【《汽车超车辅助控制系统仿真与轨迹预测分析案例》3700字】

汽车超车辅助控制系统仿真与轨迹预测分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u11484第1章超车辅助控制仿真平台建立 1128131.1超车轨迹预测控制模型 155181.1.1联合仿真平台的搭建 1250261.1.2车辆仿真参数设定 2269311.1.3道路仿真模型建立 2241041.1.4超车轨迹预测控制模型建立 3120611.2硬件在环试验平台介绍 4306361.2.1硬件在环仿真发展概述 4191731.2.2硬件在环仿真优势 4278961.2.3基于NI-PXI的仿真试验平台 531241.3本章小结 721523第2章超车轨迹预测仿真及结果分析 7107382.1工作原理 713652.2试验结果及分析 8第1章超车辅助控制仿真平台建立1.1超车轨迹预测控制模型 车辆超车辅助系统的最重要的实现就是超车轨迹的实时预测跟踪控制，由上一章所建立的预瞄跟随算法，仿真车辆在指定的道路工况下按照设定的轨迹进行超车换道并实时预测并跟踪轨迹。本章主要建立超车辅助控制仿真平台，并通过LabVIEW和CarSim软件进行联合仿真来验证轨迹预测控制器的可靠性、准确性是否良好。1.1.1联合仿真平台的搭建CarSim是一款仿真软件，可用于车辆动力学的仿真分析，CarSim的建模是基于组件装配来建模的，CarSim建模时，在每个层级都有一个组件集合供选择，操作者从中选择一个组件作为仿真运行时的组件。例如SimuliatedTestSpecifications这个区块下面包含了MathModel、Procedure等组件，而MathModel包含了整车模型，Procedure则包含了驾驶员控制、道路信息、运行时间步长和总时间长度等。本文将依据前文所做的理论分析在CarSim中设置超车车辆的仿真参数，并与在LabVIEW中所搭建的超车轨迹预测控制的驾驶员预瞄跟随控制器进行联合仿真。LabVIEW主要用于程序的控制策略编写及控制硬件实物，以及采集实际反馈信号。CarSim主要用于搭建整车动力学模型以及车路环境工况，比如在CarSim里面设置自车的型号、重量、悬架系统、转向系统、制动系统等底盘的参数，以及路面附着系数、空气质量密度等行驶数据，在于LabVIEW联合仿真时，主要用于模拟车路虚拟仿真环境并把实际车辆运动参数传递到LabVIEW中实时显示和开发（比如输出接口设置了方向盘转角值，那么就会把当前工况下的方向盘实际转角值发送给LabVIEW中）。1.1.2车辆仿真参数设定按照市面上常见的普通乘用轿车的参数来对超车车辆的仿真参数进行设置，如下图所示。Carsim中车辆其他组件的模型选择则用CarSim软件中的默认参数，对于超车车辆在指定道路条件下的工况进行相关参数的设置，验证在适宜工况下超车轨迹跟踪控制器的跟踪效果。图1.1车辆模型参数设置1.1.3道路仿真模型建立除了对车辆进行参数化建模，在CarSim中还可以对车辆行驶的道路工况及道路周边的环境进行参数化建模。根据需要设置道路的路面中心线坐标、路面附着系数、滚动阻力系数、道路宽度、每段直道的长度、弯道的转弯半径等。图1.2道路模型参数设置1.1.4超车轨迹预测控制模型建立为了验证超车轨迹跟踪控制器的有效性和准确性，将前文轨迹规划的讨论研究中选用的五次多项式轨迹在LabVIEW中进行图形化编程，以第三章建立的驾驶员预瞄控制器为轨迹控制器，结合实验台架现有的硬件环境和软件配置，在LabVIEW中建立超车轨迹跟踪模型如下图所示。图1.3超车轨迹跟踪模型前面板图1.4LabVIEW和CarSim的超车轨迹跟踪模型的联合仿真——定时模块1.2硬件在环试验平台介绍1.2.1硬件在环仿真发展概述早在20世纪50年代，硬件在环(HIL)技术就已广泛应用于国防和航空航天工业。当时的HIL技术成本很高，但国防和航空工业利用HIL系统的主要原因是为了降低人类生命的风险和保护正在测试的极其昂贵的原型系统。当时汽车行业没有采用HIL技术进行相关控制系统的开发和测试，主要是由于HIL技术成本高，并且只能在相对简单的控制系统中使用HIL技术。多年来，汽车行业开始在汽车中增加了越来越多的嵌入式软件控制和电子元件，以提高其性能、效率和舒适性，以及为了符合政府规定和强制排放要求。复杂电子和部件系统测试中涉及的设计和验证过程、以及时间和成本的复杂性不断增加，迫使汽车行业研究和投入资金到更好的测试方法。随着计算机技术的进步，高效率低成本计算引擎的不断开发，推动了HIL技术从国防和航空航天逐步运用于汽车工业。HIL仿真技术在航空航天工业中成功应用后，汽车行业在20世纪90年代开始采用了该技术[24]。1.2.2硬件在环仿真优势仿真验证是检验模型算法准确性以及整个系统可行性的最要一步。软件仿真具有灵活、成本低的特点，但其仿真环境与实际有一定的差距；硬件仿真准确性高，结果直观清晰，但成本过高[25]。智能驾驶车辆的控制系统变得比传统车辆复杂得多，这使得开发和测试这种控制系统更具挑战性。半实物仿真是控制系统测试和验证的一种可靠方法。它将逻辑仿真控制替换为与实时仿真交互的真实硬件，被认为是测试和验证汽车控制系统的可靠方法。它用真实的硬件取代了模拟的逻辑控制，而真实的硬件与系统剩余部分的实时模拟器交互。使用HIL仿真的一些优点是:成本经济型(因为比真实原型所需的硬件少)、评估测试的可重复性、使用仿真模型所带来的无损性、开发周期缩短、操作条件宽泛而带来的全面性。HIL仿真的主要目的是提高产品质量，掌握产品开发的复杂性并降低开发成本。通过将功能测试和诊断测试从测试驱动器或测试台实验移至HIL实验室，其结果是，大大减少了昂贵的原型车的数量，并减少了在真实测试场地上花费的时间。HIL测试可以根据需要进行多次复制而反复进行试验，并且可以自动化进行。通常的做法是在某段特定时间内完全自动运行，并进行评估和记录测试。这使测试操作人员可以专注于评估测试，实施新测试以及重新对失败的试验进行再调试（例如，由于ECU错误而导致的报错），而且自动化提供比手动测试更大的测试范围，这可以提高质量和产品成熟度。通常，HIL仿真器还用于执行在真实系统中根本无法进行的测试（例如测试时尚无原型车可用），或者其组件至关重要（有损坏或毁坏的危险）的测试。以及对驾驶员有危险的试验。因此，HIL仿真可以为ECU提供一个真实的运行环境工况，通常任何在实车上可以进行的测试也可以在HIL仿真器上执行[26]。1.2.3基于NI-PXI的仿真试验平台显然，在使用Windows操作系统(OS)的计算机上不能保证实时模拟。硬件和HIL仿真中的虚拟模型之间的实时交互是通过使用一个上载仿真模型的独立或专用的控制器件来保证的。美国国家仪器有限公司（NI公司），率先上市应用了一种基于PXI的实时仿真平台。PXI系统提供了高性能的模块化仪器和丰富的I/O，这些I/O具有专用的同步功能和主要的软件功能，NI是PXI行业的领导者，提供种类丰富的产品和服务。PXI系统由三个主要的硬件组件组成：机箱、控制器和自定义模块。PXI系统还可以与NI自研发的数款软件联合进行使用，除了PXI作为控制器，还需要工业控制计算机、下位机等作为硬件及软件支持。图1.5仿真试验平台整体外观部分硬件模块如下：1、主动转向控制器功能：控制转向助力电机输出转矩。图1.6转向控制器2、转向管柱集成（包括转向助力电动机（有刷）、方向盘转向角传感器）功能：转向电动机是系统中的执行器件，其在转向控制器的控制下，根据ECU的控制指令来将电能转换为机械能，并给予输出适合的转矩，以实现转向功能；转向角传感器设置的目的是为了便于实时采集和监测管柱转过的角度。图1.7转向管柱集成装置3、转向轴、联轴器、万向节功能：在试验台架中，其设置目的是为了将转向系统与模拟负载系统进行合适的联接，并让负载可以正确施加到台架的转向系统。图1.8转向轴、联轴器及万向节组合件1.3本章小结本章主要介绍了在LabVIEW和CarSim软件中建立车辆动力学仿真平台及预测控制算法的主要搭建步骤，在CarSim软件中设定车辆模型的仿真参数，建立道路仿真模型；在LabVIEW软件中对程序的前面板进行设计，对控制算法进行开发。对硬件在环仿真试验平台进行了概述，简述了其在实际应用中优势，最后介绍了试验平台的总体方案。第2章超车轨迹预测仿真及结果分析2.1工作原理仿真平台的是基于DAQ和CAN卡进行数据采集传输的。DAQ卡，即数据采集卡；CAN卡是通过CAN总线来收集各个节点上的有效数据。CarSim是整个闭环仿真控制系统的起点，首先按照测试需求在CarSim中对整车仿真模型和道路仿真模型的参数进行设置，搭建起具体的超车仿真模型和超车场景。通过数据采集和传输接口对数据进行转换，对通信接口进行设置和调试，实现软硬件的联合交互。CarSim通过联合仿真接口与LabVIEW进行联合仿真，LabVIEW除了作为超车控制策略的建模平台，还用以发送控制信号来对转向助力电动机等硬件实物进行控制，并通过传感器采集对应的反馈信号，并最终实现对试验台的转向盘进行控制。具体的仿真原理如下图所示，通过加入硬件实物以实现硬件在环仿真，在数据传输采集装置的配合下，最终形成闭环控制仿真模型。图2.1硬件在环试验原理图2.2试验结果及分析在Carsim软件中可以对车辆的各种参数和道路环境进行自定义设置，即可以在任意指定的仿真工况下对算法和模型进行实际校验，进而相对客观地来判断驾驶员预瞄跟随算法预测的准确性。现对车辆在城市道路80km/h下的工况进行硬件在环仿真试验，超车辅助控制系统的路径预测仿真结果如下：图2.2路径预测仿真结果图2.3超车车辆前轮转角变化图2.4超车车辆侧偏角变化图2.5超车车辆侧向加速度变化图2.6超车车辆侧倾角变化图2.7超车车辆横摆角速度变化图2.8超车车辆所受竖直方向力变化由图2.2可以看出，在指定道路仿真车辆