用于車輛電子控制系統(tǒng)開發(fā)的仿真環(huán)境

1、科 學(xué) 技 術(shù) 與 工 程Sc ience Technol ogy and Engineer i ngVol110 No 115 M ay 2010Z 2010 Sci 1Tech 1Engng 1交通運(yùn)輸用于車輛電子控制系統(tǒng)開發(fā)的仿真環(huán)境管 欣 張素民 詹 軍(吉林大學(xué)汽車動(dòng)態(tài)模擬國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)春130025摘 要 介紹了一個(gè)用來開發(fā)和測(cè)試車輛電子控制系統(tǒng)性能的仿真環(huán)境。仿真環(huán)境模擬真實(shí)的交通工況和極限駕駛工況,用于驗(yàn)證車輛電子控制系統(tǒng)中的控制算法,也可以將硬件系統(tǒng)集成到環(huán)境里進(jìn)行硬件在環(huán)仿真。首先,介紹了虛擬環(huán)境的整體框架和結(jié)構(gòu)。接著,詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的各個(gè)組成模塊的功能。由于交通環(huán)境下

2、仿真車輛感知周圍的駕駛環(huán)境主要依靠傳感器實(shí)現(xiàn),以自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)為例,介紹了傳感器模塊和控制模塊的集成方法。最后,給出了一個(gè)交通環(huán)境下自適應(yīng)巡航控制的例子。關(guān)鍵詞 虛擬仿真環(huán)境 車輛電控系統(tǒng) 交通工況仿真 自適應(yīng)巡航控制中圖法分類號(hào) U467.11 文獻(xiàn)標(biāo)志碼A2010年3月9日收到/8630國家高科技資助項(xiàng)目(2006AA110102、 吉林省科技發(fā)展項(xiàng)目(2004033021資助第一作者簡(jiǎn)介:管 欣,男,江蘇人,教授,博士生導(dǎo)師,研究方向:汽車動(dòng)態(tài)仿真與控制?，F(xiàn)代車輛中廣泛裝備和使用電子控制系統(tǒng)和電子執(zhí)行機(jī)構(gòu),這些系統(tǒng)控制車輛的響應(yīng),對(duì)車輛的安全性和駕駛舒適性有重大影響1,2。電子控制系

3、統(tǒng),如駕駛輔助系統(tǒng),利用多種類型的傳感器監(jiān)測(cè)車輛周圍的駕駛環(huán)境,通過控制油門開度,制動(dòng)踏板距離和方向盤轉(zhuǎn)角或力矩來安全地控制車輛,從而提高車輛的性能。隨著電子控制系統(tǒng)擴(kuò)展應(yīng)用至極限駕駛工況,需要安全有效的測(cè)試方法和工具來支持復(fù)雜電子控制系統(tǒng)的開發(fā)和驗(yàn)證,而傳統(tǒng)的實(shí)車試驗(yàn)方法不能滿足開發(fā)和測(cè)試這些的要求。在過去十年里,隨著虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展,國內(nèi)外的研究機(jī)構(gòu)開發(fā)和應(yīng)用了大量的虛擬測(cè)試設(shè)備來支持電子控制系統(tǒng)的開發(fā)和測(cè)試3,4。但是,這些虛擬環(huán)境往往只考慮于單車環(huán)境下的仿真和驗(yàn)證。對(duì)于仿真復(fù)雜交通工況下,車與車之間的通訊和相互作用,以及駕駛員在緊急情況下的操縱行為無能為力。以自適應(yīng)巡航控制為例,傳統(tǒng)

4、的虛擬仿真工具只考慮單車道駕駛環(huán)境,或則,目標(biāo)車按照給定的軌跡和速度移動(dòng);而真實(shí)的駕駛環(huán)境是多車道多車的,并且目標(biāo)車的行為是不可預(yù)知的。本文介紹的虛擬環(huán)境由可由用戶設(shè)置駕駛環(huán)境和交通工況,設(shè)置被試車輛和交通車輛以及設(shè)置傳感器。車輛與車輛之間以及車輛和周圍環(huán)境之間通過傳感器交換數(shù)據(jù)。這個(gè)環(huán)境由V isual C+2005開發(fā),具有標(biāo)準(zhǔn)接口,包括軟件接口和硬件接口。用戶使用標(biāo)準(zhǔn)接口將控制系統(tǒng)集成到仿真環(huán)中。這個(gè)環(huán)境用來仿真和驗(yàn)證車輛的動(dòng)力學(xué)性能,進(jìn)行交通工況下車輛-環(huán)境-駕駛員閉環(huán)仿真以及模擬車輛和車輛之間的通訊和相互作用?？捎糜谄囻{駛輔助系統(tǒng)的開發(fā)研究,也可用以電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng),汽車底盤控制系

5、統(tǒng)等汽車電子控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)中。1 整體框架目前,車輛仿真軟件逐漸模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化。模塊是軟件系統(tǒng)的基礎(chǔ)單元,每個(gè)模塊都具有特定的功能。圖1是本文介紹的仿真環(huán)境的框架結(jié)構(gòu)。仿真框架具有環(huán)境設(shè)置,駕駛工況設(shè)置,傳感器設(shè)置,車輛動(dòng)力學(xué),控制系統(tǒng),動(dòng)畫演示,數(shù)據(jù)后處理等模塊。其中,環(huán)境設(shè)置,駕駛工況設(shè)置,傳感器設(shè)置和動(dòng)力學(xué)構(gòu)成系統(tǒng)的核心模塊,是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。動(dòng)畫演示模塊,后處理模塊以及控制系統(tǒng)通過標(biāo)準(zhǔn) 接口和核心模塊交換數(shù)據(jù)。圖1 仿真環(huán)境整體框架一個(gè)真實(shí)的駕駛環(huán)境通常包括車輛,駕駛員,環(huán)境和駕駛工況這四個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。駕駛員感知周圍的環(huán)境和交通工況,通過方向盤,油門踏板以及離合器操縱汽車。本文介紹

6、的仿真環(huán)境的模塊與上述四個(gè)環(huán)節(jié)密切相關(guān)。車輛動(dòng)力學(xué)模塊對(duì)應(yīng)車輛環(huán)節(jié),環(huán)境設(shè)置模塊對(duì)應(yīng)環(huán)境環(huán)節(jié),駕駛工況設(shè)置模塊對(duì)應(yīng)駕駛工況環(huán)節(jié),而傳感器和控制系統(tǒng)的組合對(duì)應(yīng)駕駛員環(huán)節(jié)。為了驗(yàn)證交通工況下控制系統(tǒng)的性能,用戶首先需要進(jìn)行環(huán)境設(shè)置和駕駛工況設(shè)置。環(huán)境設(shè)置的目的是提供仿真所需要的道路信息,包括車道線信息,交通標(biāo)志信息等。駕駛工況設(shè)置的目的是設(shè)置被試車輛和交通車輛。對(duì)每一個(gè)被試車輛和交通車輛都需要選擇其對(duì)應(yīng)的車輛動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型和參數(shù),此外還需要為每一個(gè)車輛選擇傳感器和設(shè)置控制系統(tǒng)。動(dòng)畫演示模塊和后處理模塊屬于是輔助模塊,可以直觀地分析仿真結(jié)果。2 組成模塊2.1 環(huán)境設(shè)置模塊環(huán)境設(shè)置模塊主要功能是設(shè)置

7、駕駛場(chǎng)景,包括設(shè)置仿真道路,植被,建筑物,天氣,交通標(biāo)志等信息,如圖2所示。生成的場(chǎng)景保存在場(chǎng)景文件里。虛擬道路由四個(gè)表格數(shù)據(jù)構(gòu)成,包括中心線或參考線的位置坐標(biāo)表格,車道線信息表格,道路的高程表,道路附著系數(shù)表格。車輛動(dòng)力學(xué)模塊根據(jù)這些表格數(shù)據(jù)計(jì)算輪胎力和力矩。動(dòng)畫演示模塊根據(jù) 這些表格數(shù)據(jù)生成三維的道路。圖2 設(shè)置道路,建筑物,植被等信息道路的中心線位置使用全局坐標(biāo)系里表示,而道路的車道線信息,高程表和附著系數(shù)使用曲線坐標(biāo)系。如圖3 所示。圖3 曲線坐標(biāo)系圖3中,s 表示曲線切線方向,前進(jìn)方向?yàn)檎?t 表示曲線法線方向。直角坐標(biāo)系向曲線坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換公式為:S i =S i-1+(X i -X

8、 i-12+(Y i -Y i-12,(i 2。其中,S i 表示第i 點(diǎn)距起點(diǎn)的曲線長(zhǎng)度。車道線信息表示道路參考線兩邊的車道線情況,比如是單車道還是多車道,是黃線還是白線,是實(shí)線還是虛線。這些信息存儲(chǔ)成表格數(shù)據(jù)。動(dòng)畫演示模塊根據(jù)這些生成道路的紋理和三維形狀。傳感器模塊根據(jù)這些數(shù)據(jù)感道路車道線信息。363515期管 欣,等:用于車輛電子控制系統(tǒng)開發(fā)的仿真環(huán)境2.2 駕駛工況設(shè)置模塊駕駛工況設(shè)置模塊主要功能是:(1選擇駕駛場(chǎng)景,如是高速公路場(chǎng)景還是鄉(xiāng)村道路場(chǎng)景。(2設(shè)置交通工況,選擇被試車輛和交通車輛的數(shù)目,運(yùn)行軌跡和速度。(3為被試車輛和交通車輛選擇傳感器。(4設(shè)置被試車輛的控制邏輯,選用駕駛

9、員模型或使用硬件系統(tǒng)在環(huán)仿真。如圖4和圖5所示。被試車輛和交通車輛在虛擬的道路上,周圍的環(huán)境也隨著到道路移動(dòng),以形成被試車輛需要的交 通環(huán)境。圖4 設(shè)置車輛運(yùn)行軌跡圖5 設(shè)置車輛控制系統(tǒng)2.3 車輛動(dòng)力學(xué)模塊車輛動(dòng)力學(xué)模塊是選擇被試車輛和交通車輛的數(shù)學(xué)模型以及模型參數(shù)。車輛模型可以選用簡(jiǎn)單的輛模型也可以選擇復(fù)雜的實(shí)時(shí)車輛模型。為了提高仿真計(jì)算速度和進(jìn)行硬件在環(huán)仿真。交通車輛通常選用簡(jiǎn)單的三自由度車輛模型進(jìn)行仿真計(jì)算。圖6是三自由度車輛模型的示意圖。被試車輛(主車則選擇復(fù)雜的實(shí)時(shí)車輛模型,如Carsi m ,V edyna 等模型3,4。本文介紹的仿真環(huán)境可以調(diào)用Carsi m 進(jìn)行聯(lián)合仿真。2

10、.4 傳感器模塊傳感器的主要作用是感知車輛的狀態(tài)信息和車輛周圍的環(huán)境信息,并將這些信息通過標(biāo)準(zhǔn)接口輸出到控制系統(tǒng)中。傳感器設(shè)置模塊 的功能就是圖6 三自由度車輛模型將傳感器和仿真車輛綁定。一個(gè)仿真車輛可以安裝多種類型的傳感器,如雷達(dá)傳感器,視覺傳感器,導(dǎo)航系統(tǒng)等。傳感器模塊在仿真環(huán)境中具有連接各個(gè)模塊的重要作用。下面,以雷達(dá)傳感器和自適應(yīng)巡航控制為例,介紹傳感器模塊和控制系統(tǒng)模塊的集成方法。雷達(dá)傳感器的主要作用是感知被試車輛前面的障礙物信息,感知其它車輛相對(duì)于本車的相對(duì)位移和相對(duì)速度,并將這些信息提供給控制模塊。目前,雷達(dá)傳感器廣泛應(yīng)用于車輛自適應(yīng)巡航控制和車輛主動(dòng)防碰撞控制系統(tǒng)中。表1是雷達(dá)

11、傳感器的主要參數(shù),這些參數(shù)在用戶界面設(shè)定,如圖7所示。表1 雷達(dá)傳感器主要參數(shù)參數(shù)名稱參數(shù)數(shù)值探測(cè)距離120m 方位角-88(b 高程角-44(b 工作頻率10H z 尺寸1077753m m 3圖7 設(shè)置雷達(dá)傳感器參數(shù)3636科 學(xué) 技 術(shù) 與 工 程10卷2.5 控制系統(tǒng)模塊控制系統(tǒng)模塊通過標(biāo)準(zhǔn)接口集成到仿真環(huán)境的控制環(huán)中。標(biāo)準(zhǔn)接口包括軟件接口和硬件接口。接口輸出交通環(huán)境下車輛的周圍環(huán)境信息,包括車道線信息,交通標(biāo)志信息,障礙物信息等,還輸出車輛的位置,姿態(tài),速度和加速度信息。控制模塊通過接口向車輛動(dòng)力學(xué)模塊輸出控制信號(hào)。3 自適應(yīng)巡航控制自適應(yīng)巡航控制(ACC 是一種常用的駕駛員輔助系統(tǒng)

12、,它主動(dòng)干預(yù)車輛的縱向控制。如果車輛與前車之間的距離小于預(yù)設(shè)的最小距離,那么,它們會(huì)迫使車輛減速;如果前后兩車之間的間隔距離足夠遠(yuǎn),它們就會(huì)把車輛加速到設(shè)定的速度。現(xiàn)有的自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)特別適合車流密度較小的道路,例如快速道路或高速公路。這些系統(tǒng)利用一個(gè)雷達(dá)傳感器探測(cè)本車當(dāng)前車道內(nèi)前方目標(biāo)車輛信息,這個(gè)方法的缺點(diǎn)是不能應(yīng)用于具有較大曲率道路的環(huán)境內(nèi)。為了適應(yīng)繁忙的都市道路,自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)必須采用更多的傳感器獲得車輛周圍的交通信息68 。圖8 多目標(biāo)跟蹤ACC 示意圖本文介紹的仿真環(huán)境可以用來測(cè)試復(fù)雜交通工況下的自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)的性能。環(huán)境提供的傳感器模塊感知車輛周圍的環(huán)境,保持和跟蹤多

13、個(gè)目標(biāo)。圖8是一個(gè)多目標(biāo)跟蹤和決策的ACC 示意圖。從圖中可以看出。傳感器將探測(cè)到的目標(biāo)信息輸入到一個(gè)多目標(biāo)跟蹤濾波模塊6,7。多目標(biāo)跟蹤濾波模塊用來跟蹤,保持或消除組合所有進(jìn)入或離開傳感器探測(cè)范圍的目標(biāo)物體。狀態(tài)估計(jì)技術(shù)用來光滑測(cè)量數(shù)據(jù)和提高準(zhǔn)確度。多目標(biāo)跟蹤濾波模塊給出的信息不能直接輸出到ACC 控制模塊,因?yàn)锳CC 只能跟隨一個(gè)前方車輛。這樣必須決定目標(biāo)車輛集合中哪一個(gè)是主要的車輛。主要目標(biāo)車輛可以使用給定的模糊規(guī)則來選擇。主要目標(biāo)車輛的選擇需要額外的信息,如目標(biāo)車輛的橫擺角速度。這些額外的信息通過車載通訊傳感器獲得。4 仿真算例給出一個(gè)交通工況下自適應(yīng)巡航控制的仿真算例。這個(gè)仿真算例包

14、含四個(gè)車輛,其中一個(gè)是被試車輛(P HV ,其它三個(gè)是交通車輛(S T V 。被試車輛具有自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng),車輛動(dòng)力學(xué)模型選用Carsi m 模型。交通車輛使用三自由度單軌模型。所有的交通車輛由駕駛員模型駕駛。仿真環(huán)境自動(dòng)生成計(jì)算所需要的Si m u li n k 計(jì)算模型。被試車輛的自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)通過標(biāo)準(zhǔn)接口在Si m ulink 中和其它仿真環(huán)境自動(dòng)生成的模塊集成到一起,如圖9 所示。圖9 計(jì)算模塊仿真開始前,設(shè)定被試車輛和仿真車輛的預(yù)期運(yùn)行軌跡和預(yù)期速度。被試車輛PHV 和交通車輛S T V 3直線行駛。交通車輛ST V1先是直線行駛,在仿真運(yùn)行20s 后作角階躍輸入仿真。交通車輛

15、S T V 2換道突然行駛到被試車輛前面,然后又突然駛出被試車輛的雷達(dá)探測(cè)范圍,如圖10所示。被試車輛的巡航速度設(shè)為60km /h ,安全距離設(shè)為15m 。仿真結(jié)果如圖11至圖14所示。363715期管 欣,等:用于車輛電子控制系統(tǒng)開發(fā)的仿真環(huán)境 圖10 仿真車輛運(yùn)行軌跡圖11 仿真車輛的 運(yùn)行速度圖12 被試車輛的縱向加速度圖13 主目標(biāo)的相對(duì)距離圖14 主目標(biāo)的相對(duì)速度從上面的仿真結(jié)果可以看出,環(huán)境提供的傳感器模型是正確的,可以應(yīng)用于復(fù)雜交通工況下車輛控制系統(tǒng)的仿真驗(yàn)證。仿真系統(tǒng)具有動(dòng)畫演示的功能,可以直觀地觀測(cè)交通環(huán)境下車輛的反應(yīng)。 傳感圖15 動(dòng)畫演示, 傳感器沒有探測(cè)到目標(biāo)圖16 動(dòng)

16、畫演示,傳感器探測(cè)到目標(biāo)器的探測(cè)范圍用半透明的棱錐表示。當(dāng)沒有探測(cè)到目標(biāo)時(shí),棱錐為綠色,而當(dāng)探測(cè)到目標(biāo)時(shí),棱錐為紅色。如圖15和圖16所示。5 結(jié)論本文介紹了一個(gè)用來開發(fā)和測(cè)試交通工況下的電子控制系統(tǒng)性能的仿真環(huán)境。給出了仿真環(huán)境的整體結(jié)構(gòu),并介紹了仿真環(huán)境的各個(gè)組成模塊的功能。仿真環(huán)境提供了標(biāo)準(zhǔn)接口,包括軟件接口和硬件接口。用戶使用標(biāo)準(zhǔn)接口將控制系統(tǒng)集成3638科 學(xué) 技 術(shù) 與 工 程10卷15期 管 欣, 等: 用于車輛電子控制系統(tǒng)開發(fā)的仿真環(huán)境 4 V edyna 3 7 U serM anua: TESIS, G er any 2003 . l m . 5 Au to ot ive

17、Users Stories m , 3639 到仿真環(huán)中。本文給 出了一個(gè)自適應(yīng) 巡航控制的 仿真算例。仿真結(jié)果 表明本仿真環(huán)境 可以應(yīng)用于 模擬交通工況下電子控制系統(tǒng)的仿真和驗(yàn)證, 達(dá)到 了項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求。 參 1 管 欣, 張 The M athworks website, h ttp: / /w . ww m athworks com / indu stries / auto /u sers tories ht l . . m 6 M R, R ko lbe U M u lti2target mu lti2ob ject track ing sensor f sion bus . , u

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21、act A si u lation environment for the development and test of vehic le e lectron ic control systems is pres2 m ents The virtual reality si u lation environment has the ability to si ulate tra ffic driv in g condit ions and critica l dr iv2 . m m ing cond itions and covers soft are2in2the loop and hardware2in2the2loop test capabilit ies. In the hardware2in2the2 w