一种车身电子稳定系统实时硬件在环仿真平台及仿真方法与流程

本发明涉及车辆仿真试验技术领域，尤其涉及一种车身电子稳定系统实时硬件在环仿真平台及仿真方法。

背景技术：

车身电子稳定系统(ESP,Electronic Stability Program)是在制动防抱死系统(ABS)和驱动防滑系统(ASR)基础上发展起来的一种多功能的主动安全装置。车辆行驶时，通过通讯系统将各路传感器采集的信号发送给ESP控制器，ESP控制器根据所采集信号对车辆的运行工况进行实时判断，一旦车身电子稳定系统检测出车辆行驶过程中出现不稳定的预兆，控制器发出指令来控制执行机构工作，对车辆行驶状态进行实时修正，及时消除车辆的不稳定趋势，使车辆的实际运动状态更接近期望行驶状态，保证车辆的行驶安全性和稳定性。随着人们安全意识的增强以及车辆相关技术的快速发展，ESP的普及率将会越来越高，将逐渐成为车辆主动安全的标准配置。

ESP的特点如下：1、通过对每个车轮单独作用制动力产生横摆转矩，进而加强车辆的方向稳定性；2、根据测量装置可以测出驾驶车辆人员转动转向盘幅度的大小；3、根据测量装置可以测出车辆横摆角速度，同时根据已经测量得出的值，计算出质心侧偏角和质心侧偏角速度；4、计算机通过闭环控制的理论，主动进行干预车辆运行状态以限制车辆过多转向或不足转向。5、在车辆的全部行驶速度范围能够起作用(排除车速小于15km/h或者车辆当时正在倒车状态)。

现在比较典型的车身电子稳定系统的结构包括:传统制动系统(真空助力器、管路和制动器)、液压调节器、传感器(四个轮速传感器、横向加速度传感器、纵向加速度传感器、横摆角速度传感器)、车辆稳定性控制电子控制单元ECU和辅助系统(发动机管理系统)。ESP常见的两种通讯：硬线通讯、CAN通讯；一般诊断模块通讯为CAN通讯。

国外对ESP的理论研究较早，研究内容也较为广泛深入。目前全球车辆ESP生产厂家主要有德国博世、德国大陆Teves、美国德尔福、美国天合、日本电装等。国内ESP系统目前还没有相关自主知识产权的产品批量装配，现阶段主要集中于学术研究，而且基本以纯仿真为主，部分进入试验台测试开发阶段，少数进行了初步的实车测试，但是距离产品化实现还有很长的路要走。

ESP产品开发和性能评价最为有效直观的方式是实车道路试验，但是该方式在实际应用之中却受到诸多限制。一方面，由于路面状况、行车负载、行驶条件等因素复杂多变，想对ESP系统的性能有一个相对准确客观的评价，就必须针对不同的工况进行大量的试验，需要有专门的试验场地和试验环境，需要极高的成本和相当长的试验周期；另一方面，实车试验通常在比较极限工况或者高速避障工况下进行，车辆容易出现侧滑和跑偏，存在极大的危险性，处于对驾驶者人身安全的考虑，基本不会通过实车试验来对ESP性能进行评价。

基于上述原因，开发一个ESP硬件在环仿真测试装置就成为一种迫切需求。利用ESP硬件在环试验台可以多次重复在不同工况下对ESP性能评价和分析，大大降低了ESP产品研发的成本和周期，同时避免了实车试验中可能带来的危险。在本发明所提出的车身电子稳定系统实时硬件在环仿真平台中，集成了车身电子稳定系统和电动助力转向系统，工控机通过数据采集卡和CAN通讯卡将各路信号发送到ESP控制器中，通过LabVIEW与CarSim进行联合仿真实时观测车辆的运行姿态和状态参数，对车身电子稳定系统进行调试和性能测试。

技术实现要素：

为解决背景技术中存在的技术问题，本发明提出了一种车身电子稳定系统实时硬件在环仿真平台及仿真方法。

本发明提出的一种车身电子稳定系统实时硬件在环仿真平台，包括：车身电子稳定系统、转向盘、换挡装置、油门踏板、工控机、PXI实时系统；

车身电子稳定系统包括制动踏板、真空助力器、制动主缸、ESP液压单元、ESP控制器、ESP制动执行装置、轮缸压力传感器，制动踏板、真空助力器、制动主缸依次连接，制动主缸与ESP液压单元通过制动管路连接，轮缸压力传感器与ESP制动执行装置连接用于检测ESP制动执行装置的轮缸压力信号，ESP液压单元与ESP制动执行装置通过制动管路连接用于驱动ESP制动执行装置动作，ESP控制器与轮缸压力传感器连接用于从轮缸压力传感器获取轮缸压力信号，并且ESP控制器与ESP液压单元连接；

转向盘上设有转角传感器，油门踏板上设有油门踏板传感器；

PXI实时系统与油门踏板传感器连接用于从油门踏板传感器获取油门踏板位移信号，PXI实时系统与换挡装置连接用于从换挡装置获取档位信号，PXI实时系统与转角传感器连接用于从转角传感器获取转向盘转角信号，PXI实时系统与轮缸压力传感器连接用于从轮缸压力传感器获取轮缸压力信号，工控机上设有仿真系统，所述仿真系统与PXI实时系统连接用于根据PXI实时系统接收的油门踏板位移信号、档位信号、转向盘转角信号、轮缸压力信号生成车速信号、横摆角速度信号、质心侧偏角信号，并将所述生成的车速信号、横摆角速度信号、质心侧偏角信号发送给PXI实时系统；

ESP控制器与PXI实时系统连接从PXI实时系统获取车速信号、横摆角速度信号、质心侧偏角信号，并根据所获取的车速信号、横摆角速度信号、质心侧偏角信号和轮缸压力信号控制ESP液压单元工作。

优选地，还包括EPS转向系统；

EPS转向系统包括转向柱、转矩传感器、蜗轮蜗杆减速机构、EPS助力电机，转向盘安装在转向柱上，转矩传感器、转角传感器、蜗轮蜗杆减速机构均设置在转向柱上，EPS助力电机与蜗轮蜗杆减速机构连接用于驱动蜗轮蜗杆减速机构动作，EPS控制器与转矩传感器连接用于获取转矩信号，EPS控制器与PXI实时系统连接用于获取发动机点火信号和车速信号，EPS控制器还与EPS助力电机连接用于根据所述转矩信号、所述发动机点火信号、所述车速信号控制EPS助力电机的电流大小和方向。

优选地，还包括行星齿轮减速机构、伺服电机、伺服电机控制器；

行星齿轮减速机构与转向柱连接，伺服电机与行星齿轮减速机构连接用于驱动行星齿轮减速机构动作，伺服电机控制器与伺服电机连接；

仿真系统内预设转向阻力信号，伺服电机控制器与仿真系统连接用于根据预设转向阻力信号控制伺服电机工作。

优选地，所述行星齿轮减速机构采用减速比为16的PL120标准型精密行星减速机；

优选地，伺服电机和伺服电机控制器均采用松下公司的产品，伺服电机的型号为MDME302，伺服电机控制器的型号为MFDHTA390。

优选地，PXI实时系统上设有数据采集卡和CAN通讯卡，数据采集卡用于采集油门踏板位移信号、档位信号、轮缸压力信号并输出车速信号、横摆角速度信号、质心侧偏角信号，CAN通讯卡与工控机和ESP控制器通信连接，CAN通讯卡用于实现工控机与ESP控制器之间信号通信；优选地，数据采集卡采用NI公司的数据采集卡PCIe-6323，CAN通讯卡采用NI公司的CAN通讯卡PCI-8512。

优选地，所述仿真系统采用CarSim软件和LabVIEW软件建立联合仿真模型，其中CarSim软件用于建立整车模型，LabVIEW软件用于编写数据处理和显示程序。

本发明还提出了一种基于上述车身电子稳定系统实时硬件在环仿真平台的在环仿真方法，包括下列步骤：

S1、采集辅助对象的工作状态信号；

S2、根据S1中所采集的工作状态信号生成车辆行驶状态模拟信号；

S3、ESP控制器根据S2中生成的车辆行驶模拟信号输出相应的反馈信号。

优选地，所述辅助对象的工作状态信号包括转向盘的转角信号、换挡装置的档位信号、油门踏板的油门踏板位移信号、轮缸的轮缸压力信号。

优选地，所述车辆行驶模拟信号包括车速信号、横摆角速度信号、质心侧偏角信号和轮缸压力信号。

优选地，在S3中，ESP控制器输出相应反馈信号给ESP液压单元，ESP液压单元根据所述反馈信号驱动ESP制动执行装置动作。

本发明中，所提出的车身电子稳定系统实时硬件在环仿真平台以及试验方法，通过ESP控制器使用虚拟的整车模型来模拟真实车辆和行驶路况，并通过工控机和PXI实时系统将ESP工作时各个轮缸的压力信号传递给CarSim，通过动画实时的显示车辆的运动状态，这便于ESP控制器的开发和测试，同时做到了在实验室的环境下达到了实车测试的效果；PXI实时系统保证整个模拟过程中工控机与实验辅助装置的信号实时模拟，大大提高模拟精度，实现虚拟试验场用于实时监测试验过程。

附图说明

图1为本发明提出的一种车身电子稳定系统实时硬件在环仿真平台的结构示意图。

图2为本发明提出的一种车身电子稳定系统实时硬件在环仿真平台的ESP液压单元结构示意图。

图3为本发明提出的一种车身电子稳定系统实时硬件在环仿真平台的信号流程图。

图4为本发明提出的一种车身电子稳定系统实时硬件在环仿真平台的试验一的左前轮轮缸压力测试试验曲线图。

图5为本发明提出的一种车身电子稳定系统实时硬件在环仿真平台的试验一的右前轮轮缸压力测试试验曲线图。

图6为本发明提出的一种车身电子稳定系统实时硬件在环仿真平台的试验一的左后轮轮缸压力测试试验曲线图。

图7为本发明提出的一种车身电子稳定系统实时硬件在环仿真平台的试验一的右后轮轮缸压力测试试验曲线图。

图8为本发明提出的一种车身电子稳定系统实时硬件在环仿真平台的试验二的正弦输入横摆角速度响应曲线。

图9为本发明提出的一种车身电子稳定系统实时硬件在环仿真平台的试验二的正弦输入质心侧偏角响应曲线。

图10为本发明提出的一种车身电子稳定系统实时硬件在环仿真平台的试验三的阶跃输入横摆角速度响应曲线。

图11为本发明提出的一种车身电子稳定系统实时硬件在环仿真平台的试验三的阶跃输入质心侧偏角响应曲线。

具体实施方式

参照图1至3，本发明提出的一种车身电子稳定系统实时硬件在环仿真平台，包括：车身电子稳定系统、转向盘1、换挡装置10、油门踏板11、工控机30、PXI实时系统31；

车身电子稳定系统包括制动踏板13、真空助力器14、制动主缸15、ESP液压单元28、ESP控制器29、ESP制动执行装置、轮缸压力传感器，制动踏板13、真空助力器14、制动主缸15依次连接，制动主缸15与ESP液压单元28通过制动管路连接，轮缸压力传感器与ESP制动执行装置连接用于检测ESP制动执行装置的轮缸压力信号，ESP液压单元28与ESP制动执行装置通过制动管路连接用于驱动ESP制动执行装置动作，ESP控制器29与轮缸压力传感器连接用于从轮缸压力传感器获取轮缸压力信号，并且ESP控制器29与ESP液压单元28连接；

转向盘1上设有转角传感器2，油门踏板11上设有油门踏板传感器12；

PXI实时系统31与油门踏板传感器12连接用于从油门踏板传感器12获取油门踏板位移信号，PXI实时系统31与换挡装置10连接用于从换挡装置11获取档位信号，PXI实时系统31与转角传感器2连接用于从转角传感器2获取转向盘转角信号，PXI实时系统31与轮缸压力传感器连接用于从轮缸压力传感器获取轮缸压力信号，工控机30上设有仿真系统，所述仿真系统与PXI实时系统31连接用于根据PXI实时系统31接收的油门踏板位移信号、档位信号、转向盘转角信号、轮缸压力信号生成车速信号、横摆角速度信号、质心侧偏角信号，并将所述生成的车速信号、横摆角速度信号、质心侧偏角信号发送给PXI实时系统31；

ESP控制器29与PXI实时系统31连接从PXI实时系统31获取车速信号、横摆角速度信号、质心侧偏角信号，并根据所获取的车速信号、横摆角速度信号、质心侧偏角信号和轮缸压力信号控制ESP液压单元28工作。

在本实施例中，所提出的车身电子稳定系统实时硬件在环仿真平台，通过ESP控制器使用虚拟的整车模型来模拟真实车辆和行驶路况，并通过工控机和PXI实时系统将ESP工作时各个轮缸的压力信号传递给CarSim，通过动画实时的显示车辆的运动状态，这便于ESP控制器的开发和测试，同时做到了在实验室的环境下达到了实车测试的效果；PXI实时系统保证整个模拟过程中工控机与实验辅助装置的信号实时模拟，大大提高模拟精度，实现虚拟试验场用于实时监测试验过程。

本实施例的车身电子稳定系统实时硬件在环仿真平台的具体使用过程中，操作人员通过转向盘、油门踏板、换挡装置模拟车辆驾驶，从而输出车辆行驶所需的模拟信号，所述模拟信号包括油门踏板位移信号、档位信号、转向盘转角信号，工控机上的CarSim与LabVIEW联合仿真模型通过PXI实时系统获取上述模拟信号，模拟车辆行驶工况并生成车辆的行驶状态参数信号，所述车辆的行驶状态参数信号包括车速信号、横摆角速度信号、质心侧偏角信号，ESP控制器根据上述车辆行驶状态参数信号和转向盘转角信号实时判断车辆的行驶状态，并控制ESP液压单元工作，同时反馈各轮缸的压力信号给CarSim与LabVIEW联合仿真模型形成闭环控制，保证车辆行驶的稳定性。

在车身电子稳定系统的具体工作过程中，ESP制动执行装置包括制动钳和制动盘，在ESP液压单元的具体设计中，腔室与进液孔的对应关系、出液孔与轮缸压力传感器的对应关系以及轮缸压力传感器与制动钳的对应关系均与实际车辆上相同。具体地，所述ESP液压单元包括两个进液孔、四个出液孔、十二个电磁阀和两个回油泵55，四个出液孔分别通过制动管路与所述左前轮轮缸压力传感器16、所述右前轮轮缸压力传感器19、所述左后轮轮缸压力传感器22和所述右后轮轮缸压力传感器25连接，所述左前轮轮缸压力传感器16通过制动管路与所述左前轮制动钳17连接，右前轮轮缸压力传感器19通过制动管路与右前轮制动钳20连接，左后轮轮缸压力传感器22通过制动管路与左后轮制动钳23连接连接，右后轮轮缸压力传感器25通过制动管路与右后轮制动钳26连接，所述左前轮轮缸压力传感器16、右前轮轮缸压力传感器19、左后轮轮缸压力传感器22和右后轮轮缸压力传感器25分别实时测量所述左前轮制动钳17、右前轮制动钳20、左后轮制动钳23和右后轮制动钳26的轮缸压力电压模拟信号，并将采集到的轮缸压力电压模拟信号发送给工控机和ESP控制器29，从而得到实际轮缸压力并将实际轮缸压力输入工控机上的CarSim和LabVIEW联合仿真模型，实现对车辆进行实时控制，十二个电磁阀包括两个常开阀51、两个常闭阀52、四个进液阀53和四个出液阀54，工作时通过电磁阀来控制进液孔和出液孔的通断，两个常开阀和两个常闭阀控制ESP液压单元28的两个进液孔，四个进液阀和四个出液阀控制ESP液压单元28的四个出液孔；

在ESP系统工作时，所述ESP控制器29根据所采集的转向盘转角信号、车速信号、横摆角速度信号以及质心侧偏角信号实时判断车辆的行驶状态，若车辆左转且发生过度转向时，ESP控制器给控制右前轮轮缸压力的常闭阀通电，打开所述制动主缸15与回油泵的油路，并驱动回油泵工作，与此同时，关闭非主动制动轮缸上的进液阀，于是回油泵泵出的制动液只能够进入右前轮的轮缸，从而实现对右前轮的制动。

在其他具体实施方式中，还包括EPS转向系统；

EPS转向系统包括转向柱、转矩传感器3、蜗轮蜗杆减速机构4、EPS助力电机5，转向盘1安装在转向柱上，转矩传感器3、转角传感器2、蜗轮蜗杆减速机构4均设置在转向柱上，EPS助力电机5与蜗轮蜗杆减速机构4连接用于驱动蜗轮蜗杆减速机构4动作以给驾驶员提供助力，EPS控制器6与转矩传感器3连接用于获取转矩信号，EPS控制器6与PXI实时系统31连接用于获取发动机点火信号和车速信号，EPS控制器6还与EPS助力电机5连接用于根据所述转矩信号、所述发动机点火信号、所述车速信号控制EPS助力电机5的电流大小和方向；EPS助力电机5为恒隆的有刷电机，型号为R58-3434870；

在获取制动信号的一种具体实施方式中，所述车身电子稳定系统实时硬件在环仿真平台还包括真空助力器14和制动主缸15，真空助力器14一端与所述制动踏板13通过铰链连接且另一端与制动主缸15连接，制动主缸15与ESP液压单元28连接。

在另一具体实施方式中，为了提高仿真效果，所述车身电子稳定系统实时硬件在环仿真平台还包括行星齿轮减速机构7、伺服电机8、伺服电机控制器9；行星齿轮减速机构7与转向柱的下端连接，伺服电机8与行星齿轮减速机构7连接用于驱动行星齿轮减速机构7动作以模拟转向阻力矩，伺服电机控制器9与伺服电机8连接，伺服电机控制器9还与工控机30连接用于控制参数的写入；仿真系统内预设转向阻力信号，伺服电机控制器9与仿真系统连接用于根据预设转向阻力信号控制伺服电机8工作。

在EPS转向系统的具体工作过程中，EPS控制器通过PXI实时系统从工控机获取车速信号并且从转矩传感器3获取转矩信号，EPS控制器根据上述信号计算EPS助力电机5需要的目标电流大小和方向，并控制EPS助力电机5产生助力经蜗轮蜗杆减速机构4反馈给驾驶员。

在具体应用过程中，所述行星齿轮减速机构7采用减速比为16的PL120标准型精密行星减速机，伺服电机8和伺服电机控制器9均采用松下公司的产品，伺服电机8的型号为MDME302，伺服电机控制器9的型号为MFDHTA390。

在PXI实时系统的具体数据传输中，PXI实时系统31上设有数据采集卡和CAN通讯卡，数据采集卡用于采集油门信号、转向盘转角信号、变速信号、轮缸压力信号并输出横摆角速度信号、质心侧偏角信号、车速信号，CAN通讯卡与工控机30和ESP控制器29通信连接，CAN通讯卡用于实现工控机30与ESP控制器29之间信号通信；优选地，数据采集卡采用NI公司的数据采集卡PCIe-6323，CAN通讯卡采用NI公司的CAN通讯卡PCI-8512。

在其他具体实施方式中，所述仿真系统采用CarSim软件和LabVIEW软件建立联合仿真模型，其中CarSim软件用于建立整车模型，LabVIEW软件用于编写数据处理和显示程序。

本实施例还提出一种基于上述车身电子稳定系统实时硬件在环仿真平台的在环仿真方法，包括下列步骤：

S1、采集辅助对象的工作状态信号；

S2、根据S1中所采集的工作状态信号生成车辆行驶模拟信号；

S3、ESP控制器29根据S2中生成的车辆行驶模拟信号输出相应的反馈信号。

在具体实施方式中，所述辅助对象的工作状态信号包括转向盘1的转角信号、换挡装置10的变速信号、油门踏板11的油门信号、轮缸的轮缸压力信号；优选地，所述车辆行驶模拟信号包括车速信号、横摆角速度信号、质心侧偏角信号和轮缸压力信号。

在其他具体实施方式中，在S3中，ESP控制器29输出相应反馈信号给ESP液压单元28，ESP液压单元28根据所述反馈信号驱动ESP制动执行装置动作。

下面通过上述车身电子稳定系统实时硬件在环仿真平台的三个试验进一步详细说明车身电子稳定系统实时硬件在环仿真平台。

试验一：轮缸压力测试试验，用于检测电磁阀、泵电机以及轮缸压力传感器的工作好坏。

具体测试过程如下：打开ESP控制器，启动ESP液压单元的电磁阀和电机，分别对各个轮缸的压力进行测试，工控机直接通过PXI实时系统获取轮缸压力传感器的轮缸压力信号，并在LabVIEW中显示各个轮缸的压力大小。图4-7为一种轮缸压力测试试验的测试结果。

试验二：正弦输入试验，用于模拟车辆的紧急变道试验。

具体测试过程如下：硬件在环试验包括两部分：ESP控制器29不工作时，在CarSim中设置路面附着系数0.4，试验人员通过操作变速换挡装置10和油门踏板11使车速达到80km/h，并将车速信号发送给CarSim整车模型，随后实验人员以正弦输入转动转向盘，使前轮转角幅值为0.1rad，并在LabVIEW中绘制出横摆角速度和质心侧偏角的响应曲线；ESP控制器29工作时，与上述试验工况相同，此时需要将车速信号、转向盘转角信号、四路轮缸压力信号分别发送给CarSim整车模型和ESP控制器29，同时CarSim整车模型将实际横摆角速度和质心侧偏角发送给ESP控制器29，ESP控制器29根据编写好的控制算法对相应的制动管路进行控制，通过数据采集卡将轮缸压力信号发送给CarSim整车模型实现闭环控制，并在LabVIEW中绘制出横摆角速度和质心侧偏角的响应曲线。图8和9为一种正弦输入试验的测试结果。

试验三：阶跃输入试验，用于模拟车辆在行驶过程中突然转弯和短时间的圆周行驶。

具体测试过程如下：硬件在环试验包括两部分：ESP控制器29不工作时，在CarSim中设置路面附着系数0.4，试验人员通过操作变速换挡装置10和油门踏板11使车速达到80km/h，并将车速信号发送给CarSim整车模型，随后试验人员迅速将转向盘1转至某一角度，使前轮转角维持在为0.1rad，并在LabVIEW中绘制出横摆角速度和质心侧偏角的响应曲线；ESP控制器29工作时，与上述试验工况相同，此时需要将车速信号、转向盘转角信号、四路轮缸压力信号分别发送给CarSim整车模型和ESP控制器29，同时CarSim整车模型将实际横摆角速度和质心侧偏角发送给ESP控制器29，ESP控制器29根据编写好的控制算法对相应的制动管路进行控制，通过数据采集卡将轮缸压力信号发送给CarSim整车模型实现闭环控制，并在LabVIEW中绘制出横摆角速度和质心侧偏角的响应曲线。图10和图11为一种阶跃输入试验的测试结果。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。