ESP是汽車主動安全領(lǐng)域技術(shù)的制高點(diǎn),該項(xiàng)技術(shù)被國外大公司所壟斷,,國內(nèi)尚處于研發(fā)階段,。在ESP研發(fā)過程中,,需要大量實(shí)車試驗(yàn)。該試驗(yàn)有兩大困難:一是試驗(yàn)具有相當(dāng)?shù)奈kU(xiǎn)性,,二是試驗(yàn)對場地要求很苛刻,。所以,開發(fā)硬件在環(huán)仿真平臺就成為一種迫切需求,。 該仿真平臺對加速ESP控制器的算法開發(fā)有重大作用,。本文采用了NI公司的PXI作為下位機(jī)來搭建系統(tǒng)。
項(xiàng)目背景
本方案通過深入調(diào)研,,主要考慮性能,、價(jià)格、易實(shí)現(xiàn)性等方面之后,,最終選擇了NI的PXI和cRIO方案來進(jìn)行系統(tǒng)搭建,。主要調(diào)研了XPC方式、PXI系統(tǒng),、dSpace系統(tǒng),。XPC方式費(fèi)用較低,但是使用不夠方便,,dSpace系統(tǒng)價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于PXI系統(tǒng),,然而兩者性能差別不是很大。
系統(tǒng)構(gòu)架
ESP硬件在環(huán)仿真平臺從硬件上看由上位機(jī),、下位機(jī),、控制器、執(zhí)行器,、傳感器等五部分組成,。
上位機(jī)用于監(jiān)控仿真過程,分析和保存仿真結(jié)果,。下位機(jī)運(yùn)行車輛模型,,目前采用的是15自由度整車模型,能很好地模擬整車在制動,、驅(qū)動,、高速轉(zhuǎn)向以及聯(lián)合工況下的響應(yīng)??刂破鬟\(yùn)行控制算法,,對車輛運(yùn)動進(jìn)行相關(guān)控制。執(zhí)行器為液壓控制單元,、制動管路以及制動器,。傳感器為壓力傳感器,獲取各個輪缸以及主缸的壓力值,并將壓力信號傳給控制器和下位機(jī),,從而形成一個閉環(huán)系統(tǒng),。仿真平臺結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 仿真平臺結(jié)構(gòu)圖
仿真平臺結(jié)構(gòu)圖
圖1中,,上位機(jī),、下位機(jī)和控制器三者通過網(wǎng)線連接,上位機(jī)對仿真過程的監(jiān)控通過共享變量來實(shí)現(xiàn),。
系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
用PXI運(yùn)行整車模型,,模擬車輛的運(yùn)動響應(yīng),提供給控制器相關(guān)的信號,。實(shí)車試驗(yàn)時(shí),,控制器所獲取的信號有制動信號,、主缸壓力信號,、四個輪速信號、方向盤轉(zhuǎn)角信號以及橫向加速度信號和橫擺角速度信號,。另外,,控制器還需要通過CAN和發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行通信,從而控制發(fā)動機(jī)的輸出扭矩,。PXI要能完成上述功能,,并且需要采集壓力傳感器信號,從而計(jì)算車輛運(yùn)動狀態(tài),。
PXI通過M系列數(shù)據(jù)采集卡PXI-6229的模擬量輸入功能來采集主缸和各個輪缸的壓力信號,,用PXI-6229的數(shù)字量輸入功能采集制動信號。采用PXI-6722的模擬量輸出功能輸出電壓來表示方向盤轉(zhuǎn)角,、橫向加速度,、橫擺角速度。同時(shí)PXI-6722輸出4個模擬電壓,,通過壓頻轉(zhuǎn)換模塊將電壓轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的頻率信號來模擬四個輪速信號,。另外,實(shí)車上的CAN通信通過PXI-8461和NI9853來實(shí)現(xiàn),。
控制器方面,,用cRIO做快速原型時(shí),通過NI-9205來采集模擬電壓,,得到各個傳感器的值,。通過NI-9403的輸入功能來獲取制動信號和輪速信號,通過NI-9403的數(shù)字量輸出功能來控制電機(jī)和電磁閥的動作,。
在執(zhí)行器方面,,液壓控制單元采用Bosch(博世)的ESP 8.0的液壓控制單元。制動系統(tǒng)采用金杯客車的制動管路和制動器。仿真平臺搭建在金杯客車上,,我們對金杯客車的制動管路進(jìn)行了改造,,安裝了壓力傳感器和HCU(整車控制器)。
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
軟件上,,通過共享變量來控制仿真試驗(yàn)的開始和結(jié)束,,用全局變量記錄下位機(jī)中的數(shù)據(jù),然后通過網(wǎng)絡(luò)上傳到上位機(jī),。這三部分程序都采用狀態(tài)機(jī)方式,,方便軟件進(jìn)行升級和維護(hù)??偟能浖Y(jié)構(gòu)如圖2所示,。
圖2 系統(tǒng)軟件框圖
上位機(jī)監(jiān)控軟件
上位機(jī)監(jiān)控軟件主要分為兩個部分:仿真過程監(jiān)控和查看仿真數(shù)據(jù)。仿真過程監(jiān)控包括參數(shù)調(diào)用,、仿真控制,、參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控、仿真過程中駕駛員輸入等功能,,并且可以對仿真模式,、換檔策略、仿真時(shí)間等進(jìn)行配置,,方便靈活地實(shí)現(xiàn)各種情況的仿真,。
查看仿真數(shù)據(jù)部分,可以觀察對比仿真數(shù)據(jù),,仿真過程中車輛運(yùn)動回放,、數(shù)據(jù)保存和調(diào)用情況。仿真過程控制界面如圖3所示,。
圖3 仿真界面
其中,,圖3(b)中可以觀察仿真過程中70個參數(shù)的變化曲線??梢员4婧驼{(diào)用仿真數(shù)據(jù),,可以通過點(diǎn)擊右下方的“仿真回放”按鍵,圖像化顯示車輛運(yùn)行軌跡,。 圖3(c)中,,可以將記錄下的轉(zhuǎn)向角信息在仿真過程中按照實(shí)際的時(shí)間間隔輸入給系統(tǒng),仿真可以得到車輛的響應(yīng)情況,。
下位機(jī)仿真軟件
下位機(jī)運(yùn)行整車模型,,采用了15自由度整車模型。這15個自由度分別為:車輛縱向,、橫向,、垂向的平動和轉(zhuǎn)動這6個自由度,,四個車輪的轉(zhuǎn)動和垂向平動8個自由度,轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的1個自由度,。
在仿真過程中,,下位機(jī)以1ms為周期通過數(shù)據(jù)采集卡采集主缸和4個輪缸的壓力信號,從而計(jì)算車輛受力,,得到車輛運(yùn)動狀態(tài),。并將狀態(tài)參數(shù)通過數(shù)據(jù)采集卡輸出給控制器。同時(shí)下位機(jī)將車輛運(yùn)動狀態(tài)參數(shù)以10ms為周期將數(shù)據(jù)保存在下位機(jī)內(nèi)存中,,仿真結(jié)束后上傳到上位機(jī),。并且下位機(jī)以10ms為周期不斷檢測上位機(jī)所發(fā)出的控制信號,比如轉(zhuǎn)向信號,、換檔信號,、油門信號等。這種并行結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn),,使得復(fù)雜的功能得以方便地實(shí)現(xiàn),。
控制器軟件
控制器上運(yùn)行的為ESP控制算法??刂破魍ㄟ^接收各種傳感器的信號,,判斷車輛狀態(tài)是否為危險(xiǎn)工況,,如果檢測到危險(xiǎn),,就會輸出控制指令給執(zhí)行器,通過電機(jī)和電磁閥的動作來對制動系統(tǒng)進(jìn)行主動干預(yù),,同時(shí)通過CAN通信發(fā)指令給發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng),,控制車輛驅(qū)動,從而化解危機(jī),??紤]試驗(yàn)臺的兼容性,控制器部分可以采用NI cRIO作為控制器,,并采用第一代ESP控制器(主控芯片為C167),,也可以采用第二代ESP控制器(主控芯片為XC164)。
仿真結(jié)果
將仿真結(jié)果與實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果相對比,,兩者吻合程度很好,,說明該硬件在環(huán)仿真平臺能有效地對車輛運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行仿真。該仿真平臺的搭建可以加速ESP控制算法的開發(fā),。
圖4為在某種參數(shù)下測試ABS功能的一組輪速數(shù)據(jù),,和實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果很類似,說明仿真平臺精度很高,。
圖4 某種參數(shù)下測試AVS功能的一組輪速數(shù)據(jù)
結(jié)論
本文基于PXI和cRIO搭建了ESP硬件在環(huán)仿真平臺,。平臺可以將控制器放在仿真回路中,方便對控制器中的算法進(jìn)行測試。仿真試驗(yàn)臺的搭建提高了ESP控制算法的開發(fā)速度,。