摘 要

汽车是一种常见的交通工具，平顺性是评价车辆行驶安全性和舒适度的重要指标，现存汽车平顺性优化方法中存在实时性和连续性差的问题。本文基于数字孪生技术对汽车的平顺性进行优化，其意义在于：通过物理小车在虚拟空间中的 “数字孪生体”，对汽车的行驶过程进行分析处理，实现对物理小车实时且连续的控制，使其获得最优平顺性。

本文搭建了由STC89C52RC芯片控制的硬件电路，功能包括数据采集、显示及传输，转速控制，报警及故障提示等；通过ADAMS软件搭建了虚拟小车模型，两者是一对“数字孪生体”。物理小车采集数据并发送至虚拟小车，虚拟小车接收后基于遗传算法进行仿真分析，得到与最优平顺性相关的参数值，然后发送回物理小车，实现对物理小车的控制，优化其平顺性。文章研究结果表明：通过小车 “数字孪生体”的数据交换和融合，可以使得小车的平顺性得到改善和提高。

关键词：数字孪生；小车；平顺性；ADAMS

Abstract

Automobile is a common means of transportation, and ride comfort is an important index to evaluate the driving safety and comfort of vehicles. There are problems of real-time and continuity in the existing vehicle ride optimization methods. Based on the digital twin technology, this paper optimizes the ride comfort of the car. Its significance is to analyze and process the driving process of the car through the "digital twin" of the physical car in the virtual space, realize the real-time and continuous control of the physical car, and make it obtain the best ride comfort.

In this paper, the hardware circuit controlled by stc89c52rc chip is built, whose functions include data acquisition, display and transmission, speed control, alarm and fault prompt, etc.; the virtual car model is built by ADAMS software, which is a pair of "digital twins". The physical car collects data and sends it to the virtual car. After receiving the data, the virtual car carries out simulation analysis based on genetic algorithm, obtains the parameter value related to the optimal ride, and then sends it back to the physical car to realize the control of the physical car and optimize its ride. The results show that the ride comfort of the car can be improved and improved by the data exchange and fusion of the "digital twin".

Key Words：Digital twin；Automobile；Ride comfort；ADAMS

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 汽车平顺性研究现状 2

1.2.2 数字孪生研究现状 3

1.3 本文的研究内容及安排 4

第2章 数字孪生车辆模型构建及关键技术研究 6

2.1 虚拟车辆模型设计与构建 6

2.2 物理小车状态感知方法研究 8

2.2.1 单轴计算 9

2.2.2 双轴计算 9

2.2.3 三轴计算 9

2.2.4 物理小车状态感知流程 10

2.3 虚实空间信息交互方法研究 11

2.4 本章小结 13

第3章 车辆平顺性优化控制方法研究 14

3.1 汽车平顺性的研究方法 14

3.1.1 随机路面的平顺性评价标准 14

3.1.2 脉冲路面的平顺性分析 15

3.2 基于遗传算法的小车平顺性优化控制方法 16

3.3 本章小结 18

第4章 虚实演进的车辆优化控制方法研究 19

4.1 物理小车设计与实现 19

4.1.1 物理小车整体设计 19

4.1.2 单片机最小系统设计 21

4.1.3 倾斜角度信息采集及侧翻报警电路模块 21

4.1.4 电机控制模块设计 25

4.1.5 LCD显示模块设计 26

4.2 基于数字孪生的平顺性优化控制机制 27

4.3 平顺性的仿真结果分析 28

4.3.1 物理小车端实验结果 28

4.3.2 虚拟小车端实验结果 29

4.4 本章小结 33

第5章 总结及展望 34

参考文献 35

致谢 37

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

随着人们生活水平不断提高，汽车已经成为了一种随处可见的交通工具，在日常出行、交通运输、休闲娱乐等方面都起着重要作用。汽车这一交通工具，在其行驶过程中，可以通过多个角度、多个维度、多种评价标准对其进行评价。在汽车发展初期，制造商和驾驶者更关注汽车的行驶速度，为此在汽车外观、发动机等方面做了许多设计。但随着人们生活质量的提高，人们对汽车行驶速度的关注度逐渐下降，反而越发关注汽车行驶的舒适度和安全性。汽车的平顺性就是汽车舒适度和安全性的一个重要的评价指标。

所谓平顺性，指的是汽车的行进过程中，在路面和车体自身的结构等多种因素影响下，汽车发生振动，这种振动不仅会影响汽车驾驶和乘坐人员的舒适感，也会对汽车的内部零件和结构造成一定的磨损，容易诱发安全事故，因此对汽车的平顺性进行研究具有重要的意义^[1]。目前，国内外对汽车平顺性的优化主要集中于悬架结构、轮胎、汽车底盘等无法实现实时控制的结构性因素，而忽视了车速这一可实现实时控制的使用性因素，这就造成汽车平顺性优化过程中的实时性和连续性差的问题。为解决上述问题，本文引入数字孪生技术，通过车辆的“数字孪生体”实现对汽车车速的控制，进而实现对汽车平顺性的优化过程。

数字孪生的这一概念，最早由美国密歇根大学的Grieves教授在其全生命周期管理课程上提出^[2] 。这一概念可以理解为：将物理产品模型化和虚拟化，并通过虚拟产品进行仿真和运算，优化物理产品，同时也会通过物理产品的参数不断对虚拟产品进行优化，实现虚实空间双向的优化过程。这些虚拟产品通常被称为数字孪生体。从物理空间和虚拟空间两个维度对产品的全寿命周期进行分析，可以分为以下几个阶段^[3]：