解析PXI和cRIO電子穩(wěn)定程序硬件環(huán)仿真平臺(tái)開發(fā)

ESP是汽車主動(dòng)安全領(lǐng)域技術(shù)的制高點(diǎn)，該項(xiàng)技術(shù)被國(guó)外大公司所壟斷，國(guó)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(duì)場(chǎng)地要求很苛刻。所以，開發(fā)硬件在環(huán)仿真平臺(tái)就成為一種迫切需求。 該仿真平臺(tái)對(duì)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(tái)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(dòng)、驅(qū)動(dòng)、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(duì)車輛運(yùn)動(dòng)進(jìn)行相關(guān)控制。執(zhí)行器為液壓控制單元、制動(dòng)管路以及制動(dòng)器。傳感器為壓力傳感器，獲取各個(gè)輪缸以及主缸的壓力值，并將壓力信號(hào)傳給控制器和下位機(jī)，從而形成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)。仿真平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 仿真平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

仿真平臺(tái)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(duì)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(dòng)響應(yīng)，提供給控制器相關(guān)的信號(hào)。實(shí)車試驗(yàn)時(shí)，控制器所獲取的信號(hào)有制動(dòng)信號(hào)、主缸壓力信號(hào)、四個(gè)輪速信號(hào)、方向盤轉(zhuǎn)角信號(hào)以及橫向加速度信號(hào)和橫擺角速度信號(hào)。另外，控制器還需要通過CAN和發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行通信，從而控制發(fā)動(dòng)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(hào)，從而計(jì)算車輛運(yùn)動(dòng)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(gè)輪缸的壓力信號(hào)，用PXI-6229的數(shù)字量輸入功能采集制動(dòng)信號(hào)。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(gè)模擬電壓，通過壓頻轉(zhuǎn)換模塊將電壓轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的頻率信號(hào)來模擬四個(gè)輪速信號(hào)。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(gè)傳感器的值。通過NI-9403的輸入功能來獲取制動(dòng)信號(hào)和輪速信號(hào)，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(dòng)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(dòng)系統(tǒng)采用金杯客車的制動(dòng)管路和制動(dòng)器。仿真平臺(tái)搭建在金杯客車上，我們對(duì)金杯客車的制動(dòng)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(jí)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(gè)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(duì)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(duì)比仿真數(shù)據(jù)，仿真過程中車輛運(yùn)動(dòng)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(gè)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(gè)自由度分別為：車輛縱向、橫向、垂向的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)這6個(gè)自由度，四個(gè)車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)和垂向平動(dòng)8個(gè)自由度，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的1個(gè)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(gè)輪缸的壓力信號(hào)，從而計(jì)算車輛受力，得到車輛運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(cè)上位機(jī)所發(fā)出的控制信號(hào)，比如轉(zhuǎn)向信號(hào)、換檔信號(hào)、油門信號(hào)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(hào)，判斷車輛狀態(tài)是否為危險(xiǎn)工況，如果檢測(cè)到危險(xiǎn)，就會(huì)輸出控制指令給執(zhí)行器，通過電機(jī)和電磁閥的動(dòng)作來對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行主動(dòng)干預(yù)，同時(shí)通過CAN通信發(fā)指令給發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)，控制車輛驅(qū)動(dòng)，從而化解危機(jī)?？紤]試驗(yàn)臺(tái)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(duì)比，兩者吻合程度很好，說明該硬件在環(huán)仿真平臺(tái)能有效地對(duì)車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行仿真。該仿真平臺(tái)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(cè)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(tái)精度很高。

圖4 某種參數(shù)下測(cè)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(tái)。平臺(tái)可以將控制器放在仿真回路中，方便對(duì)控制器中的算法進(jìn)行測(cè)試。仿真試驗(yàn)臺(tái)的搭建提高了ESP控制算法的開發(fā)速度。