抽象层
硬件：视频、音频、输入……
图１ ＤｉｒｅｃｔＸ组件构成及其与Ｗｉｎ３２的关系
为了得到在不同油门开度下的发动机输出转 矩．在实验中将汽车的油门开度分为Ｎ＋１个不同的 固定油门开度值Ｏｔ。Ｏｔ，Ｏｔ，…Ｏｔ、，当汽车未点火或熄火 时Ｏｔ。：０，发动机输出转矩哆。。＝０。图２所示某种型 号轿车所用发动机不同油门开度时的发动机外特性 及部分负荷特性中的转矩曲线，在某个固定油门开 度％下的转矩拟和多项式为： 丝何＝％＋ｑｊｎ。＋吻ｎ。２＋％ｎ。３
Ｗｏｒｄｓ：ＤｉｒｅｃｔＸ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｅｍｕｌａｔｅｄ
ｄｒｉｖｉｎｇ；ｖｉｒｔｕａｌ ｒｅａｌｉｔｙ；ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ
０引言
把虚拟现实技术应用于汽车驾驶模拟系统中， 实现汽车驾驶的虚拟训练，从而可以体验、认识和学 习现实世界中的汽车驾驶。基于虚拟现实技术的汽 车驾驶模拟系统将极大地提高系统的主动性、交互 性和沉浸感等性能．可以提供逼真的虚拟驾驶环境。 汽车驾驶模拟系统中要求仿真的内容很多，其 中汽车动力学操纵模型的建立是一项非常重要的内 容。要做好汽车动力学仿真。建立正确的汽车动力 学模型和采用正确的操纵策略是关键。本文基于虚 拟现实技术的汽车虚拟驾驶系统研究，基于汽车动 力学知识、ＤｉｒｅｃｔＸ技术以及汽车的真实驾驶环境， 建立三维场景下的汽车动力学仿真操纵模型。
参考文献
式中Ｐ。为脚刹踏板行程，ｋ。为制动力系数。制 动力的最大值为汽车根据当前地形环境产生的最大 制动力附着力。
３汽车数据模型和仿真模型
３．１汽车数据模型 汽车的数据模型就是将某种型号汽车的车辆整 体参数、发动机输出扭矩拟和参数以及汽车传动比 系数等数据制作为单独的数据文件，在仿真过程中 通过选择不同的汽车数据文件可以在虚拟驾驶中使 用不同的车辆进行仿真。 ３．２汽车速度仿真模型 在汽车速度仿真模型中，传统的方法是采用经 典欧拉法来仿真计算．首先假设汽车的加速度在一 个仿真时间步长孔内保持不变，可求得ｄｖ（ｋ）／ｄｔ， 即汽车行驶加速度ａ（ｋ）。则汽车行驶速度的离散化 模型为：ｖ（ｋ＋１）＝秒（尼）＋ｏ（忌）正 （１２） 为提高计算精度，本仿真模型采用四阶Ｒｕｎｇｅ— Ｋｕｔｔａ法．常用的四阶Ｒｕｎｇｅ—Ｋｕｔｔａ方法采用的积分 方程如下：
１
应用程序可以直接访问计算机的硬件。ＤｉｒｅｃｔＸ组件 构成及其与Ｗｉｎ３２的关系见图１所示。ＤｉｒｅｃｔＸ下 面有两个层丽，分别是硬件模拟层和硬件抽象层。通 过上述组件的协同工作，就可以开发出３Ｄ多媒体 仿真系统。 使用ＤｉｒｅｃｔＸ，软件开发者便可得益于与开发的 硬件无关性，还能直接访问操作硬件。其提供应用程 序与硬件间坚实可靠的接口操作，减少对硬件的设 置并能体现硬件优越性能。通过这些接口，软件开发 者在不需要了解硬件的详细资料的状况下也能充分 发挥硬件特性。 ＤｉｒｅｃｔＸ由多个组件构成，本系统主要用到下面 两个组件： ＤｉｒｅｃｔＸＧｒａｐｈｉｃｓ：提供三维图形开发接口，包括 ＤｉｒｅｃｔＤｒａｗ和Ｄｉｒｅｃｔ３Ｄ两个三维开发组件，另外还 包括一个Ｄ３ＤＸ库．其提供大量的接口方法，可大大 简化图形编程开发的难度。在本仿真模型中，汽车行 驶方向的变化计算和地形检测使用其中的两个接口 方法来实现： Ｄｉｒｅｃｔｌｎｐｕｔ：提供接受外部设备（鼠标、键盘、游 戏杆及力反馈设备等）输入的接１３： 本仿真系统利用ＤｉｒｅｃｔＸ Ｇｒａｐｈｉｃｓ组件控制汽 车模型在三维空间中的变换；利用ＤｉｒｅｃｔＩｎｐｕｔ组件
发动机部分负荷特性是指在某个油门开度Ｏｔ 下的发动机输出转矩Ｍｅ。设某时刻油门踏板未完全 踩下，油门开度为仪，假设仪坐落于（ｄＨｄ，］区间内， 由线性插值法可得发动机在此油门开度时的发动机 输出转矩： ￡。一为离合器最大有效行程，￡。为离合器当前有效 行程，Ｍ，为传递到驱动轮上的发动机的扭矩。 ２．３水平转向系模型 在主动型汽车驾驶模拟训练系统中。要确定汽 车的坐标位置，不仅需要求出汽车行驶的速度，还需 要求出汽车行驶的当前方向。假设汽车在平行于路
式中：ｊ＝ｌ，２，…，Ｎ。 （３）
百ｄｖ＝盘（ｆ一咒一哆一只一％）
（６）
汽车的传动系负责将发动机的扭矩传递到驱动 轮胎，中间要经过离合器、变速箱以及主减速器。在 模型中，假定离合器传递扭矩是线性传递的。离合器 传递的扭矩和传递到驱动轮的扭矩为： 鸭＝必（Ｌ。一一Ｌ。）儿。。。
Ｍ，ｅ＝Ｍ ｉｏｔ＇ｇｒＬ （７） （８）
采用四阶Ｒｕｎｇｅ—Ｋｕｔｔａ法的汽车速度的离散仿 真模型为： Ｋ。＝口（后）ｔ Ｋ２＝ａｌ（ｋ＋１）Ｉ