解析PXI和cRIO電子穩定程序硬件環(huán)仿真平臺開(kāi)發(fā)

ESP是汽車(chē)主動(dòng)安全領(lǐng)域技術(shù)的制高點(diǎn)，該項技術(shù)被國外大公司所壟斷，國內尚處于研發(fā)階段。在ESP研發(fā)過(guò)程中，需要大量實(shí)車(chē)試驗。該試驗有兩大困難：一是試驗具有相當的危險性，二是試驗對場(chǎng)地要求很苛刻。所以，開(kāi)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(kāi)發(fā)有重大作用。本文采用了NI公司的PXI作為下位機來(lái)搭建系統。

項目背景

本方案通過(guò)深入調研，主要考慮性能、價(jià)格、易實(shí)現性等方面之后，最終選擇了NI的PXI和cRIO方案來(lái)進(jìn)行系統搭建。主要調研了XPC方式、PXI系統、dSpace系統。XPC方式費用較低，但是使用不夠方便，dSpace系統價(jià)格遠遠高于PXI系統，然而兩者性能差別不是很大。

系統構架

ESP硬件在環(huán)仿真平臺從硬件上看由上位機、下位機、控制器、執行器、傳感器等五部分組成。

上位機用于監控仿真過(guò)程，分析和保存仿真結果。下位機運行車(chē)輛模型，目前采用的是15自由度整車(chē)模型，能很好地模擬整車(chē)在制動(dòng)、驅動(dòng)、高速轉向以及聯(lián)合工況下的響應?？刂破鬟\行控制算法，對車(chē)輛運動(dòng)進(jìn)行相關(guān)控制。執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，并將壓力信號傳給控制器和下位機，從而形成一個(gè)閉環(huán)系統。仿真平臺結構如圖1所示。

圖1 仿真平臺結構圖

仿真平臺結構圖

圖1中，上位機、下位機和控制器三者通過(guò)網(wǎng)線(xiàn)連接，上位機對仿真過(guò)程的監控通過(guò)共享變量來(lái)實(shí)現。

系統硬件設計

用PXI運行整車(chē)模型，模擬車(chē)輛的運動(dòng)響應，提供給控制器相關(guān)的信號。實(shí)車(chē)試驗時(shí)，控制器所獲取的信號有制動(dòng)信號、主缸壓力信號、四個(gè)輪速信號、方向盤(pán)轉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(guò)CAN和發(fā)動(dòng)機控制系統進(jìn)行通信，從而控制發(fā)動(dòng)機的輸出扭矩。PXI要能完成上述功能，并且需要采集壓力傳感器信號，從而計算車(chē)輛運動(dòng)狀態(tài)。

PXI通過(guò)M系列數據采集卡PXI-6229的模擬量輸入功能來(lái)采集主缸和各個(gè)輪缸的壓力信號，用PXI-6229的數字量輸入功能采集制動(dòng)信號。采用PXI-6722的模擬量輸出功能輸出電壓來(lái)表示方向盤(pán)轉角、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(guò)壓頻轉換模塊將電壓轉換成對應的頻率信號來(lái)模擬四個(gè)輪速信號。另外，實(shí)車(chē)上的CAN通信通過(guò)PXI-8461和NI9853來(lái)實(shí)現。

控制器方面，用cRIO做快速原型時(shí)，通過(guò)NI-9205來(lái)采集模擬電壓，得到各個(gè)傳感器的值。通過(guò)NI-9403的輸入功能來(lái)獲取制動(dòng)信號和輪速信號，通過(guò)NI-9403的數字量輸出功能來(lái)控制電機和電磁閥的動(dòng)作。

在執行器方面，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)系統采用金杯客車(chē)的制動(dòng)管路和制動(dòng)器。仿真平臺搭建在金杯客車(chē)上，我們對金杯客車(chē)的制動(dòng)管路進(jìn)行了改造，安裝了壓力傳感器和HCU(整車(chē)控制器)。

系統軟件設計

軟件上，通過(guò)共享變量來(lái)控制仿真試驗的開(kāi)始和結束，用全局變量記錄下位機中的數據，然后通過(guò)網(wǎng)絡(luò )上傳到上位機。這三部分程序都采用狀態(tài)機方式，方便軟件進(jìn)行升級和維護?？偟能浖Y構如圖2所示。

圖2 系統軟件框圖

上位機監控軟件

上位機監控軟件主要分為兩個(gè)部分：仿真過(guò)程監控和查看仿真數據。仿真過(guò)程監控包括參數調用、仿真控制、參數實(shí)時(shí)監控、仿真過(guò)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)現各種情況的仿真。

查看仿真數據部分，可以觀(guān)察對比仿真數據，仿真過(guò)程中車(chē)輛運動(dòng)回放、數據保存和調用情況。仿真過(guò)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(guān)察仿真過(guò)程中70個(gè)參數的變化曲線(xiàn)?？梢员４婧驼{用仿真數據，可以通過(guò)點(diǎn)擊右下方的“仿真回放”按鍵，圖像化顯示車(chē)輛運行軌跡。 圖3(c)中，可以將記錄下的轉向角信息在仿真過(guò)程中按照實(shí)際的時(shí)間間隔輸入給系統，仿真可以得到車(chē)輛的響應情況。

下位機仿真軟件

下位機運行整車(chē)模型，采用了15自由度整車(chē)模型。這15個(gè)自由度分別為：車(chē)輛縱向、橫向、垂向的平動(dòng)和轉動(dòng)這6個(gè)自由度，四個(gè)車(chē)輪的轉動(dòng)和垂向平動(dòng)8個(gè)自由度，轉向系統的1個(gè)自由度。

在仿真過(guò)程中，下位機以1ms為周期通過(guò)數據采集卡采集主缸和4個(gè)輪缸的壓力信號，從而計算車(chē)輛受力，得到車(chē)輛運動(dòng)狀態(tài)。并將狀態(tài)參數通過(guò)數據采集卡輸出給控制器。同時(shí)下位機將車(chē)輛運動(dòng)狀態(tài)參數以10ms為周期將數據保存在下位機內存中，仿真結束后上傳到上位機。并且下位機以10ms為周期不斷檢測上位機所發(fā)出的控制信號，比如轉向信號、換檔信號、油門(mén)信號等。這種并行結構的實(shí)現，使得復雜的功能得以方便地實(shí)現。

控制器軟件

控制器上運行的為ESP控制算法?？刂破魍ㄟ^(guò)接收各種傳感器的信號，判斷車(chē)輛狀態(tài)是否為危險工況，如果檢測到危險，就會(huì )輸出控制指令給執行器，通過(guò)電機和電磁閥的動(dòng)作來(lái)對制動(dòng)系統進(jìn)行主動(dòng)干預，同時(shí)通過(guò)CAN通信發(fā)指令給發(fā)動(dòng)機管理系統，控制車(chē)輛驅動(dòng)，從而化解危機?？紤]試驗臺的兼容性，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)。

仿真結果

將仿真結果與實(shí)車(chē)試驗結果相對比，兩者吻合程度很好，說(shuō)明該硬件在環(huán)仿真平臺能有效地對車(chē)輛運動(dòng)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(kāi)發(fā)。

圖4為在某種參數下測試ABS功能的一組輪速數據，和實(shí)車(chē)試驗結果很類(lèi)似，說(shuō)明仿真平臺精度很高。

圖4 某種參數下測試AVS功能的一組輪速數據

結論

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。仿真試驗臺的搭建提高了ESP控制算法的開(kāi)發(fā)速度。