基于LabVIEW的車輛穩(wěn)定性控制硬件在環(huán)系統(tǒng)

陳無畏 劉翔宇 楊 軍 黃 鶴

合肥工業(yè)大學,合肥,230009

0 引言

車輛穩(wěn)定性控制(vehicle stability control,VSC)系統(tǒng)是目前在汽車上廣泛應用的最復雜的主動安全系統(tǒng)。它在傳統(tǒng)的驅動和制動安全系統(tǒng)的基礎上增加了車輛橫擺穩(wěn)定控制,主動糾正了車身偏離正常行駛狀態(tài)的趨勢,能夠有效避免交通事故的發(fā)生。目前在歐美發(fā)達國家,VSC系統(tǒng)已經成為標準配置[1]。

VSC系統(tǒng)工作在緊急工況下,不僅控制系統(tǒng)結構復雜,而且汽車制動系統(tǒng)和路面環(huán)境的建模難度很大。硬件在環(huán)系統(tǒng)由于將系統(tǒng)工作所需的硬件嵌入到了仿真中,尤其是結構復雜、建模難度大的硬件,能夠提供系統(tǒng)內部和外部真實信息的反饋,因而在開發(fā)階段可以節(jié)省大量的資金和時間。基于此,目前國內外大多采用硬件在環(huán)的方式進行車輛穩(wěn)定性控制方面的研究[2-3],如文獻[2]采用dSPACE系統(tǒng)建立的VSC硬件在環(huán)平臺。VSC硬件在環(huán)系統(tǒng)已經成為車輛穩(wěn)定性控制研究中重要的工具。

1 硬件在環(huán)系統(tǒng)的構成

VSC硬件在環(huán)系統(tǒng)依托于LabVIEW平臺,包括LabVIEW8.6程序和PXI主機一臺,如圖1所示。VSC硬件在環(huán)系統(tǒng)的結構如圖2所示,它由以下三個部分組成：①電子控制單元(electronic control unit,ECU)和液壓控制單元(hydraulic control unit,HCU),其中,ECU為自主開發(fā),采用ARM 7嵌入式系統(tǒng),HCU則改裝自原裝VSC系統(tǒng);②車輛制動系統(tǒng)和各種傳感器,如方向盤轉角傳感器、輪缸壓力傳感器等;③LabVIEW 系統(tǒng),包括主程序和PXI主機。

圖1 LabVIEW PXI8196主機

圖2 VSC硬件在環(huán)系統(tǒng)結構圖

傳統(tǒng)的VSC硬件在環(huán)系統(tǒng)一般采用上下位機結構,上位機在運行系統(tǒng)反饋程序的同時,也運行控制程序,下位機為執(zhí)行機構控制器,直接驅動執(zhí)行機構。本文開發(fā)了獨立的ECU運行VSC控制程序,因而上位機僅用于反饋環(huán)節(jié)計算系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)。系統(tǒng)工作流程如下：首先,通過Lab-VIEW圖形化程序編寫VSC控制策略;然后以ARM 7嵌入式系統(tǒng)開發(fā)VSC的ECU,并將控制程序植入其中;第三步將ECU與改裝后的HCU安裝到車輛底盤上,并將方向盤轉角傳感器、輪缸壓力傳感器等信號接入LabVIEW 的PXI主機;最后PXI主機將傳感器信號輸入事先建立好的整車模型中,計算車輛的運行狀態(tài),并通過CAN總線將數(shù)據(jù)發(fā)送給ECU以構成閉環(huán)。最后階段采用了虛擬現(xiàn)實技術,將車輛模型的輸出結果以3D動畫形式實時顯示,使結果更加直觀。

2 硬件在環(huán)反饋系統(tǒng)

硬件在環(huán)反饋系統(tǒng)包括兩個部分,第一個部分是基于LabVIEW程序編寫的整車數(shù)學模型,它承載著整個系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)的計算;第二個部分是虛擬現(xiàn)實部分,通過虛擬現(xiàn)實技術建立虛擬試驗場景,使整車模型與環(huán)境模型相結合,以3D圖像來呈現(xiàn)整個試驗的過程,結果更加逼真和直觀。

2.1 整車模型

本文在硬件在環(huán)系統(tǒng)中建立了如圖3所示的七自由度非線性汽車動力學模型[4],用以替代實車。這里的七自由度包括縱向、側向、橫擺和四個車輪的回轉運動。數(shù)學表達式如下：

圖3 七自由度非線性汽車動力學模型

式中,vx為縱向速度;vy為側向速度;γ為橫擺角速度;β為整車質心側偏角;δ為前輪轉角;Fxij、Fyij(ij=f l,fr,rl,rr)分別為車輪上的縱向力和側向力;m為整車質量;Iz為整車繞鉛垂軸轉動慣量;a、b分別為整車質心至前后軸的距離;d為前后輪輪距。

2.2 輪胎模型

硬件在環(huán)系統(tǒng)中采用了Dugoff非線性輪胎模型[5],它所需的參數(shù)較少,能較好地表達出輪胎的非線性特征,其表達式如下：

式中,Cxe、Cye分別為輪胎的縱向剛度和側向剛度;αe為輪胎側偏角;Fze為輪胎的垂直載荷;se為輪胎滑移率;μHe為路面最大附著系數(shù)。

各輪的側偏角表達式如下：

2.3 輪缸壓力反饋

由于車輛模型計算車身狀態(tài)時需要將輪缸壓力傳感器信號接入整車模型,因此,在LabVIEW中建立的整車模型必須具有壓力轉化模塊[6]。車輪的縱向力由車輪轉動模型計算。對于前輪的縱向力可以表示為

后輪的制動力可以表示為

式中,KBf、KBr分別為前輪和后輪的制動系數(shù);PBfl、PBfr、PBrl、PBrr分別為四個車輪的輪缸壓力;Ts為發(fā)動機輸出轉矩;rf、rr分別為前后輪半徑。

2.4 虛擬現(xiàn)實

虛擬現(xiàn)實(virtual reality,VR)是一種以沉浸性、交互性和構想性為基本特征的計算機高級人機界面。它在獲取實際三維環(huán)境的三維數(shù)據(jù)后,根據(jù)應用的需要,利用獲取的三維數(shù)據(jù)建立相應的虛擬環(huán)境模型。由于構建虛擬的三維場景進行仿真,可以使仿真結果更接近實際,而且成本更低,還可以縮短開發(fā)周期,故目前虛擬現(xiàn)實技術已經廣泛應用于科技研發(fā)中。

LabVIEW支持直接對VRML和ASE文件的調用,也可以通過MATLAB作為連接的媒介[7],調用其他類型的3D文件。本文中虛擬場景首先通過3DMAX創(chuàng)建3D車輛和環(huán)境模型,保存為WRL文件;然后通過VRML編譯軟件,獲取模型的節(jié)點;最后在 LabVIEW中創(chuàng)建MATLAB腳本程序,實現(xiàn)對WRL文件的調用。3D場景效果圖見圖4。

圖4 虛擬場景效果圖

3 VSC控制器設計

3.1 VSC工作原理

VSC通過對車輛單側車輪的主動制動,產生一個作用于車身的附加橫擺力矩,從而對車輛運行姿態(tài)進行調整,避免車輛失去控制而釀成危險,如圖5所示[8]。

圖5 VSC的工作原理

VSC控制器具有上下層控制器結構,上層控制器以橫擺角速度γ和前輪轉角δ作為主動制動策略的判斷依據(jù);下層控制器則為驅動和制動的滑移率控制控制器,整體結構如圖6所示。圖6中,ΔM為上層控制器計算出的理論附加橫擺力矩;MACD為牽引力控制力矩;MDYC和MABS分別為VSC控制器和ABS控制器的實際輸出制動力矩。

圖6 VSC控制器結構圖

3.2 上層控制器設計

VSC控制器采用主動橫擺力矩控制,以橫擺角速度作為控制量,設 γd為期望橫擺角速度,通過兩者之間的偏差確定附加橫擺力矩的大小?？刂扑惴ú捎没？刂芠9],令滑模面s為

則

取控制率

式中,u為控制輸入;?ueq為等效控制量。

由車輛的線性二自由度模型可得

對于期望值γd則有

式中,k為設計參數(shù);kf、kr分別為前后軸的側偏剛度。

3.3 下層控制器設計

下層控制器主要用于計算各車輪的控制量和主動制動策略的實現(xiàn),同時負責驅動執(zhí)行機構。滑移率控制可參見文獻[10]。當在初期進行控制策略的開發(fā)時,為了將PXI主機直接對液壓控制單元進行控制,必須設計單獨的LabVIEW驅動程序。

PXI具有強大的數(shù)字和模擬I/O,但由于電磁閥和泵電機的工作電流較大,因此,LabVIEW的輸出主要作為控制開關,還需單獨設計執(zhí)行機構的驅動電路。LabVIEW驅動程序主要采用其自帶的DAQ輸入輸出模塊編寫,由硬件接口SCB-68輸出。程序設定電磁閥的極限工作頻率為50Hz,如圖7所示。圖8所示為泵電機最大功率下增壓和減壓時的壓力變化曲線。

圖7 電磁閥響應圖

圖8 泵電機響應圖

3.4 電子控制單元設計

在VSC工作過程中,ECU要采集大量信號進行計算和判斷,并調用控制策略輸出,因此對ECU的實時性要求很高。本文采用ARM7芯片作為處理器,采用實時操作系統(tǒng)μc/OS-Ⅱ來滿足VSC系統(tǒng)對實時性的要求。

ECU的電路部分主要包括信號接收處理部分、CAN 通信、SPI總線、PWM 輸出控制、泵電機驅動電路和電磁閥驅動電路等,如圖9所示。自主開發(fā)的電子控制單元如圖10所示。

圖9 ECU電路結構示意圖

圖10 VSC電子控制單元

4 硬件在環(huán)仿真結果

仿真采用正弦轉角輸入(圖11),路面附著系數(shù)設為0.4的濕滑路面、車速為60km/h,車身參數(shù)如表1所示,結果對比如圖12～圖14。

表1 車輛部分參數(shù)

圖11 前輪轉角

圖12 橫擺角速度

圖13 質心側偏角

圖14 相平面圖

從硬件在環(huán)測試結果可以看出,本文設計的控制器能夠有效地保持車身姿態(tài)。從圖12和圖13可以看出,在沒有經過VSC控制時,車輛在濕滑路面上轉向時,橫擺角速度和質心側偏角絕對值都急劇增大,這說明了車輛不僅發(fā)生了強烈的“自旋”,而且大幅度地偏離了期望行駛軌跡,完全失去了控制。由于在仿真中設置車速始終保持60km/h不變,所以圖12和圖13中未經控制的質心側偏角和橫擺角速度在車輛失去控制后有無限增大的趨勢。而經過VSC控制后,車輛的橫擺角速度和質心側偏角基本正常地反映了駕駛員的期望狀態(tài),從圖14的相平面圖可以看出車輛處于穩(wěn)定狀態(tài)。

5 結束語

本文利用LabVIEW豐富的軟硬件接口組建了車輛穩(wěn)定性控制硬件在環(huán)平臺,設計并開發(fā)了車輛穩(wěn)定性控制ECU。在 LabVIEW 中建立了整車模型和車輛制動系統(tǒng)的壓力模型,接收車身上的壓力傳感器信號和轉角傳感器信號,計算車輛的運行參數(shù),并將計算結果通過CAN總線反饋給了ECU。最后,本文基于虛擬現(xiàn)實技術創(chuàng)建了3D的車輛和環(huán)境模型,使硬件在環(huán)的測試結果更加直觀。

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