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            基于NI VeriStand實時平臺的裝甲越野車輛仿真和測試

            作者: 時間:2012-02-22 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏


            開發(fā)組合式HIL試驗平臺

            項目從實現(xiàn)HIL試驗平臺開始。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)理念與試驗平臺規(guī)格奠定了基礎(chǔ)?,F(xiàn)有HIL仿真器的市場研究表明:目前尚無關(guān)于靈活性、集成度和價格方面滿足具體項目要求的標(biāo)準(zhǔn)解決方案,因此我們基于現(xiàn)有和專用組件開發(fā)了一個自定義系統(tǒng)。

            我們選擇NI VeriStand作為實時平臺。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現(xiàn)了高性能系統(tǒng)。另外,我們能夠以一種靈活且高性價比的方式,根據(jù)不斷增長的測試需求擴展系統(tǒng)的計算能力
            為了快速計算實時模型,我們選擇了具有兩個2.53 GHz Intel Xeon處理器的標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)器。兩個處理器共有8個內(nèi)核。目前實時模型所導(dǎo)致的相對較低的負(fù)載提供了足夠的擴展能力,甚至不需要升級硬件。

            I/O硬件通過PXI擴展機箱與PC相連。這只占用了一個PCI Express插槽,PXI底板提供了足夠數(shù)目的插槽用來插入其他I/O板。試驗平臺使用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。對于模擬速度傳感器信號等嚴(yán)格時間要求信號,我們增加了一個NI PXI-7831R現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)模塊。我們使用NI LabVIEW FPGA軟件開發(fā)FPGA程序。

            另外,我們還選用了一個集成有故障模擬的信號調(diào)節(jié)單元,減少了試驗臺復(fù)雜的接線,并且不會無故降低信號質(zhì)量。為了滿足兩種板載電壓電平車輛的要求,我們在試驗臺中集成了兩個可控制電源。顯示器顯示處理器核的當(dāng)前負(fù)載,以及實時系統(tǒng)與實時模型的相關(guān)信息。

            試驗平臺硬件布局

            組合式的所有組件和接線完全集成在一個19英寸機架上。除了驗證ECU軟件之外,我們還可以使用試驗臺布局來測試小批量模塊系列,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臺相連接,所以這也被證明可行。

            實時模型

            要求

            隨著控制器功能越來越復(fù)雜,人們對于實時設(shè)備模型在能力和細(xì)節(jié)建模程度方面的要求也越來越高。特別地,現(xiàn)代車輛中的激勵器運行時除了僅僅開與關(guān)之外,還越來越受到制約。為此,我們選用ITI SimulationX。

            測試系統(tǒng)的ECU與模型相互作用

            在本項目中,我們利用SimulationX對所有與車輛控制器交互的物理元件進行了建模,主要包括以下幾個方面:
            發(fā)動機
            帶扭矩變換器的減速箱和兩級可換檔變速箱
            傳動系統(tǒng),配備可鎖定和自解鎖差速器、四輪驅(qū)動,在連接ABS和轉(zhuǎn)向傳感器的情況下轉(zhuǎn)彎時所用的車輪調(diào)速轉(zhuǎn)向模型
            制動和ABS系統(tǒng)
            輪胎壓力監(jiān)控系統(tǒng)

            確保實時性能

            與專為實時能力設(shè)計的預(yù)配置黑盒子解決方案相比,為具體任務(wù)定制或者從其他實時模型得出的物理模型一般不能執(zhí)行實時任務(wù)。它們的實時性能由建模人員在開發(fā)模型時保證。

            模型的實時能力通過兩種主要機制實現(xiàn)。一方面,采用獨一無二的、徹底符號式的預(yù)處理。在代碼生成期間,SimulationX對整個系統(tǒng)模型的物理和數(shù)學(xué)方程式進行自動預(yù)處理。通過解答并代入方程式,簡化在一次計算中多次出現(xiàn)的表達(dá)式,以及完全除去不影響指定接口信號的數(shù)量的計算(例如內(nèi)部結(jié)果變量),來簡化系統(tǒng)。所有這些都不需要用戶參與;通過與其他代碼優(yōu)化措施配合,可獲得非常高效的實時代碼。另一方面,若干分析方法例如固有頻率和振動模式,以及能源分布和性能分析等,在模型-性能優(yōu)化過程中為用戶提供輔助,從而滿足所有計算時間要求。

            一般來說,為此項目開發(fā)的SimulationX模型具有卓越的性能。例如,在一個處理器核上,即使模型實現(xiàn)了相對較高的采樣速率,整個傳動系統(tǒng)模型也只需要20%的計算能力。

            傳動系統(tǒng)模型范例

            傳動系統(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)程度實現(xiàn)。從發(fā)動機的角度,基于地圖的模型足以精確地描述發(fā)動機的行為。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。

            在本項目中,我們用實際噴油控制系統(tǒng)驗證了此模型部分。對齒輪箱和扭矩變換器進行了物理建模,其中包含離合器和制動器模型,這些模型摩擦特性實現(xiàn)參數(shù)化。這使得齒輪更換,和換檔期間的過渡行為,例如速度梯度和齒輪更換時間等建模都成為可能。這個步驟很有意義,因為憑借不同的制動器和離合器扭矩,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行。,剩余傳動系統(tǒng)模型包括了傳動軸的彈性,因此它可以進行典型的傳動系統(tǒng)振動。根據(jù)轉(zhuǎn)向角度不同,每個車輪的曲線半徑均不同,因此在轉(zhuǎn)彎期間,傳感器能夠探測到各個車輪速度。

            除了控制器輸出信號之外,傳動系統(tǒng)模型還處理制動系統(tǒng)模型所提供的制動扭矩,并將其運用到車輪上。傳動系統(tǒng)的速度傳感器輸出為各個ECU提供支持,但由于它們的信號頻率過高,很難由實時模型生成,而改由FPGA產(chǎn)生。模型只能提供通過傳感器的輪齒的脈沖頻率

            所示模型在實時系統(tǒng)的一個處理器內(nèi)核上運行,周期為0.1 ms。因此,模型所占的處理器內(nèi)核計算資源不到20%。



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