CN107145139B - 电动汽车整车分层控制系统硬件在环测试平台及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动汽车整车分层控制系统硬件在环测试平台及测试方法，其中，硬件在环测试平台包括台架基体、驾驶环境模拟系统、路感反馈系统、上位机、目标机、数据采集卡以及待测整车分层控制系统；具体测试方法如下：1）建立整车模型、路面模型以及待测整车分层控制系统模型，2）形成待测整车分层控制系统；3）建立路感反馈控制模型；4）将整车模型写入到目标机中；5）输入控制信号；6）对整车模型输入转向、加速、制动参数；7）输出整车模型模拟的传感器信号；8）输出实时模拟动画；9）对待测整车分层控制系统进行评价及修改。本发明能够对驾驶环境、整车模型进行仿真，实现对“人‑车‑路”闭环控制系统进行硬件在环测试。

Description

电动汽车整车分层控制系统硬件在环测试平台及测试方法

技术领域

本发明涉及电动汽车控制技术领域，尤其涉及一种电动汽车整车分层控制系统硬件在环测试平台及测试方法。

背景技术

随着电动汽车研发的深入，对电动汽车开发过程中的验证需求越来越大，尤其是对电动车控制器的验证需求，电动车的驱动稳定性控制、制动防抱死控制、驱动防滑控制、智能辅助驾驶技术等都基于控制器实现，而现阶段关于控制器测试的研究，大部分是用仿真建模的方法或者实车验证的方法进行测试，采用模拟仿真的测试方法与实际应用情况存在较大差别，而实车验证需要大型的试验场地以及完备的试验整车，因而提高了测试成本，并且由于测试控制器的不成熟存在一定的风险性，因此需要提出一种能够在低成本条件下进行较为接近实际应用情况的测试方法。

随着计算机仿真技术的发展，汽车行业形成了较为成熟的整车开发流程，硬件在环测试是开发流程中不可或缺的一部分，硬件在环测试涵盖了快速控制原型、自动代码生成等技术，是应用前景较广阔的测试技术，其特点在于部分硬件采用实物，而车辆其他部件采用实时仿真模型的方法。与开发试验样车相比，节约了成本，提高了效率。目前硬件在环仿真分为大型硬件在环测试平台、中型硬件在环测试平台、小型硬件在环测试平台，大型硬件在环测试平台体积庞大，用整车作为控制对象，用完全封闭的空间及360°环形屏幕模拟汽车行驶环境，这样的平台存在体积大、成本高等缺点；中型硬件在环测试平台采用整车作为控制对象，用半封闭的空间仿真汽车行驶环境，该实验平台仍存在成本高的问题；小型硬件在环测试平台只采用部分汽车部件搭建硬件部分，该类试验平台具有成本低、效率高等优点，但有部分台架采用负载电机、测功机等来模拟汽车驱动工况，存在高压电危险，还有部分小型硬件在环仿真平台受限于硬件，存在只能对较少种类的硬件进行在环仿真，对环境仿真效果弱，不能将驾驶员的主观驾驶意图纳入到测试过程中，应用范围窄等缺点。

线控电动汽车与传统电动汽车不同，采用全线控、四轮电机独立驱动的方式，取消了离合器、变速器、传动轴、差速器等传动系统，四轮转矩独立控制并分别设计有电机驱动控制器，采用电磁制动方式及电控转向，由于该类型电动车采用大量线控，因此整车控制方法非常复杂，传统的集成式控制器由于存在控制耦合已不能满足控制需求，因此需要设计分层控制器，对于分层控制器的验证，需要提出新型的硬件在环测试平台。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种电动汽车整车分层控制系统硬件在环测试平台及测试方法，能够在低成本的前提下对驾驶环境、整车模型进行仿真，对“人-车-路”闭环、控制器进行硬件在环测试；能够对不同类型的电动汽车整车分层控制器进行硬件在环仿真，应用范围更广。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是这样的：一种电动汽车整车分层控制系统硬件在环测试平台，包括台架基体、驾驶环境模拟系统、路感反馈系统、上位机、目标机、数据采集卡以及待测整车分层控制系统；其特征在于：

所述台架基体包括底座，在底座上设有一底架，在底架的前端设有一支撑台板，在底架的后端设有座椅；

所述驾驶环境模拟系统包括转向盘、制动踏板、加速踏板、实时动画显示器以及音箱；所述转向盘与一转向管柱相连，在支撑台板上设有一转向盘支架，所述转向盘支架的上侧面为一斜面，所述转向管柱通过一高度调节支架安装于转向盘支架的斜面的上部；所述制动踏板和加速踏板安装于底架上，并位于支撑台板下方，在制动踏板和加速踏板对应安装有制动踏板位移传感器和加速踏板位移传感器；在支撑台板上方安装有一显示器支架，所述实时动画显示器竖直设置并与显示器支架中部相连，所述音箱也安装于该显示器支架上；在显示器支架的上部设有一交互显示器，该交互显示器朝座椅方向倾斜；

所述路感反馈系统包括转向轴、行程限位开关、磁粉制动器、减速机构、力矩电机、路感反馈控制器；所述转向轴的一端通过一万向节与转向管柱相连，在转向轴上设有转向盘转矩传感器和转向盘转角传感器；所述力矩电机和减速电机安装于转向盘支架的斜面的下部，且力矩电机与减速电机相连，该减速电机经磁粉制动器后与转向轴的另一端相连；在转向轴上还设有一行程限位开关，该行程限位开关与转向盘支架的斜面的下部固定连接；所述路感反馈控制器同时与力矩电机和磁粉制动器相连；

所述实时动画显示器、交互显示器、音箱以及目标机均与上位机相连；所述制动踏板位移传感器、加速踏板位移传感器、转向盘转矩传感器以及转向盘转角传感器经数据采集卡采集后与目标机相连，同时，转向盘转矩传感器和转向盘转角传感器还与路感反馈控制器相连，该路感反馈控制器与目标机相连；所述待测整车分层控制系统通过CAN总线与目标机相连。

进一步地，在底座的前部还设有一外罩。

进一步地，所述磁粉制动器包括壳体、定子摩擦盘以及转子摩擦盘，其中，壳体及定子摩擦盘与转向轴空套，转子摩擦盘与转向轴同步转动连接。

一种电动汽车整车分层控制系统硬件在环测试方法，其特征在于：包括如下步骤：

1）在上位机中建立整车模型及路面模型，同时，建立待测整车分层控制系统模型，其中，整车模型包括轮胎模型、车身模型、轮毂电机模型、电磁制动器模型、悬架模型、电控转向系模型；所述待测整车分层控制系统模型包括整车动力学协调控制模型、转矩分配控制模型、路面识别模型、电磁制动控制模型、电控转向控制模型、驱动电机控制模型；对建立的模型进行离线仿真，然后评估该离线仿真结果是否符合控制要求，若不符合控制要求，则对控制模型进行调整；

2）将第1）步中建立的整车动力学协调控制模型、转矩分配控制模型、路面识别模型、电磁制动控制模型、电控转向控制模型、驱动电机控制模型分别写入到整车动力学协调控制器、转矩分配控制器、路面识别器、电磁制动控制器、电控转向控制器、驱动电机控制器中，形成待测整车分层控制系统；其中，所述路面识别器、转矩分配控制器、电磁制动控制器、电控转向控制器分别与整车动力学协调控制器连接，驱动电机控制器为四个，并同时与转矩分配控制器连接；

3）建立路感反馈控制模型，并将该路感反馈控制模型写入到路感反馈控制器中，在驾驶仿真过程中提供转向阻力力矩及回正力矩；

4）将整车模型写入到目标机中；

5）驾驶员通过操作加速踏板、制动踏板、转向盘输入控制信号；

6）加速踏板位移传感器、制动踏板位移传感器、转向盘转交传感器以及转向盘转矩传感器采集的信号经数据采集卡A/D转换后传入目标机中，实现对目标机中整车模型的转向、加速、制动参数输入；

7）目标机输出整车模型模拟的传感器信号，并输入到待测整车分层控制系统中；待测整车分层控制系统根据该传感器信号，通过整车动力学协调控制器控制路面识别器、转矩分配控制器、电磁制动控制器、电控转向控制器以及驱动电机控制器协同工作；

8）上位机根据目标机中整车模型的运行情况输出实时模拟动画，使得测试人员对仿真结果有直观、实时的了解；

9）测试人员根据实时动画显示的结果对待测整车分层控制系统进行评价及修改。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1）造价低廉，不需要大型的实车测试场地，占用资源少，针对冰雪路面等特定的路面条件，不受时间地点的限制，开展试验方便。

2）路感反馈控制器可以重复使用，不需要重新编程及编译。

3）通过驾驶环境模拟装置，将驾驶员的意图输入到系统中，测试过程中将驾驶员的主观感受加入了闭环仿真中，实现了“人-车-路”同步闭环控制。

4）由于具有驾驶环境仿真装置，可以将更多的图像、声音信息反馈给测试人员，测试时更接近实车应用情况。

5）通过路感反馈控制器，测试人员将获得更为准确的驾驶体验。

6）测试平台受到硬件的限制小，可以根据不同的测试车型建立不同的仿真模型，达到对其控制器测试的目的。

7）可用于分层控制器的验证。

附图说明

图1为本发明的硬件结构图。

图2为本发明中路感反馈装置的结构图。

图3本发明中待测整车分层控制系统的原理框图。

图4为本发明的软硬件连接框图。

1—底座，2—底架，3—支撑台板，4—座椅，51—转向盘，52—制动踏板，53—加速踏板，54—实时动画显示器，55—音箱，56—转向管柱，57—显示器支架，58—交互显示器，61—转向轴，62—行程限位开关，63—磁粉制动器，64—减速机构，65—力矩电机，66—路感反馈控制器，67—转向盘转矩传感器，68—转向盘转角传感器，7—转向盘支架，8—上位机，9—目标机，10—外罩。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

实施例：参见图1至图4，一种电动汽车控制器硬件在环测试平台，包括台架基体、驾驶环境模拟系统、路感反馈系统、上位机8（电脑主机）、目标机9（MicroAutoBox）、数据采集卡以及待测整车分层控制系统。

所述台架基体包括底座1，在底座1上设有一底架2，在底架2的前端设有一支撑台板3，在底架2的后端设有座椅4；具体实施时，座椅4通过座椅调节导轨与底架2连接，可以通过调节座椅调节导轨调整驾驶员坐姿。在底座1的前部还设有一外罩10，从而减少外界对试验过程的影响。

所述驾驶环境模拟系统包括转向盘51、制动踏板52、加速踏板53、实时动画显示器54以及音箱55；所述转向盘51与一转向管柱56相连，在支撑台板3上设有一转向盘支架7，所述转向盘支架7的上侧面为一斜面，所述转向管柱56通过一高度调节支架安装于转向盘支架7的斜面的上部。所述制动踏板52和加速踏板53安装于底架2上，并位于支撑台板3下方，在制动踏板52和加速踏板53对应安装有制动踏板52位移传感器和加速踏板53位移传感器。在支撑台板3上方安装有一显示器支架57，所述实时动画显示器54竖直设置并与显示器支架57中部相连，所述音箱55也安装于该显示器支架57上；在显示器支架57的上部设有一交互显示器58，该交互显示器58朝座椅4方向倾斜。

所述路感反馈系统包括转向轴61、行程限位开关62、磁粉制动器63、减速机构64、力矩电机65、路感反馈控制器66。所述转向轴61的一端通过一万向节与转向管柱56相连，在转向轴61上设有转向盘转矩传感器67和转向盘转角传感器68；所述力矩电机65和减速电机安装于转向盘支架7的斜面的下部，且力矩电机65与减速电机相连，该减速电机经磁粉制动器63后与转向轴61的另一端相连。所述磁粉制动器63包括壳体、定子摩擦盘以及转子摩擦盘，其中，壳体及定子摩擦盘与转向轴61空套，转子摩擦盘与转向轴61同步转动连接。在转向轴61上还设有一行程限位开关62，该行程限位开关62与转向盘支架7的斜面的下部固定连接；所述路感反馈控制器66同时与力矩电机65和磁粉制动器63相连，以控制磁粉制动器63及力矩电机65工作。

所述实时动画显示器54、交互显示器58、音箱55以及目标机9均与上位机8相连；所述制动踏板52位移传感器、加速踏板53位移传感器、转向盘转矩传感器67以及转向盘转角传感器68经数据采集卡采集后与目标机9相连，同时，转向盘转矩传感器67和转向盘转角传感器68还与路感反馈控制器66相连，该路感反馈控制器66与目标机9相连；所述待测整车分层控制系统通过CAN总线与目标机9相连。

所述待测整车分层控制系统包括整车动力学协调控制器、转矩分配控制器、路面识别器、电控转向控制器、电磁制动控制器、驱动电机控制器，其中，转矩分配控制器、路面识别器、电控转向控制器、电磁制动控制器分别与整车动力学协调控制器相连，四个驱动电机控制器与转矩协调控制器相连。整车动力学协调控制器协调驱动、制动、转向的协同工作，驱动方面，路面识别器识别当前路面状况，为驱动控制提供依据，驱动防滑控制、直接横摆力矩控制为转矩分配控制器设定边界条件，统筹考虑动力性要求，制定转矩分配方法，各轮转矩通过驱动电机控制器单独控制，电控转向控制器控制电控转向系统，电磁制动控制器控制四轮的电磁制动。

使用本测试平台进行测试过程中，驾驶员通过操作转向盘51、制动踏板52、加速踏板53对测试平台输入驾驶员驾驶意图。上位机8中利用Carsim与Matlab/Simulink搭建的整车仿真模型与目标机9MicroAutoBox通讯，在目标机9MicroAutoBox中进行编译生成模型实时代码，并在目标机9中运行，通过Real Time Interface软件定义I/O端口，实现待测整车分层控制系统与仿真实时模型之间的通讯及实时代码下载。加速踏板53位移传感器采集驾驶员对加速踏板53施加的力，产生一个电信号，制动踏板52位移传感器采集驾驶员对制动踏板52施加的力，产生一个电信号，通过数据采集卡的A/D转换，传入到目标机9MicroAutoBox中的实时模型中，实时仿真模型根据输入的驾驶员加速、制动意图输出相应的参数，经目标机9MicroAutoBox对整车模型输出量进行编译生成实时代码，通过CAN总线输出参数到待测整车分层控制系统，待测整车分层控制系统根据输入值输出控制命令，再通过CAN总线输入到目标机9MicroAutoBox，形成一个闭环。

转向盘转角传感器68与转向盘51力矩传感器获得驾驶员转向意图，将产生的电信号传递到路感反馈控制器66，经A/D转换，路感反馈控制器66判断驾驶员转向意图，转向盘51转向时，路感反馈控制器66控制磁粉制动器63产生转向阻力矩，转向盘51回正时，路感反馈控制器66控制力矩电机65产生回正力矩。在实车上，转向盘51转角是有限制的，因此设定转向盘51左右转角限值，当转向盘51转角达到限值时触发行程限位开关62，通过磁粉制动器63制动锁死转向轴61，转向盘51力矩传感器检测转向盘51输入力矩，当力矩反向时，磁粉制动器63松开转向轴61。

一种电动汽车整车分层控制系统硬件在环测试方法，包括如下步骤：

1）在上位机中建立整车模型及路面模型，同时，建立待测整车分层控制系统模型，其中，整车模型包括轮胎模型、车身模型、轮毂电机模型、电磁制动器模型、悬架模型、电控转向系模型；所述待测整车分层控制系统模型包括整车动力学协调控制模型、转矩分配控制模型、路面识别模型、电磁制动控制模型、电控转向控制模型、驱动电机控制模型；对建立的模型进行离线仿真，然后评估该离线仿真结果是否符合控制要求，若不符合控制要求，则对控制模型进行调整，直至符合控制要求。

2）将第1）步中建立的整车动力学协调控制模型、转矩分配控制模型、路面识别模型、电磁制动控制模型、电控转向控制模型、驱动电机控制模型分别写入到整车动力学协调控制器、转矩分配控制器、路面识别器、电磁制动控制器、电控转向控制器、驱动电机控制器中，形成待测整车分层控制系统；其中，所述路面识别器、转矩分配控制器、电磁制动控制器、电控转向控制器分别与整车动力学协调控制器连接，驱动电机控制器为四个，并同时与转矩分配控制器连接。

3）建立路感反馈控制模型，并将该路感反馈控制模型写入到路感反馈控制器中，在驾驶仿真过程中提供转向阻力力矩及回正力矩。

4）将整车模型写入到目标机中。

5）驾驶员通过操作加速踏板、制动踏板、转向盘输入控制信号。

6）加速踏板位移传感器、制动踏板位移传感器、转向盘转交传感器以及转向盘转矩传感器采集的信号经数据采集卡A/D转换后传入目标机中，实现对目标机中整车模型的转向、加速、制动参数输入。

7）目标机输出整车模型模拟的传感器信号，并输入到待测整车分层控制系统中；待测整车分层控制系统根据该传感器信号，通过整车动力学协调控制器控制路面识别器、转矩分配控制器、电磁制动控制器、电控转向控制器以及驱动电机控制器协同工作。

8）上位机根据目标机中整车模型的运行情况输出实时模拟动画，使得测试人员对仿真结果有直观、实时的了解。

9）测试人员根据实时动画显示的结果对待测整车分层控制系统进行评价及修改。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.一种电动汽车整车分层控制系统硬件在环测试方法，其特征在于：包括如下步骤：

1）在上位机中建立整车模型及路面模型，同时，建立待测整车分层控制系统模型，其中，整车模型包括轮胎模型、车身模型、轮毂电机模型、电磁制动器模型、悬架模型、电控转向模型；所述待测整车分层控制系统模型包括整车动力学协调控制模型、转矩分配控制模型、路面识别模型、电磁制动控制模型、电控转向控制模型、驱动电机控制模型；对建立的模型进行离线仿真，然后评估该离线仿真的结果是否符合控制要求，若不符合控制要求，则对待测整车分层控制系统模型进行调整；

2）将第1）步中建立的整车动力学协调控制模型、转矩分配控制模型、路面识别模型、电磁制动控制模型、电控转向控制模型、驱动电机控制模型分别写入到整车动力学协调控制器、转矩分配控制器、路面识别器、电磁制动控制器、电控转向控制器、驱动电机控制器中，形成待测整车分层控制系统；其中，所述路面识别器、转矩分配控制器、电磁制动控制器、电控转向控制器分别与整车动力学协调控制器连接，驱动电机控制器为四个，并同时与转矩分配控制器连接；

3）建立路感反馈控制模型，并将该路感反馈控制模型写入到路感反馈控制器中，在驾驶仿真过程中提供转向阻力力矩及回正力矩；

4）将整车模型写入到目标机中；

5）驾驶员通过操作加速踏板、制动踏板、转向盘输入控制信号；

6）加速踏板位移传感器、制动踏板位移传感器、转向盘转角传感器以及转向盘转矩传感器采集的信号经数据采集卡A/D转换后传入目标机中，实现对目标机中整车模型的转向、加速、制动参数输入；

7）目标机输出整车模型模拟的传感器信号，并输入到待测整车分层控制系统中；待测整车分层控制系统根据该传感器信号，通过整车动力学协调控制器控制路面识别器、转矩分配控制器、电磁制动控制器、电控转向控制器以及驱动电机控制器协同工作；

8）上位机根据目标机中整车模型的运行情况输出实时模拟动画；

9）测试人员根据实时模拟动画显示的结果对待测整车分层控制系统进行评价及修改。