虛擬環(huán)境交流底盤測功機試驗系統(tǒng)設計

張曉瑞，周志立

(1．西安理工大學 機械與精密儀器工程學院,陜西 西安 710048；2．河南科技大學 車輛與交通工程學院,河南 洛陽 471003)

0 引言

車輛底盤測功機試驗與路面試驗相比，具有安全性高、再現(xiàn)性好、經(jīng)濟性好、試驗速度快、精度高、可比性好等優(yōu)點，在其試驗中，實現(xiàn)室內(nèi)、室外實車試驗環(huán)境的一致性，一直是科研人員的重要研究課題[1-2]。虛擬試驗是車輛新產(chǎn)品評估驗證的先進方法之一，虛擬現(xiàn)實技術的應用為虛擬試驗的實現(xiàn)提供了支撐[3-4]。虛擬試驗通過創(chuàng)建試驗的虛擬環(huán)境，使車輛室內(nèi)試驗更加接近室外試驗的環(huán)境條件。目前，國內(nèi)外的汽車公司及研究機構都在積極地進行基于虛擬環(huán)境的模擬駕駛研究，主要集中在室內(nèi)實現(xiàn)真實駕駛的模擬[5-8]，但很少將其和車輛試驗系統(tǒng)相結(jié)合，進行室內(nèi)車輛性能的測試[9-12]。本文根據(jù)車輛底盤測功機試驗的功能，通過分析虛擬環(huán)境下底盤測功機試驗系統(tǒng)的技術需求，設計基于虛擬環(huán)境的交流底盤測功機試驗系統(tǒng)。通過對虛擬現(xiàn)實技術、動態(tài)加載控制技術和試驗系統(tǒng)平臺技術等關鍵技術的應用，使構造的室內(nèi)底盤測功機試驗系統(tǒng)的測試結(jié)果與室外車輛性能測試更為接近。

1 試驗系統(tǒng)功能及技術需求分析

1.1 功能需求分析

車輛底盤測功機試驗系統(tǒng)主要是為車輛性能的測試提供通用試驗平臺，通過應用本系統(tǒng)，可以測試不同運行環(huán)境下的車輛性能。因此，試驗測試系統(tǒng)應具備如下功能：

(Ⅰ)創(chuàng)建虛擬環(huán)境。虛擬環(huán)境應具有較高的逼真度，能夠模擬車輛在道路上的不同環(huán)境，實現(xiàn)駕駛員操縱引導，能夠為駕駛員提供深度的體驗，使其具有身臨其境的感覺。

(Ⅱ)加載實時行駛阻力。系統(tǒng)能夠根據(jù)虛擬環(huán)境參數(shù)和試驗車輛參數(shù)，控制底盤測功機進行模擬加載，實現(xiàn)試驗車輛行駛實時模擬，以還原車輛在真實路面的行駛工況。

(Ⅲ)支撐試驗運行。系統(tǒng)能夠以性能穩(wěn)定的運行支撐框架為基礎，進行系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)實時互通，集功能實現(xiàn)、試驗數(shù)據(jù)管理、試驗流程管理、人機交互及驗證評價于一體，保證試驗系統(tǒng)的功能和通用性。

1.2 技術需求分析

為使車輛底盤測功機系統(tǒng)運行并實現(xiàn)其功能，其技術需求為：

(Ⅰ)虛擬現(xiàn)實技術[13-14]。虛擬現(xiàn)實技術是指采用環(huán)境建模技術、可視化技術、人機交互技術在計算機上生成環(huán)境的技術。為了使底盤測功機試驗系統(tǒng)具有更加接近實車測試的效果，基于虛擬現(xiàn)實構建實車試驗視景系統(tǒng)，實現(xiàn)虛擬環(huán)境和試驗車輛間的數(shù)據(jù)交互。

(Ⅱ)動態(tài)加載控制技術。動態(tài)加載控制技術指根據(jù)試驗過程中環(huán)境參數(shù)和車輛運動參數(shù)，通過加載力的數(shù)學模型，控制加載電機對試驗車輛進行實時加載，以實現(xiàn)車輛行駛阻力的實時模擬。

(Ⅲ)試驗系統(tǒng)平臺技術。平臺技術以計算機為載體，為實車試驗提供高效可靠的試驗控制、信息傳輸及信息集成環(huán)境[15-16]。建立一套集分布式建模、管理、監(jiān)控、驗證、評價于一體的車輛底盤測功機試驗平臺系統(tǒng)，融合多領域商用軟件，在不同的試驗項目要求下，擴展配置不同的軟硬件模塊，通過統(tǒng)一軟、硬件接口標準，支撐系統(tǒng)內(nèi)部軟、硬件數(shù)據(jù)實時通信，以保證試驗項目的順利進行。

2 試驗系統(tǒng)設計及關鍵技術的實現(xiàn)

2.1 底盤測功機試驗系統(tǒng)設計

根據(jù)試驗系統(tǒng)功能需求，設計的底盤測功機試驗系統(tǒng)如圖1所示。試驗時，虛擬環(huán)境計算機模擬車輛在道路上的行駛環(huán)境，并通過頭盔與音響為駕駛員提供視覺與聽覺反饋，駕駛員根據(jù)虛擬環(huán)境系統(tǒng)提供的反饋信息及自己的駕駛經(jīng)驗，采取相應的加速、減速及換擋等駕駛行為。測控子系統(tǒng)根據(jù)虛擬環(huán)境子系統(tǒng)提供的環(huán)境參數(shù)及車輛的運動參數(shù)計算得到加載力模型，通過控制測功機及電氣子系統(tǒng)中的變頻柜，進而控制加載電機對滾筒實時加載以模擬其在真實道路上的行駛，并通過功率柜逆變實現(xiàn)能量回饋電網(wǎng)。同時，通過傳感器采集駕駛員駕駛行為及車輛性能信息。數(shù)據(jù)經(jīng)過信號調(diào)理后傳輸?shù)綔y控計算機。試驗管理計算機與測控計算機通過以太網(wǎng)進行信息交互，管理試驗數(shù)據(jù)，監(jiān)控試驗順利進行，根據(jù)相關評價指標及方法對車輛性能、駕駛員水平及環(huán)境進行評價。

圖1 底盤測功機試驗系統(tǒng)

2.1.1 虛擬環(huán)境子系統(tǒng)

虛擬環(huán)境子系統(tǒng)為駕駛員提供駕駛環(huán)境，同時發(fā)布環(huán)境參數(shù)，得到加載力數(shù)學模型，對試驗車輛進行實時加載。該子系統(tǒng)主要由模型數(shù)據(jù)庫、軟件系統(tǒng)、顯示輸出設備等組成，如圖2所示。

圖2 虛擬環(huán)境子系統(tǒng)

模型數(shù)據(jù)庫存放聲音模型、道路環(huán)境模型、交通環(huán)境模型、氣象環(huán)境模型及試驗車輛模型等。聲音模型主要包括車輛行駛過程中發(fā)動機聲音、胎噪及周圍環(huán)境中的各種聲音。道路環(huán)境模型主要包括地形，周圍建筑物，實際道路的形狀、長度、寬度、俯仰角，路基材料及滾動阻力因數(shù)等參數(shù)。交通環(huán)境模型主要包括周圍車輛、行人、紅綠燈等交通狀況，并設置周圍車輛的行駛路線、速度及加速度等。氣象環(huán)境模型主要是對周圍的環(huán)境、溫度、天氣等細節(jié)進行建模。試驗車輛模型是實際試驗車輛的動力學模型，在底盤測功機上，駕駛員根據(jù)視覺反饋及聽覺反饋調(diào)整駕駛行為，所做的一系列動作通過傳感器經(jīng)處理后，施加于試驗車輛，實現(xiàn)車輛與虛擬環(huán)境的交互。

虛擬環(huán)境計算機運行軟件系統(tǒng)能夠及時將物體模型從模型數(shù)據(jù)庫中取出，計算它們所在的位置、方向及光學特征，實時渲染，使整個圖像具有較高的分辨率、清晰度和色彩還原度，使其更加接近于真實的道路場景，同時還可以對整個試驗場景進行視頻的錄制。

顯示輸出設備包括頭盔和音響，為駕駛員提供視覺反饋和聽覺反饋。

2.1.2 測功機及電氣子系統(tǒng)

測功機及電氣子系統(tǒng)保證車輛驅(qū)動輪與滾筒表面有足夠的附著力，能將吸收的功率轉(zhuǎn)換為電能回饋給電網(wǎng)，并準確地執(zhí)行測控系統(tǒng)發(fā)出的指令，自動調(diào)節(jié)加載力，主要由功率柜、變頻柜、加載電機、變頻風機及滾筒等組成，如圖3所示。

圖3 測功機及電氣子系統(tǒng)

功率柜主要功能是整流、逆變，將交流變成直流，為變頻柜供電，為整個系統(tǒng)提供所需的直流電源，同時在測功模式下將機械能轉(zhuǎn)化為電能，將能量回饋電網(wǎng)，以達到節(jié)能的目的。變頻柜主要用于驅(qū)動加載電機根據(jù)選擇的控制模式精確調(diào)節(jié)測功機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩，滿足試驗要求，驅(qū)動變頻風機跟蹤車輛速度。

加載電機于發(fā)電機模式(測功模式)工作時，可利用其優(yōu)良的低速轉(zhuǎn)矩特性，模擬車輛穩(wěn)態(tài)阻力和加速阻力；于電動機模式(驅(qū)動模式)工作時，可對車輛進行反拖，用于測量車輛傳動阻力及制動器制動力等。變頻風機通過對車輛行駛散熱氣流的模擬，實現(xiàn)風速自動跟隨車速，對車輛發(fā)動機進行冷卻。滾筒用于保證車輛的驅(qū)動輪與滾筒表面有足夠的附著力，使車輛驅(qū)動橋輸出的功率傳遞給測功機。

對電網(wǎng)側(cè)的交流(alternating current, AC)-直流(direct current, DC)轉(zhuǎn)換，采用脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation，PWM)技術可以實現(xiàn)高功率因數(shù)、能量雙向流動和穩(wěn)定可調(diào)的直流輸出電壓。對電機側(cè)的DC-AC測功單元采用加載電機的直接轉(zhuǎn)矩控制策略，可以保證底盤測功機的優(yōu)良動態(tài)性能。

2.1.3 測控子系統(tǒng)

測控子系統(tǒng)實時采集測功機的各類傳感器信號，結(jié)合虛擬環(huán)境子系統(tǒng)提供的環(huán)境信息，經(jīng)測控計算機得到加載力數(shù)學模型，控制加載電機對試驗車輛進行動態(tài)加載，實現(xiàn)道路載荷模擬，并管理試驗數(shù)據(jù)及流程，確保試驗順利進行。測控子系統(tǒng)主要由傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、測控計算機及試驗管理計算機組成，如圖4所示。

圖4 測控子系統(tǒng)

傳感器主要包括安裝在底盤測功機及試驗車輛上的傳感器。安裝在底盤測功機上的傳感器包括電網(wǎng)側(cè)、電機側(cè)電壓電流傳感器，加載電機三相繞組及軸承處的溫度傳感器，加載電機輸出軸的轉(zhuǎn)矩傳感器、滾筒處的轉(zhuǎn)速傳感器及油耗儀、尾氣分析儀等。安裝在試驗車輛上的傳感器包括加速踏板、制動踏板、離合器踏板處的位置傳感器及發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器、油溫傳感器等相關傳感器。信號調(diào)理單元將傳感器信號進行處理，分別將轉(zhuǎn)矩(應變片輸入)、轉(zhuǎn)速(計數(shù)器輸入)、壓力(電壓輸入)、溫度(熱電偶輸入)、電流變送器(電壓輸入)等信號轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)采集卡可識別的標準信號，同時起到電氣信號隔離作用，數(shù)據(jù)采集卡將標準信號傳輸給測控計算機。

測控計算機根據(jù)試驗車輛當前的運動參數(shù)，結(jié)合虛擬環(huán)境子系統(tǒng)發(fā)布的環(huán)境信息(道路滾動阻力因數(shù)、坡度角、空氣阻力因數(shù)、試驗車輛迎風面積、風速)，得到加載阻力的數(shù)學模型，控制加載電機對試驗車輛進行動態(tài)加載，實現(xiàn)道路載荷模擬。

試驗管理計算機與測控計算機通過以太網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸及交互，通過人機交互界面對整個試驗數(shù)據(jù)及流程進行監(jiān)控管理，確保試驗安全順利進行，并通過車速、驅(qū)動輪輸出轉(zhuǎn)矩、燃油消耗量、尾氣排放情況及發(fā)動機相關參數(shù)等車輛信息對試驗車輛的動力性、經(jīng)濟性、排放性進行評價，通過擋位的選取、加速踏板、離合器踏板、制動踏板的行程等駕駛員操作信息對駕駛水平及環(huán)境進行評價。

2.2 測功機系統(tǒng)關鍵技術實現(xiàn)

2.2.1 基于Prescan的虛擬環(huán)境系統(tǒng)構建

選擇Prescan作為虛擬環(huán)境開發(fā)工具。Prescan軟件是一款集成度較高的軟件，被廣泛應用于虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)和智能駕駛輔助系統(tǒng)的開發(fā)中[17-18]。道路環(huán)境建模利用Prescan中的道路設計模塊直接創(chuàng)建，該模塊包含直路、坡路和十字路等，可根據(jù)需求進行不同的組合，并設置道路參數(shù)。交通環(huán)境建模主要包括虛擬車輛初始位置、行駛路徑、初始車速、行駛距離和加速度等車輛參數(shù)的設置，虛擬車輛會按照設計的情況進行自動行駛。氣象環(huán)境建模主要包括晴天或雨天、太陽的明亮程度、是否雪天、霧天等，當雨天或者地面有積雪時，道路滾動阻力因數(shù)會發(fā)生改變。由于底盤測功機試驗時，本車的各種聲音都是真實的，只需建立車輛外部的聲音模型即可。實際試驗車輛模型通過速度傳感器得到試驗車輛的速度，實現(xiàn)試驗車輛與虛擬環(huán)境的交互。

完成道路環(huán)境、交通環(huán)境、氣象環(huán)境、聲音及試驗車輛建模后，在模型中通過數(shù)據(jù)分發(fā)服務(data distribution service,DDS)技術發(fā)布環(huán)境參數(shù)，為測控子系統(tǒng)得到實時加載阻力模型，并訂閱車速傳感器參數(shù)，得到試驗車輛的車速以實現(xiàn)試驗車輛與虛擬環(huán)境的交互。

2.2.2 基于Links-RT的快速原型控制

測控系統(tǒng)采用的快速原型控制器Links-RT如圖5所示。測控計算機借助Simulink的開發(fā)環(huán)境，根據(jù)虛擬環(huán)境系統(tǒng)提供的環(huán)境信息，同時基于獲得的試驗車輛性能信息，制定加載力的控制策略，利用RT-Coder完成對底層驅(qū)動的配置，從而一鍵生成可以用于Links-RT的C代碼。RT-Sim實時顯示Links-RT傳到測控計算機的數(shù)據(jù)，計算模擬輸出阻力，并可以進行在線修改，根據(jù)不同試驗選擇不同的控制方法，試驗的速度點可以任意設置，具有開放式的道路循環(huán)編輯功能，可自定義任何工況曲線，以利于科研和車輛新產(chǎn)品的驗證性試驗，具備廣泛的開放性和靈活性。

圖5 基于Links-RT的底盤測功機控制子系統(tǒng)

Links-RT搭載的MIC3612芯片，支持RTS/CTS數(shù)據(jù)流控制功能，通過獲取車輛性能信息和駕駛員操作信息，并根據(jù)測控計算機的控制策略，控制測功機及電器系統(tǒng)中的變頻器，進而控制加載電機實時動態(tài)加載，控制變頻風機對車速的跟蹤，測控計算機通過控制器局域網(wǎng)(controller area network,CAN)通信接口與Links-RT進行連接與數(shù)據(jù)交換，以實現(xiàn)底盤測功機系統(tǒng)的數(shù)字化控制。

2.2.3 基于DDS的試驗平臺

DDS是一套應用程序接口(application programming interface,API)與互操作性協(xié)議規(guī)范，具備應用程序所需的發(fā)布和訂閱數(shù)據(jù)的功能，負責高效地將數(shù)據(jù)發(fā)送到適當?shù)慕邮照遊19-20]。根據(jù)試驗系統(tǒng)對數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?，建立了基于DDS的底盤測功機試驗系統(tǒng)平臺。試驗系統(tǒng)平臺包括測控計算機、虛擬環(huán)境計算機和試驗管理計算機，各個計算機各自運行相關軟件，3臺計算機之間通過以太網(wǎng)基于DDS實現(xiàn)各個域成員間信息的快速傳遞，建立集數(shù)據(jù)管理、流程管理、監(jiān)控服務、試驗結(jié)果評價于一體的試驗平臺。根據(jù)前文對試驗系統(tǒng)的工作過程及原理分析，為確保試驗順利進行，各個域成員發(fā)布/訂閱的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 域成員發(fā)布/訂閱數(shù)據(jù)表

根據(jù)DDS工作原理，各個域成員間能夠互相通信，形成邏輯網(wǎng)絡，創(chuàng)建發(fā)布者、訂閱者等域參與者，注冊不同數(shù)據(jù)類型，進行相關主題定義，通過主題來關聯(lián)發(fā)布信息，域成員可以定制自己的服務質(zhì)量策略，最后進行DDS的接口封裝，通過發(fā)布/訂閱接口加入全局數(shù)據(jù)空間，與其他域成員交互信息，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效實時傳輸。

3 試驗驗證

設計的基于虛擬環(huán)境的交流底盤測功機系統(tǒng)已投入實際使用，為了驗證試驗系統(tǒng)性能，以五菱宏光為試驗用車在底盤測功機上進行試驗，其實物場景如圖6所示。圖6中，①為測控計算機，運行Links-RT軟件、MATLAB/Simulink軟件，通過數(shù)據(jù)采集控制器采集傳感器、虛擬環(huán)境子系統(tǒng)的環(huán)境信息，輸出底盤測功機控制信號；②為虛擬環(huán)境計算機，運行Prescan軟件，通過顯示輸出為駕駛員提供實車道路環(huán)境；③為試驗管理計算機，運行數(shù)據(jù)庫軟件、LabVIEW軟件，實現(xiàn)對試驗過程的流程管理及監(jiān)控，3臺計算機通過以太網(wǎng)基于DDS實現(xiàn)各個域成員間信息的快速傳遞；④為快速原型控制器Links-RT，實時采集傳感器信息傳遞給測控計算機，并根據(jù)測功計算機的加載控制算法實時控制，對車輛進行動態(tài)加載；⑤為底盤測功機。

圖6 虛擬環(huán)境底盤測功機試驗系統(tǒng)

虛擬環(huán)境交流底盤測功機系統(tǒng)能夠模擬不同的實車環(huán)境，試驗以新歐洲駕駛周期(new European driving cycle,NEDC)工況給定車輛的目標車速，在平直路面和5%的上坡路面上分別進行試驗，記錄循環(huán)工況下在兩種路面的車輛速度、加速踏板、制動踏板及變速器擋位的情況，試驗結(jié)果如圖7所示，圖7b中，縱軸正、負坐標分別表示車輛加速踏板開度、制動踏板開度。由圖7a可知:駕駛員駕駛車輛可以較好地跟隨目標車速，上坡路面的速度跟隨情況差于在水平路面上。由圖7b和圖7c可知：在相同速度下，不同路面行駛環(huán)境需要的加速踏板和制動踏板開度不同，對變速器擋位的控制也有較大的影響，上坡路面對應的加速踏板開度更大，并處于更低擋位，此結(jié)果與實際情況一致。

(a) 車輛速度變化

為了進一步驗證試驗系統(tǒng)模擬室外道路試驗的可行性，試驗車輛在室外真實道路上進行了NEDC工況試驗，并與室內(nèi)底盤測功機試驗結(jié)果對比，對比結(jié)果如圖8所示。由圖8可知：給定工況時，室內(nèi)與室外道路試驗的車速跟隨、加速踏板、制動踏板及變速器擋位的變化情況較為接近。由于存在不同道路負載的影響以及信號反饋時滯等難以控制的因素，為了抵消室內(nèi)試驗硬件帶來的摩擦阻力以及考慮系統(tǒng)需要消耗的動力，為保持室內(nèi)底盤測功機試驗循環(huán)工況的速度跟隨，需要更大的油門或制動踏板開度。室外試驗和室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)變化趨勢吻合，一致性良好，速度誤差在1 km/h內(nèi)。

(a) 車輛速度變化

4 結(jié)束語

在底盤測功機的基礎上，通過分析試驗系統(tǒng)的功能及技術需求，構建了虛擬環(huán)境交流底盤測功機試驗系統(tǒng)，主要設計了虛擬環(huán)境子系統(tǒng)、測功機及電氣子系統(tǒng)和測控子系統(tǒng)，并對其結(jié)構原理進行了分析。通過對虛擬現(xiàn)實、動態(tài)加載控制和試驗系統(tǒng)平臺等關鍵技術的分析，基于Prescan軟件建立了虛擬環(huán)境模型，利用Links-RT實現(xiàn)了對試驗車輛的動態(tài)加載，基于DDS平臺實現(xiàn)了計算機網(wǎng)絡實時通信，從而開發(fā)了虛擬環(huán)境交流底盤測功機試驗系統(tǒng)。室內(nèi)底盤測功機試驗和室外道路試驗速度誤差在1 km/h內(nèi)，且試驗結(jié)果變化趨勢一致，數(shù)據(jù)吻合。虛擬環(huán)境底盤測功機試驗系統(tǒng)為更能接近實車道路試驗結(jié)果提供了可能。