钟嘉鸣11508汽车ESP硬件在环仿真试验台搭建Word文档下载推荐.docx
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1.1.1汽车电子产品的开发方法与硬件在环仿真1
1.1.2车身电子控制与汽车主动安全的发展与研究2
1.1.3本文研究的主要内容2
1.2硬件在环仿真基础理论2
1.2.1硬件在环仿真的概念3
1.2.2硬件在环仿真的开发背景与优点3
1.2.3硬件在环仿真的形式及组成部分4
1.3汽车防抱死制动系统（ABS）6
1.3.1ABS的基本工作原理6
1.3.2ABS硬件在环仿真的实现8
1.4汽车电子稳定性程序（ESP）9
1.4.1ESP的基本工作原理9
1.4.2ESP硬件在环仿真的实现方法10
1.5本文研究内容14
第2章试验台的硬件建设15
2.1试验台硬件系统总体方案15
2.1.1ABS/ESP的比较15
2.2.2ESP的硬件在环仿真实验台方案15
2.2Dspace实时仿真系统15
2.3液压控制单元17
2.4制动系统与操纵系统18
2.5传感器18
2.6信号采集电路20
2.6.1限幅电路20
2.6.2滤波电路21
2.6.3隔离电路21
2.6.4信号采集电路22
2.7实验台架22
2.8其他硬件24
第3章试验台的软件建设25
3.1车身二自由度操纵稳定性数学模型25
3.2车辆两轮三自由度直线行驶数学模型29
3.2.1车身模型29
3.2.2轮胎模型31
3.2.3动力传动系模型32
3.2.4车辆两轮三自由度数学模型35
3.3车辆四轮七自由度数学模型35
3.3.1车身模型36
3.3.2轮胎模型42
3.3.3动力传动系模型44
3.3.4制动器模型46
3.3.5车辆四轮七自由度数学模型46
第4章仿真结果分析48
4.1基于Matlab/Simulink的离线仿真48
4.1.1模型参数设定48
4.1.2油门控制车辆直线加减速工况仿真49
4.1.3制动轮缸压力控制车辆直线加减速工况仿真53
4.1.4转向角控制车辆稳态转向工况仿真54
4.2基于Dspace的实时仿真59
4.2.1Matlab/Simulink与Dspace的无缝连接59
4.2.2无I/O接口的实时仿真60
4.2.3有I/O接口的实时仿真63
4.2.4仿真结果分析66
第5章全文总结与工作展望67
致谢68
参考文献69
附录71
第1章绪论
1.1选题意义及背景
1.1.1汽车电子产品的开发方法与硬件在环仿真
近年来，人们对提高汽车的动力性和经济性以及降低排放的呼声越来越强，同时对汽车的安全性和舒适性的要求也越来越高，这种趋势促进了汽车技术，尤其是汽车控制技术的发展。
汽车控制系统在提高汽车的动力性、经济性和降低排放以及改善汽车的安全性、舒适性等方面发挥了巨大的作用[1]。
图1-1V字循环周期
在汽车的发展，一种基于V字循环周期的方法是目前普遍使用的。
下图描述了V字循环周期的各个阶段中使用的方法[2]。
新的开发流程符合国际汽车行业标准，可以结合现有的测试系统构成统一的从开发到标定的一体化方案。
V模式中ECU硬件在环仿真环节是非常关键的一环,利用它可以大大缩短ECU的开发周期和减少所花的经费[3]。
（1）功能设计：
发展控制功能和算法，并且对仿真车辆进行功能测试（软件在环仿真）
（2）快速控制原型设计：
在实际的车辆或者试验台中测试开发的功能
（3）目标代码的生成：
通过自动代码生成，为ECU中的微控制器实现设计功能
（4）应用程序/校准：
当在测试台架或者车辆上进行测试行驶时，通过调整ECU参数来对功能和算法进行微调。
本文将介绍V字设计方法中的关键步骤：
硬件在环仿真。
并展示硬件在环仿真给汽车工业带来的新的发展。
1.1.2车身电子控制与汽车主动安全的发展与研究
随着汽车工业的发展，交通事故与车祸死亡率不断上升。
于是，许多被动安全装置应运而生，如安全气囊等。
但是这些装置的保护能力是有限的。
而汽车主动安全装置，如ABS和ESP，将会在驾驶过程中辅助驾驶行为，来提高驾驶安全性[21]。
随着汽车电子安全设备的发展，交通事故和车祸死亡率随之下降，如下图：
图1-2交通事故与死亡率的变化情况[4]
1.1.3本文研究的主要内容
本文首先介绍了硬件在环仿真的概念与组成，并且对常见的车身电控系统（ABS/TCS/ESP）的概念与原理进行了讨论与对比。
然后针对汽车电子稳定性程序ESP，搭建了硬件在环仿真试验台，并进行了测试与结果分析。
1.2硬件在环仿真基础理论
硬件在环仿真在汽车领域被广泛的使用。
因为它是一个关键的概念，所以本文将首先对它进行简要说明，以作为进一步讨论的基础。
1.2.1硬件在环仿真的概念
硬件在环仿真是指将部分实际被控对象或系统部件用高速运行的实时仿真模型来代替，而控制系统则用实物（即硬件）与系统实时仿真模型连接成为一个硬件在环仿真系统（HILSS），通过仿真试验对控制系统的控制策略、控制功能及系统可靠性等进行测试和评估[1]。
1.2.2硬件在环仿真的开发背景与优点
在车辆工程历史上，半实物仿真的应用可以追溯到上世纪80年代。
首先，硬件在环仿真被广泛用于测试单个组件。
到80年代，越来愈多的电子控制单元（ECU）开始被安装在车辆上，同时ECU测试也变得越来越重要。
ECU本身是被测试的对象。
硬件在环仿真不仅在先进的工程和控制设计中被越来越多的使用，并且在生产开发过程中也是如此。
它逐渐取代了开环或者激励仿真。
硬件在环仿真允许完整的ECU网络的自动化测试。
对于功能的改善和ECU内部交流来说，这是非常具有推动作用的[5]。
硬件在环仿真具有以下优点[6]：
（1）良好的经济性。
相比于实车测试，硬件在环仿真所需的硬件设施要少很多，带来的好处就是花费减少；
（2）快速原型设计。
同样是因为所需硬件少，所以开发测试的时间减少。
（3）较高的精确度。
相比与完全的计算机仿真，硬件在环仿真仍然具有实际的硬件部分，这些硬件部分是很难用计算机模型代替的。
（4）较快的仿真速度。
使用同步工程，或ECU和车辆的同步开发，减少所需的发展时间，这一目的只能通过硬件在环仿真等方法实现。
（5）具有可重复性。
可以通过修改参数进行多次实验，例如可以进行多次冷车启动实验。
（6）较高的环保性与安全性。
对于有效地开发汽车系统和类似与极端道路条件或者高速行驶的危险环境测试来说，硬件在环仿真是一种迅速而且环保的工具[7]。
1.2.3硬件在环仿真的形式及组成部分
硬件在环仿真系统主要由三部分组成，包括系统实时仿真模型、高速接口模块和PC机监控系统。
系统实时仿真模型是整个硬件在环仿真系统的核心，其主要功能是实现系统模型的实时仿真计算；
高速接口模块充分利用其高速计算能力，可以在系统实时仿真模型和控制系统实物之间进行各种信号的传递；
PC机监控系统作为人机交互平台，既可以方便地修改系统仿真模型的参数，又能及时地监控系统实时仿真模型在控制系统实物作用下运行状态的变化情况。
硬件在环仿真系统的工作过程如下：
首先系统实时仿真模型按照用户设定的初始参数运行，同时把仿真模型的计算结果通过高速接口模块送往控制系统实物，并在PC机监控系统中显示计算结果；
控制系统实物根据接收到的系统实时仿真模型的计算结果，按照一定的控制策略计算出控制参数，然后将控制参数通过高速接口模块反馈给系统实时仿真模型，系统实时仿真模型根据控制参数改变其运行状态；
用户可以根据需要在PC机监控系统的图形用户界面上改变仿真模型的系统参数，从而实现对系统状态的控制[1]。
自80年代以来，用于实时仿真与硬件在环的软硬件系统在发展中出现了以下四种形式[3]：
（1）第一种形式是由开发人员通过购买商品化的处理器模板组成多处理器系统，自主设计专用接口模板。
软件开发采用通用软件开发工具，如C语言编译器、汇编语言编译器等，各处理器的任务由设计者分配。
（2）第二种形式是ADI公司专门为实时动态仿真设计的实时动态工作站（ADRTS），它由高速计算机和高速I/O系统组成。
ADRTS由ADI公司的仿真语言（ADSIM）支持，ADSIM不仅具有很高的执行速度，还具有在线人机对话功能，可以在不重新编译的情况下改变参数或积分算法、选择变量进行绘图和显示等。
ADRTS是一个基于VME总线分布式处理器的仿真系统，可以连接成局域网。
通信处理器（COP）在运行中像VME总线的主模板一样，为总线上所有的处理器之间的通讯服务，其主要任务是数据扩散和收集。
（3）第三种形式是xPC-Target形式，采用普通的微机作为目标机（处理器）。
MATLAB/Simulink对xPC-Target形式的支持是非常强大的，在Simulink中有常用的xPC基本模块。
这种形式对目标机原有的操作系统没有要求，这是因为xPC-Target形式采用一张xPC系统盘启动计算机，并把计算机引导到自己的操作系统（实时内核）中去。
因此原有的操作系统并不发挥作用。
当把xPC系统盘取出后,重新启动，计算机又可以进入原有的操作系统。
xPC-Target为硬件在环仿真提供了一些有利的工具，可以实现多数的硬件在环仿真所需要的功能，但是xPC-Target形式的部分硬件和实验软件都需要自己来选型和开发。
（4）第四种形式是dSPACE公司生产的面向实时仿真和高速I/O处理的硬件系统。
dSPACE系统是一套基于MATLAB/Simulink的控制系统开发及测试的工作平台，实现了和MATLAB/Simulink的完全无缝连接。
dSPACE实时系统拥有高速计算能力的硬件系统（包括处理器、I/O等）及方便易用的实时代码生成/下载和实验/调试的软件环境。
由于dSPACE系统具有前面三种形式所不能比拟的优点：
组合性强、过渡性好、对产品实时控制器的支持性强、基于PC机WINDOWS操作系统、实时性好、可靠性高。
所以，本文所用到的硬件在环仿真实验方法优先考虑dSPACE方案。
作为硬件在环仿真的重要组成部分，汽车模型是关键部分。
硬件在环仿真中的汽车模型包含以下几部分[5]：
1）动力总成模型。
仿真平台的动力子系统模块包括发动机模型和传动系统模型。
传动系统模型又包括离合器、变速器或者变矩器、分动器、差速器等。
硬件在环仿真平台要求这个动力总成模型是可以变化的（比如前驱、后驱、全驱等），以适应不同车型的仿真需要。
2）车身动力学模型。
常用的车身动力性汽车模型有10自由度、11自由度和15自由度三种。
自由度越大，仿真效果越好，但同时模型的复杂程度和对模型的精确度要求就越高。
同时，为了更好地满足试验台通用性的要求，这里建立15个自由度的车身动力学模型。
15自由度的车身动力学模型包括车体6个、悬架垂直运动4个、车轮转速4个以及转向1个自由度。
3）悬架的动力学与运动学模型。
悬架可以基于他们的几何设计的数据或者表来在运动学上实时计算。
由几何模型建立的悬架通常会更复杂，但是一旦所有的参数化设计可用的话将会有更大的优势。
而通常悬架不是这样描述的，而是由映射表进行描述，包括前束、外倾和后倾角，以及轮毂的位子。
这些都将作为车轮的函数。
表中的数据是由轴试验台或者运动学仿真计算而来。
运动学仿真使用得更加频繁。
4）轮胎模型。
一些常见的模型是一些易于使用的模型以及魔术方程以及Delft-Tire模型。
后者无疑是最广泛使用的,它有所有主要的轮胎制造商供应的数据集。
但是魔术公式更为简洁。
5）转向系模型。
转向模型也是必不可少的。
模型应该采取干预措施,电动助力转向（EPAS）也将考虑在内。
6）液压制动模型。
实际的硬件在环仿真测试需要液压制动系统。
还需要供应基本的传感器参数：
排气泵、预充泵、和螺线管阀门。
它主要是由简单变量孔（如通过液压蓄能器、阀门）来实现的，这些孔是由一些液压储能装置耦合在一起的（如车轮制动缸、阻尼）。
硬件在环仿真大多都忽略了液压电容和气蚀等影响。
7）驾驶员模型。
驾驶员模型包含一个周期驾驶，它可以按照一定的速度图。
还有横向控制器，它可以通过转向干涉来指导车辆行驶。
最佳纵向速度适应也使用路预览,确保横向加速度在路上保持在允许范围内。
8）道路描述。
道路轮廓通常是由直线，圆弧，回旋和样条曲线段表示。
每个段都有摩擦系数，这些参数需要通过一个图形用户界面使其可以方便地输入。
1.3汽车防抱死制动系统（ABS）
1.3.1ABS的基本工作原理
ABS防抱死制动系统，通过安装在车轮上的传感器发出车轮将被抱死的信号，控制器指令调节器降低该车轮制动缸的油压，减小制动力矩，经一定时间后，再恢复原有的油压，不断的这样循环（每秒可达5~10次），始终使车轮处于转动状态而又有最大的制动力矩。
当车速等于轮速时,滑移率为零。
汽车制动时,两者差别越大,滑移率越大。
停车之前车轮抱死时,轮速为零,滑移率达到100%。
从开始制动到滑移率达到某一数值的过程中附着系数是随滑移率的增加而增大的[9]。
图1-3附着系数与滑移率的关系
上图表示汽车紧急制动时,车轮滑移率和纵向-侧向附着系数之间的关系:
图中实线表示纵向附着系数,虚线表示侧向附着系数。
在干路面和湿路面上,滑移率在15%~30%时,车轮具有较大的纵向附着系数,可以产生较大的制动力,在冰雪路面上的最佳纵向滑移率要小一些,在松散的雪地上,车轮抱死时有较大的纵向附着系数,但为了保证制动稳定性.不能使侧向附着系数降低过多,所以ABS的作用是使汽车制动时,车轮滑移率被控制在一定的范围内（图中阴影范围）,既能保证有足够的地面制动力,又能保证制动的稳定性。
目前国内开发ABS用的控制方法还主要是最基本的逻辑门限法。
逻辑门限法的基本原理是选择车轮加速度门限和滑移率门限来控制制动压力的增压、减压或保压,以获得车轮的滑移率控制在最佳滑移率附近。
在ABS中，转滑率和减速度是非常关键的参数，但是转滑率与参考车速有关。
ABS中常见的参考车速算法有最大轮速法、斜率发和综合法。
最大轮速法利用制动防抱调节过程中4个车轮轮速的最大值作为参考车速;
斜率法在ABS控制过程中,选择一个合适的初始速度v0以及一个合适的车辆减速度a，根据式vt=v0-at计算参考车速;
综合法则同时利用最大轮速法和斜率法分别计算车速,选较大者作为参考车速。
但这些算法都有缺陷：
最大轮速法受轮速信号质量影响大，同时没有考虑车辆当前所处状态；
斜率法的缺点是斜率值的选择和路面附着系数直接相关，该斜率值往往根据经验进行选择，,误差大；
综合法则两种缺点都可能存在。
所以科学的方法应该是：
首先优选参考轮速，其次在制动时利用主缸压力传感器信号估算路面附着系数，确定车辆减速度，这里假定在ABS介入前的瞬间制动器制动力等于路面制动力。
记录ABS介入干涉前的主缸压力，根据制动器因数等已知量可以求得车辆获得的制动力,进而求得车辆的减速度。
根据求得的车辆减速度，用斜率法计算参考车速和滑移率。
与传统的斜率法相比，该斜率法的计算精度提高[9]。
1.3.2ABS硬件在环仿真的实现
典型的ABS硬件在环仿真总体方案如下图[10]：
图1-4ABS硬件在环仿真方案
ABS硬件在环所需的车辆模型为4个：
一般车辆动力学模型、四轮车轮模型、制动器模型和车辆轮胎模型。
这部分将在论文正文部分详细介绍。
ABS硬件在环仿真平台的硬件组成如下：
表1-1ABS硬件在环仿真平台的硬件组成
类型
数量
说明
传感器
轮速
4
实际的ABS的系统上有，但是在硬件在环仿真中是直接从汽车模型中得到的，没有实物。
压力传感器
>
5
4个制动轮缸压力，1个制动主缸压力。
主要用于监测和反馈控制。
电流
1
采集电磁阀电流大小，作为反馈和监测。
执行器
常规制动机构
制动踏板、制动主缸、制动器
1.4汽车电子稳定性程序（ESP）
1.4.1ESP的基本工作原理
ESP又叫做VDC、DSC等，均为整车的动力学稳定性控制系统，它是在多项汽车系统控制技术（包括制动防抱死、主动横摆力矩控制以及牵引力控制）的基础上发展起来的。
其主要作用就是减小侧向力或增大侧向力潜能（如通过调节车轮纵向力大小及匹配）、提高车辆横向运动稳定性和操纵性、显著地减少因驾驶员失误等而造成的重大损失以提高车辆的安全性能[11]。
实现ESP的途径有：
（1）利用防抱制动、防滑驱动系统等作为子系统，来实现ESP功能,如Bosch公司的ESP系统是在兼容了四通道ABS/ASR的优点基础上并加以系统控制而开发的：
（2）将ESP与四轮转向、四轮驱动、悬架控制系统等结合起来,以实现ESP功能。
从作者所搜集到的资料来看，目前国内外均采用途径
（1）。
ESP的基本控制逻辑如下：
图1-5ESP控制逻辑
具体来说，在控制系统起作用的整个过程中，系统通过方向盘转角、侧向加速度与横摆角速度、主缸压力以及车速等传感器来对车辆的各项状态数据信息进行实时采集，之后ECU通过分析方向盘转向角和制动主缸的压力值来判断驾驶者对车辆的操纵意图，进而可以得到理想的车辆运行状态，该状态主要表现为理想车速、理想侧向加速度以及横摆角速度。
ECU将传感器采集所得到的车辆状态数据信息与这些理想的数据进行对比，并通过设定好的控制算法和相应的逻辑来计算要使车辆恢复到稳定状态需要提供的横摆力偶矩有多大。
然后ECU就会发出指令，借助液压调节器对制动系统各个轮缸（可能是某一个或几个）进行精确的调节，使横摆力偶矩达到所需要的值，如果有需要的话还要对发动机管理系统发出命令，以调控驱动轮驱动力的方法来改变汽车的实际运行状态。
经过ESP调节后车辆的实时运行状态信息还会继续由传感器发送到ECU，这样就形成了反馈控制的闭环系统，使汽车能够在行驶的过程中始终保持稳定。
1.4.2ESP硬件在环仿真的实现方法
成熟的ESP硬件在环仿真的结构图有一下几种：
1）吉林大学ESP驾驶者与硬件在回路仿真实验台[12]
图1-6吉林大学ESP驾驶者与硬件在回路仿真实验台
其设计思想是：
把不容易建立数学模型的ESP执行机构（液压调节器与电子节气门）和驾驶员,通过电子技术和计算机虚拟现实技术,与实时运算的车辆动力学模型连接在一起,构成一个“人车环境”闭环仿真系统。
该仿真系统由4部分组成：
驾驶员操作界面、开发界面、ESP硬件系统和汽车驾驶模拟器系统。
该汽车ESP硬件系统包括制动系统的所有硬件（如真空助力器、制动主缸、制动管路和制动器等）以及ESP液压调节器和电子节气门等执行机构。
2）上海交通大学ESP系统混合仿真模拟实验台：
图1-7上海交通大学ESP系统混合仿真模拟实验台
该实验台的制动管路是完全按照实际车辆来布置的，前后桥的布置也和实际车型的轮距、轴距一致。
软件方面包括了ESP控制逻辑、ECU接口程序以及数据分析处理等部分，动力学仿真模型可以依据具体车型的实车试验数据进行修正，对于不同的ESP电磁阀，它的数据采集以及处理程序、接口资源的分配程序都能够共享。
3）上海交通大学3PC机ESP硬件在环仿真实验台：
图1-8上海交通大学3PC机ESP硬件在环仿真实验台
主要由驾驶员操纵系统、硬件、各类传感器以及三台PC机所组成，根据功能不同又可分为系统操纵控制、虚拟现实模拟、实时仿真环境、硬件接口、驱动电路以及传感器、液压执行机构和操纵
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