基于​NI PXI​和​CompactRIO​开发​电子​稳定​程序​(ESP)​硬件​在​环​(HIL)​仿真

李​红​志,​清华大学

“基于​NI PXI​和​CompactRIO​的​ESP HIL​仿真​平台​将​控制器​置​于​仿真​循环​中,​使​我们​能够​轻松​地​在​控制器​中​测试​算法。”

- 李​红​志,​清华大学

挑战:

创建​硬件​在​环​(HIL)​仿真​平台,​以​加速​电子​稳定​程序​(ESP)​控制​算法​的​开发,​并​降低​实​车​实验​对​测试​现场​的​严苛​要求。

解决​方案:

使用​NI​仿真​模​块​构​建​15​自由​度​(DOF)​车辆​模型,​并​基于​NI PXI、​CompactRIO​和​主机​(主机​的​所有​设备​通过​网​线​连接)​开发​一个​ESP HIL​仿真​平台。

 

汽车​ESP​是​用于​提高​汽车​行驶​稳定​性​和​安全​性的​必要​设备。​它​集成​了​防​抱​死​制动​系统​(ABS)、​牵引​力​控制​系统​(TCS)​和​主动​偏航​控制​系统​(AYC),​可​有效​提高​汽车​在​制动、​行驶​和​转弯​过程​中的​行驶​稳定​性​和​安全​性。​ESP​控制器​会​在​行驶​过程​中​定期​检测​车辆​的​运动​状态,​当​检测​到​危险​时,​会​通过​控制器​及时​向​制动​系统​和​发动​机​发出​指令,​通过​主动​控制​车辆​来​降低​危险。

 

在​进行​了​深入​调查​并​综合​考虑​了​性能、​价格​和​部署​难​易​程度​之后,​我们​选择了NI PXICompactRIO平台​来​构​建​我们​的​系统。​我们​比较​了​xPC​系统、​NI PXI​系统​和​dSpace​系统,​发现​xPC​系统​虽然​成本​较​低,​但​并不​易​于​使用,​而​dSpace​系统​虽然​性能​与​PXI​系统​差不多,​但​价格​更​昂贵。

 

 

系统​架构

ESP HIL​仿真​平台​的​硬件​由​五​部分​组成:​主​控​计算​机、​终端、​控制器、​执行​器​和​传感器。​主​控​计算​机​负责​监测​基于​共享​变量​的​仿真​过程,​以及​分析​和​存储​仿真​结果。​此外,​终端​负责​执行​车辆​模型;​控制器​负责​运行​控制​算法​并​为​车辆​提供​导航;​执行​器用​作为​液压​控制​单元、​制动​管路​和​制动​器;​主​控​计算​机、​终端​和​控制器​通过​网​线​连接。

 

硬件​系统​设计

PXI​系统​负责​运行​车辆​模型​并​向​控制器​提供​参考​信号。​控制器​可​捕获​多种​信号,​包括​制动​信号、​主​缸​压力、​四轮​转​速、​方向​盘​角度、​水平​加速度​和​偏航​角速度。

 

我们​使用​NI PXI-6229​多功能数据​采集​(DAQ)​模块来​采集​所有​气缸​(包括​主​气缸)​的​模拟​压力​信号,​以及​数字​制动​信号。​我们​还​使用​NI PXI-6722​任意​波形​发生​器​来​输出​模拟​电压,​这个​模拟​电压​代表​的是​方向​盘​的​角度、​水平​加速度​和​偏航​角速度。​此外,​NI PXI-6722​还​可​输出​四​个​模拟​电压​信号,​电压/​频率​转换​器​将​电压​转换​为​相应​的​频率​信号,​以​仿真​四​个​车轮​的​转​速。​对于​执行​器,​我们​使用​了​博​世​(Bosch)​的​ESP 8.0​液压​控制​单元。​制动​系统​由​金杯​面包​车​的​制动​管路​和​制动​器​组成。

 

 

主​控​计算​机​监测​软件

软件​通过​共享​变量​来​控制​仿真​的​启动​和​停止,​并​将​来自​终端​的​数据​记录​在​部分​全局​变量​中。​我们​将​主​控​计算​机​监测​软件​分为​两​个​主要​部分:​仿真​过程​监测​和​仿真​数据​查看。​仿真​过程​监测​包括​仿真​过程​中的​参数​恢复、​控制​仿真、​实​时​参数​监测​和​驱动​输入​等​功能。​它​还​可以​配置​仿真​模式、​齿轮​策略、​仿真​时间、​初始​状态​和​地面​附着,​以便​在​所有​条件下​轻松​进行​仿真。​仿真​数据​查看​允许​用户​观察​和​比较​仿真​数据,​回​放​仿真​过程​中的​车辆​运动,​以及​保存​和​恢复​数据。

 

我们​可以​通过​该​界面​观察​仿真​过程​中​70​个​参数​的​曲线,​并​存储​和​恢复​仿真​数据。​通过​点​击​窗口​右下方​的“仿真​回​放”(Simulation Playback)​按钮,​我们​能够​以​图形​化​的​方式​展示​车辆​的​运行​轨迹。​接口​程序​还​会​在​实​车​实验​过程​中​记录​偏航​角度​信息,​并​在​仿真​过程​中​根据​实际​时间​间隔​发送​该​信息,​从而​提供​车辆​响应​的​仿真​结果。

 

 

终端​仿真​和​控制器​软件

终端​使用​具有​15 DOF​的​车辆​模型​来​运行​车辆​模型。​15 DOF​包括​水平、​垂直​和​位置​平移​和​旋转​的​6°;​四​个​车轮​旋转​和​垂直​平移​的​8°;​以及​旋转​系统​的​1°。

 

在​仿真​过程​中,​终端​以​1 ms​的​间隔​获取​主​缸​和​四轮​缸​的​压力​信号,​计算​车辆​受​力,​以​复现​车辆​的​运动​状态。​它​还​通过​PXI-6229​将​状态​参数​传输​到​控制器。​同时,​终端​将​车辆​运动​状态​参数​存储​在​内存​中,​并​在​仿真​结束​时​将​数据​传输​到​主​控​计算​机。​它​还​不断地​检测​从​主​控​计算​机​发出​的​控制​信号。​我们​使用​并行​结构​轻松​实现​了​所有​这些​复杂​的​功能。

 

我们​还​使用​CompactRIO​控制器​运行​ESP​控制​算法,​根据​接收​到​的​传感器​信号​确定​车辆​状态​是否​危险。​如果​检测​到​危险,​控制器​将​控制​车辆​的​移动,​以​避免​危机​发生。

 

成功​开发​仿真​平台

仿真​结果​与​实​车​实验​结果​吻合​度​较​高,​表明​HIL​仿真​平台​能够​有效​地​仿真​车辆​运动。

 

基于​NI PXI​和​CompactRIO​的​ESP HIL​仿真​平台​将​控制器​置​于​仿真​循环​中,​使​我们​能够​轻松​地​在​控制器​中​测试​算法。​通过​构​建​这个​仿真​工作​台,​大幅​加快​了​ESP​控制​算法​的​开发。

 

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李​红志
清华大学
​中国​北京市​海​淀​区​2J15​号​532 A室

​电话: 010-62797118
​电子​邮件:hz-​li07@mails.tsinghua.edu.cn

作者​信息:

李​红志
​清华大学

​ ​我们​的​系统​由​作为​主​控​计算​机​的​PC、​红​框​标记​的​PXI​终端​和​黄​框​标记​的​CompactRIO​控制器​组成 ​
​ ​金杯​面包​车 ​
​ ​用于​查看​主机​数据​的​用户​界面 ​