基于LabVIEW的车辆稳定性控制硬件在环系统

陈无畏 刘翔宇 杨 军 黄 鹤

合肥工业大学,合肥,230009

0 引言

车辆稳定性控制(vehicle stability control,VSC)系统是目前在汽车上广泛应用的最复杂的主动安全系统。它在传统的驱动和制动安全系统的基础上增加了车辆横摆稳定控制,主动纠正了车身偏离正常行驶状态的趋势,能够有效避免交通事故的发生。目前在欧美发达国家,VSC系统已经成为标准配置[1]。

VSC系统工作在紧急工况下,不仅控制系统结构复杂,而且汽车制动系统和路面环境的建模难度很大。硬件在环系统由于将系统工作所需的硬件嵌入到了仿真中,尤其是结构复杂、建模难度大的硬件,能够提供系统内部和外部真实信息的反馈,因而在开发阶段可以节省大量的资金和时间。基于此,目前国内外大多采用硬件在环的方式进行车辆稳定性控制方面的研究[2-3],如文献[2]采用dSPACE系统建立的VSC硬件在环平台。VSC硬件在环系统已经成为车辆稳定性控制研究中重要的工具。

1 硬件在环系统的构成

VSC硬件在环系统依托于LabVIEW平台,包括LabVIEW8.6程序和PXI主机一台,如图1所示。VSC硬件在环系统的结构如图2所示,它由以下三个部分组成：①电子控制单元(electronic control unit,ECU)和液压控制单元(hydraulic control unit,HCU),其中,ECU为自主开发,采用ARM 7嵌入式系统,HCU则改装自原装VSC系统;②车辆制动系统和各种传感器,如方向盘转角传感器、轮缸压力传感器等;③LabVIEW 系统,包括主程序和PXI主机。

图1 LabVIEW PXI8196主机

图2 VSC硬件在环系统结构图

传统的VSC硬件在环系统一般采用上下位机结构,上位机在运行系统反馈程序的同时,也运行控制程序,下位机为执行机构控制器,直接驱动执行机构。本文开发了独立的ECU运行VSC控制程序,因而上位机仅用于反馈环节计算系统的状态参数。系统工作流程如下：首先,通过Lab-VIEW图形化程序编写VSC控制策略;然后以ARM 7嵌入式系统开发VSC的ECU,并将控制程序植入其中;第三步将ECU与改装后的HCU安装到车辆底盘上,并将方向盘转角传感器、轮缸压力传感器等信号接入LabVIEW 的PXI主机;最后PXI主机将传感器信号输入事先建立好的整车模型中,计算车辆的运行状态,并通过CAN总线将数据发送给ECU以构成闭环。最后阶段采用了虚拟现实技术,将车辆模型的输出结果以3D动画形式实时显示,使结果更加直观。

2 硬件在环反馈系统

硬件在环反馈系统包括两个部分,第一个部分是基于LabVIEW程序编写的整车数学模型,它承载着整个系统状态参数的计算;第二个部分是虚拟现实部分,通过虚拟现实技术建立虚拟试验场景,使整车模型与环境模型相结合,以3D图像来呈现整个试验的过程,结果更加逼真和直观。

2.1 整车模型

本文在硬件在环系统中建立了如图3所示的七自由度非线性汽车动力学模型[4],用以替代实车。这里的七自由度包括纵向、侧向、横摆和四个车轮的回转运动。数学表达式如下：

图3 七自由度非线性汽车动力学模型

式中,vx为纵向速度;vy为侧向速度;γ为横摆角速度;β为整车质心侧偏角;δ为前轮转角;Fxij、Fyij(ij=f l,fr,rl,rr)分别为车轮上的纵向力和侧向力;m为整车质量;Iz为整车绕铅垂轴转动惯量;a、b分别为整车质心至前后轴的距离;d为前后轮轮距。

2.2 轮胎模型

硬件在环系统中采用了Dugoff非线性轮胎模型[5],它所需的参数较少,能较好地表达出轮胎的非线性特征,其表达式如下：

式中,Cxe、Cye分别为轮胎的纵向刚度和侧向刚度;αe为轮胎侧偏角;Fze为轮胎的垂直载荷;se为轮胎滑移率;μHe为路面最大附着系数。

各轮的侧偏角表达式如下：

2.3 轮缸压力反馈

由于车辆模型计算车身状态时需要将轮缸压力传感器信号接入整车模型,因此,在LabVIEW中建立的整车模型必须具有压力转化模块[6]。车轮的纵向力由车轮转动模型计算。对于前轮的纵向力可以表示为

后轮的制动力可以表示为

式中,KBf、KBr分别为前轮和后轮的制动系数;PBfl、PBfr、PBrl、PBrr分别为四个车轮的轮缸压力;Ts为发动机输出转矩;rf、rr分别为前后轮半径。

2.4 虚拟现实

虚拟现实(virtual reality,VR)是一种以沉浸性、交互性和构想性为基本特征的计算机高级人机界面。它在获取实际三维环境的三维数据后,根据应用的需要,利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。由于构建虚拟的三维场景进行仿真,可以使仿真结果更接近实际,而且成本更低,还可以缩短开发周期,故目前虚拟现实技术已经广泛应用于科技研发中。

LabVIEW支持直接对VRML和ASE文件的调用,也可以通过MATLAB作为连接的媒介[7],调用其他类型的3D文件。本文中虚拟场景首先通过3DMAX创建3D车辆和环境模型,保存为WRL文件;然后通过VRML编译软件,获取模型的节点;最后在 LabVIEW中创建MATLAB脚本程序,实现对WRL文件的调用。3D场景效果图见图4。

图4 虚拟场景效果图

3 VSC控制器设计

3.1 VSC工作原理

VSC通过对车辆单侧车轮的主动制动,产生一个作用于车身的附加横摆力矩,从而对车辆运行姿态进行调整,避免车辆失去控制而酿成危险,如图5所示[8]。

图5 VSC的工作原理

VSC控制器具有上下层控制器结构,上层控制器以横摆角速度γ和前轮转角δ作为主动制动策略的判断依据;下层控制器则为驱动和制动的滑移率控制控制器,整体结构如图6所示。图6中,ΔM为上层控制器计算出的理论附加横摆力矩;MACD为牵引力控制力矩;MDYC和MABS分别为VSC控制器和ABS控制器的实际输出制动力矩。

图6 VSC控制器结构图

3.2 上层控制器设计

VSC控制器采用主动横摆力矩控制,以横摆角速度作为控制量,设 γd为期望横摆角速度,通过两者之间的偏差确定附加横摆力矩的大小。控制算法采用滑模控制[9],令滑模面s为

则

取控制率

式中,u为控制输入;ˆueq为等效控制量。

由车辆的线性二自由度模型可得

对于期望值γd则有

式中,k为设计参数;kf、kr分别为前后轴的侧偏刚度。

3.3 下层控制器设计

下层控制器主要用于计算各车轮的控制量和主动制动策略的实现,同时负责驱动执行机构。滑移率控制可参见文献[10]。当在初期进行控制策略的开发时,为了将PXI主机直接对液压控制单元进行控制,必须设计单独的LabVIEW驱动程序。

PXI具有强大的数字和模拟I/O,但由于电磁阀和泵电机的工作电流较大,因此,LabVIEW的输出主要作为控制开关,还需单独设计执行机构的驱动电路。LabVIEW驱动程序主要采用其自带的DAQ输入输出模块编写,由硬件接口SCB-68输出。程序设定电磁阀的极限工作频率为50Hz,如图7所示。图8所示为泵电机最大功率下增压和减压时的压力变化曲线。

图7 电磁阀响应图

图8 泵电机响应图

3.4 电子控制单元设计

在VSC工作过程中,ECU要采集大量信号进行计算和判断,并调用控制策略输出,因此对ECU的实时性要求很高。本文采用ARM7芯片作为处理器,采用实时操作系统μc/OS-Ⅱ来满足VSC系统对实时性的要求。

ECU的电路部分主要包括信号接收处理部分、CAN 通信、SPI总线、PWM 输出控制、泵电机驱动电路和电磁阀驱动电路等,如图9所示。自主开发的电子控制单元如图10所示。

图9 ECU电路结构示意图

图10 VSC电子控制单元

4 硬件在环仿真结果

仿真采用正弦转角输入(图11),路面附着系数设为0.4的湿滑路面、车速为60km/h,车身参数如表1所示,结果对比如图12～图14。

表1 车辆部分参数

图11 前轮转角

图12 横摆角速度

图13 质心侧偏角

图14 相平面图

从硬件在环测试结果可以看出,本文设计的控制器能够有效地保持车身姿态。从图12和图13可以看出,在没有经过VSC控制时,车辆在湿滑路面上转向时,横摆角速度和质心侧偏角绝对值都急剧增大,这说明了车辆不仅发生了强烈的“自旋”,而且大幅度地偏离了期望行驶轨迹,完全失去了控制。由于在仿真中设置车速始终保持60km/h不变,所以图12和图13中未经控制的质心侧偏角和横摆角速度在车辆失去控制后有无限增大的趋势。而经过VSC控制后,车辆的横摆角速度和质心侧偏角基本正常地反映了驾驶员的期望状态,从图14的相平面图可以看出车辆处于稳定状态。

5 结束语

本文利用LabVIEW丰富的软硬件接口组建了车辆稳定性控制硬件在环平台,设计并开发了车辆稳定性控制ECU。在 LabVIEW 中建立了整车模型和车辆制动系统的压力模型,接收车身上的压力传感器信号和转角传感器信号,计算车辆的运行参数,并将计算结果通过CAN总线反馈给了ECU。最后,本文基于虚拟现实技术创建了3D的车辆和环境模型,使硬件在环的测试结果更加直观。

[1] Rajamani R.Vehicle Dynamics and Control[M].New York：Springer,2005.

[2] Schuette H,Waeltermann P.Hardware-in-the-Loop Testing of Vehicle Dynamics Controllers–a Technical Survey[C]//SAE World Congress.Detroit,2005：593-609.

[3] Park K,Heo S J.Development of Hardware-inthe-Loop Simulation System for Use in Design and Validation of VSC Logics[J].International Journal of the Korean Society of Precision Engineering,2003,4(3)：28-35.

[4] Naoto O,Takehiro H,Osamu Y,et al.Brake Torque Sensing for Enhancement of Vehicle Dynamics Control Systems[J].SAE Paper,2007-01-0867.

[5] Howard D,Fancher P S.An Analysis of Wheel Traction Properties and Their influence on Vehicle Dynamic Performance[J].SAE Paper,700377,1970.

[6] Chung Taeyoung,Yi Kyongsu.Design and Evaluation of Side Slip Angle-based Vehicle Stability Control Scheme on a Virtual Test Track[J].IEEE Transactions on Control Systems Technology,2006,14(2)：224-234.

[7] 宋昱.车辆防抱死系统控制策略研究与仿真[D].北京：北京工业大学,2007.

[8] Rieveley R J,Minaker B P.Variable Torque Distribution Yaw M oment Control for Hybrid Powertrains[J].SAE Paper,2007-01-0278.

[9] Stefan B,Tomas F.Sliding Mode Control as Design Method for Automotive Traction Control[R].Gothenburg：Volvo Car Corporation,2003.

[10] 余卓平,高晓杰,张立军.用于车辆稳定性控制的直接横摆力矩及车轮变滑移率联合控制研究[J].汽车工程,2006,28(9)：844-848.