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用于虚拟验证的驾驶模拟器
无需试验车的试验 驾驶
保时捷工程正在扩大其在驾驶模拟器领域的投入。目标是尽早获取对各种全新数字功能的主观反馈。与此同时，保时捷股份公司也在努力扩展其基础设施，并计划在魏斯阿赫设立一个虚拟验证中心。
车辆及其控制系统正变得越来越复杂，与此同时，可用的原型车辆数量也在持续减少。因此，开发人员越来越依赖于虚拟和混合测试，并利用先进的仿真方法，例如软件在环 (Software in the Loop)、模型在环 (Model in the Loop) 、硬件在环 (Hardware in the Loop) 等，以期尽早在开发过程中进行测试活动。这些模拟已经成为评估车辆组件、机械系统和驾驶功能的标准方法。然而，它们无法实现与人类的互动或主观评价。
这时，在驾驶模拟器中进行试验便会发挥作用——它们也将人的视角纳入其中。“通过将驾驶模拟器与硬件在环 (HiL) 系统相结合，并在驾驶模拟器上持续利用和扩展我们自主开发的仿真框架，我们能够在开发过程的早期阶段就获得对各种全新数字功能的主观反馈——远在首批原型车问世之前。”保时捷工程公司仿真部门主管蒂勒·卡罗琳·鲁普 (Tille Karoline Rupp) 解释道，“通过这种‘前置开发’，当这些功能之后首次应用于试验车时，它们已经更加成熟。”
此外，使用驾驶模拟器的试验是对实车测试的一种经济高效的补充。它们不仅可以在安全环境中完成高风险测试，还能够在虚拟测试道路上进行测试，这些道路可以根据具体需求精确调整，以模拟各种极端天气条件。更多优点：测试场景可以精确复现。例如，可以准确设定并重复模拟周围的交通状况，而这在现实中几乎无法实现。
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“得益于‘开发前置’，当这些功能在之 后首次应用于试验车时，它们已经更 加成熟。”
蒂勒·卡罗琳·鲁普
保时捷工程公司仿真主管
在一个当前项目中，开发人员使用驾驶模拟器来调整制动控制系统软件的参数，使其适配特定的车辆类型。
保时捷稳定管理系统 (PSM) 又称电子稳定程序系统 (ESP)，由两个主要部分组成：防抱死制动系统 (ABS) 和车辆控制器 (FZR)。ABS 系统在驾驶员减速时可以精确控制作用于各个车轮制动器的液压压力。如果车辆在弯道中面临失稳风险，系统就会对个别车轮进行制动，从而防止车辆打滑失控。“根据湿度、温度以及路面和制动片的状况，制动系统的表现会完全不同。”保时捷工程公司底盘测试部门负责人马丁·莱辛奈克 (Martin Reichenecker) 表示，“ESP 系统必须弥补这些差异——例如夏季轮胎和冬季轮胎之间的区别。”
ESP 控制单元的软件来自一级供应商，并且在交付时采用的是一套标准参数。开发人员需要在应用过程中，针对不同的车辆衍生型号对这些标准参数进行优化调整。挑战：在开发过程的早期阶段，还没有具备足够成熟组件的试验车可供使用。因此，保时捷工程计划更多地使用驾驶模拟器来进行 ESP功能的主观评估。“为此，我们采用了车辆和道路建模的全面集成，配合真实的控制单元及其相关软件，以及一个用户界面，该界面通过方向盘和踏板使驾驶员能够直接互动。”莱辛奈克说，“这样我们就能在尽可能真实的条件下实时进行驾驶测试。”
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“我们采用了全面的车辆和道路 建模集成，结合真实的控制单元 和用户界面，从而实现驾驶员与 系统的直接互动。”
马丁·莱辛奈克
保时捷工程公司底盘测试部门负责人
真实的驾驶体验
通过实时逼真的驾驶物理模拟，结合适当的虚拟测试道路，驾驶模拟器能够提供真实的驾驶体验。驾驶员能够感受到方向盘的力矩，并在模拟器上的虚拟驾驶测试中体验车辆是否会在制动时出现失控等情况。通过获得的数据，开发人员可以尽早开始为特定车辆优化 ESP 功能，从而显著缩短开发周期。鲁普、莱辛奈克和同事们已经对这种新方法进行了大约为期一年的研究。
对开发前置的期望已经得以实现，ESP 应用的首次试验驾驶计划于2024 年底或 2025 年初进行。开发人员已经建成了一个虚拟测试场地，在这个场地中，所有与 ESP 开发相关的道路段都可以在不同的摩擦系数或天气条件下进行测试。
虚拟体验
保时捷计划在其位于魏斯阿赫的新虚拟验证中心 (VVC) 大幅扩大驾驶模拟器的使用。在最后的扩建阶段，计划建造四到五个模拟器，每个模拟器都将满足汽车开发的特殊要求，例如在人体工程学、人机界面、驾驶舒适性和驾驶动力学方面。
保时捷工程在应用驾驶模拟器方面的优势源于其多个独特之处。例如，开发人员可以生成任何数字化的路段模型（详情见《Porsche Engineering杂志》2024年第1期），例如高温或结冰的道路、平原或山区的道路。借助从德国联邦经济与气候保护部资助的研究项目 AVEAS（对与安全相关的交通情况进行识别、分析、仿真，德语：Absicherungsrelevante Verkehrssituationen erheben, analysieren, simulieren）——保时捷工程与其他 20 个合作伙伴共同参与其中——所获得的知识，可以识别真实试验驾驶中的关键情况，并将其转化为仿真模型。
以这种方式生成的路段模型和交通场景还会进行变换，以创建更多测试案例用于虚拟验证。“我们提供完整的建模活动，因此能够提供量身定制的解决方案——包括整车模型的物理模拟和可视化，以及所有道路和场景。”鲁普表示，“这样一来，就可以在短时间内通过驾驶模拟器穿越整个欧洲，体验各种不同的气候带和地形特征。”
目前，保时捷工程在中国、意大利（纳尔德奥技术中心）、捷克和德国运营着四台静态实时驾驶模拟器和两台基于游戏的驾驶模拟器。所有站点在使用和进一步开发过程中进行合作，例如在道路建模、仿真框架的进一步开发、模型集成和硬件在环仿真 (HiL) 连接方面。其中一台基于游戏的驾驶模拟器用于为开发人员准备试驾（请见信息框）。
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“我们主要在测试研究中 使用驾驶模拟器，例如让 团队成员、测试人员或决 策者对新的驾驶功能进行 评估。”
英戈·克雷姆斯
保时捷 VVC 项目总负责人
保时捷股份公司也已使用驾驶模拟器多年。这些模拟器被广泛应用于车辆功能、HMI（人机界面）、人体工程学和驾驶舒适性等领域。“我们主要在测试研究中使用驾驶模拟器，例如让团队成员、测试人员或决策者对新的驾驶功能进行评估。”保时捷新建虚拟验证中心 (VVC) 总项目负责人英戈·克雷姆斯 (Ingo Krems) 解释道，“在虚拟整车测试的框架内，参与者可以对新车型的显示和操作元件、ADAS 功能、人体工程学设计以及驾驶舒适性进行验证、体验和评估。”试验者的反馈将直接用于新车型的进一步开发。
目前，保时捷股份公司在魏斯阿赫的量产车型开发中运营着一套配备运动平台和高端可视化系统的驾驶模拟器，以及多台小型静态模拟器（包括配备 VR 眼镜的设备），以实现车辆的虚拟体验。作为 VVC 项目的一部分，该基础设施目前正在扩建。克雷姆斯说：“我们将增设两个带运动平台的驾驶模拟器。其中第一个，即 VFP.NVH 实验室，将于今年年底投入使用。它的应用将聚焦于驾驶舒适性和声学性能。第二个将于 2026 年底随着 VVC 的启用同步投入使用。这台模拟器凭借其创新的运动系统，不仅能够更真实地再现动态驾驶状态，还能更出色地模拟城市驾驶场景。”
风险最小化：ADAS 驾驶培训
驾驶模拟器不仅是保时捷工程公司的开发工具：该公司的一台游戏化驾驶模拟器，用于 ADAS 开发人员的培训。他们不需要在纽博格林赛道上快速驾驶，也不必在湿滑的路面上保持车辆控制——相反，他们的关键任务是在试验过程中，遇到功能故障时能够迅速接管驾驶或在系统出现异常时及时禁用功能。此类带有新 ADAS驾驶功能的试验通常在公共道路上进行，因此，利用驾驶模拟器进行驾驶培训以降低风险，对于保时捷工程公司来说至关重要。
当现代与传统相遇
VVC 位于魏斯阿赫开发中心的核心地带，总面积达 2,100 平方米。所有用于量产车型开发的大型模拟器将集中安置在新址的一个建筑群内。在那里还将建造新的迷你模拟器，这些模拟器将作为预备站，帮助更高效地利用配备运动系统的大型模拟器中的试验时间。
该中心将建在一座现有建筑内。“我们决定不建造新楼，以便通过可持续建筑减少二氧化碳排放量，并有效利用开发中心的宝贵空间。”克雷姆斯说，“新技术将安装在开发中心最古老的建筑之一，这也秉承了我们的理念：‘当现代与传统相遇’。”
虚拟训练，真实掌握
除开发外，模拟器还用于驾驶培训。
保时捷工程和保时捷股份公司使用相同的驾驶模拟器框架进行开发。鲁普说：“这为两家公司的合作开辟了广阔的前景。”“例如，我们可以创建所需的模型设置，包括虚拟路段、周围交通、整车及其动态性能，并整合到我们的静态驾驶模拟器中，开展初步试验。基于这些结果，开发人员随后可以无缝切换到保时捷的动态驾驶模拟器上，以直观体验新功能的动态行为。此外，还可以在具备真实人体工程学设计的驾驶舱模型中进行更深入的试验，从而在更加接近真实的样车中获取见解。”莱辛奈克补充道：“通过我们的静态驾驶模拟器，我们可以高效快速地完成大部分应用开发，而借助 VVC中的动态驾驶模拟器，我们能够非常接近真实原型车的表现。”
未来，许多发展领域都将受益于驾驶模拟器。“对于我们来说，驾驶模拟器是继软件在环 (SiL) 和硬件在环 (HiL) 测试之后的一种开发辅助工具，属于对我们工具箱的补充，而不是现有方法的替代品。”鲁普总结说，“凭借我们在道路建模和车辆模拟方面的专业知识，以及对周边交通和现实互动的考虑，我们为客户提供了模块化解决方案，可根据具体应用进行最佳调整。
综述
通过驾驶模拟器，在开发初期就可以收集关于各种全新数字功能的主观反馈——远在首批原型车问世之前。保时捷工程公司正在大力扩展在这一领域的投入。同时，保时捷股份公司计划在魏斯阿赫设立一个“虚拟验证中心” (VVC)，以扩展其模拟器基础设施。
信息
本文首次发表于《保时捷工程杂志》2024年第2期。
图片：Christian Buck
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