应用领域：针对ECU/ECM的快速
原型和硬件在环测试
基于PXI和CompactRIO的电子稳定程序(ESP)硬件在环仿真平台开发
作者：李红志
公司：清华大学汽车工程系
Tel: (021) 5050 9800
Email:https://www.doczj.com/doc/519176776.html,@https://www.doczj.com/doc/519176776.html,
基于PXI和CompactRIO的电子稳定程序
(ESP)硬件在环仿真平台开发
作者：李红志
公司：清华大学
应用领域：控制与仿真
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广泛安装，国内尚处于研发阶段。在开发过程中，实车试验具有相当的危险性，同时对场地要求很苛刻，所以需要硬件在环仿真平台。该仿真平台的成功搭建，大大加快了ESP控制算法的开发。应用方案：作者基于PXI和cRIO搭建了ESP的硬件在环仿真平台，PXI运行整车模型来模拟整车运动，cRIO运行ESP控制算法来对车辆进行控制，由上位机对仿真过程进行监控，三个设备之间通过网线连接。所采用的15自由度整车模型，由NI的仿真模块搭建，仿真周期为1ms，能有效地对车辆运动状态进行仿真。
使用的产品：
LabVIEW 8.2.1 软件开发平台
Report Generation Toolkits 报告生成工具包
LabVIEW实时模块，FPGA模块，仿真模块
PXI-1031 4槽3UPXI机箱
PXI-8106 双核2.16GHz控制器
PXI-6229 M系列采集卡
PXI-6722 AO数采卡
PXI-8461 高速CAN卡
CompectRIO-9012 嵌入式实时控制器
CompectRIO-9205 模拟输入模块
CompectRIO-9403 数字输出模块
CompectRIO-9853 高速CAN卡
介绍：
ESP是汽车主动安全领域技术的制高点，该项技术被国外大公司所垄断，国内尚处于研发阶段。在ESP研发过程中，需要大量实车试验。但是做ESP相关的试验有两大困难，一是试验具有相当的危险性，二是试验对场地要求很苛刻。所以开发硬件在环的仿真平台就成为一种迫切的需求。在对市场上常见的几种硬件在环实现设备调研之后，采用了NI公司的PXI作为下位机来搭建系统。仿真平台包括三个部分：上位机、下位机和控制器。上位机用于监控仿真过程，分析保存实验数据。下位机由PXI实现，为实时系统，运行车辆模型，目前采用的是15自由度整车模型，能很好地模拟汽车在制动、驱动、高速转向以及联合工况下的响应。控制器上运行控制算法，对车辆进行相关控制，先用cRIO作为快速原型，之后将程序移植到单片机。该仿真平台对加速ESP控制器的算法开发有重大作用。
正文
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。在车辆运行过程中，ESP控制器不断检测车辆运动状态，一旦发现危险，就迅速由控制器发出指令给制动系统和发动机，通过主动干预，从而化解危险。ESP技术能显著降低交通事故发生率，丰田公司对100万例驾驶事故进行了分析研究，结果表明使用ESP后驾驶事故减少了
35%，其中严重人身伤害的数量降低了50%。
ESP已经成为汽车电子产品中的关键高新技术产品，从全球来看，ESP有望成为汽车法定配置，国际上ESP逐渐成为汽车的标准配置，如美国高速公路交通管理局规定在2011年以前4.5吨以下的汽车必须安装ESP。
ESP的开发过程中，需要大量的测试实验。进行测试实验有两点困难，一是实验具有相当的危险性，二是试验对场地要求很苛刻。硬件在环仿真平台能代替大部分基础性测试，所以开发硬件在环仿真平台成为迫切需求。
本课题组长期从事汽车稳定性控制领域的研究。所开发的制动防抱死系统已经实现了产业化，现在正在大力推进ESP的研发。并且与沈阳华晨公司签订了ESP的预研项目合同。本硬件在环仿真平台就是该项目的一部分。
本方案是通过深入调研，主要考虑性能、价格、易实现性等方面之后，最终选择了NI公司的PXI和cRIO方案来进行系统搭建。主要调研了XPC方式、PXI系统、dSpace系统。XPC方式费用较低，但是使用不够方便，dSpace系统价格远远高于PXI系统，然而两者性能差别不是很大。
2、系统构架
ESP硬件在环仿真平台从硬件上看由上位机、下位机、控制器、执行器、传感器五部分组成。
上位机用于监控仿真过程，分析和保存仿真结果。下位机运行车辆模型，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。控制器运行控制算法，对车辆运动进行相关控制。执行器为液压控制单元、制动管路以及制动器。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。从而形成一个闭环系统。仿真平台结构图如下。
仿真平台结构图
上位机、下位机和控制器三者通过网线连接，上位机对仿真过程的监控通过共享变量来实现。
3、系统硬件设计
用PXI运行整车模型，模拟车辆的运动响应，提供给控制器相关的信号。实车试验时，控制器所获取的信号有：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。另外，控制器还需要通过CAN和发动机控制系统进行通讯，从而控制发动机的输出扭矩。PXI要能完成上述功能，并且需要采集压力传感器信号，从而计算车辆运动状态。
PXI通过M系列数采卡PXI-6229的模拟量输入功能来采集主缸和各个轮缸的压力信号，用PXI-6229的数字量输入功能采集制动信号。采用PXI-6722的模拟量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。用PXI-6722输出4个模拟电压，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。另外实车上的CAN通讯通过PXI-8461和NI9853来实现。
控制器方面，用cRIO做快速原型时，通过NI-9205来采集模拟电压，得到各个传感器的值。通过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电机和电磁阀的动作。
在执行器方面，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。仿真平台搭建在金杯客车上，对金杯客车的制动管路进行了改造，安装了压力传感器，安装了HCU。
上图为试验台照片，上位机为PC机，连接显示器，用于对仿真进行监控。下位机为PXI，上图中红色方框部分，用于仿真车辆运动。控制器为黄色方框部分，用于运行控制算法。通过控制器下方的工控机机箱内的线路连接进行数据交互。
4、系统软件设计
软件上，通过共享变量来控制仿真试验的开始和结束，用全局变量记录下位机中的数据，然后通过网络上传到上位机。三部分程序都采用状态机方式，方便软件进行升级和维护。总的软件结构如下。
4.1 上位机监控软件
上位机监控软件主要分为两个部分，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。方便灵活得实现各种情况的仿真。
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。
4.1.1 仿真过程控制界面如下
图示曲线为对开路面TCS起作用的情况下的仿真过程。TCS控制程序在C167单片机的控制器中运行。
4.1.2 上位机数据查看界面
图示曲线为对开路面TCS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。
4.1.3 仿真过程回放界面
上图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 下位机仿真软件
下位机运行整车模型，采用了15自由度整车模型。这15个自由度分别为：车辆纵向、横向、垂向的平动和转动这6个自由度，四个车轮的转动和垂向平动8个自由度，转向系统的1个自由度。
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。正是这种方便的并行结构的实现，使得复杂的功能得以很方便地实现。
4.3 控制器软件
控制器上运行的为ESP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通讯发指令给发动机管理系统，控制车辆驱动，从而化解危机。考虑试验台的兼容性，控制器部分可以采用NI公司的cRIO作为控制器，可以采用我们开发的第一代的ESP控制器（主控芯片为C167），也可以采用我们开发的第二代的ESP控制器（主控芯片为XC164）。
5、仿真结果
将仿真结果与实车试验结果相对比，发现吻合得很好，说明该硬件在环的仿真平台能有效地对车辆运动状态进行仿真。该仿真平台的搭建，大大加速了ESP控制算法的开发。
上图为在某种参数下测试ABS功能的一组轮速数据，和实车试验结果很类似。说明仿真平台精度很高。
结论：
基于PXI和cRIO搭建了ESP硬件在环仿真平台。平台可以将控制器放在仿真回路中，方便对控制器中的算法进行测试。仿真试验台的搭建，大大提高了ESP控制算法的开发速度。课题组的目标是尽快实现ESP的产业化，合作厂家武汉元丰已经开始批量生产ABS系统，ESP的HCU的研制也有重大突破。课题组与沈阳华晨的ESP合作开发项目也正在顺利进行。