汽车功率需求仿真

模型初步搭建与仿真验证

每个驾驶员有自己的驾驶习惯，不同的驾驶习惯对应不同的驾驶模式，不同的驾驶模式对应不同的功率需求。因此，我们需要对不同的驾驶模式进行仿真。

于是我们使用了MATLAB/Simulink进行仿真，很简单粗暴，其公式依据是：$$P_{trac}=\frac{[ma+mgsin\theta+(C_{r1}+C_{r2}v)mgcos\theta+\frac{1}{2}\rho aC_dv^2]v}{\eta_{trans}\eta_{motor}\eta_{invert}}$$

Variants	Value	meaning
$m$	?	车的质量
$\theta$	?	$\arctan(grade)$ 道路倾角
$C_{r1}$	0.0065	滚动阻力系数1
$C_{r2}$	$4.92\times10^{-5}$	滚动阻力系数2
$v$	?	车的速度
$\rho$	$1.29kg/m^3$	空气密度
$A$	$6.5m^2$	车的正前方面积
$C_{d}$	0.8	气动阻力系数
$\eta_{trans}$	暂不考虑	传输效率
$\eta_{motor}$	暂不考虑	发动机效率
$\eta_{invert}$	暂不考虑	反相器效率

可能有些参数设定的不是很准确（比如 $A$ ）,再说吧。
模型需要参数输入，我个人采用了一种绕弯的思路：python生成h5数据文件，再用matlab转换成mat读取到simulink中（具体为什么，我也不知道我为啥这么干QAQ）

python生成h5数据文件

import scipy.io as scio # 可能用不到
import h5py
import numpy as np
import json # 可能也用不到
simin_v = list(np.zeros(5)) + list(range(0,20)) + list(20 * np.ones(20)) + list(np.arange(20, 0, -0.5)) + list(np.zeros(5)) # 速度
simin_mass = list(2000 * np.ones(len(simin_v))) # 质量，由于simulink需要时间戳进行仿真，必须要一串相同的数，考虑相对论效应的另当别论（bushi）
simin_theta = list(np.zeros(len(simin_v))) # 路面倾角

h5file = h5py.File("./dataset/data_v.h5", 'w')
h5file.create_dataset('simin_v', data=simin_v)

h5file = h5py.File("./dataset/data_mass.h5", 'w')
h5file.create_dataset('simin_mass', data=simin_mass)

h5file = h5py.File("./dataset/data_theta.h5", 'w')
h5file.create_dataset('simin_theta', data=simin_theta)

h5file.close

matlab读取h5数据文件

fileInfo_v = h5info('./dataset/data_v.h5');
fileInfo_mass = h5info('./dataset/data_mass.h5');
fileInfo_theta = h5info('./dataset/data_theta.h5');

h5disp('./dataset/data_v.h5');
h5disp('./dataset/data_mass.h5');
h5disp('./dataset/data_theta.h5');

v = h5read("./dataset/data_v.h5",'/simin_v');
mass = h5read("./dataset/data_mass.h5",'/simin_mass');
theta = h5read("./dataset/data_theta.h5",'/simin_theta');
% 转换成时间表，不然simulink会报错
v_time_table = array2timetable(v,'TimeStep',seconds(1));
mass_time_table = array2timetable(mass,'TimeStep',seconds(1));
theta_time_table = array2timetable(theta,'TimeStep',seconds(1));

save('data_v.mat','v_time_table',"-v7.3");
save('data_mass.mat','mass_time_table',"-v7.3");
save('data_theta.mat','theta_time_table',"-v7.3");
% 这里是队友写的路面仿真用于导入路面倾角的
% load_system('Road_module');
% road = sim('Road_module');

% 运行模型
load_system('force_model');
out = sim('force_model');
% 画出功率曲线
plot(out.P_trac);

准备好所用的数据之后，就可以开始扔进simulink中进行仿真了。仿真模型如下：
fig01
fig02
fig03

仿真结果：（以python中的数据为例）
fig04

有负值的功率很正常，这涉及到制动过程中的反向充电等机电专业的知识（承认自己也不是很懂这一块）。

用户API的搭建实现个性化输入数据

如前所示，不同的人驾驶习惯不同，主要体现在加速度和速度的变化、车的质量喜好等等，所以我们需要一个用户API，让用户可以自定义输入数据，这样才能更好的模拟真实的驾驶情况。

由于本人之前从没接触过前端开发，队（WANG）友（LAO）曾经用过C++写过串口调试助手，于是也试一试基于C++开发上位机。所用IDE为Visual Studio 2022, 环境搭建参见Microsoft官方文档：https://learn.microsoft.com/zh-cn/cpp/windows/desktop-applications-visual-cpp?view=msvc-170.跑了遍例程，发现报错：

严重性	代码	说明	项目	文件	行	禁止显示状态
错误	LNK2019	无法解析的外部符号 main，函数 “int __cdecl invoke_main(void)” (?invoke_main@@YAHXZ) 中引用了该符号	DesktopApp	D:\PERSONAL FILES\VS2022 WorkSpace\DesktopApp\DesktopApp\DesktopApp\MSVCRTD.lib(exe_main.obj)	1
错误	LNK1120	1 个无法解析的外部命令	DesktopApp	D:\PERSONAL FILES\VS2022 WorkSpace\DesktopApp\DesktopApp\x64\Debug\DataCustomize.exe	1

经过一番搜索，发现是因为项目配置不对。参考下面的博客https://blog.csdn.net/csshuaige/article/details/120313469修改配置后无错运行，证明环境搭建成功。

跑完了，这个界面是真的丑……

果断放弃，转战Qt！
Qt的安装参见官方文档：https://doc.qt.io/qt-5/windows.html#installing-qt-creator，这里不再赘述。

Qt Creator初体验

打开Qt Creator，创建一个新工程。

fig04
fig04
fig04
fig04
fig04
fig04
fig04
fig04

至此，一个简单的Qt工程就创建好了。

该工程的目录结构如下：
fig04

其中供用户操作的文件包括一个头文件，两个cpp，和一个ui文件。头文件中包含了用户API的声明，cpp文件中包含了用户API的实现，ui文件中包含了用户界面的设计。

源代码

// widget.h
#ifndef WIDGET_H
#define WIDGET_H

#include <QWidget>
#include <QTextEdit>
#include <QFile>
#include <QDataStream>
#include <QMessageBox>

QT_BEGIN_NAMESPACE
namespace Ui { class Widget; }
QT_END_NAMESPACE

class Widget : public QWidget

{
    Q_OBJECT

public:
    Widget(QWidget *parent = nullptr);
    ~Widget();

private slots:
    void on_pushButton_clicked();

private:
    QTextEdit *textEdit;
    Ui::Widget *ui;
};

#endif // WIDGET_H

//main.cpp
#include "widget.h"

#include <QApplication>
#include <QLocale>
#include <QTranslator>

int main(int argc, char *argv[])
{
    QApplication a(argc, argv);

    QTranslator translator;
    const QStringList uiLanguages = QLocale::system().uiLanguages();
    for (const QString &locale : uiLanguages) {
        const QString baseName = "test01_" + QLocale(locale).name();
        if (translator.load(":/i18n/" + baseName)) {
            a.installTranslator(&translator);
            break;
        }
    }
    Widget w;
    w.show();
    return a.exec();
}

//widget.cpp
#include "widget.h"
#include "./ui_widget.h"


Widget::Widget(QWidget *parent)
    : QWidget(parent)
    , ui(new Ui::Widget)
{
    ui->setupUi(this);

}

Widget::~Widget()
{
    delete ui;
}

void Widget::on_pushButton_clicked()
{
    QTextEdit *textEdit;
    QString text_simulation_time = ui->textEdit->toPlainText();
    QString text_car_mass = ui->textEdit_2->toPlainText();
    QString text_velocity = ui->textEdit_3->toPlainText();
    QString text_angle = ui->textEdit_4->toPlainText();
    QFile file("D:/PERSONAL FILES/Qt_workspace/test01/testfile.txt");


    if (!file.open(QFile::WriteOnly | QFile::Text))     //检测文件是否打开
    {
        QMessageBox::information(this, "Error Message", "Please Select a Text File!");
        return;
    }
    QTextStream out(&file);
    out << text_simulation_time;
    out << "\n";
    out << text_car_mass;
    out << "\n";
    out << text_velocity;
    out << "\n";
    out << text_angle;
}

ui文件负责设计界面样式，与源代码交互是通过“槽”来实现。比如，如果想在按钮点击的时候触发某些事件，需要在’.ui’文件中右击按钮，点击“转到槽”，然后在弹出的窗口中选择“on_pushButton_clicked”这个槽，这样就将按钮和槽连接起来了。在源代码中，只需要在槽函数中实现相应的功能即可。

下面是我用来实现点击按钮保存的槽函数代码部分：

void Widget::on_pushButton_clicked()
{
    QTextEdit *textEdit;
    QString text_simulation_time = ui->textEdit->toPlainText();
    QString text_car_mass = ui->textEdit_2->toPlainText();
    QString text_velocity = ui->textEdit_3->toPlainText();
    QString text_angle = ui->textEdit_4->toPlainText();
    QFile file("D:/PERSONAL FILES/Qt_workspace/test01/testfile.txt");


    if (!file.open(QFile::WriteOnly | QFile::Text))     //检测文件是否打开
    {
        QMessageBox::information(this, "Error Message", "Please Select a Text File!");
        return;
    }
    QTextStream out(&file);
    out << text_simulation_time;
    out << "\n";
    out << text_car_mass;
    out << "\n";
    out << text_velocity;
    out << "\n";
    out << text_angle;
}

下面是初步设计的UI界面
fig04

实现效果：
fig04

至此，初步完成了数据输入保存的操作。

数据有了，接下来的一部就是与之前的python文件结合了。以下为修改之后的用于读取生成数据的txt文件的python脚本代码：

import scipy.io as scio
import h5py
import numpy as np
import json
import os # 用于文件读写操作

file_path = 'D:/PERSONAL FILES/Qt_workspace/test01/testfile.txt'
with open(file_path, encoding='utf-8') as file_obj: # open函数返回一个表示文件的对象，python会将这个对象存储在我们的变量file_obj中
    lines = file_obj.readlines()

for line in lines:
    print(line.rstrip())


simin_time = int(lines[0])

list_simin_v = lines[2].strip().split(',')
list_simin_v_0 = list(map(lambda x: int(x), list_simin_v))

list_simin_mass = list(int(lines[1]) * np.ones(simin_time))

list_simin_theta = [int(lines[3])]
list_simin_theta_0 = list(map(lambda x: int(x), list_simin_theta))

print(" simin_time:%s;\n car mass:%s;\n car velocity:%s;\n road angle:%s\n" % (simin_time, int(lines[1]), list_simin_v_0, int(lines[3])))
print(list_simin_v_0)
print(list_simin_mass)
print(list_simin_theta_0)
h5file = h5py.File("./dataset/data_v.h5", 'w')
h5file.create_dataset('simin_v', data=list_simin_v_0)

h5file = h5py.File("./dataset/data_mass.h5", 'w')
h5file.create_dataset('simin_mass', data=list_simin_mass)

h5file = h5py.File("./dataset/data_theta.h5", 'w')
h5file.create_dataset('simin_theta', data=list_simin_theta_0)

h5file.close