chrono车辆仿真_06_制动系统详解

制动系统详解一、制动系统的角色减速与驻车1.1 制动器的作用驾驶员踩刹车 (braking, 0~1) │ ▼ 制动器 (ChBrake) │ ├── 产生制动力矩 (抵抗车轮旋转) ├── 将动能转化为热能 (能量耗散) └── 可选完全锁死车轮 (驻车/抱死)制动器与整车的关系驾驶员的制动输入 (braking0.5) │ ▼ ┌─────────────────┐ │ ChWheeledVehicle│ │ .Synchronize()│ └────────┬────────┘ │ ┌───────┼───────────┐ │ │ │ ▼ ▼ ▼ ChAxle[0] ChAxle[1] ChAxle[2] │ │ │ ┌───┴───┐ ┌───┴───┐ ┌───┴───┐ │ L R │ │ L R │ │ L R │ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ 制动器 制动器 ... (每个车轮一个)二、ChBrake 基类2.1 类定义classCH_VEHICLE_APIChBrake:publicChPart{public:virtual~ChBrake(){}/// 初始化关联到指定的悬架子系统获得半轴 ChShaft 的句柄virtualvoidInitialize(std::shared_ptrChChassischassis,std::shared_ptrChSuspensionsuspension,VehicleSide side);/// 同步接收驾驶员制动输入 [0,1]/// braking 0 → 不制动/// braking 1 → 最大制动力矩virtualvoidSynchronize(doubletime,doublebraking)0;/// 推进状态virtualvoidAdvance(doublestep){}/// 启用/禁用锁止能力默认关闭voidEnableLocking(boolval){m_can_lockval;}/// 获取当前制动力矩virtualdoubleGetBrakeTorque()0;protected:ChBrake(conststd::stringname);boolm_can_lock;/// 是否可以锁定车轮};2.2 继承关系ChPart │ ChBrake (抽象基类) / \ ChBrakeSimple ChBrakeShafts (简单制动器) (物理传动轴制动器) │ │ BrakeSimple BrakeShafts (JSON 构建) (JSON 构建)2.3 初始化获取半轴句柄Initialize()的关键是获取悬架的半轴axle shaft句柄用于施加制动力矩ChBrake::Initialize(chassis, suspension, side) └── suspension-GetAxle(side) → 半轴 ChShaft 句柄 └── suspension-GetRevolute(side) → 轮毂转动副句柄 (ChBrakeSimple 需要) └── suspension-GetBrakeBody(side) → 制动钳安装体 (ChBrakeShafts 需要)制动器不自己创建半轴而是借用悬架中已有的半轴 ChShaft——因为半轴已经在悬架初始化时创建好了。2.4 质量惯性属性制动器的质量和惯性始终为 0它不增加物理质量只是施加力矩voidChBrake::InitializeInertiaProperties(){m_mass0;m_inertiaChMatrix33(0);m_comChFrame();m_xformChFrame();}三、ChBrakeSimple — 简化制动器3.1 设计原理使用ChLinkLockBrake约束实现速度相关的阻力矩配合轮毂转动副的锁定实现抱死。核心特点无 ChShaft 物理元素制动力矩与转速相关ODE 兼容无法模拟驻车抱死NSC 约束的固有限制通过锁死转动副实现驻车3.2 内部结构轮毂转动副 (ChLinkLockRevolute) ┌─────────────────────┐ │ spindle (转向节) │ │ ●━━━━━━━━━● │ │ │ │ │ │ │ 半轴 │ │ │ │ │ │ ▼ ▼ ▼ │ ChLinkLockBrake │ (施加阻力矩) │ │ │ └──────────────────────┘3.3 完整源码解析voidChBrakeSimple::Initialize(std::shared_ptrChChassischassis,std::shared_ptrChSuspensionsuspension,VehicleSide side){ChBrake::Initialize(chassis,suspension,side);// 获取轮毂转动副Suspension 初始化时已创建的 revolute jointm_hubsuspension-GetRevolute(side);// 复用转动副的两个刚体作为制动器的连接体std::shared_ptrChBodyFramembf1(m_hub-GetBody1(),[](ChBodyFrame*){});std::shared_ptrChBodyFramembf2(m_hub-GetBody2(),[](ChBodyFrame*){});automb1std::dynamic_pointer_castChBody(mbf1);automb2std::dynamic_pointer_castChBody(mbf2);// 创建制动约束与转动副共用同一位置m_brakechrono_types::make_sharedChLinkLockBrake();m_brake-Initialize(mb1,mb2,true,*m_hub-GetMarker1(),*m_hub-GetMarker2());m_hub-GetSystem()-AddLink(m_brake);}voidChBrakeSimple::Synchronize(doubletime,doublebraking){m_modulationbraking;// 设置制动力矩与制动输入成正比m_brake-SetBrakeTorque(braking*GetMaxBrakingTorque());// 如果制动输入 0.99 且允许锁定 → 锁死转动副if(!m_can_lock)return;if(braking0.99!m_locked){m_hub-Lock(true);// 锁死轮毂驻车制动m_lockedtrue;}elseif(braking0.99m_locked){m_hub-Lock(false);// 解锁m_lockedfalse;}}3.4 GetBrakeTorquevirtualdoubleGetBrakeTorque()override{returnm_modulation*GetMaxBrakingTorque();}3.5 派生类 BrakeSimpleJSON 构建只需要提供一个参数——最大制动力矩{Name:HMMWV Brake Front,Type:Brake,Template:BrakeSimple,Maximum Torque:4000}四、ChBrakeShafts — 传动轴制动器4.1 设计原理使用ChShaftsClutch离合器元素在制动轴和半轴之间产生摩擦力矩。制动轴固定到车架或制动钳安装体通过离合器调制传递力矩。核心特点完整的 ChShaft 物理建模制动轴具有转动惯量通过离合器传递力矩可模拟不同程度的制动反力矩通过 ChShaftBodyRotation 传递到车架/制动钳安装体4.2 内部结构ChShaftBodyRotation ┌─────────────────┐ │ 制动轴 (ChShaft) │ ←── 具有转动惯量 │ ● │ │ │ │ │ ChShaftsClutch │ ←── 调制量 braking (0~1) │ │ │ │ 半轴 (ChShaft) │ ←── 悬架中已有的半轴 └─────────────────┘ 制动轴通过 ChShaftBodyRotation 连接到 ① 车架 (默认) ② 悬架的制动钳安装体 (如果悬架提供 GetBrakeBody)4.3 完整 Initialize 源码voidChBrakeShafts::Initialize(std::shared_ptrChChassischassis,std::shared_ptrChSuspensionsuspension,VehicleSide side){ChBrake::Initialize(chassis,suspension,side);// ① 创建制动轴制动盘/鼓的转动惯量m_shaftchrono_types::make_sharedChShaft();m_shaft-SetName(m_name_shaft);m_shaft-SetInertia(GetShaftInertia());// 由派生类指定chassis-GetSystem()-AddShaft(m_shaft);// ② 将制动轴连接到车架/制动钳安装体传递反力矩autobodysuspension-GetBrakeBody(side);// 获取制动钳安装体if(!body)bodychassis-GetBody();// 默认连接到车架autoconnectionchrono_types::make_sharedChShaftBodyRotation();connection-Initialize(m_shaft,body,ChVector3d(0,-1,0));chassis-GetSystem()-Add(connection);// ③ 创建制动离合器连接制动轴 ↔ 半轴m_clutchchrono_types::make_sharedChShaftsClutch();m_clutch-SetTorqueLimit(GetMaxBrakingTorque());// 离合器最大传递扭矩m_clutch-Initialize(m_shaft,suspension-GetAxle(side));// 连接到半轴m_clutch-SetModulation(0);// 初始不制动chassis-GetSystem()-Add(m_clutch);}4.4 Synchronize 实现voidChBrakeShafts::Synchronize(doubletime,doublebraking){m_modulationbraking;m_clutch-SetModulation(braking);// 离合器调制量 braking (0→分离, 1→完全结合)// 结合程度越高传递的摩擦力矩越大半轴减速越快}4.5 力矩传递链驾驶员 braking 0.5 │ ▼ ChBrakeShafts::Synchronize └── m_clutch-SetModulation(0.5) │ ▼ ChShaftsClutch 约束求解 └── 传递力矩 modulation × TorqueLimit │ ▼ 半轴 ChShaft (suspension-GetAxle(side)) └── 受到制动力矩 → 减速 │ ▼ ChShaftBodyRotation (制动轴→车架) └── 反力矩传递到车架 → 整车俯仰/点头4.6 GetBrakeTorquevirtualdoubleGetBrakeTorque()override{returnm_modulation*GetMaxBrakingTorque();}4.7 派生类 BrakeShaftsJSON 构建需要两个参数——制动轴转动惯量和最大制动力矩{Name:HMMWV Brake Front,Type:Brake,Template:BrakeShafts,Shaft Inertia:0.4,Maximum Torque:4000}五、两种制动模型的对比维度ChBrakeSimpleChBrakeShafts底层机制ChLinkLockBrake 约束ChShaftsClutch 离合器物理对象无复用转动副刚体制动轴 ChShaft 离合器制动力矩制动约束的内力离合器摩擦力矩制动轴惯量无有GetShaftInertia反力矩传递通过转动副传递到车架通过 ChShaftBodyRotation 到车架/制动钳体车轮锁止锁死转动副Lock(true)无暂无实现ODE 兼容性速度相关力矩适合 ODE约束求解NSC/SCM 均可适用场景实时仿真、HIL高保真制动研究JSON 参数最大扭矩转动惯量 最大扭矩六、制动器在整车中的使用6.1 ChAxle 中的制动器每个车轴有两个制动器左右作为 ChAxle 的成员classChAxle{public:std::shared_ptrChBrakem_brake_left;std::shared_ptrChBrakem_brake_right;voidInitialize(){if(m_brake_leftm_brake_right){m_brake_left-Initialize(chassis,m_suspension,LEFT);m_brake_right-Initialize(chassis,m_suspension,RIGHT);}}voidSynchronize(doubletime,constDriverInputsdriver_inputs){if(m_brake_leftm_brake_right){m_brake_left-Synchronize(time,driver_inputs.m_braking);m_brake_right-Synchronize(time,driver_inputs.m_braking);}}};6.2 制动器是可选的每个车轮可以独立选择是否安装制动器也可以混用 Simple 和 Shafts// 前轴 BrakeShafts后轴 BrakeSimplem_axles[0]-m_brake_leftBrakeShafts(FrontLeft);m_axles[0]-m_brake_rightBrakeShafts(FrontRight);m_axles[1]-m_brake_leftBrakeSimple(RearLeft);m_axles[1]-m_brake_rightBrakeSimple(RearRight);七、API 总结7.1 ChBrake 基类 APIAPI说明EnableLocking(bool)启用车轮锁止能力GetBrakeTorque()获取当前制动力矩 (N·m)Initialize(chassis, suspension, side)初始化获取半轴句柄Synchronize(time, braking)根据制动输入 [0,1] 更新制动状态Advance(step)推进状态7.2 ChBrakeSimple 特有 APIAPI说明GetMaxBrakingTorque()获取最大制动力矩纯虚派生类实现GetBrakeSpeed()制动盘/钳的相对角速度7.3 ChBrakeShafts 特有 APIAPI说明GetShaftInertia()制动轴转动惯量纯虚GetMaxBrakingTorque()最大制动力矩纯虚7.4 BrakeSimple / BrakeShaftsJSON 构建JSON 字段BrakeSimpleBrakeShaftsMaximum Torque✅ 唯一参数✅Shaft Inertia❌✅八、设计哲学总结Chrono 制动系统的三条核心原则 1. 薄封装 制动器本身不引入额外的物理质量m_mass 0 只通过约束/离合器施加力矩属于力元素而非体元素。 2. 借鸡生蛋 制动器不自创半轴而是通过 Initialize 获取悬架中的半轴句柄 将制动力矩直接施加到已有的半轴 ChShaft 上。 3. 两种精度可选 Simple用制动约束实现速度相关阻力矩适合实时仿真 Shafts用离合器实现摩擦力矩适合高保真制动研究 两者可以自由混用前轴 Shafts 后轴 Simple。