基于NI PXI和LabVIEW測(cè)試平臺(tái)的NI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

挑戰(zhàn):

電子穩(wěn)定系統(tǒng)(Electronic Stability Program, 簡(jiǎn)稱ESP，下同)實(shí)車(chē)道路試驗(yàn)不僅對(duì)場(chǎng)地要求十分苛刻，實(shí)驗(yàn)過(guò)程具有相當(dāng)?shù)奈ｋU(xiǎn)性，而且所需測(cè)量的信號(hào)較多。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不僅要能夠采集各種信號(hào)，還要能夠在惡劣的測(cè)試環(huán)境中(如沖擊、震動(dòng)、高溫、高濕度等)穩(wěn)定可靠的工作。

解決方案:

面對(duì)ESP系統(tǒng)試驗(yàn)苛刻的測(cè)試環(huán)境、眾多的測(cè)試信號(hào)，基于NI PXI和LabVIEW的測(cè)試平臺(tái)，我們?cè)谳^短的時(shí)間內(nèi)快速融合了模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)、CAN、串口等多種信號(hào)采集與處理。NI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在海南試驗(yàn)場(chǎng)成功完成了ESP試驗(yàn)過(guò)程的數(shù)據(jù)采集，保證了試驗(yàn)的順利進(jìn)行。

汽車(chē)電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)可以輔助駕駛員對(duì)車(chē)輛的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行控制，通過(guò)控制車(chē)輪的制動(dòng)力和發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出力矩來(lái)控制汽車(chē)的橫擺角速度并將側(cè)偏角限制在一定范圍內(nèi)，從而協(xié)助駕駛員在極限工況下保持汽車(chē)的穩(wěn)定性，防止車(chē)輛出現(xiàn)失穩(wěn)危險(xiǎn)。

近年來(lái)，隨著人們對(duì)車(chē)輛主動(dòng)安全性要求的提高和各國(guó)相應(yīng)安全法規(guī)的推動(dòng)，ESP系統(tǒng)在汽車(chē)上的標(biāo)準(zhǔn)裝配率迅速提高，博世、大陸等國(guó)外汽車(chē)電子產(chǎn)品供應(yīng)商均具備了ESP系統(tǒng)的批量化供貨能力并占據(jù)了市場(chǎng)的主要份額。

國(guó)內(nèi)ESP系統(tǒng)的研究起步較晚，大多停留在理論控制研究與硬件在環(huán)仿真階段，國(guó)內(nèi)整車(chē)及零部件廠商大多直接采用博世、大陸、TRW等的ESP系統(tǒng)與自主開(kāi)發(fā)的整車(chē)相匹配。

相對(duì)于國(guó)內(nèi)ESP系統(tǒng)策略的研究，ESP系統(tǒng)性能測(cè)試評(píng)價(jià)方法的研究基本空白，大多數(shù)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)均參考國(guó)外零部件商或相應(yīng)機(jī)構(gòu)的試驗(yàn)方法或直接將測(cè)試試驗(yàn)委托供應(yīng)商實(shí)施。目前，國(guó)內(nèi)汽車(chē)行業(yè)尚無(wú)形成統(tǒng)一的ESP測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，這使得國(guó)內(nèi)整車(chē)廠商很難系統(tǒng)合理的評(píng)價(jià)ESP控制性能，更無(wú)法根據(jù)試驗(yàn)的結(jié)果在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段對(duì)汽車(chē)電子供應(yīng)商提出完善的產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)要求，大大增加了整車(chē)廠商與汽車(chē)電子供應(yīng)商的底盤(pán)電控系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)周期和研發(fā)成本。

鑒于上述情況，課題組結(jié)合當(dāng)前的研究基礎(chǔ)，提出一套汽車(chē)底盤(pán)電控系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)和實(shí)驗(yàn)測(cè)試流程規(guī)范并構(gòu)建了一個(gè)用于ESP系統(tǒng)試驗(yàn)測(cè)試的測(cè)控系統(tǒng)平臺(tái)。

ESP系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)

課題組搭建的ESP系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)主要包括三大部分：

1. ESP試驗(yàn)測(cè)試流程規(guī)范;

2. 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng);

3. 試驗(yàn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

試驗(yàn)測(cè)試流程規(guī)范規(guī)定了ESP測(cè)試所需的試驗(yàn)項(xiàng)目、試驗(yàn)?zāi)康?、測(cè)試變量和儀器、試驗(yàn)條件、試驗(yàn)方法，以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法。

試驗(yàn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)作為電控系統(tǒng)以及整車(chē)性能評(píng)定的指南，從汽車(chē)相關(guān)基本理論出發(fā)，規(guī)定了性能好壞評(píng)定的方法與相應(yīng)原理。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括試驗(yàn)中測(cè)量所需變量(車(chē)輛參數(shù)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài))的傳感器及其數(shù)據(jù)采集卡和相關(guān)軟件。試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能好壞在一定程度上決定了整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)能否準(zhǔn)確評(píng)價(jià)整車(chē)性能以及ESP系統(tǒng)的優(yōu)劣。

ESP作為最新一代汽車(chē)主動(dòng)安全系統(tǒng)，ESP是基于汽車(chē)動(dòng)力學(xué)對(duì)汽車(chē)臨界失穩(wěn)狀態(tài)下施加準(zhǔn)確控制來(lái)提高汽車(chē)穩(wěn)定性的系統(tǒng)。因此為了驗(yàn)證ESP系統(tǒng)的性能，就需要大量實(shí)車(chē)試驗(yàn)。完成試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集將面臨兩大難題：一是，測(cè)試設(shè)備眾多(GPS、陀螺儀、非接觸式光電測(cè)速儀、輪速傳感器、壓力傳感器、觸發(fā)器等，如圖2所示)，二是，測(cè)試環(huán)境惡劣(沖擊、震動(dòng)、高溫、高濕度等)。通過(guò)調(diào)研，我們選擇了LabVIEW 和 PXI的測(cè)試平臺(tái)。

ESP試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所依賴的數(shù)據(jù)采集設(shè)備采用了NI PXI系統(tǒng)以及相應(yīng)的PXI數(shù)據(jù)采集卡，上述系統(tǒng)與測(cè)試所需的傳感器構(gòu)成了ESP試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件部分，，傳感器、觸發(fā)器通過(guò)接線盒及電纜與采集卡或機(jī)箱相連。硬件系統(tǒng)搭建的過(guò)程中，我們遇到了一個(gè)問(wèn)題：我們采用的PXI機(jī)箱需要220V交流供電，而試驗(yàn)測(cè)試中車(chē)載電源是12V直流蓄電池，對(duì)此我們采用了逆變器將12V直流電轉(zhuǎn)變?yōu)?20V交流電，然后直接供給PXI機(jī)箱。為了避免汽車(chē)運(yùn)行過(guò)程中蓄電池電壓波動(dòng)對(duì)傳感器造成損壞以及影響測(cè)量準(zhǔn)確度，傳感器供電沒(méi)有直接采用蓄電池電源，而是通過(guò)穩(wěn)壓器將220VAC轉(zhuǎn)換到12VDC，進(jìn)而供給相應(yīng)的傳感器，電源系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。220V交流逆變器和PXI機(jī)箱安裝在測(cè)試車(chē)輛后備箱的鋁合金支架上，如圖4所示，支架通過(guò)螺栓與車(chē)身地板相連，從而保證機(jī)箱在車(chē)輛行駛過(guò)程中不會(huì)晃動(dòng)。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件是在LabVIEW中實(shí)現(xiàn)的，主要應(yīng)用了LabVIEW中數(shù)據(jù)采集模塊、及文件IO模塊，針對(duì)眾多的測(cè)量信號(hào)，編程中我們采用了各信號(hào)分別采集、同時(shí)存儲(chǔ)的架構(gòu)，由于試驗(yàn)中采樣率不高(20Hz)，信號(hào)同步要求不高，故采用了局部變量進(jìn)行信號(hào)的同步存儲(chǔ)。整體程序框架如圖5所示。程序前面板如圖6所示，前面板主要分為兩個(gè)區(qū)域，左側(cè)區(qū)域?yàn)榕渲脜^(qū)，主要用于試驗(yàn)過(guò)程中需要進(jìn)行輸入、更改的量，如信號(hào)采集端口的配置選擇，如模擬輸入通道(AI)的選擇，RS232端口的選擇，波特率的配置等，以及測(cè)量結(jié)果文件名稱的更改、存儲(chǔ)位置的選擇等。右側(cè)區(qū)域?yàn)樵囼?yàn)中重要檢測(cè)量的實(shí)時(shí)顯示，便于試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)出現(xiàn)明顯的錯(cuò)誤時(shí)，及時(shí)進(jìn)行儀器調(diào)整或檢修，并重新進(jìn)行測(cè)試。圖7、圖8為試驗(yàn)結(jié)果曲線。圖7中紅色點(diǎn)為試驗(yàn)中的標(biāo)樁，結(jié)果顯示車(chē)輛能順利通過(guò)單移線中的所有標(biāo)樁。圖8中品紅色的線表示ESP功能是否被激活，以及制動(dòng)主缸和各輪缸的壓力。

結(jié)論

ESP是未來(lái)汽車(chē)主動(dòng)安全系統(tǒng)發(fā)展的一大方向，ESP實(shí)車(chē)道路試驗(yàn)不僅是ESP控制系統(tǒng)優(yōu)劣的最終評(píng)判手段，ESP實(shí)車(chē)道路試驗(yàn)在ESP控制算法開(kāi)發(fā)階段也具有一定的指導(dǎo)意義。

基于PXI系統(tǒng)良好的可擴(kuò)展性，我們快速搭建了ESP系統(tǒng)性能試驗(yàn)的測(cè)試平臺(tái)，夏季在海南汽車(chē)試驗(yàn)場(chǎng)、冬季在黑河紅河谷試驗(yàn)場(chǎng)極端苛刻的試驗(yàn)環(huán)境下，測(cè)試系統(tǒng)準(zhǔn)確有效的采集了ESP系統(tǒng)試驗(yàn)的測(cè)試信號(hào)，大大推動(dòng)了863計(jì)劃底盤(pán)控制系統(tǒng)的研究，為我們自主底盤(pán)電控系統(tǒng)進(jìn)一步的完善提供了有力的支撐。