基于Simulink及CANoe的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)ADAS性能測(cè)試方法研究

摘 要：實(shí)現(xiàn)整車ADAS功能，需要電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能夠滿足ADAS上位機(jī)請(qǐng)求的相關(guān)要求，由于ADAS上位機(jī)開發(fā)周期較長(zhǎng)，往往在首次裝車時(shí)無法搭載，影響了電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的ADAS性能初步調(diào)試工作的開展及后續(xù)ADAS整車聯(lián)調(diào)的進(jìn)度。因此，本文研究并提出了一種聯(lián)合Simulink和CANoe的汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的ADAS性能測(cè)試方法。由于單存采用CANoe CAPL編程模塊，難以對(duì)于較復(fù)雜的傳遞函數(shù)進(jìn)行編程輸出，因此本文提出了根據(jù)測(cè)試項(xiàng)目通過用Simulink軟件建立測(cè)試環(huán)境，聯(lián)合CANoe接口進(jìn)行CAN報(bào)文輸出至整車網(wǎng)絡(luò)的方式，實(shí)現(xiàn)EPS ADAS的測(cè)試驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向 ADAS CANoe Simulink 測(cè)試方法

0 引言

隨著汽車輔助駕駛功能滲透率逐年提高，ADAS功能已經(jīng)逐步被用戶所接受，從最初僅作為可有可無的錦上添花的配置，轉(zhuǎn)變?yōu)樵黾玉{駛舒適性、安全性的不可或缺的功能。隨之帶來用戶對(duì)ADAS性能要求的快速提高。特別是橫向控制方面，由最初的僅能實(shí)現(xiàn)車道保持，升級(jí)為可自動(dòng)變換車道超車，緊急避讓前車等等。隨著功能的升級(jí)，對(duì)于橫向執(zhí)行器即電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（ElectricPower Steering， EPS）的響應(yīng)性能提出了更高的要求。整車ADAS功能開發(fā)過程中，EPS和ADAS上位機(jī)由不同供應(yīng)商團(tuán)隊(duì)同步開發(fā)，開發(fā)周期不同，EPS往往在首次裝車時(shí)即可完成ADAS功能軟件的開發(fā)并搭載，但是ADAS上位機(jī)軟件需要更長(zhǎng)的時(shí)間進(jìn)行開發(fā)，在首輪裝車時(shí)難以同步搭載。因此，EPS難4c43e9b5b28b29eabe33f1ad114f6373以在早期進(jìn)行充分的ADAS性能調(diào)試，開發(fā)進(jìn)度被拖后，只能在后期進(jìn)行進(jìn)度追趕，影響開發(fā)質(zhì)量。

CANoe是Vector公司開發(fā)的汽車網(wǎng)絡(luò)測(cè)試軟件平臺(tái)，具備完善的CAN網(wǎng)絡(luò)測(cè)試能力及通訊節(jié)點(diǎn)的仿真能力，可以使用CANoe自帶的CAPL編程模塊結(jié)合Panel進(jìn)行殘余節(jié)點(diǎn)的仿真，例如模擬ESP、VCU、ADAS等模塊發(fā)送相應(yīng)的報(bào)文進(jìn)行EPS相關(guān)功能測(cè)試。但對(duì)于一些復(fù)雜的傳遞函數(shù)，CAPL并不能便捷的進(jìn)行描述及仿真發(fā)送，而Simulink作為一款強(qiáng)大的可視化仿真軟件，具備完善的模塊庫，能夠輕松的進(jìn)行系統(tǒng)的仿真，故本文提出了一種測(cè)試方法：使用Simulink進(jìn)行ESP、VCU、ADAS等EPS關(guān)聯(lián)控制器的模擬仿真，聯(lián)合CANoe接口及Vector CAN接口設(shè)備，與EPS單件或整車CAN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)EPS的ADAS功能、性能臺(tái)架調(diào)試、實(shí)車調(diào)試，減小開發(fā)周期、提升開發(fā)質(zhì)量。

1 EPS響應(yīng)ADAS請(qǐng)求的性能評(píng)價(jià)

ADAS對(duì)EPS的請(qǐng)求分為扭矩請(qǐng)求和轉(zhuǎn)角請(qǐng)求兩種方式，目前普遍認(rèn)為轉(zhuǎn)角請(qǐng)求的控制精度要高于扭矩請(qǐng)求。其中轉(zhuǎn)角請(qǐng)求還分為方向盤轉(zhuǎn)角請(qǐng)求和車輪轉(zhuǎn)角請(qǐng)求兩種方式，對(duì)于車輪轉(zhuǎn)角請(qǐng)求方式，EPS需要根據(jù)隨方向盤轉(zhuǎn)角變化傳動(dòng)比計(jì)算車輪轉(zhuǎn)角值。本文以車輪轉(zhuǎn)角請(qǐng)求方式進(jìn)行描述，方向盤轉(zhuǎn)角請(qǐng)求類似。

對(duì)于請(qǐng)求的響應(yīng)評(píng)價(jià)一般是利用階躍、斜坡、正弦轉(zhuǎn)角請(qǐng)求作為輸入，測(cè)試EPS實(shí)際執(zhí)行的情況。包含響應(yīng)的時(shí)間、響應(yīng)的精度、超調(diào)量、穩(wěn)定時(shí)間、對(duì)稱度等。以下基于某款SUV車型進(jìn)行說明。

1.1 角度響應(yīng)時(shí)間

角度響應(yīng)時(shí)間定義為自ADAS向EPS發(fā)出恒定角度請(qǐng)求到車輪轉(zhuǎn)角有明顯變化的時(shí)間，如圖１所示。

角度響應(yīng)時(shí)間的評(píng)價(jià)在低中高車速下，不同轉(zhuǎn)角請(qǐng)求下進(jìn)行，如表1所示。

1.2 角度響應(yīng)對(duì)稱性

角度響應(yīng)對(duì)稱性定義為車輛在平坦路面以恒定的車速（如30km/h）行駛，ADAS向EPS分別發(fā)送左右各0.5°（1°，1.5°）的轉(zhuǎn)角請(qǐng)求，車輪角度穩(wěn)定后分別測(cè)向左向右的車輪轉(zhuǎn)角差異要求左右差值百分比小于5%。

1.3 角度回正對(duì)稱性

角度回正響應(yīng)對(duì)稱性定義為車輛在平坦路面以恒定的車速（如30km/h）行駛，ADAS向EPS分別發(fā)送左右各0.5°（1°，1.5°）的轉(zhuǎn)角請(qǐng)求，車輪角度穩(wěn)定后逐漸減小請(qǐng)求角度，分別測(cè)向左向右的車輪轉(zhuǎn)角差異要求左右差值百分比小于5%。

1.4 EPS閉環(huán)性能

用如下二階傳遞函數(shù)來評(píng)價(jià)EPS響應(yīng)ADAS請(qǐng)求的閉環(huán)特性：

其中特征頻率為ω0=2πf0，阻尼系數(shù)D，遲滯時(shí)間TD。標(biāo)準(zhǔn)響應(yīng)參數(shù)：TD。=0.02s，f0，=2.5Hz，D=0.95，偏移量0°；快響應(yīng)參數(shù)：TD。=0.01s，f0，=4Hz，D=0.9，偏移量0.02°；快響應(yīng)參數(shù)：TD。=0.05s，f0，=2Hz，D=1，偏移量-0.02°。

基于斜坡轉(zhuǎn)角輸入的響應(yīng)（圖2）和基于正弦轉(zhuǎn)角輸入的響應(yīng)（圖3），EPS允許帶寬如圖陰影區(qū)域。藍(lán)色曲線為ADAS請(qǐng)求，黑色線為快響應(yīng)線，粉色為標(biāo)準(zhǔn)響應(yīng)線，紅色為慢響應(yīng)線。

2 仿真測(cè)試

2.1 臺(tái)架搭建

EPS測(cè)試臺(tái)架硬件（圖4）主要由EPS安裝支架、扭矩傳感器、程控電源、磁粉制動(dòng)器負(fù)載、Vector CAN接口卡組成。程控電源輸出可調(diào)電壓的電源給EPS作為常電，并分出帶有開關(guān)的線束至EPS IG輸入端口。CAN接口卡連接至EPS的CAN_H、CAN_L端。磁粉制動(dòng)器作為負(fù)載連接至EPS輸出端。

2.2 CAN通訊矩陣DBC數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建

由于Simulink中的CANFD Pack和CANFD Unpack模塊需要導(dǎo)入DBC文件用于各報(bào)文信號(hào)封裝和解封，因此，首先根據(jù)EPS通信矩陣，利用CANoe附帶的CANdb++Editor 工具創(chuàng)建DBC文件：按照通信協(xié)議中定義，將EPS、ESP、ADAS、VCU的報(bào)文進(jìn)行定義，包含報(bào)文ID、layout、信號(hào)起始、信號(hào)長(zhǎng)度、最大值、最小值等。

2.3 Simulink仿真搭建

Simulink與CANoe接口卡的交互方式為：1）報(bào)文輸入方向：通過Packet Input將Vector的CAN Device對(duì)應(yīng)通道接入，再連接至單個(gè)報(bào)文的CANFD Unpack模塊，將該報(bào)文各個(gè)信號(hào)進(jìn)行解析并按單條信號(hào)輸出，而后就可以使用這些信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的處理；2）報(bào)文輸出方向：通過CANFD Pack將各個(gè)信號(hào)匯聚后打包，連接至Packet Output模塊輸出至Vector的CAN Device對(duì)應(yīng)通道。本文基于此方式進(jìn)行了輸入輸出的架構(gòu)搭建。包含ESP、VCU、ADAS、EPS的解析和仿真發(fā)送，整體架構(gòu)如圖5所示。

其中ADAS、ESP節(jié)點(diǎn)報(bào)文涉及E2E的CRC校驗(yàn)，單獨(dú)做S函數(shù)結(jié)合E2E Data ID輸入實(shí)現(xiàn)。臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)，ADAS的轉(zhuǎn)角限值可通過轉(zhuǎn)角vs車速的一維圖表查表計(jì)算出來并輸出。（圖6）

ADAS響應(yīng)的閉環(huán)性能評(píng)價(jià)，需要用傳遞函數(shù)、延遲、偏移組合實(shí)現(xiàn)。正弦波形一路輸入至ADAS CANFD Pack模塊直接輸出至CAN網(wǎng)絡(luò)上，三路分別輸入至用于計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)響應(yīng)、快響應(yīng)、慢響應(yīng)的計(jì)算模塊，同時(shí)將回讀到CAN網(wǎng)絡(luò)上的EPS轉(zhuǎn)角信號(hào)導(dǎo)入到同一個(gè)示波器上，這樣就可以直觀的觀察到EPS實(shí)際響應(yīng)是否滿足ADAS的閉環(huán)性能要求。（圖7）

為便于對(duì)關(guān)聯(lián)控制器的輸入值進(jìn)行設(shè)置及觀測(cè)，在Simulink中創(chuàng)建了相應(yīng)的控制面板。（圖8）

2.4 測(cè)試驗(yàn)證

將EPS安裝至測(cè)試臺(tái)架上，并通過程控電源給EPS供常電及IG電，Vector VN1640與EPS信號(hào)端連接，啟動(dòng)Simulink仿真，待EPS的ADAS可控信號(hào)變?yōu)閍vailable（可控）后，將ADAS轉(zhuǎn)角請(qǐng)求切換為Active，轉(zhuǎn)角輸入切換至正弦輸入?？梢钥吹紼PS反饋進(jìn)入ADAS激活狀態(tài)，并按照轉(zhuǎn)角請(qǐng)求進(jìn)行動(dòng)作。在Simulink示波器上可觀測(cè)到標(biāo)準(zhǔn)響應(yīng)（紅色線）、快響應(yīng)（紫色線）、慢響應(yīng)（綠色線）和EPS實(shí)際轉(zhuǎn)角值（白色線）?？梢钥吹?，當(dāng)前EPS的實(shí)際響應(yīng)線在ADAS要求的包絡(luò)范圍內(nèi)。此外，打開CANoe軟件，同步檢查Simulink仿真的各信號(hào)發(fā)送準(zhǔn)確性。檢查完畢后，關(guān)閉部分關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)（ESP、VCU等），將VN1640連接至整車OBD口EPS對(duì)應(yīng)的CAN網(wǎng)段上，進(jìn)行實(shí)車ADAS響應(yīng)測(cè)試。（圖9）

經(jīng)驗(yàn)證，該仿真架構(gòu)能夠滿足測(cè)試需求，既可以驗(yàn)證交互邏輯也可以進(jìn)行性能測(cè)試。后續(xù)其它車型也可基于該模版、方法進(jìn)行調(diào)整改進(jìn)。

3 總結(jié)

本文通過對(duì)EPS ADAS功能的性能要求、測(cè)試驗(yàn)證方法進(jìn)行研究，針對(duì)較復(fù)雜的測(cè)試評(píng)價(jià)提出了一種驗(yàn)證方式：通過Simulink對(duì)ADAS及周邊關(guān)聯(lián)控制器進(jìn)行模擬仿真，結(jié)合Vector CAN接口，實(shí)現(xiàn)了ADAS、EPS的交互及響應(yīng)性能測(cè)試驗(yàn)證。該方式可以有效節(jié)省EPS的ADAS功能開發(fā)及標(biāo)定周期，提升標(biāo)定質(zhì)量?；谂_(tái)架的測(cè)試驗(yàn)證，甚至能在裝車之前，就對(duì)EPS進(jìn)行初步調(diào)試，進(jìn)一步壓縮開發(fā)周期。

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