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

ESP是汽車主動安全領(lǐng)域技術(shù)的制高點，該項技術(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，需要大量實車試驗。該試驗有兩大困難：一是試驗具有相當(dāng)?shù)奈ｋU性，二是試驗對場地要求很苛刻。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)。

項目背景

本方案通過深入調(diào)研，主要考慮性能、價格、易實現(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方式費用較低，但是使用不夠方便，dSpace系統(tǒng)價格遠(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\行控制算法，對車輛運動進(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現(xiàn)。

系統(tǒng)硬件設(shè)計

用PXI運行整車模型，模擬車輛的運動響應(yīng)，提供給控制器相關(guān)的信號。實車試驗時，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，從而計算車輛運動狀態(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，實車上的CAN通信通過PXI-8461和NI9853來實現(xiàn)。

控制器方面，用cRIO做快速原型時，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

軟件上，通過共享變量來控制仿真試驗的開始和結(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)實時監(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、仿真時間等進(jìn)行配置，方便靈活地實現(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。可以保存和調(diào)用仿真數(shù)據(jù)，可以通過點擊右下方的“仿真回放”按鍵，圖像化顯示車輛運行軌跡。 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際的時間間隔輸入給系統(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，從而計算車輛受力，得到車輛運動狀態(tài)。并將狀態(tài)參數(shù)通過數(shù)據(jù)采集卡輸出給控制器。同時下位機(jī)將車輛運動狀態(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)的實現(xiàn)，使得復(fù)雜的功能得以方便地實現(xiàn)。

控制器軟件

控制器上運行的為ESP控制算法。控制器通過接收各種傳感器的信號，判斷車輛狀態(tài)是否為危險工況，如果檢測到危險，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)果與實車試驗結(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)，和實車試驗結(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。仿真試驗臺的搭建提高了ESP控制算法的開發(fā)速度。