CN110412973A - 一种基于虚拟仪器的台架试验电动汽车驾驶机器人系统 - Google Patents

一种基于虚拟仪器的台架试验电动汽车驾驶机器人系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于虚拟仪器的台架试验电动汽车驾驶机器人系统，系统由上位机电脑、NI CompactRIO Real‑Time控制器、NI CompactRIO FPGA机箱、NI CAN总线控制器、NI模拟电压输出模块、NI数字信号输出模块、NI模拟电压输入模块、NI数字信号输入模块、NI热电偶信号输入模块、USB存储器、SD卡、指示灯、TPMS接收机、TPMS传感器、钳式电流表、电压探头、急停开关、热电偶、12V锂电池组成。本发明采用虚拟仪器NI CompactRIO发出电信号，替代原有机械式加速踏板、制动踏板和换挡器，同时具有驾驶控制、辅助数据采集、安全监测和管理功能。

Description

一种基于虚拟仪器的台架试验电动汽车驾驶机器人系统
技术领域
本发明属于车辆自动驾驶技术领域，特别涉及一种基于虚拟仪器的台架试验电动汽车驾驶机器人系统。
背景技术
电动汽车台架性能试验是电动汽车研发的重要环节。通过在环境仓底盘测功机上按照给定的工况曲线驾驶电动汽车，同时测试整车各项性能参数，实现对整车和零部件性能的评估测试，为电动汽车技术升级提供宝贵数据资料。这种电动汽车台架试验通常周期长、劳动强度大，采用驾驶机器人系统替代驾驶员试验，具有准确性高、重复性好、试验效率高的优势，但传统的电动汽车驾驶机器人存在以下问题：
(1)传统驾驶机器人方案采用机械式执行机构，设计、安装和使用复杂。
(2)传统驾驶机器人的控制器设计采用定制开发方式，不利于功能扩展和产品升级。
(3)传统驾驶机器人预留测试接口较少，进行性能试验数据分析时往往需要另外配备数据采集器。
(4)采用驾驶机器人试验，没有员工在现场监控试验环境，具有安全隐患。
(5)必须连接上位机电脑才能观测下位机运行状态，不利于系统调试。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于虚拟仪器的台架试验电动汽车驾驶机器人系统，电信号控制，安装方便、操作简单；基于模块化工业级虚拟仪器，扩展性好，便于功能升级；多种辅助数据采集功能方便数据分析；安全监测和管理功能提高试验安全性；便于系统状态监测和离线调试。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供一种基于虚拟仪器的台架试验电动汽车驾驶机器人系统，包括上位机电脑、NI CompactRIO Real-Time控制器、NI CompactRIOFPGA机箱、NI CAN总线控制器、NI模拟电压输出模块、NI数字信号输出模块、NI模拟电压输入模块、NI数字信号输入模块、NI热电偶信号输入模块、TPMS(Tire Pressure MonitorSystem，胎压检测系统)接收机、TPMS传感器、钳式电流表、电压探头、急停开关、热电偶、12V锂电池；
所述NI CompactRIO Real-Time控制器通过网口TCP分别与上位机电脑和底盘测功机相连；所述NI CompactRIO Real-Time控制器的RS232串口与TPMS接收机相连，采集轮胎压力和温度信息，并根据设定的轮胎压力温度阈值执行安全警报和急停操作；所述NICompactRIO Real-Time控制器与12V锂电池连接；
所述NI CompactRIO Real-Time控制器一端与NI CompactRIO FPGA机箱一端连接，所述NI CompactRIO FPGA机箱另一端分别与NI CAN总线控制器、NI模拟电压输出模块、NI数字信号输出模块、NI模拟电压输入模块、NI数字信号输入模块、NI热电偶信号输入模块连接；所述NI CAN总线控制器的CAN接口连接到整车ECU的OBD车载诊断接口，采集整车ECU的CAN总线数据；所述NI模拟电压输出模块的其中2个通道与电动汽车的加速控制端口相连，替代原有机械加速踏板，控制电动汽车执行加速动作；所述NI模拟电压输出模块的另外2个通道与电动汽车的制动控制端口相连，替代原有机械制动踏板，控制电动汽车执行制动动作；所述NI数字信号输出模块的其中4个通道连接到挡位控制端口，替代原有机械挡位控制器，控制电动汽车执行换挡操作；所述NI模拟电压输入模块通过软件定义为电器件电流采集通道和电器件电压采集通道，分别连接到钳式电流表输出端和电压探头输出端；所述NI数字信号输入模块的其中1个通道连接到急停开关电路，当检测到急停开关拍下时进行急停操作；所述NI热电偶信号输入模块通过热电偶传感器测试电动汽车各部件和环境测点的温度信息，并根据设定的温度阈值执行安全警报和急停操作。
进一步的，所述NI模拟电压输入模块其中1个通道连接到底盘测功机模拟车速端口，采集模拟车速。
进一步的，所述NI数字信号输入模块其中1个通道连接到底盘测功机脉冲车速输出端口，采集脉冲车速。
进一步的，还包括USB存储器、SD卡、指示灯，所述NI CompactRIO Real-Time控制器分别与USB存储器、SD卡、指示灯连接，所述NI CompactRIO Real-Time控制器的SD卡和USB存储器中存储下位机工作状态信息和故障信息；所述NI CompactRIO Real-Time控制器的2个用户指示灯分别指示下位机与上位机电脑和底盘测功机的通信状态。
进一步的，所述NI模拟电压输入模块还同时虚拟定义电器件功率和电器件能耗通道，根据以下公式实时计算电器件消耗功率和累计能耗：
式中，U为电器件供电电压，Xu为电压探头输出的电压值，au为电压探头放大系数，bu为电压探头偏置，I为电器件电流，Xi为钳式电流表输出的电压值，ai为钳式电流表放大系数，bi为钳式电流表偏置，P为电器件功率，W为电器件累计能耗。
本发明采用上位机控制、RT控制、FPGA控制3层控制架构，各数据通过FPGA时间计数实现数据同步；其中FPGA控制在NI CompactRIO FPGA机箱中实现，包括ECU采集、电流信号采集、电压信号采集、模拟车速采集、脉冲车速采集、温度采集、急停信号采集、生成时间计数、输出加速控制信号、输出制动控制信号、输出挡位控制信号；RT控制在NI CompactRIOReal-Time控制器中实现，包括TPMS数据采集、底盘测功机采集/控制、数据解析/打包、数据发送、下位机系统运行状态分析、写入USB存储器/SD卡、指示灯指示、接收指令、急停/行驶控制；上位机控制在上位机电脑中实现，包括数据接收、数据解析、系统运行状态检测、PID闭环控制、系统运行状态分析、输出指令、数据记录、数据显示、系统运行状态显示、参数设置、人机交互控制。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明采用美国NI公司的模块化虚拟仪器CompactRIO，通过输出电信号，替代原有机械式执行器，实现自动行驶控制；同时，系统采集车速、ECU CAN、电器件电压、电流、功率、能耗、温度、轮胎压力温度等多种数据，实现辅助数据测试功能；此外，设计了多种自动和手动方式的安全监测管理功能。其优势为，电信号控制，安装方便、操作简单；基于模块化工业级虚拟仪器，扩展性好，便于功能升级；多种辅助数据采集功能方便数据分析；安全监测和管理功能提高试验安全性；便于系统状态监测和离线调试。
本发明至少具有以下5个重要发明点：
(1)采用NI模块化虚拟仪器CompactRIO+LabVIEW编程，输出电信号控制，替代机械式执行器。
(2)多种辅助数据采集功能，包括ECU CAN、电器件电压、电流、功率、能耗、温度、轮胎压力温度数据，以及关键信息车速的多种方式采集。
(3)通过监测轮胎压力温度、监测各电器件和环境测点的温度、使用急停开关，实现手动和自动安全监测和管理。
(4)通过SD卡、USB存储器记录系统状态信息和故障信息，使用指示灯指示通信状态，实现下位机状态监测和离线调试。
(5)采用上位机控制—RT控制—FPGA控制3层控制架构，通过FPGA时间计数实现数据同步，保证系统实时性和同步性。
附图说明
图1为本发明的系统结构图；
图2为本发明的控制原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明。本发明描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的其他实施例，都属于本发明所保护的范围。
如图1所示，本发明所述的一种基于虚拟仪器的台架试验电动汽车驾驶机器人系统由上位机电脑、NI CompactRIO Real-Time控制器、NI CompactRIO FPGA机箱、NI CAN总线控制器、NI模拟电压输出模块、NI数字信号输出模块、NI模拟电压输入模块、NI数字信号输入模块、NI热电偶信号输入模块、USB存储器、SD卡、指示灯、TPMS(Tire PressureMonitor System，胎压检测系统)接收机、TPMS传感器、钳式电流表、电压探头、急停开关、热电偶、12V锂电池组成；所述NI CompactRIO Real-Time控制器通过网口TCP协议分别与上位机电脑和底盘测功机通信。
通过向电动汽车输出电信号实现加速、制动、换挡控制；其中，所述NI模拟电压输出模块的其中2个通道与电动汽车的加速控制端口相连，替代原有机械加速踏板，控制电动汽车执行加速动作；所述NI模拟电压输出模块的另外2个通道与电动汽车的制动控制端口相连，替代原有机械制动踏板，控制电动汽车执行制动动作；所述NI数字信号输出模块的其中4个通道连接到挡位控制端口，替代原有机械挡位控制器，控制电动汽车执行换挡操作；
所述NI CAN总线控制器的CAN接口连接到电动汽车的OBD车载诊断接口，采集整车ECU的CAN总线数据，并通过LabVIEW NI-CAN工具包导入给定的CANdb(*.dbc)协议文件，解析ECU数据，包括车速、油门开度、制动踏板开度、挡位、电池电压、电池电流、SOC等；
所述NI模拟电压输入模块通过软件定义为电器件电流采集通道和电器件电压采集通道，电器件电流采集通道连接到钳式电流表输出端，钳式电流表将电器件电流信号转换为电压信号，电器件电压采集通道连接到电压探头输出端；同时构建电器件功率和电器件能耗虚拟测试通道，根据以下公式实时计算电器件消耗功率和累计能耗：
式中，U为电器件供电电压，Xu为电压探头输出的电压值，au为电压探头放大系数，bu为电压探头偏置，I为电器件电流，Xi为钳式电流表输出的电压值，ai为钳式电流表放大系数，bi为钳式电流表偏置，P为电器件功率，W为电器件累计能耗。
通过测试电动汽车轮胎压力温度信息，以及电动汽车各部件和环境测点的温度信息，进行试验安全状态监测和安全控制，其中，所述NI CompactRIO Real-Time控制器的RS232串口与TPMS接收机相连，采集轮胎压力和温度信息，并根据设定的轮胎压力温度阈值执行安全警报和急停操作；所述NI热电偶信号输入模块通过热电偶传感器测试电动汽车各部件和环境测点的温度信息，并根据设定的温度阈值执行安全警报和急停操作。
设置下位机调试信息存储和指示功能，其中所述NI CompactRIO Real-Time控制器的SD卡和USB存储器存储下位机工作状态信息和故障信息；所述NICompactRIO Real-Time控制器的2个用户指示灯分别指示下位机与上位机电脑和底盘测功机的通信状态。
通过急停开关实现手动急停，其中，所述NI数字信号输入模块的其中1个通道用于检测急停开关信号，当检测到急停开关拍下时进行急停操作。
采用多种方式采集车速信息，包括通过网口TCP协议读取底盘测功机车速、通过CAN总线读取整车ECU车速、通过所述NI模拟电压输入模块采集底盘测功机模拟车速、通过NI数字信号输入模块采集底盘测功机脉冲车速。
优选的，NI CompactRIO Real-Time控制器和NI CompactRIO FPGA机箱选用一体式CompactRIO控制器NI cRIO-9036；NI CAN总线控制器选用型号为NI 9853的双端口高速CAN模块；NI模拟电压输出模块选用型号为NI 9264的16通道C系列同步更新模拟输出模块；NI模拟电压输入模块选用型号为NI 9205的32通道C系列模拟输入模块；NI数字信号输出模块选用型号为NI 9474的8通道C系列数字模块；NI数字信号输入模块选用型号为NI 9411的6通道C系列数字模块；NI热电偶信号输入模块选用型号为NI 9214的16通道C系列温度输入模块。
图2为驾驶机器人系统的控制原理图，采用上位机控制、RT控制、FPGA控制3层控制架构，各数据通过FPGA时间计数实现数据同步；其中FPGA控制在NI CompactRIO FPGA机箱中实现，包括ECU采集、电流信号采集、电压信号采集、模拟车速采集、脉冲车速采集、温度采集、急停信号采集、生成时间计数、输出加速控制信号、输出制动控制信号、输出挡位控制信号；RT控制在NI CompactRIO Real-Time控制器中实现，包括TPMS数据采集、底盘测功机采集/控制、数据解析/打包、数据发送、下位机系统运行状态分析、写入USB存储器/SD卡、指示灯指示、接收指令、急停/行驶控制；上位机控制在上位机电脑中实现，包括数据接收、数据解析、系统运行状态检测、PID闭环控制、系统运行状态分析、输出指令、数据记录、数据显示、系统运行状态显示、参数设置、人机交互控制。

Claims (5)

1.一种基于虚拟仪器的台架试验电动汽车驾驶机器人系统，其特征在于，包括上位机电脑、NI CompactRIO Real-Time控制器、NI CompactRIO FPGA机箱、NI CAN总线控制器、NI模拟电压输出模块、NI数字信号输出模块、NI模拟电压输入模块、NI数字信号输入模块、NI热电偶信号输入模块、TPMS接收机、TPMS传感器、钳式电流表、电压探头、急停开关、热电偶、12V锂电池；
所述NI CompactRIO Real-Time控制器通过网口TCP分别与上位机电脑和底盘测功机相连；所述NI CompactRIO Real-Time控制器的RS232串口与TPMS接收机相连，采集轮胎压力和温度信息，并根据设定的轮胎压力温度阈值执行安全警报和急停操作；所述NICompactRIO Real-Time控制器与12V锂电池连接；
所述NI CompactRIO Real-Time控制器一端与NI CompactRIO FPGA机箱一端连接，所述NI CompactRIO FPGA机箱另一端分别与NI CAN总线控制器、NI模拟电压输出模块、NI数字信号输出模块、NI模拟电压输入模块、NI数字信号输入模块、NI热电偶信号输入模块连接；所述NI CAN总线控制器的CAN接口连接到整车ECU的OBD车载诊断接口，采集整车ECU的CAN总线数据；所述NI模拟电压输出模块的其中2个通道与电动汽车的加速控制端口相连，替代原有机械加速踏板，控制电动汽车执行加速动作；所述NI模拟电压输出模块的另外2个通道与电动汽车的制动控制端口相连，替代原有机械制动踏板，控制电动汽车执行制动动作；所述NI数字信号输出模块的其中4个通道连接到挡位控制端口，替代原有机械挡位控制器，控制电动汽车执行换挡操作；所述NI模拟电压输入模块通过软件定义为电器件电流采集通道和电器件电压采集通道，分别连接到钳式电流表输出端和电压探头输出端；所述NI数字信号输入模块的其中1个通道连接到急停开关电路，当检测到急停开关拍下时进行急停操作；所述NI热电偶信号输入模块通过热电偶传感器测试电动汽车各部件和环境测点的温度信息，并根据设定的温度阈值执行安全警报和急停操作。
2.根据权利要求1所述的一种基于虚拟仪器的台架试验电动汽车驾驶机器人系统，其特征在于，所述NI模拟电压输入模块其中1个通道连接到底盘测功机模拟车速端口，采集模拟车速。
3.根据权利要求1所述的一种基于虚拟仪器的台架试验电动汽车驾驶机器人系统，其特征在于，所述NI数字信号输入模块其中1个通道连接到底盘测功机脉冲车速输出端口，采集脉冲车速。
4.根据权利要求1所述的一种基于虚拟仪器的台架试验电动汽车驾驶机器人系统，其特征在于，还包括USB存储器、SD卡、指示灯，所述NI CompactRIO Real-Time控制器分别与USB存储器、SD卡、指示灯连接，所述NI CompactRIO Real-Time控制器的SD卡和USB存储器中存储下位机工作状态信息和故障信息；所述NI CompactRIO Real-Time控制器的2个用户指示灯分别指示下位机与上位机电脑和底盘测功机的通信状态。
5.根据权利要求1所述的一种基于虚拟仪器的台架试验电动汽车驾驶机器人系统，其特征在于，所述NI模拟电压输入模块还同时虚拟定义电器件功率和电器件能耗通道，根据以下公式实时计算电器件消耗功率和累计能耗：
式中，U为电器件供电电压，Xu为电压探头输出的电压值，au为电压探头放大系数，bu为电压探头偏置，I为电器件电流，Xi为钳式电流表输出的电压值，ai为钳式电流表放大系数，bi为钳式电流表偏置，P为电器件功率，W为电器件累计能耗。
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