EDR 控制器硬件在環(huán)測試系統(tǒng)的研究＊

辛迪宇，李占旗，劉全周，王劍飛，孫德明

（中汽研（天津）汽車工程研究院有限公司，天津 300300）

前言

EDR 控制器類似于飛機(jī)的“黑匣子”——飛行數(shù)據(jù)記錄儀（FDR）[1]，EDR 可以實(shí)時監(jiān)控、采集并記錄發(fā)生事故前后車輛和乘員保護(hù)系統(tǒng)的時間序列數(shù)據(jù)[2]。在發(fā)生交通事故時，如果可以復(fù)現(xiàn)事故現(xiàn)場車輛行駛狀況的數(shù)據(jù)，將有助于事故的調(diào)查和責(zé)任的劃分。目前中國發(fā)售的大部分車型均安裝有EDR 模塊[3]，在EDR 控制器開發(fā)過程中需要對EDR 控制器的控制功能進(jìn)行大量、重復(fù)的碰撞測試，對于這些測試在實(shí)際試驗中會耗費(fèi)大量的金錢和時間，本文通過開發(fā)被控對象模型和EDR 碰撞臺架，并將兩者與dSPACE 硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)相結(jié)合的方式搭建了EDR 控制器硬件在環(huán)測試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了車輛碰撞工況的仿真，該系統(tǒng)不僅可以滿足EDR 控制器功能測試，而且大大降低了控制器的開發(fā)成本。

1 EDR 控制器的功能

EDR 控制器的主要目的是實(shí)現(xiàn)事故發(fā)生前或發(fā)生時的數(shù)據(jù)存儲記錄。故EDR 控制存儲單元需要具有事件觸發(fā)、數(shù)據(jù)存儲、總線通信等功能。此外為了保證系統(tǒng)的可靠工作等潛在需求，控制存儲單元還具有備用電源、診斷系統(tǒng)等功能，具體如下：

事件觸發(fā)模塊由傳感器信號采集、信號前處理、觸發(fā)閾值計算等組成，如圖1 所示。

（1）信號采集，數(shù)據(jù)來源為內(nèi)置加速度傳感器和外圍碰撞傳感器兩部分，內(nèi)置加速度傳感器采集橫向、縱向加速度信號，外圍碰撞傳感器采集正碰、側(cè)碰加速度信號。

（2）信號前處理，中央處理器根據(jù)數(shù)據(jù)處理算法、標(biāo)定參數(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行抗擾、濾波、FIFO（先進(jìn)先出，緩沖環(huán)節(jié)，降低處理器負(fù)擔(dān)）、A/D 轉(zhuǎn)換等處理，處理后的結(jié)果作為觸發(fā)閾值計算的輸入。

（3）觸發(fā)閾值計算，在一定時間內(nèi)，加速度達(dá)到某個限值后，則儲存相應(yīng)的輸入數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)存儲功能是指中央處理器從汽車CAN 網(wǎng)絡(luò)讀取數(shù)據(jù)，經(jīng)過必要處理后送入非易失性存儲器中存儲。

診斷功能包括故障檢測和故障處理兩部分，故障檢測對系統(tǒng)的狀態(tài)或參數(shù)進(jìn)行比較，當(dāng)狀態(tài)或參數(shù)不符預(yù)期或超出預(yù)定范圍時認(rèn)為系統(tǒng)出現(xiàn)故障，對相應(yīng)的故障數(shù)據(jù)位進(jìn)行置位并存儲。故障處理根據(jù)故障檢測出的故障進(jìn)行相應(yīng)的處理措施。

2 測試模型及建模原理

圖2 EDR 控制器硬件在環(huán)測試系統(tǒng)

EDR 控制器硬件在環(huán)測試系統(tǒng)的作用主要是開發(fā)測試控制器的存儲功能和故障診斷功能，由于EDR 控制器內(nèi)部帶有碰撞傳感器，單純仿真無法激活控制器內(nèi)部的碰撞傳感器，故本文采用被控對象模型和碰撞試驗臺架結(jié)合的方式開發(fā)EDR 控制器硬件在環(huán)測試系統(tǒng)，如圖2 所示。本文所開發(fā)的EDR 控制器硬件在環(huán)測試系統(tǒng)主要包括四部分：1）裝有Matlab/Simulink/RTW 軟件、dSPACE/ControlDesk 軟件及dSPACE/ConfigurationDesk 軟件的上位機(jī)；2）EDR 碰撞仿真實(shí)驗臺架；3）DSPACE HIL 測試仿真機(jī)柜；4）EDR 控制器。

2.1 硬件系統(tǒng)開發(fā)

EDR 控制器硬件在環(huán)測試系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)是基于dSPA-CE 實(shí)時仿真系統(tǒng)開發(fā)而成的，本文采用的dSPACE 測試仿真系統(tǒng)是SCALEXIO 系統(tǒng)平臺，選取的資源板卡為DS2671總線仿真板卡，該板塊具有CAN/LIN 總線仿真功能。DSPA-CE 的RTT 模塊可將Matlab/simulink 開發(fā)的模型由離線轉(zhuǎn)換為實(shí)時，RTW 模塊將模型生成DSPACE 實(shí)時仿真系統(tǒng)的代碼，通過將代碼下載到dSPACE 實(shí)時仿真系統(tǒng)上，使得模型在HIL 測試仿真系統(tǒng)中運(yùn)行[4]。

EDR 控制器與硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)的交互包括CAN 總線和硬線兩部分，其中采用DS2671 總線仿真板卡進(jìn)行CAN 總線信號的仿真，CAN 總線用于被控對象與EDR 控制器的數(shù)據(jù)交互；利用程控電源給EDR 控制器供電，HIL 測試仿真系統(tǒng)和上位機(jī)通過網(wǎng)線連接。

2.2 碰撞模型開發(fā)

目前已知的轎車與轎車正面碰撞時有效碰撞速度與其變形之間的實(shí)驗公式為[5]：

式中：V 為轎車的有效碰撞速度（單位：m/s）；x 為轎車的有效變形量（單位：m）。

由于轎車的有效變形量x 隨每個車輛的不同而不同，且在碰撞過程中x 為連續(xù)變化過程，目前還沒有確定的公式可以仿真出碰撞過程中x 的變化過程，故通過公式進(jìn)行碰撞仿真不具有精確性和唯一性，且目前還沒有可以連續(xù)仿真碰撞過程的公式，而通過查表法進(jìn)行碰撞仿真，可精確還原碰撞數(shù)據(jù)，但對于超出范圍的數(shù)據(jù)偏差較大，本文采用查表的方式對碰撞過程進(jìn)行仿真。

2.3 發(fā)動機(jī)模型開發(fā)

發(fā)動機(jī)模型主要包括3 部分，分別為扭矩計算模型、燃油消耗模型、熱模型，由于EDR 控制器不采集與燃油消耗模型、熱模型相關(guān)的數(shù)據(jù)，故本文搭建的發(fā)動機(jī)模型忽略燃油消耗模型和熱模型。通過建立發(fā)動機(jī)節(jié)氣門開度和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系可以得出發(fā)動機(jī)扭矩值，然后通過積分的形式使扭矩變化與真實(shí)發(fā)動機(jī)一致，發(fā)動機(jī)節(jié)氣門開度和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速對應(yīng)發(fā)動機(jī)扭矩值的關(guān)系如圖3 所示。

圖3 發(fā)動機(jī)節(jié)氣門開度和轉(zhuǎn)速對應(yīng)扭矩值的關(guān)系圖

2.4 整車動力學(xué)模型開發(fā)

整車動力學(xué)模型是將發(fā)動機(jī)模型傳輸?shù)膭恿D(zhuǎn)換為作用在車輪上的力，車輪上的力通過克服阻力驅(qū)動車輛行駛，這些阻力包括：滾動阻力、坡道阻力、空氣阻力、加速阻力等，車輛動力學(xué)方程為：

式中：Ff 為汽車滾動阻力（單位：N）；Fi 為坡道阻力（單位：N）；Fw 為空氣阻力（單位：N）；Fj 為加速阻力（單位：N）。

根據(jù)車輛動力學(xué)方程和各阻力方程進(jìn)行建模，所搭建的車輛動力學(xué)Simulink 模型如圖4 所示。

圖4 車輛動力學(xué)模型

2.5 EDR 碰撞臺架開發(fā)

本文所采用的EDR 碰撞臺架包括動力模塊、反饋模塊、保護(hù)模塊、控制模塊等四部分，EDR 控制器安裝在工作臺上，工作臺置于直線導(dǎo)軌上，動力模塊負(fù)責(zé)產(chǎn)生不同的加速度值；反饋模塊將外置于工作臺上的加速度值檢測出來，并發(fā)送至控制模塊中的上位機(jī)；保護(hù)模塊用于程序跑飛時，通過回位彈簧對電機(jī)進(jìn)行機(jī)械保護(hù)，此外通過保護(hù)罩與試驗人員進(jìn)行隔離，以保護(hù)試驗人員的安全；控制模塊通過下載至驅(qū)動器中的程序?qū)﹄姍C(jī)進(jìn)行控制，并通過指示燈實(shí)時顯示電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。

其原理為：dSPACE 實(shí)時仿真機(jī)柜和EDR 碰撞臺架通過硬線和總線連接，當(dāng)模型中碰撞觸發(fā)時，dSPACE 實(shí)時仿真機(jī)柜發(fā)出模型計算的加速度數(shù)據(jù)給EDR 碰撞臺架，EDR 碰撞臺架通過控制臺架上的電機(jī)動作，使得EDR 控制器內(nèi)部碰撞傳感器激活，從而仿真碰撞過程，EDR 控制器識別和存儲內(nèi)部碰撞傳感器識別到的數(shù)據(jù)。

3 EDR 測試系統(tǒng)驗證

為驗證開發(fā)的EDR 控制器硬件在環(huán)測試系統(tǒng)，本文選取了某公司開發(fā)的EDR 控制器，分別對EDR 控制器硬件在環(huán)測試系統(tǒng)的控制功能及EDR 控制器故障注入進(jìn)行驗證，其中EDR 控制器硬件在環(huán)測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸出采用車輛縱向碰撞加速度、安全氣囊狀態(tài)進(jìn)行說明，EDR 控制器故障注入采用電氣故障進(jìn)行說明。

圖5 模型輸出的碰撞數(shù)據(jù)和控制器識別的碰撞數(shù)據(jù)對比圖

圖5為EDR控制器硬件在環(huán)測試系統(tǒng)中碰撞模型輸出的碰撞數(shù)據(jù)和EDR 控制器識別的碰撞數(shù)據(jù)對比圖，從圖中可以看出本文搭建的EDR 控制器硬件在環(huán)測試系統(tǒng)仿真的碰撞加速度與控制器識別的碰撞加速度基本吻合，從而證明了EDR 控制器可識別到系統(tǒng)仿真的碰撞過程。

圖6 為碰撞時，EDR 控制器硬件在環(huán)測試系統(tǒng)中總線仿真輸出的安全氣囊的打開時刻和控制器識別的安全氣囊狀態(tài)對比圖，在EDR 控制器硬件在環(huán)測試系統(tǒng)的安全氣囊狀態(tài)仿真中設(shè)置在加速度大于8g 時安全氣囊打開，從圖中可以看出EDR 識別并記錄的安全氣囊狀態(tài)與仿真一致。

圖6 模型輸出的安全氣囊的打開時刻和控制器識別的安全氣囊狀態(tài)對比圖

對于故障診斷功能的驗證，本文以EDR 控制器供電電源短路故障為例進(jìn)行說明，通過EDR 硬件在環(huán)測試系統(tǒng)的上位機(jī)設(shè)置EDR 控制器供電電源短路到地，從EDR 故障讀取工具中讀取EDR 控制器的故障代碼，實(shí)驗表明EDR 識別到的故障代碼和輸入的故障一致，通過故障診斷功能的驗證可證明本文開發(fā)的EDR 硬件在環(huán)測試系統(tǒng)可滿足EDR 控制器的故障診斷功能開發(fā)驗證。

4 結(jié)論

本文開發(fā)了EDR 控制器硬件在環(huán)測試系統(tǒng)，并通過試驗對所開發(fā)的EDR 控制器硬件在環(huán)測試系統(tǒng)進(jìn)行了控制功能及故障診斷功能的驗證，驗證結(jié)果表明本文所開發(fā)的EDR控制器硬件在環(huán)測試系統(tǒng)可有效的測試EDR 控制器的功能，且具有可重復(fù)性、靈活性、安全性等特點(diǎn)。