硬件在環(huán)汽車駕駛模擬器系統(tǒng)開發(fā)

孫榮強 陳煥明 劉大維

摘要：? 為提高硬件在環(huán)仿真過程中實時監(jiān)控的精度，本文基于xPC Target實時仿真實驗平臺，開發(fā)了硬件在環(huán)汽車駕駛模擬器系統(tǒng)。采用Matlab/Simulink軟件，對車輛參數(shù)和道路環(huán)境等進行配置，搭建仿真模型，同時結(jié)合轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器、制動/油門踏板傳感器和數(shù)據(jù)采集卡等硬件設(shè)備，實現(xiàn)外部硬件對虛擬車輛運動的控制，完成相關(guān)硬件在環(huán)仿真實驗。以某型轎車為例，在平坦標(biāo)準(zhǔn)道路上的轉(zhuǎn)向性能進行模擬，對駕駛模擬器系統(tǒng)的性能進行測試。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)的實時性和精度滿足汽車動力學(xué)仿真實驗的要求，為研究和開發(fā)駕駛輔助系統(tǒng)提供了實驗平臺，具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：? 駕駛模擬器; xPC Target; 硬件在環(huán); veDYNA

中圖分類號： U467; TP27文獻標(biāo)識碼： A

隨著汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，汽車從設(shè)計到進入市場，周期越來越短，而設(shè)計研發(fā)需要耗費大量的精力物力，特別是實車實驗，不僅危險而且十分復(fù)雜。硬件在環(huán)仿真作為一種實時仿真技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于汽車研發(fā)過程，硬件在環(huán)仿真是將外部實物通過計算機接口嵌入到軟件環(huán)境中，代替一些難以用數(shù)學(xué)模型描述的問題，提高仿真精度[13]?；隈{駛模擬器的硬件在環(huán)試驗臺，利用計算機仿真及電子、控制等相關(guān)技術(shù)，許多研究者從人-車-路“閉環(huán)系統(tǒng)”整體性能出發(fā)[4]，對駕駛員行為和道路環(huán)境等進行仿真研究。B.A.Güvene等人[5]利用dSPACE、xPC TargetBox、Vehicle Simulator和工控機等開發(fā)了一套車輛硬件在環(huán)控制系統(tǒng)，并利用其對車輛偏航穩(wěn)定性控制器進行控制效果的評估;王野等人[6]基于dSPACE實時仿真系統(tǒng)，利用Controldesk和Matlab開發(fā)實驗臺監(jiān)控程序，通過典型工況對硬件在環(huán)實驗臺進行功能驗證;李幼德等人[7]基于dSPACE實時仿真平臺，以CarSim/Simulink聯(lián)合仿真，搭建駕駛模擬器系統(tǒng)，實現(xiàn)各種模擬實驗條件，對駕駛員制動意圖模型進行訓(xùn)練和開發(fā);李升波等人[8]搭建了基于xPC的駕駛員輔助系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真實驗臺，以模塊化思路建立仿真模型，采用S函數(shù)驅(qū)動主界面方法，解決了硬件在環(huán)仿真過程進行實時監(jiān)控的問題?；诖耍疚倪x用xPC Target作為實時平臺，由veDYNA軟件提供車輛各部分動力學(xué)模型，設(shè)計開發(fā)了汽車駕駛模擬器硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)。該研究為車道偏離輔助系統(tǒng)等開發(fā)提供了仿真平臺。

1 硬件在環(huán)汽車駕駛模擬器系統(tǒng)組成及工作原理

硬件在環(huán)汽車駕駛模擬器系統(tǒng)原理圖如圖1所示。系統(tǒng)主要由上位機、顯示器、下位機、操縱機構(gòu)、仿真模型和數(shù)據(jù)采集模塊組成。

利用veDYNA、Matlab/Simulink軟件，硬件在環(huán)汽車駕駛模擬器的上位機對車輛參數(shù)和道路環(huán)境等進行配置，搭建仿真模型，采用Simulink中RTW工具箱進行編譯，通過TCP/IP通信協(xié)議傳輸?shù)絰PC實時系統(tǒng)的下位機。仿真模型在下位機中實時運行，仿真結(jié)果以動畫、曲線等形式實時回傳到上位機[9]。駕駛員根據(jù)仿真結(jié)果，通過轉(zhuǎn)向盤、制動/油門踏板等操縱機構(gòu)對虛擬車輛進行實時控制。數(shù)據(jù)采集模塊中，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器等將駕駛員的操縱轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，通過PCI6070E數(shù)據(jù)采集卡的A/D通道傳輸?shù)较挛粰C中，對仿真模型進行實時運算，從而實現(xiàn)外部硬件對虛擬車輛運動的控制，完成相關(guān)的硬件在環(huán)仿真實驗。硬件在環(huán)汽車駕駛模擬器系統(tǒng)實物如圖2所示。

2 硬件在環(huán)汽車駕駛模擬器硬件系統(tǒng)

2.1 上位機及下位機系統(tǒng)

上位機及下位機系統(tǒng)由兩臺PC機通過xPC Target硬件在環(huán)仿真工具配置而成，通過TCP/IP通信協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸。上位機采用惠普Compaq dc7800型計算機，CPU主頻為2.7 GHz的Intel Pentium（R）處理器，內(nèi)存4 GB;下位機采用惠普Compaq dc7700型計算機，CPU主頻為2.13 GHz的Intel Rore（TM）Ⅱ處理器，內(nèi)存4 GB。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊由數(shù)據(jù)采集卡、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器、油門/制動踏板傳感器和轉(zhuǎn)矩傳感器組成。數(shù)據(jù)采集卡采用美國NI公司生產(chǎn)的PCI6070E型號，該采集卡功能豐富、采集速度快、準(zhǔn)確率高，并支持DMA和雙緩沖兩種傳輸方式，保證了實時信號的不間斷采集和存儲。數(shù)據(jù)采集卡提供了16路單端/8路差動輸入通道、2路獨立的D/A輸出通道、8線的數(shù)字I/O、2個24位的定時器/計數(shù)器等多種功能，高效可靠地完成數(shù)據(jù)采集，將下位機與轉(zhuǎn)向盤、制動/油門踏板等外部設(shè)備連接，通過A/D通道將采集到的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角信號、油門/制動踏板信號和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳輸?shù)接嬎銠C中進行仿真運算[10]。

轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器采用ZKT6012光電式旋轉(zhuǎn)編碼器，與轉(zhuǎn)向盤同軸連接，輸出轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角信號，準(zhǔn)確地將駕駛員對轉(zhuǎn)向盤的輸入轉(zhuǎn)換為計算機可識別的電信號。該編碼器體積小、重量輕、安裝方便，分辨力為14.4，具有較高的測量精度[11]。光電式旋轉(zhuǎn)編碼器輸出OutA和OutB兩路正交信號和一路零位信號，實現(xiàn)雙向計數(shù)，適合進行轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的測量。當(dāng)轉(zhuǎn)向盤順時針旋轉(zhuǎn)時，OutA通道信號超前OutB信號1/4T相位，逆時針旋轉(zhuǎn)時則相反。順時針和逆時針轉(zhuǎn)動光電編碼器輸出信號如圖3所示。

將光電編碼器輸出的兩路信號輸入到鑒向電路中，鑒向電路根據(jù)輸入信號的相位差判斷轉(zhuǎn)向盤的旋轉(zhuǎn)方向。鑒向電路由D觸發(fā)器CD4013B和與非門DM74LS132組成，鑒向電路原理圖如圖4所示。當(dāng)轉(zhuǎn)向盤順時針轉(zhuǎn)動時，Y1端口輸出脈沖信號，Y2端口沒有脈沖信號輸出[12];當(dāng)轉(zhuǎn)向盤逆時針轉(zhuǎn)動時，Y2端口輸出脈沖信號，Y1端口沒有脈沖信號輸出。

油門和制動踏板采用三佑公司JKH503型電子腳踏板，踏板轉(zhuǎn)動角度最大為30°，準(zhǔn)確反映駕駛員對車輛的縱向動力學(xué)控制。踏板內(nèi)部基于霍爾式傳感器，結(jié)合控制電路，只需提供+5 V電平便可輸出與踩踏角度成正比關(guān)系的0～+5 V連續(xù)變化的模擬信號，信號可直接通過數(shù)據(jù)采集卡的A/D端口輸入計算機進行處理[13]。

轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩傳感器采用余航Y(jié)H502系列扭矩傳感器，該傳感器采用應(yīng)變片電測技術(shù)，在弾性軸上組成應(yīng)變橋，在應(yīng)變橋兩端施加電壓即可測得該弾性軸所受扭矩的電信號。信號放大后，經(jīng)過壓/頻轉(zhuǎn)換，得到與扭應(yīng)變成正比的頻率信號，信號可直接通過數(shù)據(jù)采集卡的A/D端口輸入計算機進行處理，計算出駕駛員對轉(zhuǎn)向盤的輸入轉(zhuǎn)矩[14]。

3 硬件在環(huán)汽車駕駛模擬器軟件系統(tǒng)

3.1 車輛動力學(xué)模型

在Simulink環(huán)境下，車輛動力學(xué)模型如圖5所示。該模型基于車輛動力學(xué)軟件veDYNA中Standard結(jié)構(gòu)的車輛動力學(xué)模型，采用模塊化建模方式，集成了轉(zhuǎn)向/制動系統(tǒng)模塊、發(fā)動機系統(tǒng)模塊及輪胎模塊等[15]，根據(jù)仿真改變各個參數(shù)，以適配仿真環(huán)境。本文所開發(fā)的硬件在環(huán)汽車駕駛模擬器，嵌入了轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角Simulink模型和油門/制動踏板Simulink模型等，實現(xiàn)了駕駛員通過操縱機構(gòu)對車輛的控制。

3.2 道路模型

在Simulink環(huán)境下，道路模型如圖6所示。在veDYNA的車輛動力學(xué)主界面中，提供了標(biāo)準(zhǔn)模型和雙向車道/高級模型兩種道路模型的選擇。標(biāo)準(zhǔn)道路模型可以提供最多15段車道，可分別設(shè)置不同道路的表面摩擦系數(shù)及坡度;雙向車道/高級模型可以設(shè)置包括道路指示牌及前后車交通環(huán)境等在內(nèi)的3D道路環(huán)境，提供了更加豐富的仿真實驗環(huán)境[16]。

3.3 數(shù)據(jù)采集模型

在Simulink環(huán)境中，搭建數(shù)據(jù)采集模型，數(shù)據(jù)采集模型如圖7所示。該模型的作用是采集轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角信號、油門/制動踏板信號和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩信號。轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器、油門/制動踏板傳感器和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩傳感器生成的電信號，通過PCI6070E AD模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，由數(shù)據(jù)處理模塊處理后，得到轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動角度、油門/制動踏板踩踏角度和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩，傳輸?shù)杰囕v動力學(xué)模型，實現(xiàn)外部操縱機構(gòu)對虛擬車輛的轉(zhuǎn)向及加/減速等控制[17]。

4 硬件在環(huán)汽車駕駛模擬器系統(tǒng)測試

為測試該系統(tǒng)的性能，以某型轎車為例，在平坦標(biāo)準(zhǔn)道路上行駛時的轉(zhuǎn)向性能進行模擬。首先在上位機中的車輛動力學(xué)軟件veDYNA中設(shè)置車輛參數(shù)和道路環(huán)境等，搭建仿真模型，車輛以30 km/h和60 km/h的車速行駛時，駕駛員通過轉(zhuǎn)向盤實時輸入階躍轉(zhuǎn)向信號，在下位機中實時計算車輛的橫擺角速度和側(cè)向加速度響應(yīng)，并將結(jié)果傳輸?shù)缴衔粰C進行記錄分析[18]。車輛橫擺角速度和側(cè)向加速度響應(yīng)曲線如圖8和圖9所示。

5 結(jié)束語

本文基于xPC Target實時仿真實驗平臺，結(jié)合車輛動力學(xué)仿真軟件veDYNA，開發(fā)了硬件在環(huán)汽車駕駛模擬器系統(tǒng)。采用Matlab/Simulink軟件，對車輛參數(shù)和道路環(huán)境等進行配置，搭建仿真模型，通過數(shù)據(jù)采集卡采集轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器、油門/制動踏板傳感器和轉(zhuǎn)矩傳感器等信號，實現(xiàn)外部硬件對虛擬車輛運動的控制。經(jīng)過實驗測試表明，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，實時性好，滿足汽車動力學(xué)仿真實驗的要求，可作為駕駛輔助系統(tǒng)的仿真平臺。

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