横滑り​防止​装置 (ESP) の​HIL (Hardware-​In-​the-​Loop) シミュレーション​を​NI PXI​および​CompactRIO​に​基​づ​い​て​開発

李 红​志、​清华大学

「NI PXI​および​CompactRIO​に​基​づ​い​た​私​たち​の​ESP HIL​シミュレーション​プラットフォーム​では、​コントローラ​を​シミュレーション​ループ​に​配置​し​て、​コントローラ​で​アルゴリズム​を​簡単​に​テスト​できる​よう​に​しま​した。」

- 李 红​志、​清华大学

課題:

HIL (Hardware-​In-​the-​Loop) シミュレーション​プラットフォーム​を​作成​し​て、​横滑り​防止​装置 (ESP) の​制御​アルゴリズム​を​短期間​で​開発​し、​実車​を​使用​した​実験​によって​生じる​実験​場​へ​の​大きな​負担​を​軽減​する。

ソリューション:

ESP​用​の​HIL​シミュレーション​プラットフォーム​を​NI PXI、​CompactRIO、​および​ホスト​コンピュータ​を​ベース​に​開発​する。​すべてのデバイスはネットワークケーブルで接続され、​NI​シミュレーション​モデル​で​作成​した​15​自由​度 (DOF) 車両​モデル​を​使用​する。

 

自動車​の​ESP​は、​自動車​運転​の​安定性​と​安全​性​を​向上​させる​ため​に​は​必要​不可欠​な​装置​です。​ESP​では、​アンチ​ロック​ブレーキ​システム (ABS)、​トラ​ク​ション​コントロール​システム (TCS)、​および​アクティブ​ヨー​コントロール​システム (AYC) を​統合​する​こと​で、​ブレーキ、​運転、​旋回が行われているときの自動車の安定性と安全性を効率良く向上させます。​ESP​コントローラ​は、​運転​中​の​車両​の​移動​状態​を​定期​的​に​検出​し​ます。​危険​が​検出​さ​れる​と、​コントローラを通してブレーキシステムとエンジンに即座にコマンドが送信され、​車両​の​プロ​アクティブ​な​制御​により、​危険​が​軽減​さ​れ​ます。

 

性能、​価格、​および​実装​の​し​やす​さ​について​綿密​な​調査​と​検討​を​行​っ​た​結果、​私​たち​の​システム​を​構築​する​ため​に、NI PXIおよびCompactRIOを​プラットフォーム​として​採用​する​こと​を​選択​しま​した。​xPC​システム、​NI PXI​システム、​dSpace​システム​を​比較​した​ところ、​xPC​システム​は​コスト​は​低い​ものの、​使い​やす​さ​は​それ程​でも​なく、​dSpace​システム​は​PXI​システム​と​変​わら​ない​性能​を​備え​ながら、​コスト​は​PXI​システム​より​高​く​なり​ます。

 

 

システム​アーキテクチャ

ESP HIL​シミュレーション​プラットフォーム​の​ハードウェア​は、​ホスト​コンピュータ、​ターゲット、​コントローラ、​アクチュエータ、​センサ​の​5​つ​の​部分​から​構成​さ​れ​てい​ます。​ホスト​コンピュータ​を​使用​し​て、​シェア​変数​で​シミュレーション​プロセス​を​監視​し、​シミュレーション​の​結果​を​解析​し​て​保存​し​ます。​さらに、​ターゲット​が​車両​モデル​を​実行​し、​コントローラ​が​制御​アルゴリズム​を​実行​し​て​車両​を​ナビゲート​し、​アクチュエータ​が​油圧​制御​装置、​ブレーキ​パイプ、​および​ブレーキ​として​の​役割​を​果​た​し​ます。​ホスト​コンピュータ、​ターゲット、​および​コントローラ​は​ネットワーク​ケーブル​で​接続​さ​れ​ます。

 

ハードウェアシステム​設計

PXI​システム​は、​車両​モデル​を​実行​し、​基準​信号​を​コントローラ​に​供給​し​ます。​コントローラ​は、​ブレーキ​信号、​メイン​シリンダ​圧力、​4​輪​駆動​の​速度、​ハンドル​角度、​水平​加速度、​ヨー​角速度​など、​複数​の​信号​を​キャプチャ​し​ます。

 

私​たち​は、​NI PXI-6229​マルチ​ファンクションデータ​収集 (DAQ) モジュールを​使用​し​て、​メイン​シリンダ​を​含む​すべて​の​シリンダ​から​の​アナログ​圧力​信号、​および​デジタル​ブレーキ​信号​を​収集​しま​した。​また、​NI PXI-6722​任意​波形​発生​器​を​使用​し​て、​アナログ​電圧​も​出力​しま​した。​これ​によって、​ハンドル​角度、​水平​加速度、​および​ヨー​角速度​が​表​さ​れ​ます。​さらに、​NI PXI-6722​では​4​つのアナログ電圧信号が出力され、​電圧/​周波数変換器では電圧が対応する周波数信号に変換されて、​4​つ​の​車輪​の​速度​が​シミュレート​さ​れ​ます。​アクチュエータ​に​は、​Bosch​社​の​ESP 8.0​油圧​制御​装置​を​使用​しま​した。​ブレーキ​システム​は、​Jinbei (金杯) の​バン​の​ブレーキ​パイプ​と​ブレーキ​から​構成​さ​れ​てい​ます。

 

 

ホスト​コンピュータ​監視​ソフトウェア

この​ソフトウェア​は、​シェア​変数​で​開始​と​停止​の​シミュレーション​を​制御​し、​一部​の​グローバル​変数​に​ターゲット​から​の​データ​を​記録​し​ます。​私​たち​は​ホスト​コンピュータ​監視​ソフトウェア​を、​シミュレーション​プロセス​監視​と​シミュレーション​データ​表示​という​2​つ​の​主要​な​部分​に​分け​ま​した。​シミュレーション​プロセス​監視​の​機能​に​は、​パラメータ​復元、​制御​シミュレーション、​リアルタイム​パラメータ​監視、​および​シミュレーション​プロセス​中​の​ドライバ​から​の​入力​が​あり​ます。​また、​シミュレーション​プロセス​監視​では、​シミュレーション​モード、​ギア​システム、​シミュレーション​時間、​初期​状態、​および​タイヤ​接地​状態​を​構成​し​て、​すべて​の​条件下​で​の​シミュレーション​を​簡単​に​実施​する​こと​も​でき​ます。​シミュレーション​データ​表示​では、​シミュレーション​データ​の​観察​および​比較、​シミュレーション​中​の​車両​の​移動​状態​の​再生、​データ​の​保存​および​復元​を​行う​こと​が​でき​ます。

 

インタフェースを使用すれば、​シミュレーション​プロセス​で​70​個​の​パラメータ​に対する​曲線​を​観察​し、​シミュレーション​データ​を​保存​および​回復​する​こと​が​でき​ます。​ウィンドウ​の​右下​に​ある​「シミュレーション​再生」​ボタンをクリックすれば、​車両​の​走行​跡​を​グラフィカル​に​表示​でき​ます。​また、​インタフェース​プログラム​では、​実際​の​車両​実験​を​実施​し​ながら​ヨー​角度​の​情報​を​記録​し、​実際​の​時間​間隔​に​従​っ​た​シミュレーション​プロセス​を​介​し​て​情報​を​送信​する​こと​も​でき​ます。​そのように​し​て、​車両​から​の​応答​の​シミュレーション​結果​が​提供​さ​れ​ます。

 

 

ターゲット​シミュレーション​および​コントローラ​ソフトウェア

ターゲット​は、​15DOF (自由​度) の​車両​モデル​を​使用​し​て、​車両​モデル​を​実行​し​ます。​15DOF​の​内訳​は、​水平、​垂直、​および​位置​の​移動​と​回転​が​6​度、​4​つ​の​車輪​の​回転​および​垂直​移動​が​8​度、​回転​システム​が​1​度​です。

 

シミュレーション​中、​ターゲット​は、​メイン​シリンダ​および​4​輪​駆動​の​シリンダ​から​1 ms​の​間隔​で​圧力​信号​を​収集​し​て、​車両​の​力​を​計算​し、​その​車両​の​移動​状態​を​取得​し​ます。​また、​状態​パラメータ​を​PXI-6229​経由​で​コントローラ​に​転送​し​ます。​同時に、​ターゲット​は、​車両​移動​状態​パラメータ​を​メモリ​に​保存​し​て、​シミュレーション​の​最後​に​データ​を​ホスト​コンピュータ​に​転送​し​ます。​また、​ホスト​コンピュータ​から​送信​さ​れる​制御​信号​を​連続​的​に​検出​し​ます。​これらの​複雑​な​機能​は​すべて​並列​ストラクチャ​を​使用​し​て​簡単​に​実装​でき​ま​した。

 

また、​CompactRIO​コントローラ​を​使用​し​て、​ESP​制御​アルゴリズム​を​実行​し、​受信​した​センサ​信号​に​基​づ​い​て​車両​の​状態​が​危険​か​どうか​を​判断​しま​した。​危険​が​検出​さ​れ​た​場合、​この​コントローラ​が​車両​の​動き​を​制御​し​て、​危機​を​解決​し​ます。

 

シミュレーション​プラットフォーム​開発​の​成功

シミュレーション​結果​は​実際​の​車両​実験​の​結果​と​適切​に​一致​しま​した。​これ​は、​HIL​シミュレーション​プラットフォーム​が​車両​の​動作​を​効率​良く​シミュレート​できる​こと​を​示し​てい​ます。

 

NI PXI​および​CompactRIO​に​基​づ​い​た​私​たち​の​ESP HIL​シミュレーション​プラットフォーム​では、​コントローラ​を​シミュレーション​ループ​に​配置​し​て、​コントローラ​で​アルゴリズム​を​簡単​に​テスト​できる​よう​に​しま​した。​シミュレーション​ワーク​ベンチ​の​構築​によって、​ESP​制御​アルゴリズム​の​開発​期間​が​大幅​に​短縮​さ​れ​ま​した。

 

この​ユーザ​事例​の​詳細​について​は、​以下​の​連絡​先​まで​お​問い合わせ​くだ​さい。

Li Hong-​zhi
Tsinghua University
​Room 532 A, 2J15# Haidian District
​Beijing, China
​Tel: 010-62797118
​Email: hz-​li07@mails.tsinghua.edu.cn

投稿​者​情報:

李 红志
​清华大学

​ ​私​たち​の​システム​は、​ホスト​コンピュータ​の​PC、​PXI​ターゲット (赤​枠)、​および​CompactRIO​コントローラ (黄​枠) で​構成​さ​れ​てい​ます。 ​
​ ​Jinbei (金杯) の​バン ​
​ ​ホスト​データ​を​表示​する​ユーザ​インタフェース ​