基于硬件在環(huán)的車身電子穩(wěn)定系統(tǒng)自動化測試研究與應(yīng)用

王愛春，吳方義，劉衛(wèi)東，劉貴濤，燕冬，彭晨若，萬麗琴

（江鈴汽車股份有限公司，江西南昌 330001）

基于硬件在環(huán)的車身電子穩(wěn)定系統(tǒng)自動化測試研究與應(yīng)用

王愛春，吳方義，劉衛(wèi)東，劉貴濤，燕冬，彭晨若，萬麗琴

（江鈴汽車股份有限公司，江西南昌 330001）

介紹ESP（車身電子穩(wěn)定系統(tǒng)）硬件在環(huán)自動化測試系統(tǒng)的搭建和應(yīng)用，基于Matlab／Simulink建立了ESP仿真模型，利用dSPACE的上位機軟件和板卡搭建了ESP硬件在環(huán)測試平臺，實現(xiàn)了系統(tǒng)的開、閉環(huán)調(diào)試，并以1條測試用例為例，詳細介紹自動化測試流程和ESP HIL（硬件在環(huán)）測試的應(yīng)用。測試結(jié)果表明：該系統(tǒng)符合開發(fā)測試的要求，為ESP的快速開發(fā)測試提供了一條有效途徑。

硬件在環(huán)；車身電子穩(wěn)定系統(tǒng)；自動化測試

汽車車身電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)是車輛新型的主動安全系統(tǒng)。近年來，市場對汽車安全性能要求不斷提高，促使各整車企業(yè)加強了對ESP（車身電子穩(wěn)定系統(tǒng)）的開發(fā)和測試。HIL測試作為一種新型的開發(fā)測試手段，其精度高，且能夠?qū)崿F(xiàn)自動化測試的優(yōu)點，對產(chǎn)品性能和品質(zhì)的提高具有極大的促進作用。目前，HIL測試在國外ESP的開發(fā)測試中應(yīng)用比較廣。在國內(nèi)，HIL測試主要應(yīng)用在BCM（車身控制模塊）的開發(fā)測試中［1-2］，技術(shù)已經(jīng)相對比較成熟，因為BCM的測試不涉及到復(fù)雜的仿真模型；在ESP的開發(fā)測試中還鮮有應(yīng)用，只有少數(shù)整車企業(yè)和大學(xué)開展了一些關(guān)于ESP硬件在環(huán)測試平臺搭建的研究［3-6］。本文將基于HIL測試在一款研發(fā)車型ESP開發(fā)測試中的應(yīng)用，介紹ESP的虛擬仿真模型建模和仿真平臺搭建及其自動化測試應(yīng)用。

圖1 ESP HIL自動化測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1 ESP硬件在環(huán)自動化測試系統(tǒng)介紹

如圖1所示，ESP硬件在環(huán)自動化測試系統(tǒng)由上位機、ESP仿真模型和機柜3個部分組成。上位機是由dSPACE公司開發(fā)的軟件平臺組成；ESP仿真模型是整個測試系統(tǒng)的核心部分，為ESP的正常工作提供虛擬實車環(huán)境；機柜主要包括仿真與采集板卡、真實ESP控制器、電源和執(zhí)行器。汽車ESP硬件在環(huán)自動化測試系統(tǒng)的設(shè)計思想是：把真實的控制器放置在一個虛擬整車的環(huán)境中，通過實時仿真接口RTI和I／O板卡、通信板卡和傳感器仿真板卡，與運行在4核處理器板卡DS1006中的車輛動力學(xué)模型連接在一起，再輔助以各種上位機軟件，構(gòu)成一個完整的硬件在環(huán)自動化測試系統(tǒng)，實現(xiàn)“人-車-環(huán)境”的閉環(huán)仿真［7］。

2 ESP硬件在環(huán)自動化測試系統(tǒng)搭建

2.1 ESP虛擬仿真模型建模

HIL仿真是一種半實物仿真，但與傳統(tǒng)的半實物仿真控制器為虛擬模型不一樣，硬件在環(huán)的虛擬部分為整車，實物為控制器，是一種針對真實控制器的半實物仿真。所以進行ESP虛擬仿真建模，就是要建立起ESP的虛擬運行環(huán)境，對其運行環(huán)境與輸入的各參數(shù)條件進行建模仿真，構(gòu)建ESP的虛擬運行環(huán)境。圖2為虛擬整車仿真模型原理結(jié)構(gòu)圖，主要包括5個部分：虛擬ECU（電子控制單元）、發(fā)動機模型、傳動系統(tǒng)模型、整車動力學(xué)模型和駕駛環(huán)境。無論是多個ECU系統(tǒng)級的測試，還是單個ECU單節(jié)點的測試，都必須嚴格按照圖2所示的結(jié)構(gòu)來構(gòu)建仿真模型，這樣才能保證結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一性和條理性，同時方便模型的集成和拆分。

圖2 虛擬整車仿真模型原理結(jié)構(gòu)圖

具體到ESP的建模，典型的汽車電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)主要由傳感器、ECU和執(zhí)行器三大部分組成。傳感器需要模型和板卡的仿真，而且是仿真的關(guān)鍵信號，直接影響到測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，主要包括4個輪速傳感器、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器、側(cè)向加速度傳感器、橫擺角速度傳感器、制動主缸壓力傳感器等。執(zhí)行器部分采用真實件，包括液壓回路的電磁閥和制動卡鉗，但需要對執(zhí)行器的動作進行回采，形成閉環(huán)控制。ECU是真實件，主要作用是監(jiān)控汽車運行狀態(tài)，與EMS（發(fā)動機管理系統(tǒng)）聯(lián)動，可對發(fā)動機動力輸出及制動系統(tǒng)進行干預(yù)和調(diào)整［8］。除此之外，該系統(tǒng)正常工作還涉及到一些關(guān)鍵輸入信號和駕駛環(huán)境的模擬，比如啟動信號的輸入、制動踏板和油門信號的輸入、車輛動力學(xué)的模擬、輪胎模擬、道路仿真和車輛駕駛仿真等。

按照信號類型的分類，構(gòu)建的ESP HIL仿真模型如圖3所示。本系統(tǒng)使用Matlab／simulink進行模型搭建，主要包括ESP_MDL模塊和ESP_IO模塊。ESP_MDL包括了計算轉(zhuǎn)矩、制動系統(tǒng)、輪胎模型、懸架、六自由度整車、道路、操控和駕駛員的模型。在ESP_MDL中還有比較特殊的一部分就是虛擬ECU，在ESP單個控制器的虛擬仿真模型中，沒有真實的EMS和TCU（自動變速器控制單元）。但是ESP的正常工作與EMS和TCU有著密切的聯(lián)系，所以在ESP的虛擬仿真模型中需要將EMS和TCU配置成虛擬ECU，將所有需要的信號通過總線仿真的形式輸入給ESP的模型。ESP_IO包括了仿真輪速、橫擺角傳感器、采集12路電磁閥信號、采集2個卡鉗力的信號和殘余總線仿真。

圖3 ESP HIL測試仿真模型

2.2 ESP測試系統(tǒng)機柜搭建

首先統(tǒng)計ESP所有的輸入輸出信號，并將信號按照類型進行分類，計算出所需要的I／O板卡、通信板卡和傳感器仿真板卡種類和數(shù)量，然后就可以進行機柜的布局和搭建。

該款車型所選用ESP為46個引腳，經(jīng)過統(tǒng)計分配，本測試機柜用了5塊I／O板卡、4塊CAN卡、7塊FIU板卡、10塊轉(zhuǎn)接板卡、5塊傳感器仿真專用板卡等共計40塊板卡。如圖4所示，整個機柜包括電源開關(guān)部分、程控電源部分、FIU板卡部分、BOB部分、執(zhí)行器部分、處理器部分以及輸入輸出連接頭等部分。該機柜滿足ESP的測試需求，并有足夠的冗余，為ESP的升級換代所用。

圖4 ESP HIL測試機柜

2.3 ESP測試系統(tǒng)上位機組成

上位機是由德國dSPACE公司開發(fā)的幾款商業(yè)軟件。

1）Control Desk基于模板，按項目測試需求添、減控件，進行模型信號與控件的關(guān)聯(lián)，搭建控制界面，如圖5所示。

圖5 ControlDesk監(jiān)控界面

2）Automation Desk圖形化的編程語言，可以直接拖拽，使用簡單方便。

3）Model Desk對ESP的運行環(huán)境進行配置，包括路面和駕駛方式，如圖6所示。

4）Motion Desk直觀地監(jiān)控車輛運行狀態(tài)參數(shù)和環(huán)境，如圖7所示。

需要注意的是，所有軟件必須加載Matlab／Simulink編譯模型生成的同一.sdf文件。

圖6 ModelDesk車輛駕駛和路面配置

圖7 MotionDesk圖像化監(jiān)控界面

2.4 測試系統(tǒng)調(diào)試

整個硬件在環(huán)自動化測試系統(tǒng)搭建完成后，需要對該系統(tǒng)進行調(diào)試，主要目的是為了對系統(tǒng)進行聯(lián)調(diào)，保證測試的準(zhǔn)確性，不會因為測試設(shè)備的問題而引起測試錯誤。調(diào)試主要包括激勵、開環(huán)和閉環(huán)測試，激勵測試只需要確認機柜通道為導(dǎo)通且無串線即可，開環(huán)測試需要輸出隨著輸入的變化而變化，閉環(huán)測試是在開環(huán)的基礎(chǔ)上加入模型控制，是最精確的調(diào)試，閉環(huán)調(diào)試通過后，就可以進行ESP的開發(fā)與自動化測試工作。

3 ESP硬件在環(huán)自動化測試應(yīng)用

3.1 自動化測試流程

整個平臺搭建調(diào)試好后，就可以進行ESP的手動測試工作，但HIL測試優(yōu)勢在于可以進行自動化測試，節(jié)省大量的測試執(zhí)行時間，使開發(fā)者把主要工作放在精細模型、優(yōu)化測試用例和結(jié)果分析上面。自動化測試的流程如圖8所示，首先根據(jù)測試需求編寫測試用例，然后根據(jù)測試用例搭建測試序列，序列搭建好后就可以執(zhí)行自動化測試，最后是結(jié)果分析與報告管理。下面將以ESP的HIL自動化測試為例，完整介紹整個自動化測試流程。

圖8 自動化測試流程

3.2 ESP自動化測試應(yīng)用

1）測試需求測試3個ECU能否正確在低附著路面制動停車。

2）測試用例描述使車輛駛?cè)肽繕?biāo)道路：直線路面，長度5km，寬3.5m，附著系數(shù)為0.3；操作加速踏板獲得60 km／h穩(wěn)定車速；松開加速踏板；開始采集；制動踏板在時間0.1 s內(nèi)踩到60%，使車輛停在目標(biāo)道路上，該過程中轉(zhuǎn)向盤保持不動。

3）轉(zhuǎn)化為流程圖流程圖的好處就是將測試用例中語言的描敘圖形化，可以方便序列的搭建。流程圖如圖9所示。

圖9 流程圖

4）建數(shù)據(jù)字典對有用的變量進行整理，方便調(diào)用。

5）建基本動作庫對一些基本操作（如：上下電、踩油門、踩制動踏板等）進行建庫，方便測試序列的搭建。

6）測試序列有了數(shù)據(jù)字典和基本動作庫后，建序列就是從建好的數(shù)據(jù)字典和基本動作庫里面拖拽庫或變量，簡單方便。如圖10所示。

7）Python語言編寫評價判斷Automation Desk提供了多種評價方式，簡單的評價可以通過寫Python語言實現(xiàn)，復(fù)雜的評價可以通過構(gòu)造參考曲線來實現(xiàn)，本條測試用例就是利用構(gòu)造參考曲線來進行評價判斷結(jié)果是否正確，如圖11和圖12中的參考曲線。

8）測試執(zhí)行可以逐條執(zhí)行測試序列，也可以批量執(zhí)行。

9）測試結(jié)果分析自動生成測試結(jié)果和詳細報告，并對重要的變量曲線進行繪圖，幫助分析。由圖11和圖12可得出，在整個制動過程中，輪速是波動減小，反應(yīng)出卡鉗時松時緊，進而不會讓車輪抱死。根據(jù)制動曲線，還能得出最優(yōu)制動曲線對應(yīng)的制動參數(shù)，幫助ESP的開發(fā)。

圖10 測試序列

圖11 輪速與參考曲線的比較圖

圖12 車速與參考曲線的比較圖

4 總結(jié)

HIL自動化測試系統(tǒng)可用于整車開發(fā)中各控制模塊功能測試、通信測試、故障診斷測試及預(yù)標(biāo)定測試。在產(chǎn)品開發(fā)早期進行驗證測試，模擬各種復(fù)雜、極限工況，提前發(fā)現(xiàn)設(shè)計問題進行整改。本文介紹了一款在研發(fā)車型ESP硬件在環(huán)自動化測試系統(tǒng)的搭建和應(yīng)用，并以1條測試用例為例，詳細介紹了自動化測試流程和ESP HIL自動化測試的應(yīng)用。通過在實際項目中的應(yīng)用，進一步體現(xiàn)了HIL測試的優(yōu)勢，說明了ESP硬件在環(huán)自動化測試平臺可以保障人員的安全，縮短ESP的研發(fā)周期，降低開發(fā)成本，是快速開發(fā)ESP的有效途徑。

［1］焦合美，孫華鋒，徐蘭欣，等.車身硬件在環(huán)系統(tǒng)建設(shè)淺談［J］.汽車電器，2015（4）：56-58.

［2］劉衛(wèi)東，王愛春，吳方義，等.車身控制模塊硬件在環(huán)測試系統(tǒng)搭建及測試應(yīng)用［J］.汽車電器，2015（12）：50-53.

［3］劉巍，趙向東，李幼德，等.ESP硬件在環(huán)試驗平臺的研究與開發(fā)［J］.汽車工程，2007，29（9）：809-811.

［4］高明，趙楠，張榮蕓，等.基于LabVIEW的ESP硬件在環(huán)仿真實驗臺開發(fā)及仿真研究［J］.汽車零部件，2013（6）：53-56.

［5］林波，夏群生，何樂，等.ABS液壓混合仿真試驗臺的研究和應(yīng)用［J］.清華大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2002，42（2）：262-265.

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［7］丁海濤，郭孔輝，張建偉，等.汽車ESP硬件與駕駛員在回路仿真試驗臺的開發(fā)與應(yīng)用［J］.汽車工程，2006（4）：346-350.

［8］陳天殷.車輛電子穩(wěn)定程序控制系統(tǒng)ESP［J］.汽車電器，2015（2）：15-18.

（編輯 陳程）

The Research and Application of ESP Automatic Testing based Hardware-In-The-Loop Simulation Technique

WANG Ai-chun，WU Fang-yi，LIU Wei-dong，LIU Gui-tao，YAN Dong，PENG Chen-ruo，WAN Li-qin
（Jiangling Motors Co.，Ltd.，Nanchang 330001，China）

This article introduces the establish and application of ESP Hardware-In-The-Loop（HIL）automatic testing system.ESP simulation model is built based on Matlab/Simulink，and the ESP HIL test platform is set up using host computer and software board of dSPACE，which realizes the open and closed loop testing.A test case example is given to introduce automatic testing process and ESP HIL testing applications.The test result shows that the system meets development requirements，and provides an effective method for ESP quick development testing.

Hardware-In-The-Loop；electronic stability program；automatic testing

U463.61

A

1003－8639（2016）11－0059－04

2016-02-24；

2016-07-20

王愛春（1976-），女，首席工程師，主要從事汽車電子電器產(chǎn)品開發(fā)工作；吳方義（1985-），男，工程師，主要從事汽車電控單元開發(fā)與自動化測試工作。