作者：黃鶴 合肥工業(yè)大學(xué) 

應(yīng)用領(lǐng)域：控制與仿真 
 
挑戰(zhàn)：研發(fā)EHB控制器的關(guān)鍵點(diǎn)在于通過(guò)大量測(cè)試實(shí)驗(yàn)掌握?qǐng)?zhí)行元件的工作性能，在模擬環(huán)境下有效地進(jìn)行參數(shù)仿真、軟件仿真，減少實(shí)際路面測(cè)試帶來(lái)的困難，并開(kāi)發(fā)基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的混合仿真平臺(tái)，在不同虛擬環(huán)境下由駕駛員產(chǎn)生的的實(shí)際操縱動(dòng)作對(duì)EHB快速原型的控制器進(jìn)行功能驗(yàn)證和逼真的產(chǎn)品性能演示。
 
應(yīng)用方案：利用LabVIEW構(gòu)建輪缸壓力測(cè)控系統(tǒng)，在大量測(cè)試試驗(yàn)的基礎(chǔ)上選擇合適的PWM載波頻率和占空比控制EHB系統(tǒng)的高速開(kāi)關(guān)電磁閥，滿足對(duì)輪缸壓力控制的要求；通過(guò)NI PXI-8464 CAN總線接口卡以及NI PXI-6289數(shù)據(jù)采集卡完成硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)中方向盤(pán)、電子油門(mén)、制動(dòng)踏板、輪缸壓力等數(shù)據(jù)采集和通訊；由NI PXI-7851R FPGA板卡完成控制器的快速原型，滿足嚴(yán)格的實(shí)時(shí)性需要；在Veristand軟件平臺(tái)上，聯(lián)合在DYNAware軟件中生成的實(shí)時(shí)車輛模型，大大縮短了混合仿真系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)周期和應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)成本。
 
使用的產(chǎn)品：
LabVIEW Professional Developmet System for Windows 2009,SP1
LabVIEW FPGA Module 2009,SP1
LabVIEW Real-Time Module 2009,SP1
NI Veristand 2009
LabVIEW PID and Fuzzy Logic Toolkit 2009
NI PXI-1042Q 8-Slot 3U機(jī)箱
NI PXI-8196 2.16 GHz Intel Core 2 Duo T7400 實(shí)時(shí)控制器
NI PXI-7851R 可編程FPGA芯片
NI PXI-8464/2 CAN 總線接口卡
NI PXI-6289M高精度多功能M系列數(shù)據(jù)采集(DAQ)板卡

介紹:
    在過(guò)去的二十年里，電子設(shè)備在汽車工業(yè)得到廣泛應(yīng)用，今天的汽車已經(jīng)進(jìn)入了電子技術(shù)的時(shí)代。隨著人們對(duì)汽車制動(dòng)性能的要求越來(lái)越高，線控制動(dòng)系統(tǒng)（brake-by-wire）應(yīng)運(yùn)而生，電子液壓制動(dòng)EHB可以借鑒ESP系統(tǒng)的成熟經(jīng)驗(yàn)，對(duì)原有的液壓系統(tǒng)不做大的改變，由電子系統(tǒng)提供柔性控制，液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力，是機(jī)電液一體化的高新技術(shù)產(chǎn)品，受到了廣泛的關(guān)注。作為開(kāi)放的線控控制系統(tǒng)，配備了傳統(tǒng)ESP系統(tǒng)中沒(méi)有的輪缸壓力傳感器，可以實(shí)現(xiàn)精確的壓力控制，在高壓蓄能器的作用下滿足四通道獨(dú)立控制的要求，因此提升了ABS、ASR、ESP的工作性能。為了加速包括硬件和軟件在內(nèi)的控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，一些成熟的仿真測(cè)試、快速原型方法和工具是必不可少的。圍繞EHB液壓系統(tǒng)的新型特點(diǎn)，結(jié)合先進(jìn)的車輛動(dòng)力學(xué)仿真軟件DYNAware，在NI公司提供的一系列產(chǎn)品的幫助下通過(guò)硬件在環(huán)試驗(yàn)進(jìn)行深入的控制研究，減小了時(shí)間和經(jīng)費(fèi)的的開(kāi)銷，為今后的產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)提供堅(jiān)實(shí)的研究基礎(chǔ)。

正文： 
1、 基于 LabVIEW 的輪缸壓力測(cè)試系統(tǒng)

    受高速開(kāi)關(guān)閥電磁鐵的響應(yīng)能力及閥芯運(yùn)動(dòng)時(shí)間的影響，實(shí)際的閥芯響應(yīng)不能完全跟隨脈寬信號(hào)的變化，脈沖調(diào)制周期和占空比對(duì)其影響很大。因此需要搭建如左圖所示的測(cè)試平臺(tái)，在不同的載波頻率下得到不同的增減壓力曲線。綜合考慮控制的快速性和有效的占空比調(diào)節(jié)范圍選擇合適的載波頻率。
    數(shù)據(jù)采集卡的輸出電壓為 5V 電壓，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路放大為 12V 的 PWM 信號(hào)控制電磁閥。液壓控制單元里的輪缸壓力傳感器信號(hào)通過(guò)放大電路轉(zhuǎn)換為 0～5 電壓信號(hào)供數(shù)據(jù)采集卡采集。右圖為載波頻率為 100HZ 下的增壓特性曲線，當(dāng)占空比小于 15 或大于 89 時(shí)由于電磁閥的死區(qū)和飽和效應(yīng)電磁閥無(wú)動(dòng)作。LabVIEW 幫助我們?cè)诙虝r(shí)間內(nèi)搭建這樣的測(cè)試系統(tǒng)，確定 PWM 信號(hào)合適的載波頻率。

2、 駕駛員混合仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)總體構(gòu)造
    硬件結(jié)構(gòu)如下圖所示，在原博世 ESP8.0 HCU 基礎(chǔ)上增加高壓蓄能器、高壓泵電機(jī)等元件，改造成 EHB 液壓控制單元。混合仿真平臺(tái)存在兩個(gè)回路。一個(gè)是信號(hào)的回路，PXI-8464 接受轉(zhuǎn)角傳感器的 CAN 總線信號(hào)，PXI-6289 采集踏板行程傳感器、改造的液壓控制單元中四個(gè)輪缸壓力傳感器信號(hào)和高壓蓄能器中的壓力傳感器信號(hào)。上述信號(hào)傳送給 PXI-8196 中實(shí)時(shí)運(yùn)行的車輛模型。實(shí)時(shí)模型給出的控制信息通過(guò) DMA 方式傳送給 PXI-7851R，根據(jù)自定義的 I/O 接口控制 HCU 單元中的電磁閥、泵電機(jī)，完成閉環(huán)。另一路是駕駛員的回路，即駕駛員觀察顯示器中車輛的三維動(dòng)畫(huà)通過(guò)駕駛員操縱單元中的方向盤(pán)和油門(mén)、剎車踏板控制車輛。NI 公司的一系列硬件產(chǎn)品為搭建這樣一個(gè)混合仿真實(shí)驗(yàn)提供了強(qiáng)有力的保證。

       
    基于 LabVIEW 和 VeriStand 開(kāi)放式的開(kāi)發(fā)環(huán)境的軟件架構(gòu)如上圖所示。LabVIEW 作為客戶端調(diào)用DYNAanimation 車輛三維動(dòng)畫(huà)顯示軟件的 ActiveX 控件實(shí)現(xiàn)顯示功能。通過(guò) VeriStand VI 中 Workspace VI 實(shí)現(xiàn)Workspace與 LabVIEW 的數(shù)據(jù)交換。VeriStand 兼容用戶自定義的 FPGA I/O 接口，利用 FPGA 靈活高效的特點(diǎn)在無(wú)需改變硬件配置的情況下完成控制器的快速原型。
 
3、車輛實(shí)時(shí)模型的建立
3.1、Tesis DYNAware的車輛模型
    NI VeriStand 支持第三方軟件 DYNAware 生成的模型文件。DYNAware 是 Tesis 公司開(kāi)發(fā)的一款全面高效的車輛動(dòng)力學(xué)仿真軟件，從電腦上的汽車概念設(shè)計(jì)，到汽車動(dòng)力學(xué)控制器與硬件結(jié)合的硬件在環(huán)試驗(yàn)環(huán)境，都可以通過(guò)其達(dá)到很好的效果，仿真結(jié)果可以通過(guò) DYNAanimation 軟件在顯示器上實(shí)時(shí)顯示。在德國(guó)幾乎所有的汽車制造商都在使用 DYNAware 的產(chǎn)品，世界范圍內(nèi)也非常流行，基于不同的需求為生產(chǎn)廠家和零部件供應(yīng)商提供了適當(dāng)?shù)姆抡孳浖�包。通過(guò)在圖形化界面中設(shè)置參數(shù)，簡(jiǎn)潔直觀地完成建模。建模對(duì)象包括整車尺寸、輪胎、前后軸、懸架、發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系、空氣動(dòng)力學(xué)等模型，可以建立多達(dá)幾十個(gè)自由度的車輛動(dòng)力學(xué)模型，很好地反應(yīng)車輛在各種工況條件下的動(dòng)力學(xué)特性。

3.2、EHB 控制器模型
    EHB 控制器模型首先接受車輛模型傳來(lái)的縱向加速度和輪速，估計(jì)參考車速。同時(shí)接受方向盤(pán)轉(zhuǎn)角，橫擺角速度、側(cè)向加速度，利用估計(jì)的參考車速估計(jì)質(zhì)心側(cè)偏角。汽車穩(wěn)定行駛時(shí)，目標(biāo)制動(dòng)力矩與制動(dòng)踏板位移成比例關(guān)系。汽車失穩(wěn)時(shí)，EHB 系統(tǒng)主要的控制對(duì)象是汽車的橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角。其中橫擺角速度控制模塊采用 PD 控制方法，控制實(shí)際橫擺角與理想二自由度橫擺角之間的偏差，輸出為目標(biāo)制動(dòng)力矩。質(zhì)心側(cè)偏角控制采用門(mén)限值控制方法，根據(jù)超出門(mén)限的程度施加制動(dòng)力矩。根據(jù)車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)協(xié)調(diào)上述三種模式下的輸出量得到目標(biāo)制動(dòng)力矩。調(diào)用制動(dòng)力矩—輪缸壓力模塊，計(jì)算出目標(biāo)輪缸壓力，再轉(zhuǎn)入開(kāi)關(guān)電磁閥數(shù)字 PID 控制模塊，輸出電磁閥的占空比。此外，根據(jù)高壓蓄能器設(shè)定壓力及 HCU 的工作狀態(tài)輸出泵電機(jī)的占空比，控制框圖如下圖所示：

EHB 控制器模型 

    EHB 控制器模型在 Simulink/Stateflow 環(huán)境下建模，與上述 DYNAware 中模型實(shí)現(xiàn)無(wú)縫集成。模型采用固定步長(zhǎng)常微分方程求解器，通過(guò) Real-Time Workshop 轉(zhuǎn)化為 VeriStand 支持的 dll動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)文件。 
 
4、配置 VeriStand
    在 System Explorer Window 中導(dǎo)入模型文件，對(duì) Primary Control Loop 的實(shí)時(shí)仿真速度進(jìn)行調(diào)整，設(shè)置周期為 100μsec，則 Model Execution Loop 的周期為 1ms，滿足車輛實(shí)時(shí)仿真的需要。通過(guò)分配處理器資源，Veristand 能充分發(fā)揮雙核處理器的并行處理性能，提高實(shí)時(shí)運(yùn)行速度。橫擺角速度是判斷汽車失穩(wěn)的重要標(biāo)志，當(dāng)理想橫擺角速度與實(shí)際橫擺角速度之差超過(guò)上下門(mén)限值時(shí)，通過(guò)報(bào)警設(shè)置以報(bào)警音的方式提示駕駛員。

VeriStand 的配置 

    通過(guò)菜單界面完成對(duì) NI-CAN、NI-DAQ 的通道設(shè)置，大大減小了程序的開(kāi)發(fā)工作量，提高了開(kāi)發(fā)效率。在Stimulus Profile Editor 中設(shè)置 Logging file，可以對(duì)橫擺角速度、質(zhì)心側(cè)偏角、輪缸壓力等進(jìn)行保存。TDMS文件格式讀取快速，作為一種測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域的通用數(shù)據(jù)文件格式，非常適合車輛狀態(tài)參數(shù)的保存。

VeriStand 與 DYNAanimation 的連接 

    上面的循環(huán)通過(guò) Workspace VI 啟動(dòng) VeriStand，獲取通道數(shù)據(jù)包括 Simulation Time、Animation Data、Display Data。下方的循環(huán)利用 ActiveX 控件將動(dòng)畫(huà)和顯示數(shù)據(jù)傳送給 DYNAanimation。

通過(guò) ActiveX 方法控制 DYNAanimation

    DYNAanimation 將實(shí)時(shí)仿真結(jié)果在虛擬現(xiàn)實(shí)的環(huán)境中直接現(xiàn)實(shí)出來(lái)。其中，Animation Data 數(shù)組中每十二個(gè)元素代表一個(gè)運(yùn)動(dòng)物體（如車身、輪胎）相對(duì)于大地坐標(biāo)系的位置參數(shù)。Display Data 用于界面的數(shù)據(jù)顯示，比如車速表、轉(zhuǎn)速表等。

FPGA I/O 示意圖

    液壓控制單元在改裝博世 ESP 的基礎(chǔ)上得到，四個(gè)輪缸各由兩個(gè)高速開(kāi)關(guān)閥控制，一個(gè)控制從高壓蓄能器增壓，一個(gè)控制向低壓蓄能器減壓，需 8 路 PWM 信號(hào)。2 路 PWM 輸出負(fù)責(zé)對(duì)泵電機(jī)的控制。VeriStand 中默認(rèn)的 PXI-7851R 的通道資源擁有 8 路 PWM 輸出，而這里需要 10 路 PWM 輸出。通過(guò)自定義 FPGA VI，修改VeriStand 配置文件夾中 7851R 的 fpgaconfig 文件，新增 2 路數(shù)字輸入輸出接口為 PWM 輸出，滿足應(yīng)用的需要。可見(jiàn)基于 VeriStand 的自定義 FPGA I/O 功能使混合仿真平臺(tái)具有靈活方便的擴(kuò)展性能。
 
5、仿真平臺(tái)的功能演示
5.1、駕駛員在環(huán)麋鹿測(cè)試
    在 DYNAanimation 環(huán)境下建立三維圖像文件，包括道路、標(biāo)識(shí)線、車身模型、輪胎、路障等，進(jìn)行駕駛員在環(huán)的“麋鹿”測(cè)試。在車速為 80km/h 時(shí)對(duì)比打開(kāi)穩(wěn)定性控制與關(guān)閉穩(wěn)定性控制車輛的操縱響應(yīng)。在實(shí)時(shí)仿真結(jié)束，保存錄像并進(jìn)行對(duì)比。在打開(kāi)穩(wěn)定性控制時(shí)，駕駛員可以平穩(wěn)地實(shí)現(xiàn)車輛的變線，車輛的運(yùn)動(dòng)軌跡符合駕駛員的預(yù)期，如左下圖所示。當(dāng)關(guān)閉穩(wěn)定性控制時(shí)，車輛失控跑出跑道。基于 VeriStand 構(gòu)建的駕駛員在環(huán)測(cè)試平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)逼真的產(chǎn)品演示。

5.2、利用激勵(lì)進(jìn)行正弦延遲測(cè)試
    正弦延遲測(cè)試是美國(guó)國(guó)家高速安全局（NHTSA）規(guī)定的 126 號(hào)法規(guī)，用于檢測(cè)車輛的側(cè)向穩(wěn)定性能。不同于麋鹿測(cè)試，現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)中需要通過(guò)轉(zhuǎn)向機(jī)器人完成。VeriStand 的配置實(shí)時(shí)激勵(lì)功能很好地幫助我們完成該項(xiàng)測(cè)試。試驗(yàn)在干燥、平直附著系數(shù)為 0.9 的道路上進(jìn)行，方向盤(pán)轉(zhuǎn)角進(jìn)行后半周期帶有延遲的正弦輸入，頻率為 0.7HZ，第二次波峰出現(xiàn)后有 400ms 的延遲。方向盤(pán)轉(zhuǎn)角及實(shí)驗(yàn)流程如下圖，其中 A 為 80km/h 下車輛側(cè)向加速度達(dá)到 0.3g時(shí)方向盤(pán)的轉(zhuǎn)角。

    通過(guò)實(shí)時(shí)激勵(lì)功能里的正弦函數(shù)、延時(shí)函數(shù)編制激勵(lì)文件，通過(guò)記錄功能保存橫擺角速度的變化曲線。VeriStand 大大降低了編程的復(fù)雜性，減少測(cè)試系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)時(shí)間。
 
6、總結(jié)
    利用 VeriStand我們?cè)诙虝r(shí)間內(nèi)搭建起一個(gè)功能豐富的混合仿真平臺(tái)，使我們有更多的精力投入到控制策略的研究上來(lái)；VeriStand Engine將實(shí)時(shí)測(cè)試系統(tǒng)的任務(wù)和功能在內(nèi)部進(jìn)行實(shí)施與優(yōu)化，幫助實(shí)時(shí)測(cè)試系統(tǒng)以更快的速度運(yùn)行，大大降低了應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)和維護(hù)成本；基于 FPGA的自定義 I/O設(shè)置提高了系統(tǒng)硬件的可擴(kuò)展性，通過(guò) FPGA虛擬傳感器可擴(kuò)展為基于單片機(jī)控制器的硬件在環(huán)測(cè)試平臺(tái)；總之，NI公司一系列軟件和硬件產(chǎn)品幫助我們靈活、高效、直觀地實(shí)現(xiàn) EHB混合仿真測(cè)試平臺(tái)，為產(chǎn)品的研制奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。