汽車超車輔助控制系統(tǒng)仿真與軌跡預(yù)測分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u11484第1章超車輔助控制仿真平臺建立 1128131.1超車軌跡預(yù)測控制模型 155181.1.1聯(lián)合仿真平臺的搭建 1250261.1.2車輛仿真參數(shù)設(shè)定 2269311.1.3道路仿真模型建立 2241041.1.4超車軌跡預(yù)測控制模型建立 3120611.2硬件在環(huán)試驗(yàn)平臺介紹 4306361.2.1硬件在環(huán)仿真發(fā)展概述 4191731.2.2硬件在環(huán)仿真優(yōu)勢 4278961.2.3基于NI-PXI的仿真試驗(yàn)平臺 531241.3本章小結(jié) 721523第2章超車軌跡預(yù)測仿真及結(jié)果分析 7107382.1工作原理 713652.2試驗(yàn)結(jié)果及分析 8第1章超車輔助控制仿真平臺建立1.1超車軌跡預(yù)測控制模型 車輛超車輔助系統(tǒng)的最重要的實(shí)現(xiàn)就是超車軌跡的實(shí)時(shí)預(yù)測跟蹤控制，由上一章所建立的預(yù)瞄跟隨算法，仿真車輛在指定的道路工況下按照設(shè)定的軌跡進(jìn)行超車換道并實(shí)時(shí)預(yù)測并跟蹤軌跡。本章主要建立超車輔助控制仿真平臺，并通過LabVIEW和CarSim軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真來驗(yàn)證軌跡預(yù)測控制器的可靠性、準(zhǔn)確性是否良好。1.1.1聯(lián)合仿真平臺的搭建CarSim是一款仿真軟件，可用于車輛動力學(xué)的仿真分析，CarSim的建模是基于組件裝配來建模的，CarSim建模時(shí)，在每個(gè)層級都有一個(gè)組件集合供選擇，操作者從中選擇一個(gè)組件作為仿真運(yùn)行時(shí)的組件。例如SimuliatedTestSpecifications這個(gè)區(qū)塊下面包含了MathModel、Procedure等組件，而MathModel包含了整車模型，Procedure則包含了駕駛員控制、道路信息、運(yùn)行時(shí)間步長和總時(shí)間長度等。本文將依據(jù)前文所做的理論分析在CarSim中設(shè)置超車車輛的仿真參數(shù)，并與在LabVIEW中所搭建的超車軌跡預(yù)測控制的駕駛員預(yù)瞄跟隨控制器進(jìn)行聯(lián)合仿真。LabVIEW主要用于程序的控制策略編寫及控制硬件實(shí)物，以及采集實(shí)際反饋信號。CarSim主要用于搭建整車動力學(xué)模型以及車路環(huán)境工況，比如在CarSim里面設(shè)置自車的型號、重量、懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動系統(tǒng)等底盤的參數(shù)，以及路面附著系數(shù)、空氣質(zhì)量密度等行駛數(shù)據(jù)，在于LabVIEW聯(lián)合仿真時(shí)，主要用于模擬車路虛擬仿真環(huán)境并把實(shí)際車輛運(yùn)動參數(shù)傳遞到LabVIEW中實(shí)時(shí)顯示和開發(fā)（比如輸出接口設(shè)置了方向盤轉(zhuǎn)角值，那么就會把當(dāng)前工況下的方向盤實(shí)際轉(zhuǎn)角值發(fā)送給LabVIEW中）。1.1.2車輛仿真參數(shù)設(shè)定按照市面上常見的普通乘用轎車的參數(shù)來對超車車輛的仿真參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，如下圖所示。Carsim中車輛其他組件的模型選擇則用CarSim軟件中的默認(rèn)參數(shù)，對于超車車輛在指定道路條件下的工況進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的設(shè)置，驗(yàn)證在適宜工況下超車軌跡跟蹤控制器的跟蹤效果。圖1.1車輛模型參數(shù)設(shè)置1.1.3道路仿真模型建立除了對車輛進(jìn)行參數(shù)化建模，在CarSim中還可以對車輛行駛的道路工況及道路周邊的環(huán)境進(jìn)行參數(shù)化建模。根據(jù)需要設(shè)置道路的路面中心線坐標(biāo)、路面附著系數(shù)、滾動阻力系數(shù)、道路寬度、每段直道的長度、彎道的轉(zhuǎn)彎半徑等。圖1.2道路模型參數(shù)設(shè)置1.1.4超車軌跡預(yù)測控制模型建立為了驗(yàn)證超車軌跡跟蹤控制器的有效性和準(zhǔn)確性，將前文軌跡規(guī)劃的討論研究中選用的五次多項(xiàng)式軌跡在LabVIEW中進(jìn)行圖形化編程，以第三章建立的駕駛員預(yù)瞄控制器為軌跡控制器，結(jié)合實(shí)驗(yàn)臺架現(xiàn)有的硬件環(huán)境和軟件配置，在LabVIEW中建立超車軌跡跟蹤模型如下圖所示。圖1.3超車軌跡跟蹤模型前面板圖1.4LabVIEW和CarSim的超車軌跡跟蹤模型的聯(lián)合仿真——定時(shí)模塊1.2硬件在環(huán)試驗(yàn)平臺介紹1.2.1硬件在環(huán)仿真發(fā)展概述早在20世紀(jì)50年代，硬件在環(huán)(HIL)技術(shù)就已廣泛應(yīng)用于國防和航空航天工業(yè)。當(dāng)時(shí)的HIL技術(shù)成本很高，但國防和航空工業(yè)利用HIL系統(tǒng)的主要原因是為了降低人類生命的風(fēng)險(xiǎn)和保護(hù)正在測試的極其昂貴的原型系統(tǒng)。當(dāng)時(shí)汽車行業(yè)沒有采用HIL技術(shù)進(jìn)行相關(guān)控制系統(tǒng)的開發(fā)和測試，主要是由于HIL技術(shù)成本高，并且只能在相對簡單的控制系統(tǒng)中使用HIL技術(shù)。多年來，汽車行業(yè)開始在汽車中增加了越來越多的嵌入式軟件控制和電子元件，以提高其性能、效率和舒適性，以及為了符合政府規(guī)定和強(qiáng)制排放要求。復(fù)雜電子和部件系統(tǒng)測試中涉及的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證過程、以及時(shí)間和成本的復(fù)雜性不斷增加，迫使汽車行業(yè)研究和投入資金到更好的測試方法。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，高效率低成本計(jì)算引擎的不斷開發(fā)，推動了HIL技術(shù)從國防和航空航天逐步運(yùn)用于汽車工業(yè)。HIL仿真技術(shù)在航空航天工業(yè)中成功應(yīng)用后，汽車行業(yè)在20世紀(jì)90年代開始采用了該技術(shù)[24]。1.2.2硬件在環(huán)仿真優(yōu)勢仿真驗(yàn)證是檢驗(yàn)?zāi)Ｐ退惴?zhǔn)確性以及整個(gè)系統(tǒng)可行性的最要一步。軟件仿真具有靈活、成本低的特點(diǎn)，但其仿真環(huán)境與實(shí)際有一定的差距；硬件仿真準(zhǔn)確性高，結(jié)果直觀清晰，但成本過高[25]。智能駕駛車輛的控制系統(tǒng)變得比傳統(tǒng)車輛復(fù)雜得多，這使得開發(fā)和測試這種控制系統(tǒng)更具挑戰(zhàn)性。半實(shí)物仿真是控制系統(tǒng)測試和驗(yàn)證的一種可靠方法。它將邏輯仿真控制替換為與實(shí)時(shí)仿真交互的真實(shí)硬件，被認(rèn)為是測試和驗(yàn)證汽車控制系統(tǒng)的可靠方法。它用真實(shí)的硬件取代了模擬的邏輯控制，而真實(shí)的硬件與系統(tǒng)剩余部分的實(shí)時(shí)模擬器交互。使用HIL仿真的一些優(yōu)點(diǎn)是:成本經(jīng)濟(jì)型(因?yàn)楸日鎸?shí)原型所需的硬件少)、評估測試的可重復(fù)性、使用仿真模型所帶來的無損性、開發(fā)周期縮短、操作條件寬泛而帶來的全面性。HIL仿真的主要目的是提高產(chǎn)品質(zhì)量，掌握產(chǎn)品開發(fā)的復(fù)雜性并降低開發(fā)成本。通過將功能測試和診斷測試從測試驅(qū)動器或測試臺實(shí)驗(yàn)移至HIL實(shí)驗(yàn)室，其結(jié)果是，大大減少了昂貴的原型車的數(shù)量，并減少了在真實(shí)測試場地上花費(fèi)的時(shí)間。HIL測試可以根據(jù)需要進(jìn)行多次復(fù)制而反復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)，并且可以自動化進(jìn)行。通常的做法是在某段特定時(shí)間內(nèi)完全自動運(yùn)行，并進(jìn)行評估和記錄測試。這使測試操作人員可以專注于評估測試，實(shí)施新測試以及重新對失敗的試驗(yàn)進(jìn)行再調(diào)試（例如，由于ECU錯(cuò)誤而導(dǎo)致的報(bào)錯(cuò)），而且自動化提供比手動測試更大的測試范圍，這可以提高質(zhì)量和產(chǎn)品成熟度。通常，HIL仿真器還用于執(zhí)行在真實(shí)系統(tǒng)中根本無法進(jìn)行的測試（例如測試時(shí)尚無原型車可用），或者其組件至關(guān)重要（有損壞或毀壞的危險(xiǎn)）的測試。以及對駕駛員有危險(xiǎn)的試驗(yàn)。因此，HIL仿真可以為ECU提供一個(gè)真實(shí)的運(yùn)行環(huán)境工況，通常任何在實(shí)車上可以進(jìn)行的測試也可以在HIL仿真器上執(zhí)行[26]。1.2.3基于NI-PXI的仿真試驗(yàn)平臺顯然，在使用Windows操作系統(tǒng)(OS)的計(jì)算機(jī)上不能保證實(shí)時(shí)模擬。硬件和HIL仿真中的虛擬模型之間的實(shí)時(shí)交互是通過使用一個(gè)上載仿真模型的獨(dú)立或?qū)Ｓ玫目刂破骷肀ＷC的。美國國家儀器有限公司（NI公司），率先上市應(yīng)用了一種基于PXI的實(shí)時(shí)仿真平臺。PXI系統(tǒng)提供了高性能的模塊化儀器和豐富的I/O，這些I/O具有專用的同步功能和主要的軟件功能，NI是PXI行業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者，提供種類豐富的產(chǎn)品和服務(wù)。PXI系統(tǒng)由三個(gè)主要的硬件組件組成：機(jī)箱、控制器和自定義模塊。PXI系統(tǒng)還可以與NI自研發(fā)的數(shù)款軟件聯(lián)合進(jìn)行使用，除了PXI作為控制器，還需要工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、下位機(jī)等作為硬件及軟件支持。圖1.5仿真試驗(yàn)平臺整體外觀部分硬件模塊如下：1、主動轉(zhuǎn)向控制器功能：控制轉(zhuǎn)向助力電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩。圖1.6轉(zhuǎn)向控制器2、轉(zhuǎn)向管柱集成（包括轉(zhuǎn)向助力電動機(jī)（有刷）、方向盤轉(zhuǎn)向角傳感器）功能：轉(zhuǎn)向電動機(jī)是系統(tǒng)中的執(zhí)行器件，其在轉(zhuǎn)向控制器的控制下，根據(jù)ECU的控制指令來將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，并給予輸出適合的轉(zhuǎn)矩，以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能；轉(zhuǎn)向角傳感器設(shè)置的目的是為了便于實(shí)時(shí)采集和監(jiān)測管柱轉(zhuǎn)過的角度。圖1.7轉(zhuǎn)向管柱集成裝置3、轉(zhuǎn)向軸、聯(lián)軸器、萬向節(jié)功能：在試驗(yàn)臺架中，其設(shè)置目的是為了將轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與模擬負(fù)載系統(tǒng)進(jìn)行合適的聯(lián)接，并讓負(fù)載可以正確施加到臺架的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。圖1.8轉(zhuǎn)向軸、聯(lián)軸器及萬向節(jié)組合件1.3本章小結(jié)本章主要介紹了在LabVIEW和CarSim軟件中建立車輛動力學(xué)仿真平臺及預(yù)測控制算法的主要搭建步驟，在CarSim軟件中設(shè)定車輛模型的仿真參數(shù)，建立道路仿真模型；在LabVIEW軟件中對程序的前面板進(jìn)行設(shè)計(jì)，對控制算法進(jìn)行開發(fā)。對硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)平臺進(jìn)行了概述，簡述了其在實(shí)際應(yīng)用中優(yōu)勢，最后介紹了試驗(yàn)平臺的總體方案。第2章超車軌跡預(yù)測仿真及結(jié)果分析2.1工作原理仿真平臺的是基于DAQ和CAN卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)摹AQ卡，即數(shù)據(jù)采集卡；CAN卡是通過CAN總線來收集各個(gè)節(jié)點(diǎn)上的有效數(shù)據(jù)。CarSim是整個(gè)閉環(huán)仿真控制系統(tǒng)的起點(diǎn)，首先按照測試需求在CarSim中對整車仿真模型和道路仿真模型的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，搭建起具體的超車仿真模型和超車場景。通過數(shù)據(jù)采集和傳輸接口對數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，對通信接口進(jìn)行設(shè)置和調(diào)試，實(shí)現(xiàn)軟硬件的聯(lián)合交互。CarSim通過聯(lián)合仿真接口與LabVIEW進(jìn)行聯(lián)合仿真，LabVIEW除了作為超車控制策略的建模平臺，還用以發(fā)送控制信號來對轉(zhuǎn)向助力電動機(jī)等硬件實(shí)物進(jìn)行控制，并通過傳感器采集對應(yīng)的反饋信號，并最終實(shí)現(xiàn)對試驗(yàn)臺的轉(zhuǎn)向盤進(jìn)行控制。具體的仿真原理如下圖所示，通過加入硬件實(shí)物以實(shí)現(xiàn)硬件在環(huán)仿真，在數(shù)據(jù)傳輸采集裝置的配合下，最終形成閉環(huán)控制仿真模型。圖2.1硬件在環(huán)試驗(yàn)原理圖2.2試驗(yàn)結(jié)果及分析在Carsim軟件中可以對車輛的各種參數(shù)和道路環(huán)境進(jìn)行自定義設(shè)置，即可以在任意指定的仿真工況下對算法和模型進(jìn)行實(shí)際校驗(yàn)，進(jìn)而相對客觀地來判斷駕駛員預(yù)瞄跟隨算法預(yù)測的準(zhǔn)確性?，F(xiàn)對車輛在城市道路80km/h下的工況進(jìn)行硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)，超車輔助控制系統(tǒng)的路徑預(yù)測仿真結(jié)果如下：圖2.2路徑預(yù)測仿真結(jié)果圖2.3超車車輛前輪轉(zhuǎn)角變化圖2.4超車車輛側(cè)偏角變化圖2.5超車車輛側(cè)向加速度變化圖2.6超車車輛側(cè)傾角變化圖2.7超車車輛橫擺角速度變化圖2.8超車車輛所受豎直方向力變化由圖2.2可以看出，在指定道路仿真車輛