專利名稱：汽車底盤集成控制器硬件在環(huán)仿真試驗臺的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種仿真試驗臺，特別涉及一種汽車底盤集成控制器 硬件在環(huán)仿真試驗臺。
背景技術：
汽車底盤集成控制系統(tǒng)(integrated Control System of Vehicle Chassis),是目前最典型最先進的底盤控制系統(tǒng)，它把制動防抱死控 制(ABS)，牽引力控制(TCS)和直接橫擺力矩控制(DYC)的功能進行集 成。系統(tǒng)的組成包括體現(xiàn)駕駛員意圖和車輛行駛狀態(tài)傳感器(輪速傳 感器、方向盤轉(zhuǎn)角傳感器、集成傳感器)，執(zhí)行機構(電磁閥、直流 電機、電子節(jié)氣門)，和電子控制單元ECU(Eletronic Control Unit)。 硬件在環(huán)仿真實驗臺將車輛模型(車身模型、輪胎模型、發(fā)動機模型 和制動系統(tǒng)模型等)，電子控制單元ECU，和電磁閥等作動器包含在 回路中。
目前未有底盤集成控制器硬件在環(huán)仿真試驗臺。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術問題是要提供一種基于xPC目標工作環(huán)境，實現(xiàn)電 磁閥與發(fā)動機的數(shù)學模型、整車的各種運行工況數(shù)字仿真模型及ECU 的實時通訊，發(fā)動機、制動系統(tǒng)及各電磁閥的運行狀態(tài)由ECU進行控 制的汽車底盤集成控制器硬件在環(huán)仿真試驗臺。
為了解決以上的技術問題，本發(fā)明提供了一種汽車底盤集成控制 器硬件在環(huán)仿真試驗臺，包括宿主機、目標機、電控單元，所述的宿 主機上建立汽車整車九自由度動力學模型、輪胎路面模型、液壓及制動系統(tǒng)模型、發(fā)動機及傳動系統(tǒng)模型，并建立用以評價和優(yōu)化控制策
略的各行駛工況的數(shù)字仿真模型，轉(zhuǎn)化為c代碼格式，經(jīng)以太網(wǎng)由目
標機接收下載到其CPU內(nèi)，電控單元控制執(zhí)行器的常開閥和常閉閥 及直流電機，通過PCL板卡接收當前電磁閥的狀態(tài)信號，并通過PCL 板卡反饋至目標機實時顯示各路控制信號和車輛狀態(tài)信息，目標機同 時通過以太網(wǎng)反饋至宿主機判斷實驗結果，建立由電控單元進行控制 的汽車底盤集成控制器硬件在環(huán)仿真試驗臺。
基于動力學微分方程，利用Matlab/Simulink軟件，宿主機上建 立多種工況數(shù)字仿真數(shù)學模型如下
l)整車模型
首先需要建立汽車九自由度車輛底盤集成控制系統(tǒng)仿真模型，包 括車身的縱向、側(cè)向、橫擺，側(cè)傾，俯仰五個運動，四個車輪繞輪軸 的轉(zhuǎn)動。同時將模型劃分為三大子系統(tǒng)包括車身(簧載質(zhì)量)、路面 輪胎系統(tǒng)、制動系統(tǒng)，制動系統(tǒng)包括壓力動態(tài)特性模型和制動器模型；
根據(jù)牛頓運動定律，對車輛縱向、側(cè)向、橫擺以及側(cè)傾運動進行 受力分析，可以得出各自由度的動力學微分方程如下
則x = - ^C^,/v/2 (1)
4附(v + wr) +附5 ^》=Z F》 (2)
+ F 二
4》+ — =附> sin - - W - C> (4)
;,=M"i-Mw-^i (5)
欲
^, = Mrf2-MA2-《2及 (6)
^, = Mrf3-MA3-《3及 (7)
^, = Mrf4-《4i (8)<formula>formula see original document page 13</formula>式中，-為車輛懸掛質(zhì)量關于側(cè)翻軸線的側(cè)傾角，并在推導方程 (4)時假設側(cè)傾軸線始終保持水平，^和^分別為車輛質(zhì)心絕對加 速度在車輛坐標系X方向和Y方向的分量，得
<formula>formula see original document page 13</formula>《,和^分別為各車輪所受的在X方向和Y方向的作用力，它們 均表示為輪胎牽引力和側(cè)向力的函數(shù)，表達式為-
<formula>formula see original document page 13</formula>考慮車輛的靜態(tài)質(zhì)量及由車輛的運動所引起的載荷轉(zhuǎn)移，各車輪
所受的法向載荷表達式為:
<formula>formula see original document page 13</formula>其中&為前懸側(cè)翻剛度占整車側(cè)翻剛度的比率，它決定著1 載荷轉(zhuǎn)移在前后軸上的分配， 為懸掛質(zhì)量的側(cè)向加速度
<formula>formula see original document page 13</formula>另外，因為車輛坐標系和慣性坐標系之間存在如下的變換關系:
所以，車輛在慣性坐標系的速度表達式為:
(<formula>formula see original document page 13</formula><formula>formula see original document page 14</formula>
以上各公式中，4-車輛迎風面積，"-質(zhì)心至前軸的距離，6-質(zhì) 心至后軸的距離，/-軸距，",-縱向加速度， -側(cè)向加速度，C,-空 氣阻力系數(shù)，C--側(cè)翻阻尼系數(shù)，《-車輪縱向力，F(xiàn),-側(cè)向力，《-車輪法向力，《-輪胎側(cè)偏力，《-輪胎驅(qū)動力，g-重力加速度， 懸掛重量質(zhì)心的高度，A'-懸掛重量質(zhì)心至側(cè)翻軸線的距離，&-車 輛關于Z軸的轉(zhuǎn)動慣量，L-懸掛質(zhì)量關于X軸的轉(zhuǎn)動慣量，K,--前懸側(cè)翻剛度比例系數(shù)，^-車輛側(cè)翻剛度，w-整車質(zhì)量，w-車輛
懸掛質(zhì)量，^-側(cè)傾角速度，卜橫擺角速度，r-輪距，車輛縱向
速度，v-車輛側(cè)向速度，『-車重，* —車輪半徑，5-轉(zhuǎn)向角，^-側(cè) 翻角，A-空氣密度，y-橫擺角； 2)輪胎-路面模型
汽車所受外力來源于輪胎與地面的作用力、空氣阻力、坡道阻力； 但是汽車在平直道路上制動時，輪胎與地面的作用力成為影響車輛運 動狀態(tài)的主要因素，所以輪胎-路面模型對車輛動力學的仿真計算起 著決定性的作用；由于輪胎結構、材料復雜，導致其高度非線性的力 學特性，所以它也是系統(tǒng)仿真中最不穩(wěn)定的環(huán)節(jié)，路況與車輛運動狀 態(tài)的變化使輪胎的外特性復雜多變且難以預測 ，
荷蘭Delft工業(yè)大學Pacejka教授提出的魔術公式。魔術公式形式 簡潔，統(tǒng)一性強，用一套公式即可表達出輪胎的各向力特性，編程方 便，擬合的參數(shù)較少，而且精度非常高，魔術公式的核心內(nèi)容是用三 角函數(shù)的組合及一組系數(shù)對輪胎在靜態(tài)載荷表現(xiàn)出的外特性，即輪胎 縱向力、橫向力和回正力矩分別與輪胎側(cè)偏角，車輪滑移率以及輪胎 法向反力之間的映射關系進行描述；
在純側(cè)偏、純縱滑工況下，作用在輪胎上的輪胎力可以表述為
縱向力《=D sin(C arctan諷l —+ SA) +五arctan[5(S + SJ]}) + Sv 其中S為縱向滑移率S=l-，
式中，w-車輪轉(zhuǎn)速 r-車輪輪心速度
及-車輪滾動半徑 C = 6。，曲線形狀因子 = 峰值因子
5.C力=(63F/+化K化
《-車輪垂向載荷，單位kN 側(cè)向力
Fx = Z) sin(C arctan{5(l — + + ￡ arctan[5(a + &)]}) + Sv
式中"-側(cè)偏角，單位度
7-側(cè)傾角，單位度 C ="。，曲線形狀因子
D = /vFz，峰值因子
= a3 sin[2 arctan(Fz/a4 )](l — a51 ;H)《-車輪垂向載荷，單位KN 在制動和轉(zhuǎn)彎聯(lián)合工況下，
當《 = 0時，定義^7 = ^，則縱向滑移率和側(cè)向滑移率為:
<formula>formula see original document page 16</formula>
縱向滑移率和側(cè)向滑移率的修正值為:
<formula>formula see original document page 16</formula>
其中:
定義
則輪胎力學特性為:
<formula>formula see original document page 16</formula>A"
其中i^為縱向力，^為橫向力，Mz為回正力矩； 3)液壓系統(tǒng)模型
以液壓制動系統(tǒng)為控制手段的底盤集成控制系統(tǒng)中，液壓系統(tǒng)的 建模是必要而關鍵的環(huán)節(jié)；液壓系統(tǒng)的動態(tài)特性將直接影響制動性 能；
利用系統(tǒng)的運行機理和運行經(jīng)驗確定出模型的結構或結構的上 確界，確定部分參數(shù)的大小或可能的取值范圍，再根據(jù)系統(tǒng)輸入和輸 出數(shù)據(jù)，由系統(tǒng)辨識來估計和改善模型中的參數(shù)，使其精確化；這種 方法充分利用了全部可以利用的信息，所得模型相對更準確有效。
得出的液壓系統(tǒng)動態(tài)模型的統(tǒng)一描述表達式為
,=^V(i>m—戶wW — 。-^V(尸w—W"2"》 (19) 式中
A——輪缸的壓力 Pm——制動主缸的壓力 《——低壓蓄能器的壓力
c;——增壓集中等效液容 c:——減壓集中等效液容 A——集中等效液阻 k——增壓節(jié)流指數(shù) k——減壓節(jié)流指數(shù) ^——時間
、——增壓時系統(tǒng)傳輸滯后時間
1r:p——減壓時系統(tǒng)船速滯后時間
= 1,2)——電磁閥控制指令信號，其取值含義如下:
4)制動器模型
在控制器對制動管路內(nèi)壓力進行調(diào)節(jié)時，輪缸活塞的受力及運動 狀態(tài)處于反復變化之中，因此在計算活塞通過制動鉗對制動盤施加的 正壓力時，應考慮動態(tài)特性的影響，建立輪缸活塞的動力學模型；根 據(jù)動力學基本原理，建立了用如下傳遞函數(shù)表示的制動器動力學數(shù)學 模型
<formula>formula see original document page 18</formula> (20)
;("——為制動力矩的拉氏變換
——為輪缸制動液壓力的拉氏變換 &——為效能因素 a——為活塞橫截面積 ?！獮橛行О霃?必 ——為系統(tǒng)固有頻率 《——制動器的阻尼系數(shù)
5)發(fā)動機模型除了節(jié)氣門的控制作用之外，發(fā)動機輸出的功率與發(fā)動機的轉(zhuǎn)速
直接相關；所以，內(nèi)燃機的輸出特性常常用其轉(zhuǎn)速和輸出功率之間的 關系來表示，多項式是這種關系最常用的數(shù)學形式-
<formula>formula see original document page 19</formula> (21)
式中，s為發(fā)動機的功率，^為發(fā)動機的轉(zhuǎn)速，A為多項式的系數(shù)。
所以，發(fā)動機的輸出轉(zhuǎn)矩z;為
<formula>formula see original document page 19</formula>(22)
即 <formula>formula see original document page 19</formula> (23)。
宿主機上安裝有Visual C++目標語言編譯器和Matlab/Simulink 軟件，將數(shù)字仿真模型轉(zhuǎn)化為C代碼格式，并通過以太網(wǎng)將轉(zhuǎn)換后模 型下載到目標機的CPU中，CPU通過PCL板卡與ECU進行通信，并通 過ECU的指令實時記錄并顯示車輛的行駛性能。
ECU中的控制邏輯通過各種傳感器信號實時判斷路面條件和車 輛運行狀態(tài)，并控制電磁閥和發(fā)動機的工作狀態(tài)，并把當前電磁閥狀 態(tài)等信息通過PCL—726L板卡反饋給目標機的CPU。 ECU經(jīng)過PCL板 卡反饋給工控機的數(shù)字信號共計8位，分別表示了 4個車輪所對應的 常開閥和常閉閥的狀態(tài)。
執(zhí)行器主要是控制制動系統(tǒng)油壓的電磁閥，車輛狀態(tài)信息包括4 個輪速，橫擺角速度以及體現(xiàn)駕駛員意圖的油門踏板行程和方向盤轉(zhuǎn) 角。這些信號通過V/F轉(zhuǎn)換電路和A/D轉(zhuǎn)換進入到ECU中，作為控制 邏輯判斷和運算的依據(jù)。
所述電控單元的控制指令，是由另外設置的PC機，通過背景調(diào) 試模式，改變控制參數(shù)，編制控制程序，通過仿真頭燒結至電控單元內(nèi)，每編制一個控制程序，都要通過仿真頭燒結至電控單元內(nèi)。
控制程序在目標機運行，執(zhí)行器的常開閥和常閉閥由電控單元控
制，其運行結果反饋至目標機的CPU，并通過網(wǎng)上反饋至宿主機，判
斷試驗結果。
經(jīng)過以上步驟，就可建立一個硬件在環(huán)仿真試驗臺，試驗臺就可 運行并可對各種控制策略進行評價。
本發(fā)明的優(yōu)越功效在于
1) 實現(xiàn)了底盤集成控制ECU與執(zhí)行器的硬件在環(huán)，對各種控制策 略的預測結果更加準確；
2) 在ECU電子控制系統(tǒng)研發(fā)的前期，采用硬件在環(huán)仿真試驗臺， 可以對各種控制參數(shù)特別是極端危險狀況的控制參數(shù)進行優(yōu) 化；
3) 可測試裝備底盤集成控制系統(tǒng)車輛的制動性能、彎道行駛及急 加速行駛時的穩(wěn)定性，可實現(xiàn)制動系各部件參數(shù)的優(yōu)化匹配， 可檢測、調(diào)試所設計的電子控制單元(ECU)的電路故障，可減 少實車試驗次數(shù)，縮短電子控制系統(tǒng)研發(fā)的周期；
4) 簡化試驗環(huán)境，測試得到的各項性能及獲得的優(yōu)化參數(shù)與實車 試驗較接近。


圖1為汽車底盤集成控制系統(tǒng)的結構示意圖2為車輛動力學模型圖3輪胎模型魔術公式原理圖4輪胎在聯(lián)合工況下速度矢量圖
圖5輪缸活塞動力學模型圖
圖6本發(fā)明的原理方框圖
圖7為本發(fā)明的工作流程圖；l一宿主機； 2—目標機；
3—電控單元； 4一PCL板卡；
5—電磁閥； 6—PC機；
11—液壓控制單元； 12—輪速傳感器；
13— 電子油門；
14— 側(cè)向加速度和橫擺角速度傳感器；
15— 方向盤轉(zhuǎn)角傳感器； 16—真空助力器。
具體實施例方式
請參閱附圖所示，對本發(fā)明作進一步的描述。
如圖6所示，本發(fā)明提供了一種汽車底盤集成控制器硬件在環(huán)仿 真試驗臺，包括宿主機1、目標機2、電控單元3，所述的宿主機1 上建立汽車整車九自由度動力學模型、輪胎路面模型、液壓及制動系 統(tǒng)模型、發(fā)動機及傳動系統(tǒng)模型，并建立用以評價和優(yōu)化控制策略的 各行駛工況的數(shù)字仿真模型，轉(zhuǎn)化為C代碼格式，經(jīng)以太網(wǎng)由目標機 2接收下載到其CPU內(nèi)，電控單元3控制電磁閥5的常開閥和常閉 閥及直流電機，通過PCL板卡4接收當前電磁閥5的狀態(tài)信號，并 通過PCL板卡4反饋至目標機2實時顯示各路控制信號和車輛狀態(tài) 信息，目標機2同時通過以太網(wǎng)反饋至宿主機1判斷實驗結果，建立 由電控單元進行控制的汽車底盤集成控制器硬件在環(huán)仿真試驗臺。
使所建的動力學模型具有代表，以圖1所示底盤集成控制系統(tǒng)的 結構示意圖為分析對象，進行建模分析，與車輛底盤集成控制相關的 部分主要包括集成化的液壓控制單元11、輪速傳感器12、側(cè)向加速 度和橫擺角速度傳感器14、方向盤轉(zhuǎn)角傳感器15、電子油門13、制 動器和真空助力器16等。
根據(jù)底盤集成控制系統(tǒng)在車輛穩(wěn)定行駛以及主動安全方面所起的作用，按照國標13594—2003規(guī)定的試驗標準，需要進行高附路面、 低附路面、跳變路面和分離路面的緊急制動試驗；進行驅(qū)動防滑試驗， 驗證車輛起步加速時，防止車輪過度滑轉(zhuǎn)；進行操縱穩(wěn)定性的試驗。 可以施加方向盤角正階躍輸入(左轉(zhuǎn))、負階躍輸入(右轉(zhuǎn))、單移線、 雙移線和蛇行路線行駛工況。
基于動力學微分方程，利用MATLAB/Simulink軟件，可在宿主機 1上建立整車的數(shù)字仿真模型，并按實驗標準設置仿真參數(shù)，所述整 車數(shù)字仿真模型如下-
l)整車模型
首先需要建立汽車九自由度車輛底盤集成控制系統(tǒng)仿真模型，包 括車身的縱向、側(cè)向、橫擺，側(cè)傾，俯仰五個運動，四個車輪繞輪軸 的轉(zhuǎn)動。同時將模型劃分為三大子系統(tǒng)包括車身(簧載質(zhì)量)、路面 輪胎系統(tǒng)、制動系統(tǒng)，制動系統(tǒng)包括壓力動態(tài)特性模型和制動器模型；
車輛模型簡圖及其坐標系的設定如圖2所示，根據(jù)牛頓運動定 律，對車輛縱向、側(cè)向、橫擺以及側(cè)傾運動進行受力分析，可以得出 各自由度的動力學微分方程如下
<formula>formula see original document page 22</formula>式中，-為車輛懸掛質(zhì)量關于側(cè)翻軸線的側(cè)傾角，并在推導方程
(4)時假設側(cè)傾軸線始終保持水平，^和 分別為車輛質(zhì)心絕對加
速度在車輛坐標系X方向和Y方向的分量，得
(9)
^和^分別為各車輪所受的在X方向和Y方向的作用力，它們 均表示為輪胎牽引力和側(cè)向力的函數(shù)，表達式為-
《,=《cos & -尸《,sin & / = 1,2， 3,4 (10)
《,=F sin & +《,cos <5r, ! = 1,2,3， 4 (11)
考慮車輛的靜態(tài)質(zhì)量及由車輛的運動所引起的載荷轉(zhuǎn)移，各車輪
所受的法向載荷表達式為
<formula>formula see original document page 23</formula>其中&為前懸側(cè)翻剛度占整車側(cè)翻剛度的比率，它決定著1
載荷轉(zhuǎn)移在前后軸上的分配，^為懸掛質(zhì)量的側(cè)向加速度
(16)
另外，因為車輛坐標系和慣性坐標系之間存在如下的變換關系:
f x = X cos ^ - 7 si輝 l少=- sin y - 7 sin y
所以，車輛在慣性坐標系的速度表達式為:
(17)jx = wcosv/-vsiny (18) l少=-w sin y — v cos y
以上各公式中，A-車輛迎風面積，。-質(zhì)心至前軸的距離，r質(zhì) 心至后軸的距離，/-軸距，",-縱向加速度，^-側(cè)向加速度，g-空
氣阻力系數(shù)，C廠側(cè)翻阻尼系數(shù)，《-車輪縱向力，F(xiàn),-側(cè)向力，F(xiàn)z-車輪法向力，《-輪胎側(cè)偏力，《-輪胎驅(qū)動力，重力加速度，A-懸掛重量質(zhì)心的高度，/z-懸掛重量質(zhì)心至側(cè)翻軸線的距離，/ -車 輛關于Z軸的轉(zhuǎn)動慣量，4-懸掛質(zhì)量關于X軸的轉(zhuǎn)動慣量， 前懸側(cè)翻剛度比例系數(shù)，^-車輛側(cè)翻剛度，附-整車質(zhì)量，zn廣車輛 懸掛質(zhì)量，p-側(cè)傾角速度，卜橫擺角速度，r-輪距，"-車輛縱向 速度，v-車輛側(cè)向速度，『-車重，i -車輪半徑，5-轉(zhuǎn)向角，--側(cè) 翻角，A-空氣密度，^-橫擺角； 2)輪胎-路面模型
汽車所受外力來源于輪胎與地面的作用力、空氣阻力、坡道阻力； 但是汽車在平直道路上制動時，輪胎與地面的作用力成為影響車輛運 動狀態(tài)的主要因素，所以輪胎-路面模型對車輛動力學的仿真計算起 著決定性的作用；由于輪胎結構、材料復雜，導致其高度非線性的力 學特性，所以它也是系統(tǒng)仿真中最不穩(wěn)定的環(huán)節(jié)，路況與車輛運動狀 態(tài)的變化使輪胎的外特性復雜多變且難以預測；
荷蘭Delft工業(yè)大學Pacejka教授提出的魔術公式。魔術公式形式 簡潔，統(tǒng)一性強，用一套公式即可表達出輪胎的各向力特性，編程方 便，擬合的參數(shù)較少，而且精度非常高，魔術公式的核心內(nèi)容是用三 角函數(shù)的組合及一組系數(shù)對輪胎在靜態(tài)載荷表現(xiàn)出的外特性，即輪胎 縱向力、橫向力和回正力矩分別與輪胎側(cè)偏角，車輪滑移率以及輪胎 法向反力之間的映射關系進行描述，變量之間的關系如圖3所示，圖 中"為側(cè)偏角，義為縱向滑移率，y為輪胎外傾角，i^為輪胎垂向載 荷，i^為縱向力，巧為橫向力，Mz為回正力矩。
在純側(cè)偏、純縱滑工況下，作用在輪胎上的輪胎力可以表述為縱向力
<formula>formula see original document page 25</formula>其中S為縱向滑移率S=l-，
式中，w-車輪轉(zhuǎn)速 r-車輪輪心速度 及-車輪滾動半徑 C = 6。，曲線形狀因子 D = /^《，峰值因子
<formula>formula see original document page 25</formula>
《一車輪垂向載荷，單位kN 側(cè)向力
<formula>formula see original document page 25</formula>
式中"-側(cè)偏角，單位度
T-側(cè)傾角，單位度 C ="。，曲線形狀因子 = 峰值因子
<formula>formula see original document page 25</formula>當《 = 0時，定義7 = ^,則縱向滑移率和側(cè)向滑移率為:
<formula>formula see original document page 26</formula>
縱向滑移率和側(cè)向滑移率的修正值為:
tan(a) ^
其中:
<formula>formula see original document page 26</formula>
定義
則輪胎力學特性為
26
《-車輪垂向載荷，單位KN 在制動和轉(zhuǎn)彎聯(lián)合工況下，<formula>formula see original document page 27</formula>
其中i^為縱向力，^為橫向力，Mz為回正力矩； 3)液壓系統(tǒng)模型
在以液壓制動系統(tǒng)為控制手段的底盤集成控制系統(tǒng)的研究中，液 壓系統(tǒng)的建模是必要而關鍵的環(huán)節(jié)。液壓系統(tǒng)的動態(tài)特性將直接影響 制動性能。所以，對車輛液壓制動系統(tǒng)特性的理論研究和建模是系統(tǒng) 仿真和設計的基礎。
車輛制動液壓系統(tǒng)是一本質(zhì)非線性系統(tǒng)，建立其精確模型是非常 困難的。液壓系統(tǒng)常用的建模方法為系統(tǒng)辨識法，即將系統(tǒng)作為"黑 箱"，通過試驗數(shù)據(jù)求解其傳遞特性，但是求得的傳遞特性中各參數(shù) 不存在簡潔明確的力學意義，不利于進一步研究系統(tǒng)的結構和與特性 的關系以及對系統(tǒng)參數(shù)進行優(yōu)化設計。我們采用理論與試驗相結合的 方法對車輛ABS液壓系統(tǒng)動態(tài)過程進行了深入的研究，即利用系統(tǒng)的 運行機理和運行經(jīng)驗確定出模型的結構或結構的上確界，確定部分參 數(shù)的大小或可能的取值范圍，再根據(jù)系統(tǒng)輸入和輸出數(shù)據(jù)，由系統(tǒng)辨 識來估計和改善模型中的參數(shù)，使其精確化。這種方法充分利用了全 部可以利用的信息，所得模型相對更準確有效。
得出的液壓系統(tǒng)動態(tài)模型的統(tǒng)一描述表達式為
<formula>formula see original document page 27</formula>19)
式中
尺——輪缸的壓力 Pm——制動主缸的壓力 A——低壓蓄能器的壓力c;——增壓集中等效液容
c:——減壓集中等效液容 i g——集中等效液阻 K——增壓節(jié)流指數(shù) ——減壓節(jié)流指數(shù) /——時間
——增壓時系統(tǒng)傳輸滯后時間 ——減壓時系統(tǒng)船速滯后時間
%= 1,2)——電磁閥控制指令信號，其取值含義如下 當卜=\時，系統(tǒng)增壓
<formula>formula see original document page 28</formula>
當卜= 時，系統(tǒng)減壓 當卜=:時，系統(tǒng)保壓
<formula>formula see original document page 28</formula>
4)制動器模型
在控制器對制動管路內(nèi)壓力進行調(diào)節(jié)時，輪缸活塞的受力及運動 狀態(tài)處于反復變化之中，因此在計算活塞通過制動鉗對制動盤施加的 正壓力時，應考慮動態(tài)特性的影響，建立輪缸活塞的動力學模型。如 圖5為輪缸活塞動力學模型示意圖，根據(jù)動力學基本原理，建立了用 如下傳遞函數(shù)表示的制動器動力學數(shù)學模型-
<formula>formula see original document page 28</formula>
式中
k(力——為制動力矩的拉氏變換 尺w——為輪缸制動液壓力的拉氏變換&——為效能因素
4—一為活塞橫截面積
?！獮橛行О霃?br> ——為系統(tǒng)固有頻率 -——制動器的阻尼系數(shù)
5)發(fā)動機模型
除了節(jié)氣門的控制作用之外，發(fā)動機輸出的功率與發(fā)動機的轉(zhuǎn)速 直接相關；所以，內(nèi)燃機的輸出特性常常用其轉(zhuǎn)速和輸出功率之間的 關系來表示，多項式是這種關系最常用的數(shù)學形式
<formula>formula see original document page 29</formula> (2i)
式中，《為發(fā)動機的功率，^為發(fā)動機的轉(zhuǎn)速，f為多項式的系數(shù)。
所以，發(fā)動機的輸出轉(zhuǎn)矩7;為
(22)
即 7>ti>:-1 (23)。
宿主機1上安裝有Visual C++目標語言編譯器和 Matlab/Simulink軟件，將數(shù)字仿真模型轉(zhuǎn)化為C代碼格式，并通過 網(wǎng)絡將轉(zhuǎn)換后模型下載到目標機2的CPU中，CPU通過PCL板卡4與 電控單元3和電磁閥5等執(zhí)行器進行通信，并通過電控單元3的指令 實時記錄并顯示車輛的行駛性能。
電控單元3實時判斷車輪的滑移率，車輛的橫擺角速度等狀態(tài) 信息，控制制動系統(tǒng)常開閥和常閉閥的工作狀態(tài)，并把當前油門開度、 車輛運行工況等信息通過PCL—726L板卡4反饋給目標機2的CPU;電控單元3經(jīng)過PCL板卡4反饋給工控機的數(shù)字信號共計8位。作 動器包括4個車輪所對應常開閥和常閉閥，通過它們不同的狀態(tài)組合 實現(xiàn)對輪缸的調(diào)節(jié)。
所述電控單元3的控制指令，是由另外設置的PC機6， PC機6 上裝有Codewarrior軟件，通過飛思卡爾專用的背景調(diào)試模式 (Background Debug Mode),簡稱BDM，改變控制參數(shù)，利用C語言 編制控制程序，通過仿真頭燒結至電控單元3內(nèi)，每編制一個控制程 序，都要通過仿真頭燒結至電控單元3內(nèi)。
根據(jù)底盤集成控制系統(tǒng)的特點，基于飛思卡爾Freescale的16 位單片機-MC9S12DP256，自行設計了底盤集成控制的電控單元3,控 制程序在目標機2上運行，根據(jù)目標機2實時反饋的狀態(tài)變量，如橫 擺角速度、車輪轉(zhuǎn)速等，實時判斷緊急制動、急加速起步和雙移線等 的運行過程，控制電磁闊5的工作狀態(tài)，并把當前控制信號等信息通 過PCL板卡4反饋給目標機2的CPU，并通過網(wǎng)絡反饋至宿主機1， 判斷試驗結果。
經(jīng)過以上步驟，就可建立一個硬件在環(huán)仿真試驗臺，硬件在環(huán)仿 真試驗臺就可運行并可對各種控制參數(shù)進行評價
如圖7本發(fā)明的工作流程圖所示，硬件在環(huán)仿真試驗臺可以對不 同參數(shù)組合時的控制效果進行評價，每次仿真結束，都能給出相應的 結果進行評價。比如ABS仿真，能夠全面給出各個個車輪的輪速變化、 滑移率變化、各個輪缸壓力變化、制動距離和制動時間等。從而實時 驗證控制策略、調(diào)整控制參數(shù)直到獲得滿意控制效果。
另外試驗臺還可以實現(xiàn)底盤、輪胎、傳動系各部件參數(shù)的優(yōu)化匹 配，并可實現(xiàn)車輛在極限危險工況下的控制參數(shù)的調(diào)試?？蓹z測、調(diào) 試所設計的電子控制單元3的電路故障。
由于實現(xiàn)了電控單元3及執(zhí)行電機的硬件在環(huán)，測試得到的各項 性能及獲得優(yōu)化參數(shù)與實車試驗比較接近，從而顯著減少實車實驗的次數(shù)，縮短了開發(fā)周期的同時還節(jié)省了大量的開發(fā)成本。
權利要求
1、一種汽車底盤集成控制器硬件在環(huán)仿真試驗臺，包括宿主機、目標機、電控單元，其特征在于所述的宿主機上建立汽車整車九自由度動力學模型、輪胎路面模型、液壓及制動系統(tǒng)模型、發(fā)動機及傳動系統(tǒng)模型，并建立用以評價和優(yōu)化控制策略的各行駛工況的數(shù)字仿真模型，轉(zhuǎn)化為C代碼格式，經(jīng)以太網(wǎng)由目標機接收下載到其CPU內(nèi)，電控單元控制執(zhí)行器的常開閥和常閉閥及直流電機，通過PCL板卡接收當前電磁閥的狀態(tài)信號，并通過PCL板卡反饋至目標機實時顯示各路控制信號和車輛狀態(tài)信息，目標機同時通過以太網(wǎng)反饋至宿主機判斷實驗結果，建立由電控單元進行控制的汽車底盤集成控制器硬件在環(huán)仿真試驗臺。
2、 按權利要求1所述的汽車底盤集成控制器硬件在環(huán)仿真試驗臺，其特征在于所述宿主機上建立多種工況數(shù)字仿真數(shù)學模型如下-l)整車模型首先需要建立汽車九自由度車輛底盤集成控制系統(tǒng)仿真模型，包 括車身的縱向、側(cè)向、橫擺，側(cè)傾，俯仰五個運動，四個車輪繞輪軸 的轉(zhuǎn)動。同時將模型劃分為三大子系統(tǒng)包括車身(簧載質(zhì)量)、路面輪胎系統(tǒng)、制動系統(tǒng)，制動系統(tǒng)包括壓力動態(tài)特性模型和制動器模型； 根據(jù)牛頓運動定律，對車輛縱向、側(cè)向、橫擺以及側(cè)傾運動進行 受力分析，可以得出各自由度的動力學微分方程如下-<formula>formula see original document page 2</formula> (1)<formula>formula see original document page 2</formula> (2)<formula>formula see original document page 3</formula>式中，-為車輛懸掛質(zhì)量關于側(cè)翻軸線的側(cè)傾角，并在推導方程 (4)時假設側(cè)傾軸線始終保持水平，A和"，分別為車輛質(zhì)心絕對加 速度在車輛坐標系X方向和Y方向的分量，得"i = ii — vr ， =i> + wr (9) 《,和^分別為各車輪所受的在X方向和Y方向的作用力，它們均表示為輪胎牽引力和側(cè)向力的函數(shù)，表達式為<formula>formula see original document page 3</formula>) 考慮車輛的靜態(tài)質(zhì)量及由車輛的運動所引起的載荷轉(zhuǎn)移，各車輪所受的法向載荷表達式為<formula>formula see original document page 3</formula><formula>formula see original document page 0</formula>,附，Y., 附八r J(15)其中&為前懸側(cè)翻剛度占整車側(cè)翻剛度的比率，它決定著側(cè)向 載荷轉(zhuǎn)移在前后軸上的分配， 為懸掛質(zhì)量的側(cè)向加速度附(16)另外，因為車輛坐標系和慣性坐標系之間存在如下的變換關系(17)所以，車輛在慣性坐標系的速度表達式為f x =義cos y — y sin y L少=—Xsiny-ysin^/[少=一w siny-vcosy(18)以上各公式中，々-車輛迎風面積，"-質(zhì)心至前軸的距離，6-質(zhì) 心至后軸的距離，/-軸距，縱向加速度， -側(cè)向加速度，Cd-空 氣阻力系數(shù)，。-側(cè)翻阻尼系數(shù)，《-車輪縱向力，i^-側(cè)向力，《-車輪法向力，《-輪胎側(cè)偏力，巧-輪胎驅(qū)動力，g-重力加速度，A-懸掛重量質(zhì)心的高度，A'-懸掛重量質(zhì)心至側(cè)翻軸線的距離，4-車 輛關于Z軸的轉(zhuǎn)動慣量，/^-懸掛質(zhì)量關于X軸的轉(zhuǎn)動慣量，i^--前懸側(cè)翻剛度比例系數(shù)，^-車輛側(cè)翻剛度，m-整車質(zhì):-車輛TO'觀州速度，卜橫擺角速度，r-輪距，車輛縱向 速度，v-車輛側(cè)向速度，r-車重，/ -車輪半徑，5-轉(zhuǎn)向角，^-側(cè)翻角，A-空氣密度，^-橫擺角； 2)輪胎-路面模型汽車所受外力來源于輪胎與地面的作用力、空氣阻力、坡道阻力；但是汽車在平直道路上制動時，輪胎與地面的作用力成為影響車輛運動狀態(tài)的主要因素，所以輪胎-路面模型對車輛動力學的仿真計算起著決定性的作用；由于輪胎結構、材料復雜，導致其高度非線性的力 學特性，所以它也是系統(tǒng)仿真中最不穩(wěn)定的環(huán)節(jié)，路況與車輛運動狀 態(tài)的變化使輪胎的外特性復雜多變且難以預測；魔術公式的核心內(nèi)容是用三角函數(shù)的組合及一組系數(shù)對輪胎在 靜態(tài)載荷表現(xiàn)出的外特性，即輪胎縱向力、橫向力和回正力矩分別與 輪胎側(cè)偏角，車輪滑移率以及輪胎法向反力之間的映射關系進行描 述；在純側(cè)偏、純縱滑工況下，作用在輪胎上的輪胎力可以表述為 縱向力<formula>formula see original document page 5</formula> 其中S為縱向滑移率S=l-，式中，w-車輪轉(zhuǎn)速 r-車輪輪心速度i -車輪滾動半徑C = 6。，曲線形狀因子D = /vPz，峰值因子<formula>formula see original document page 5</formula>《-車輪垂向載荷，單位kN側(cè)向力《=Z>sin(Carctan{5(l —+ +Aarctan[_e(or + &)]}) + 5V式中"-側(cè)偏角，單位度^-側(cè)傾角，單位度 C ="。，曲線形狀因子 峰值因子B.C.D = a3sin[2arctan(F2/a4)](l_fl51 y|)Sv = + "12《+ 。13《-車輪垂向載荷，單位KN 在制動和轉(zhuǎn)彎聯(lián)合工況下，當"=0時，定義"=^，則縱向滑移率和側(cè)向滑移率為:<formula>formula see original document page 6</formula>縱向滑移率和側(cè)向滑移率的修正值為6<formula>formula see original document page 6</formula>其中:|5" = -& 《定義 =v《'。'+ 則輪胎力學特性為:《=A"°"聲其中i^為縱向力，^為橫向力，Mz為回正力矩； 3)液壓系統(tǒng)模型以液壓制動系統(tǒng)為控制手段的底盤集成控制系統(tǒng)中，液壓系統(tǒng)的 建模是必要而關鍵的環(huán)節(jié)；液壓系統(tǒng)的動態(tài)特性將直接影響制動性 能；利用系統(tǒng)的運行機理和運行經(jīng)驗確定出模型的結構或結構的上 確界，確定部分參數(shù)的大小或可能的取值范圍，再根據(jù)系統(tǒng)輸入和輸 出數(shù)據(jù)，由系統(tǒng)辨識來估計和改善模型中的參數(shù)，使其精確化；這種 方法充分利用了全部可以利用的信息，所得模型相對更準確有效。得出的液壓系統(tǒng)動態(tài)模型的統(tǒng)一描述表達式為,=7^(^-尸X、)-T^r(尸wK、) (19)A——輪缸的壓力 &——制動主缸的壓力 A——低壓蓄能器的壓力 ——增壓集中等效液容c:——減壓集中等效液容&——集中等效液阻 ^——增壓節(jié)流指數(shù)f——減壓節(jié)流指數(shù) r——時間s——增壓時系統(tǒng)傳輸滯后時間 、——減壓時系統(tǒng)船速滯后時間M,.(/ = l,2)——電磁閥控制指令信號，其取值含義如下:4)制動器模型在控制器對制動管路內(nèi)壓力進行調(diào)節(jié)時，輪缸活塞的受力及運動 狀態(tài)處于反復變化之中，因此在計算活塞通過制動鉗對制動盤施加的 正壓力時，應考慮動態(tài)特性的影響，建立輪缸活塞的動力學模型；根 據(jù)動力學基本原理，建立了用如下傳遞函數(shù)表示的制動器動力學數(shù)學 模型<formula>formula see original document page 8</formula>式中——為制動力矩的拉氏變換 ——為輪缸制動液壓力的拉氏變換&——為效能因素a——為活塞橫截面積?！獮橛行О霃?——為系統(tǒng)固有頻率《--制動器的阻尼系數(shù)5)發(fā)動機模型除了節(jié)氣門的控制作用之外，發(fā)動機輸出的功率與發(fā)動機的轉(zhuǎn)速 直接相關；所以，內(nèi)燃機的輸出特性常常用其轉(zhuǎn)速和輸出功率之間的 關系來表示，多項式是這種關系最常用的數(shù)學形式(21)f=0式中，g為發(fā)動機的功率，A為發(fā)動機的轉(zhuǎn)速，《為多項式的系數(shù)(所以，發(fā)動機的輸出轉(zhuǎn)矩7;為 。(22)即 ？;=2>"(23)f=0
3、按權利要求1所述的汽車底盤集成控制器硬件在環(huán)仿真試驗臺，其特征在于所述電控單元的控制指令，是由另外設置的pc機，根據(jù)汽車行 駛中環(huán)境背景、改變控制參數(shù)、編制控制程序，通過仿真頭燒結至電控單元內(nèi)，每編制一個控制程序，都要通過仿真頭燒結至電控單元內(nèi)。
4、按權利要求1所述的汽車底盤集成控制器硬件在環(huán)仿真試驗臺，其特征在于控制程序在目標機運行，執(zhí)行器的常開闊和常閉閥由電控單元控 制，其運行結果反饋至目標機的CPU，并通過網(wǎng)上反饋至宿主機，判 斷試驗結果。
全文摘要
一種汽車底盤集成控制器硬件在環(huán)仿真試驗臺，宿主機建立汽車多工況的數(shù)字仿真數(shù)學模型，轉(zhuǎn)化為C代碼格式，經(jīng)以太網(wǎng)由目標機接收下載到其CPU內(nèi)，電控單元控制8個電磁閥，并通過PCL板卡接收接收電磁閥的狀態(tài)，控制目標機內(nèi)存儲的汽車各種工況數(shù)字仿真模型運行及其反饋的信息。本發(fā)明的優(yōu)點為實現(xiàn)了ECU及作動器的硬件在環(huán)，對各種控制參數(shù)的預測結果更準確；在底盤電子控制系統(tǒng)研發(fā)的前期，對極端危險狀況的控制參數(shù)進行優(yōu)化；簡化試驗環(huán)境，測試得到的各項性能及獲得的優(yōu)化參數(shù)與實車試驗較接近。
文檔編號G05B23/02GK101308386SQ20081004044
公開日2008年11月19日 申請日期2008年7月10日 優(yōu)先權日2008年7月10日
發(fā)明者吳光強, 楊林孟, 晗 謝, 邱緒云, 鞠麗娟 申請人:同濟大學