基于NI PXI和CompactRIO开发电子稳定程序(ESP)硬件在环(HIL)仿真

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 PXI和CompactRIO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
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李红志
清华大学