基于NI VeriStand實時平臺的裝甲越野車輛仿真和測試
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開發(fā)組合式HIL試驗平臺
項目從實現(xiàn)HIL試驗平臺開始。首先，我們分析了客戶要求和電子控制器單元（ECU）。分析結果為技術理念與試驗平臺規(guī)格奠定了基礎?，F(xiàn)有HIL仿真器的市場研究表明：目前尚無關于靈活性、集成度和價格方面滿足具體項目要求的標準解決方案，因此我們基于現(xiàn)有和專用組件開發(fā)了一個自定義系統(tǒng)。
我們選擇NI VeriStand作為實時平臺。此NI解決方案基于行業(yè)標準硬件，從而我們以非常合理的成本實現(xiàn)了高性能系統(tǒng)。另外，我們能夠以一種靈活且高性價比的方式，根據(jù)不斷增長的測試需求擴展系統(tǒng)的計算能力
為了快速計算實時模型，我們選擇了具有兩個2.53 GHz Intel Xeon處理器的標準服務器。兩個處理器共有8個內核。目前實時模型所導致的相對較低的負載提供了足夠的擴展能力，甚至不需要升級硬件。
I/O硬件通過PXI擴展機箱與PC相連。這只占用了一個PCI Express插槽，PXI底板提供了足夠數(shù)目的插槽用來插入其他I/O板。試驗平臺使用NI PXI控制器局域網(wǎng)絡（CAN）通信板卡以及模擬和數(shù)字I/O。對于模擬速度傳感器信號等嚴格時間要求信號，我們增加了一個NI PXI-7831R現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）模塊。我們使用NI LabVIEW FPGA軟件開發(fā)FPGA程序。
另外，我們還選用了一個集成有故障模擬的信號調節(jié)單元，減少了試驗臺復雜的接線，并且不會無故降低信號質量。為了滿足兩種板載電壓電平車輛的要求，我們在試驗臺中集成了兩個可控制電源。顯示器顯示處理器核的當前負載，以及實時系統(tǒng)與實時模型的相關信息。
試驗平臺硬件布局
組合式HIL試驗臺的所有組件和接線完全集成在一個19英寸機架上。除了驗證ECU軟件之外，我們還可以使用試驗臺布局來測試小批量模塊系列，例如帶ECU的托架等。由于我們可以將車輛接線束直接與試驗臺相連接，所以這也被證明可行。
實時模型
要求
隨著控制器功能越來越復雜，人們對于實時設備模型在能力和細節(jié)建模程度方面的要求也越來越高。特別地，現(xiàn)代車輛中的激勵器運行時除了僅僅開與關之外，還越來越受到制約。為此，我們選用ITI SimulationX。
測試系統(tǒng)的ECU與模型相互作用
在本項目中，我們利用SimulationX對所有與車輛控制器交互的物理元件進行了建模，主要包括以下幾個方面：
發(fā)動機
帶扭矩變換器的減速箱和兩級可換檔變速箱
傳動系統(tǒng)，配備可鎖定和自解鎖差速器、四輪驅動，在連接ABS和轉向傳感器的情況下轉彎時所用的車輪調速轉向模型
制動和ABS系統(tǒng)
輪胎壓力監(jiān)控系統(tǒng)
確保實時性能
與專為實時能力設計的預配置黑盒子解決方案相比，為具體任務定制或者從其他實時模型得出的物理模型一般不能執(zhí)行實時任務。它們的實時性能由建模人員在開發(fā)模型時保證。
模型的實時能力通過兩種主要機制實現(xiàn)。一方面，采用獨一無二的、徹底符號式的預處理。在代碼生成期間，SimulationX對整個系統(tǒng)模型的物理和數(shù)學方程式進行自動預處理。通過解答并代入方程式，簡化在一次計算中多次出現(xiàn)的表達式，以及完全除去不影響指定接口信號的數(shù)量的計算（例如內部結果變量），來簡化系統(tǒng)。所有這些都不需要用戶參與；通過與其他代碼優(yōu)化措施配合，可獲得非常高效的實時代碼。另一方面，若干分析方法例如固有頻率和振動模式，以及能源分布和性能分析等，在模型-性能優(yōu)化過程中為用戶提供輔助，從而滿足所有計算時間要求。
一般來說，為此項目開發(fā)的SimulationX模型具有卓越的性能。例如，在一個處理器核上，即使模型實現(xiàn)了相對較高的采樣速率，整個傳動系統(tǒng)模型也只需要20%的計算能力。
傳動系統(tǒng)模型范例
傳動系統(tǒng)中的組件模型按照相關ECU的I/O要求，以不同的細節(jié)程度實現(xiàn)。從發(fā)動機的角度，基于地圖的模型足以精確地描述發(fā)動機的行為。然而，噴油系統(tǒng)執(zhí)行器要求提供從控制輸入到位置傳感器以及參數(shù)化的精確設備建模。
在本項目中，我們用實際噴油控制系統(tǒng)驗證了此模型部分。對齒輪箱和扭矩變換器進行了物理建模，其中包含離合器和制動器模型，這些模型摩擦特性實現(xiàn)參數(shù)化。這使得齒輪更換，和換檔期間的過渡行為，例如速度梯度和齒輪更換時間等建模都成為可能。這個步驟很有意義，因為憑借不同的制動器和離合器扭矩，齒輪箱執(zhí)行器不僅可以以開/關方式，而且以中間步驟方式運行。，剩余傳動系統(tǒng)模型包括了傳動軸的彈性，因此它可以進行典型的傳動系統(tǒng)振動。根據(jù)轉向角度不同，每個車輪的曲線半徑均不同，因此在轉彎期間，傳感器能夠探測到各個車輪速度。
除了控制器輸出信號之外，傳動系統(tǒng)模型還處理制動系統(tǒng)模型所提供的制動扭矩，并將其運用到車輪上。傳動系統(tǒng)的速度傳感器輸出為各個ECU提供支持，但由于它們的信號頻率過高，很難由實時模型生成，而改由FPGA產(chǎn)生。模型只能提供通過傳感器的輪齒的脈沖頻率
所示模型在實時系統(tǒng)的一個處理器內核上運行，周期為0.1 ms。因此，模型所占的處理器內核計算資源不到20%。
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