基于​PXI​和​cRIO​的​电子​稳定​程序​(ESP)​硬件​在​环​仿真​平台​开发

李 红​志, 清华大学

"依托​NI​公司​的​强大​的​图形​化​编​程​语言​LabVIEW,​结合​先进​的​PXI​和​cRIO​硬件​平台,​我们​在​很短​的​时间​内​快速​搭建​完成​了​可靠​的​ESP​硬件​在​环​仿真​平台。"

- 李 红​志, 清华大学

挑战:

电子​稳定​程序​(Electronic Stability Program, 以下​简称​ESP)​是​最新​一代​汽车​主动​安全​类​产品,​在​国外​中​高档​轿车​上​已​广泛​安装,​但在​国内​尚​处​研发​初期。​测试​ESP​控制​算法​的​实​车​试验​不仅​具有​相当​的​危险​性,​而且​对​场地​要求​十分​苛刻。​因此,​急需​搭建​ESP​硬件​在​环​仿真​平台​完成​算法​的​验证​任务。​该​仿真​平台​的​快速​成功​搭建,​将​极大​地​缩减​ESP​控制​算法​的​开发​周期。

解决​方案:

使用​NI​公司​的​PXI​和​cRIO​硬件​平台​结合​NI​的​图形​化​编​程​软件​LabVIEW​快速​并​成功​地​搭建​了​ESP​硬件​在​环​仿真​平台。​其中,​PXI​平台​运行​LabVIEW​编写​的​整​车​动力​学​模型​算法​模拟​整​车​运动,​cRIO​平台​运行​LabVIEW​编写​的​ESP​控制​算法​实​时​监​控​车辆​状态​并​依​此​执行​反馈​控制,​上位​机​通过​使用​LabVIEW​提供​的​网络​共享​变量​等​技术​实​时​地​监​控​整个​仿真​过程​并​保存、​分析​和​显示​监​控​数据,​三​个​设备​间​通过​网络​相连​交互​数据。​特别​是​由​NI​的​仿真​模​块​搭建​的​整​车​动力​学​模型​具有​15​个​自由​度,​状态​更新​速度​达到​1ms,​能​有效​地​对​车辆​运动​状态​进行​仿真。

 

1、​项目​背景

汽车​电子​稳定​程序​(ESP)​是​提高​汽车​行驶​稳定​性​和​安全​性的​重要​装置。​它​集成​了​制动​防​抱​死​系统​(ABS)、​牵引​力​控制​系统​(TCS)​以及​主动​横摆​力矩​控制​系统​(AYC),​能​有效​地​改善​汽车​在​制动、​驱动​和​转向​等​工​况​下​的​行驶​稳定​性​和​安全​性。​在​汽车​行驶​过程​中,​ESP​控制器​不断​检测​汽车​运动​状态,​一旦​发现​危险,​迅速​由​控制器​发出​指令​给​制动​系统​和​发动​机,​通过​干预​化解​危险。​在​全球​范围,​ESP​有望​成为​汽车​法定​配置,​美国​高速公路​交通​管理局​规定​在​2011​年​以前​4.5​吨​以下​的​新​车​必须​安装​ESP。​ESP​技术​一直​被​国外​几​家​大​公司​所​垄断,​目前​国内​虽然​有​一些​单位​做了​相关​的​研究​工作,​但是​大多​处于​分析​计算​和​纯​软件​仿真​的​阶段。  

 

汽车​安全​与​节​能​国家​重点​实验​室​的​汽车​动力​学​与​控制​课题​组​从事​汽车​动力​学​与​控制​方面​的​研究​近​20​年,​在​汽车​主动​安全​领域​积累​了​大量​试验​数据、​控制​方法、​试验​设备、​专业​人才。​课题​组​与​沈阳​华​晨​公司、​武汉​元​丰​汽车​电​控​系统​有限公司​三方​签订​了​中华​尊​驰​轿车​ESP​研发​项目​合同,​本文​介绍​的​ESP硬件​在​环​仿真平台​即​应用​于​该​研发​项目

 

 

构​建​平台​前​通过​深入​调​研​比较​了​XPC、​PXI、​dSpace​三​种​方式​的​硬件​在​环​实现​设备。​XPC​方式​费用​较​低,​但是​使用​不够​方便,​dSpace​方式​价格​远远​高于​PXI​方式,​然而​两者​性能​差别​不是​很大。​综合​考虑​性能、​价格、​易​实现​性​等​各​因素,​本​项目​最终​选定​了​NI​公司​的​PXI​和​cRIO​方案​完成​平台​构​建。​最终​构​建成​型​的​ESP硬件​在​环​仿真平台​作为​离​线​仿真​到​原型​测试​的​中间​环节,​提高​了​仿真​精度,​能够​实现​如下​功能:

  1.   精确​地​反映​整​车​在​线性​及​非线性​范围​内的​运动​状态;
  2.   通过​硬件​在​环​仿真​对​原型​控制器​和​控制​算法​进行​测试;
  3.   基于​实验​实​测​数据​逆​变​产生​相应​的​模拟​信号,​对​控制器​中的​算法​进行​测试;
  4.   方便​地​进行​数据​存储、​分析​处理​和​显示。

ESP​硬件​在​环​仿真​平台​的​搭建,​加快​了​ESP​的​开发​进程,​降低​了​开发​成本。

 

 

2、​ESP​硬件​在​环​仿真​平台​构架

ESP​硬件​在​环​仿真​平台​由​上位​机、​下位​机、​控制器、​执行​器、​传感器​五​部分​构成。

1)   上位​机:​为​PC​机,​用于​监​控​仿真​过程,​保存、​分析​和​显示​仿真​结果。

2)   下位​机:​在​PXI​平台​上​实现,​为​实​时​操作​系统,​运行​整​车​动力​学​模型,​目前​采用​的是​15​自由​度​整​车​模型,​能​很好​地​模拟​整​车​在​制动、​驱动、​高速​转向​以及​联合​工​况​下​的​响应。

3)  控制器:​先​由​运行​着​ESP​控制​算法​的​cRIO​平台​作为​快速​原型,​算法​被​验证​合格​后​再​将​程序​移植​到​单​片​机​中。​控制器​上​运行​ESP​控制​算法,​执行​对​车辆​的​反馈​控制。

4)   执行​器:​为​液压​控制​单元、​制动​管路​以及​制动​器,​用于​实现​对​轮​缸​的​增减​压。

5)   传感器:​为​压力​传感器,​获取​各个​轮​缸​以及​主​缸​的​压力​值,​并​将​压力​信号​传给​控制器​和​下位​机。

此外,​上位​机、​下位​机​和​控制器​三者​通过​网络​互​连​交互​数据,​上位​机​对​仿真​过程​的​状态​监​控​通过​使用​LabVIEW​提供​的​网络​共享​变量​技术​实现,​其它​信号​通过​信号​线​在​硬件​平台​间​传递。​ESP​仿真​平台​结构​简​图​见​图​1。

 

启动​仿真​后,​下位​机​以​1ms​的​运算​周期,​根据​上位​机​传过来​的​道路​状况、​驾驶​员​输入、​压力​传感器​信号​和​整​车​模型​运算​出​车辆​的​各个​状态​参数,​输出​车辆​运行​中的​各种​参数​给​控制器​和​上位​机;​控制器​运行​ESP​控制​算法​根据​这些​信号​的​运算​结果​实现​对​车辆​运动​实际​和​名义​状态​的​判断,​并​控制​节​气门​和​液压​控制​单元​动作,​从而​实现​主动​控制;​传感器​将​轮​缸​压力、​加速​踏板、​制动​踏板​等​信号​再​输出​给​下位​机​和​控制器。​如此,​ESP​硬件​在​环​仿真​平台​构成​了​一个​闭​环​控制​系统。

 

 

ESP​硬件​在​环​仿真​平台​主要​包括​两​个​核心​算法:

1)         整​车​动力​学​模型:​仿真​运算​的​核心​部分,​由​LabVIEW​的​仿真​模​块​编写,​运行​在​PXI​平台​上。​这里​采用​的是​课题​组​开发​的​15​自由​度​整​车​动力​学​模型​见​图​2。​这​15​个​自由​度​分别​是:​悬​上​质量​3​个​平​动​自由​度、​3​个​转动​自由​度、​4​个​轮子​的​上下​跳动​自由​度​和​转动​自由​度、​转向​系统​的​非线性​1​个​自由​度。​仿真​运算​中​还​加入​了​发动​机​模型、​传​动​系统​模型、​转向​系统​模型、​悬​架​模型、​轮胎​模型​等等,​综合​完成​了​对​整​车​运动​的​仿真。​经过​与​实​车​实验​数据​对比,​15​自由​度​的​整​车​动力​学​模型​能​很好​地​反映​车辆​在​线性​及​非线性​范围​内的​动力​学​特征。

 

2)         控制​算法​是​一种​基于​状态​的​反馈​控制​的​算法,​运行​在​cRIO​平台​上。​为​方便​程序​移植,​控制​算法​采用​LabVIEW​通用​的​逻辑​模​块​搭建,​采取​状态​机​的​整体​结构,​方便​程序​的​不断​更新​和​完善。

 

3、​ESP​硬件​在​环​仿真​平台​硬件​设计

ESP​硬件​在​环​仿真​平台​硬件​主要​包括​上位​机、​下位​机、​控制器、​执行​器、​传感器​五​部分,​这里​主要​说明​下位​机、​控制器​和​执行​器​的​构​建。

  1. 1 下位机

下位​机​在​PXI​平台​上​实现,​运行​整​车​动力​学​模型​算法。​下位​机​主要​完成​以下​功能:

1)         计算​车辆​运动​状态;

2)         采集​传感器​信息;

3)         提供​相关​信号​给​控制器。​主要​有​制动​信号,​主​缸​压力​信号,​四​个​轮​速​信号,​方向​盘​转​角​信号,​横​向​加速度​信号,​横摆​角速度​信号;

4)         通过​CAN​总​线​接收​控制器​发出​的​发动​机​控制​指令,​从而​控制​发动​机​模型​的​输出​扭矩。

 

PXI​平台​实现​上述​功能​的​方式​如下:

1)         通过​仿真​模​块​搭建​的​整​车​模型​来​计算​车辆​运动​状态;

2)         通过​M​系列​数据​采集​卡​PXI-6229​的​模拟​输入​功能​采集​主​缸​和​各个​轮​缸​的​压力​信号​以及​制动​信号;

3)         通过​模拟​输出​模​块​PXI-6722​的​模拟​输出​功能​输出​电压​来​表示​方向​盘​转​角、​横​向​加速度、​横摆​角速度​以及​通过​压​频​转换​模​块​将​电压​转换​成​对应​的​频率​信号​来​模拟​四​个​轮​速​信号​的​输出;

4)         通过​高速​CAN​接口​卡​PXI-8461​接收​和​发送​CAN​总​线​信号。

 

  1. 2 控制器

控制器​先​由​cRIO​平台​作为​快速​原型,​执行​ESP​控制​算法,​通过​模拟​输入​模​块​NI-9205​采集​模拟​电压,​得到​各个​传感器​的​输出​信号。​通过​数字​输入​输出​模​块​NI-9403​的​输入​功能​来​获取​制动​信号​和​轮​速​信号,​通过​NI-9403​的​数字​量​输出​功能​来​控制​液压​控制​单元​的​动作。​通过​高速​CAN​接口​模​块​NI9853​接收​和​发送​CAN​总​线​信号。

  1. 3 执行器

执行​器​上​的​液压​控制​单元​采用​Bosch​的​ESP8.0​的​液压​控制​单元。​制动​系统​采用​金杯​客车​的​制动​管路​和​制动​器。​整个​ESP​硬件​在​环​仿真​平台​搭建​在​金杯​客车​上,​并​对​金杯​客车​的​制动​管路​进行​了​改造,​安装​了​压力​传感器​和​液压​控制​单元。

 

图​3​为​ESP​混合​仿真​试验​台​外观。​图​4​为​试验​台​内部​结构。​其中,​上位​机​为​蓝色​方框​圈​定,​连接​有​显示​器。​下位​机​由​红色​方框​圈​定​所​示。​控制器​cRIO​由​黄色​方框​圈​定。​上位​机、​下位​机​与​控制器​间​连接​有​网​线。​由​图​可见,​由​PXI​和​cRIO​硬件​搭建​的​硬件​在​环​仿真​平台​的​结构​非常​紧凑,​占地​面积​小。

 

4、​ESP​硬件​在​环​仿真​平台​软件​设计

ESP​硬件​在​环​仿真​平台​软件​分为​三​个​部分:​上位​机​程序、​下位​机​程序、​控制器​程序。​图形​化​编​程​语言​LabVIEW​的​独特​优势​为​系统​软件​的​快速​开​发现​提供​了​极大​的​推动​力:

1)         提供​的​丰富​图形​控​件,​以及​图形​化​编​程​方法,​是​开发​过程​形象​生动​起来;

2)         采用​的​数据​流​模型​能够​自动​实现​多​线​程​并行​处理​并行​处理,​大大​缩减​了​软件​开发​周期;

3)         使用​状态​机​设计​模式,​使​各​部分​程序​便于​于​进行​升级​和​维护;

4)         易​于​使用​的​网络​共享​变量​简化​了​网络​编​程​部分​的​开发​工作,​极​快​地​实现​了三​部分​程序​的​数据​交互​交互​数据​所需​的​开发​工作;

5)         安装​了​驱动​NI-​DAQmx​后,​丰富​的​范​例​程序​极​具​参考​价值,​易​于​实现​所需​的​数据​采集​和​数据​输出​功能,​确保​了​下位​机​和​控制器​之间​的​可靠​数据​交互。

ESP​硬件​在​环​仿真​平台​的​软件​整体​流程​见​图​5。

 

       4.1 上位​机​监​控​程序

1)         上位​机​监​控​程序​主要​分为​两​个​部分,​仿真​过程​监​控​和​查看​仿真​数据。​仿真​过程​监​控,​包括​参数​调​用、​仿真​控制、​参数​实​时​监​控、​仿真​过程​中​驾驶​员​输入​等​功能。​并且​可以​对​仿真​模式、​换档​策略、​仿真​时间、​初始​状态、​路面​附着​等​进行​配置。​方便​灵活​地​实现​各种​情况​的​仿真。​仿真​过程​监​控​界面​见​图​6。

2)         查看​仿真​数据​部分,​可以​观察​对比​仿真​数据、​仿真​过程​中​车辆​运动​回​放、​数据​保存​和​调​用。​查看​仿真​数据​界面​见​图​7。

 

图​6​所​示​曲线​为​对​开​路面​驱动​防滑​系统​起作用​的​情况​下​的​仿真​过程。

 

图​7​所​示​的​曲线​为​对​开​路面​驱动​防滑​系统​起作用​的​情况​下​的​轮​速​车速​曲线。​可以​观察​仿真​过程​中​70​个​参数​的​变化​曲线。​可以​保存​和​调​用​仿真​数据,​可以​通过​点​击​右下方​的“仿真​回​放”按键,​图像​化​显示​车辆​运行​轨迹。

 

图​8​是​一个​双​移​线​的​仿真​回​放,​记录​实​车​试验​的​转向​角​的​信息,​将​这些​信息​在​仿真​过程​中,​按照​实际​的​时间​间隔​输入​给​系统。​仿真​得到​车辆​的​响应​情况。

 

       4.2 下位​机​仿真​程序

下位​机​仿真​程序​在​PXI​平台​上​运行,​包括​整​车​模型​运算,​监测​驾驶​输入,​端​口​输入​输出,​仿真​数据​记录​四​个​部分。​在​仿真​过程​中,​下位​机​以​1ms​为​周期​通过​数据​采集​卡​采集​主​缸​和​4​个​轮​缸​的​压力​信号,​从而​计算​车辆​受​力,​得到​车辆​运动​状态。​并​将​状态​参数​通过​数据​采集​卡​输出​给​控制器。​同时,​下位​机​将​车辆​运动​状态​参数​以​10ms​为​周期​将​数据​保存​在​下位​机​内存​中,​仿真​结束​后​上​传​到​上位​机,​并且​以​10ms​为​周期​不断​检测​上位​机​所​发出​的​控制​信号,​比如​转向​信号、​换档​信号、​油​门​信号​等。​正是​由于​LabVIEW​采用​数据​流​模型,​能​自动​实现​多​线​程​的​并行​处理,,​使得​复杂​的​功能​得以​快速​实现。

 

       4.3 控制器​程序

控制器​上​运行​ESP​核心​控制​算法。​控制器​通过​接收​各种​传感器​的​信号,​判断​车辆​状态​是否​为​危险​工​况,​如果​检测​到​危险,​就​会​输出​控制​指令​给​执行​器,​通过​电机​和​电磁​阀​的​动作​来​对​制动​系统​进行​主动​干预,​同时​通过​CAN​总​线​发送​指令​给​发动​机​系统,​控制​车辆​驱动,​从而​化解​危机。​控制器​首先​采用​NI​公司​的​cRIO​硬件​平台​作为​快速​原型,​验证​合格​的​算法​将​移植​到​我们​开发​的​ESP​控制器​上。

5、​ESP​硬件​在​环​仿真​平台​精度​验证

比对​ESP​硬件​在​环​仿真​平台​的​仿真​结果​与​实​车​试验​结果,​可以​统计​得出​仿真​平台​的​测试​精度。​在​ESP​硬件​在​环​仿真​平台​上​可以​进行​多种​仿真​测试,​例​包括:

1)       通过​蛇形​试验​检验​车辆​转向​响应​的​仿真​精度;

2)       通过​稳​态​转向​试验​验证​车辆​转向​特性​的​仿真​精度

3)       通过​双​移​线​试验​检测​仿真​横​向​精度;

4)       通过​ABS​试验​检测​仿真​纵​向​精度​等。

以​ABS​试验​为​例,​进行​了​中华​尊​驰​轿车​在​低​附、​强​制动,​ABS​作用​下​的​ESP​硬件​在​环​仿真。​低​附​ABS​起作用​时​轮​速​仿真​结果​见​图​10,​图​中​红色​和​蓝色​曲线​为​两​后​轮​轮​速​的​实​车​试验​数据,​绿色​和​黑色​曲线​为​两​后​轮​轮​速​的​仿真​数据。​仿真​结果​与​实​车​试验​数据​相比​得出:​纵​向​加速度​的​偏差​在​5%​以内,​对​各​制动​轮​的​压力​干预​体现出​完全​相同​的​特征。​表明​仿真​结果​与​实​车​试验​结果​基本​吻合,​仿真​平台​精度​能够​满足​动力​学​分析​要求,​能够​用于​指导​ESP​控制​算法​的​研发。

 

结论

依托​NI​公司​的​强大​的​图形​化​编​程​语言​LabVIEW,​结合​先进​的​PXI​和​cRIO​硬件​平台,​我们​在​很短​的​时间​内​快速​搭建​完成​了​可靠​的​ESP​硬件​在​环​仿真​平台。​该​平台​可以​将​ESP​控制器​放在​仿真​回路​中,​方便​对​控制器​中​运行​的​ESP​核心​控制​算法​进行​高​精度​的​测试。​ESP​硬件​在​环​仿真​平台​的​快速​搭建​完成,​极大​地​加快​了​ESP​控制​算法​的​开发​速度,​缩短​了​算法​的​开发​周期。

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作者​信息:

李 红志
​清华大学

​ ​Our system consists of a PC as the host computer, a PXI target marked in the red frame, and a CompactRIO controller marked in the yellow frame ​
​ ​Jinbei Van ​
​ ​User Interface for Viewing Host Data ​