基于Physx的汽车动力学建模与仿真开题报告

全文总字数：2531字

1. 研究目的与意义

汽车虚拟驾驶模拟器在汽车产品开发、人机工程研究、驾驶员培训方面有着广泛的应用，而汽车动力学建模与仿真又是汽车虚拟驾驶模拟器的重要组成部分。然而目前普遍的建模仿真技术不能代替运行试验去评价车辆的性能抑或代替实车驾驶培训，一个重要的原因就是研究及培训人员无法获得身临其境沉浸的现场感。随着计算机图形、图像、三维建模、计算等相关技术的发展，出现了可以模拟现实物理环境的物理引擎。物理效果是动力学建模与仿真中极为重要的一个方面，它涉及汽车模型的运动、互动以及对周围环境作出反应的方式。在物理引擎诞生之前，许多动作及行为还仅限于预先定义好的动画，并且由特定事件触发。而物理引擎运用其非常强大的整数和浮点计算能力以及高度并行的物理处理能力，可以实时计算当前时刻汽车模型的位移以及状态，可以更好仿真汽车真实情况下的运行情况。PhysX就是一款开放的应用广泛的功能强大的物理引擎，利用PhysX物理引擎可以令虚拟世界中的物体运动符合真实世界的物理定律以使仿真场景更加富有真实感。

本论文以PhysX物理引擎为基础，通过模块化方式建构更加精细的整车动力学模型，综合国内外主流汽车动力学建模方案仿真，包含汽车各动力元件运动状态仿真算法，在虚拟汽车行驶时，实时计算汽车的运动数据并通过PhysX物理引擎实现三维模型的运动。汽车操作控制脚本将驾驶员从驾驶席硬件设备输入的驾驶命令传达给动力学仿真模型并控制汽车三维模型。汽车基本性能参数控制系统实现了汽车动力学仿真模型的参数化控制，通过选项面板改变力学仿真的模型特性，实现对不同汽车的模拟。

2. 国内外研究现状分析

在国外，结合物理引擎的汽车动力学建模与仿真在驾驶模拟器以及驾驶游戏方面都获得了长足的发展。20世纪80年代以来，随着计算机技术的日益成熟，驾驶模拟器向着复杂化、精密化的科研型驾驶模拟器方向发展，因此为了得到更好的驾驶真实感与沉浸感，同时得到精确的计算能力，许多驾驶模拟器都借助了物理引擎来实现。美国IOWA大学计算机辅助设计中心开发了IOWA驾驶模拟器，该模拟器主要用来分析驾驶员的操作行为、测试车辆的安全系统及研究道路的规划问题等。该模拟器装有一个多自由度动感平台，平台占地面积大，由六个液压缸驱动，能提供六自由度的动态路感,因而可以很好的模拟六自由度的汽车动力学模型。 2008年，美国福特公司基于 Quantum3D提供的图像生成技术以及其内置物理引擎研制了 VIRTTEX驾驶模拟器，模拟器运用三维虚拟现实技术模拟驾驶环境，包括公路、山川、建筑以及交通标志等；三维场景图像通过投影仪显示在环屏上，提供具有高沉浸感的视觉体验；模拟器通过内置摄像头和传感器记录驾驶者的生理反应，为汽车的安全性能研究提供数据。之后，福特公司多次对模拟器进行升级改造，一直沿用至今。 20世纪末随着计算机技术的发展，汽车驾驶模拟游戏得到了突破性的发展。EA公司联合专业汽车杂志RoadTrack的赛车游戏《Need For Speed》（极品飞车）因为RoadTrack杂志专业的赛车数据同时配合PhysX物理引擎强大的物理模拟仿真能力，在赛车游戏领域占据了重要的一席。 装甲兵工程学院开发的MUL-QJM汽车驾驶模拟器采用了实时车辆动力学、运动学仿真模型，不仅可以完成汽车驾驶培训，还可以进行车辆安全性、人机工程等方面的研究。我国吉林大学汽车模拟重点实验室在20世纪90年代初期建成了目前亚洲最大的驾驶模拟器（科研型ADSL），应用此模拟器吉林大学汽车模拟重点实验室对汽车设计建立了多自由度汽车动力学模型，随着技术更迭，此模型不断优化、改善，辅以定制的物理引擎，仿真模拟能力得到了更强的提升。此模型被国内外广泛使用，代表了我国驾驶模拟器发展的最高水平。大连海事大学运用Vega引擎建立了车辆动力学系统动态模型以及功能模型，运用Visual C 6.0，以虚拟现实技术实现了对整车的建模与仿真。中南大学拟使用Matlab7.1中的Simulink和VR工具箱仿真Skoda(斯柯达汽车)的动力学模型。运用Matlab结合Simulink建立动态系统,并接入车辆动力学虚拟世界进行仿真、分析虚拟现实场景是否可以准确、逼真地模拟真实车辆运行时的动力学特性。华南理工大学基于面向对象建模技术对汽车动力学系统进行了抽象和简化，运用对象模型和逻辑架构图结合汽车动力学理论以及数学建模技术建立全工况的整车动力学模型，最后利用Unity3D绑定汽车动力模型及其动力参数并运用其内置PhysX物理引擎，在电脑上实现了对汽车真实动力学模型的仿真。重庆大学运用Unity 3D 与 Lab VIEW 分别作为视景仿真和汽车动力学仿真工具对ISG型混合动力汽车进行了精确的动力学建模与仿真获得了较高精度的汽车动力学模型，能对汽车经济性及动力性进行一定程度的仿真 随着虚拟现实技术的快速发展。国内一些专业的虚拟现实技术研发公司也开发了自己的驾驶模拟系统中视典数字科技有限公司所开发的汽车驾驶模拟器的汽车动力学仿真系统采用了VRP-PHYSICS 物理系统，可以逼真的模拟刚体物体的运动特性，如运动物体的质量、速度、加速度、惯量、冲量等各种现实的物理动力学属性。

3. 研究的基本内容与计划

研究内容：1.学习物理引擎的基本原理，了解其如何动力学建模。2.学习Visual Studio软件的使用和原理。3.学习Unity3D建模软件，建立车辆，发动机等零部件3D模型和动画。4.在Unity3D基础上实现一个基于PhysiX物理引擎的汽车动力学模型研究计划：1-2周：查阅资料，初步了解设计内容及相关研究现状，完成开题；3-4周：学习了解PhysX物理引擎知识，了解动力学建模与仿真原理；5-10周：研究开源Unity3D游戏引擎的使用方法和二次开发方法；11-13周：建立汽车以及汽车发动机模型导入物理引擎及汽车动力学方程，在Unity3D开发环境中进行仿真；14-16周：整理分析研究的资料，撰写论文，准备答辩。

4. 研究创新点

利用PhysX物理引擎，模块化建模方法和思想上进行汽车动力学建模，可有效降低建模门槛并提升建模效率。