基于NI VeriStand實(shí)時(shí)平臺(tái)的裝甲越野車輛仿真和測(cè)試
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開發(fā)組合式HIL試驗(yàn)平臺(tái)
項(xiàng)目從實(shí)現(xiàn)HIL試驗(yàn)平臺(tái)開始。首先，我們分析了客戶要求和電子控制器單元（ECU）。分析結(jié)果為技術(shù)理念與試驗(yàn)平臺(tái)規(guī)格奠定了基礎(chǔ)。現(xiàn)有HIL仿真器的市場(chǎng)研究表明：目前尚無(wú)關(guān)于靈活性、集成度和價(jià)格方面滿足具體項(xiàng)目要求的標(biāo)準(zhǔn)解決方案，因此我們基于現(xiàn)有和專用組件開發(fā)了一個(gè)自定義系統(tǒng)。
我們選擇NI VeriStand作為實(shí)時(shí)平臺(tái)。此NI解決方案基于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)硬件，從而我們以非常合理的成本實(shí)現(xiàn)了高性能系統(tǒng)。另外，我們能夠以一種靈活且高性價(jià)比的方式，根據(jù)不斷增長(zhǎng)的測(cè)試需求擴(kuò)展系統(tǒng)的計(jì)算能力
為了快速計(jì)算實(shí)時(shí)模型，我們選擇了具有兩個(gè)2.53 GHz Intel Xeon處理器的標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)器。兩個(gè)處理器共有8個(gè)內(nèi)核。目前實(shí)時(shí)模型所導(dǎo)致的相對(duì)較低的負(fù)載提供了足夠的擴(kuò)展能力，甚至不需要升級(jí)硬件。
I/O硬件通過(guò)PXI擴(kuò)展機(jī)箱與PC相連。這只占用了一個(gè)PCI Express插槽，PXI底板提供了足夠數(shù)目的插槽用來(lái)插入其他I/O板。試驗(yàn)平臺(tái)使用NI PXI控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN）通信板卡以及模擬和數(shù)字I/O。對(duì)于模擬速度傳感器信號(hào)等嚴(yán)格時(shí)間要求信號(hào)，我們?cè)黾恿艘粋€(gè)NI PXI-7831R現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）模塊。我們使用NI LabVIEW FPGA軟件開發(fā)FPGA程序。
另外，我們還選用了一個(gè)集成有故障模擬的信號(hào)調(diào)節(jié)單元，減少了試驗(yàn)臺(tái)復(fù)雜的接線，并且不會(huì)無(wú)故降低信號(hào)質(zhì)量。為了滿足兩種板載電壓電平車輛的要求，我們?cè)谠囼?yàn)臺(tái)中集成了兩個(gè)可控制電源。顯示器顯示處理器核的當(dāng)前負(fù)載，以及實(shí)時(shí)系統(tǒng)與實(shí)時(shí)模型的相關(guān)信息。
試驗(yàn)平臺(tái)硬件布局
組合式HIL試驗(yàn)臺(tái)的所有組件和接線完全集成在一個(gè)19英寸機(jī)架上。除了驗(yàn)證ECU軟件之外，我們還可以使用試驗(yàn)臺(tái)布局來(lái)測(cè)試小批量模塊系列，例如帶ECU的托架等。由于我們可以將車輛接線束直接與試驗(yàn)臺(tái)相連接，所以這也被證明可行。
實(shí)時(shí)模型
要求
隨著控制器功能越來(lái)越復(fù)雜，人們對(duì)于實(shí)時(shí)設(shè)備模型在能力和細(xì)節(jié)建模程度方面的要求也越來(lái)越高。特別地，現(xiàn)代車輛中的激勵(lì)器運(yùn)行時(shí)除了僅僅開與關(guān)之外，還越來(lái)越受到制約。為此，我們選用ITI SimulationX。
測(cè)試系統(tǒng)的ECU與模型相互作用
在本項(xiàng)目中，我們利用SimulationX對(duì)所有與車輛控制器交互的物理元件進(jìn)行了建模，主要包括以下幾個(gè)方面：
發(fā)動(dòng)機(jī)
帶扭矩變換器的減速箱和兩級(jí)可換檔變速箱
傳動(dòng)系統(tǒng)，配備可鎖定和自解鎖差速器、四輪驅(qū)動(dòng)，在連接ABS和轉(zhuǎn)向傳感器的情況下轉(zhuǎn)彎時(shí)所用的車輪調(diào)速轉(zhuǎn)向模型
制動(dòng)和ABS系統(tǒng)
輪胎壓力監(jiān)控系統(tǒng)
確保實(shí)時(shí)性能
與專為實(shí)時(shí)能力設(shè)計(jì)的預(yù)配置黑盒子解決方案相比，為具體任務(wù)定制或者從其他實(shí)時(shí)模型得出的物理模型一般不能執(zhí)行實(shí)時(shí)任務(wù)。它們的實(shí)時(shí)性能由建模人員在開發(fā)模型時(shí)保證。
模型的實(shí)時(shí)能力通過(guò)兩種主要機(jī)制實(shí)現(xiàn)。一方面，采用獨(dú)一無(wú)二的、徹底符號(hào)式的預(yù)處理。在代碼生成期間，SimulationX對(duì)整個(gè)系統(tǒng)模型的物理和數(shù)學(xué)方程式進(jìn)行自動(dòng)預(yù)處理。通過(guò)解答并代入方程式，簡(jiǎn)化在一次計(jì)算中多次出現(xiàn)的表達(dá)式，以及完全除去不影響指定接口信號(hào)的數(shù)量的計(jì)算（例如內(nèi)部結(jié)果變量），來(lái)簡(jiǎn)化系統(tǒng)。所有這些都不需要用戶參與；通過(guò)與其他代碼優(yōu)化措施配合，可獲得非常高效的實(shí)時(shí)代碼。另一方面，若干分析方法例如固有頻率和振動(dòng)模式，以及能源分布和性能分析等，在模型-性能優(yōu)化過(guò)程中為用戶提供輔助，從而滿足所有計(jì)算時(shí)間要求。
一般來(lái)說(shuō)，為此項(xiàng)目開發(fā)的SimulationX模型具有卓越的性能。例如，在一個(gè)處理器核上，即使模型實(shí)現(xiàn)了相對(duì)較高的采樣速率，整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)模型也只需要20%的計(jì)算能力。
傳動(dòng)系統(tǒng)模型范例
傳動(dòng)系統(tǒng)中的組件模型按照相關(guān)ECU的I/O要求，以不同的細(xì)節(jié)程度實(shí)現(xiàn)。從發(fā)動(dòng)機(jī)的角度，基于地圖的模型足以精確地描述發(fā)動(dòng)機(jī)的行為。然而，噴油系統(tǒng)執(zhí)行器要求提供從控制輸入到位置傳感器以及參數(shù)化的精確設(shè)備建模。
在本項(xiàng)目中，我們用實(shí)際噴油控制系統(tǒng)驗(yàn)證了此模型部分。對(duì)齒輪箱和扭矩變換器進(jìn)行了物理建模，其中包含離合器和制動(dòng)器模型，這些模型摩擦特性實(shí)現(xiàn)參數(shù)化。這使得齒輪更換，和換檔期間的過(guò)渡行為，例如速度梯度和齒輪更換時(shí)間等建模都成為可能。這個(gè)步驟很有意義，因?yàn)閼{借不同的制動(dòng)器和離合器扭矩，齒輪箱執(zhí)行器不僅可以以開/關(guān)方式，而且以中間步驟方式運(yùn)行。，剩余傳動(dòng)系統(tǒng)模型包括了傳動(dòng)軸的彈性，因此它可以進(jìn)行典型的傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)。根據(jù)轉(zhuǎn)向角度不同，每個(gè)車輪的曲線半徑均不同，因此在轉(zhuǎn)彎期間，傳感器能夠探測(cè)到各個(gè)車輪速度。
除了控制器輸出信號(hào)之外，傳動(dòng)系統(tǒng)模型還處理制動(dòng)系統(tǒng)模型所提供的制動(dòng)扭矩，并將其運(yùn)用到車輪上。傳動(dòng)系統(tǒng)的速度傳感器輸出為各個(gè)ECU提供支持，但由于它們的信號(hào)頻率過(guò)高，很難由實(shí)時(shí)模型生成，而改由FPGA產(chǎn)生。模型只能提供通過(guò)傳感器的輪齒的脈沖頻率
所示模型在實(shí)時(shí)系統(tǒng)的一個(gè)處理器內(nèi)核上運(yùn)行，周期為0.1 ms。因此，模型所占的處理器內(nèi)核計(jì)算資源不到20%。
評(píng)論