横滑り防止装置 (ESP) のHIL (Hardware-In-the-Loop) シミュレーションをNI PXIおよびCompactRIOに基づいて開発

自動車のESPは、自動車運転の安定性と安全性を向上させるためには必要不可欠な装置です。ESPでは、アンチロックブレーキシステム (ABS)、トラクションコントロールシステム (TCS)、およびアクティブヨーコントロールシステム (AYC) を統合することで、ブレーキ、運転、旋回が行われているときの自動車の安定性と安全性を効率良く向上させます。ESPコントローラは、運転中の車両の移動状態を定期的に検出します。危険が検出されると、コントローラを通してブレーキシステムとエンジンに即座にコマンドが送信され、車両のプロアクティブな制御により、危険が軽減されます。

性能、価格、および実装のしやすさについて綿密な調査と検討を行った結果、私たちのシステムを構築するために、NI PXIおよびCompactRIOをプラットフォームとして採用することを選択しました。xPCシステム、NI PXIシステム、dSpaceシステムを比較したところ、xPCシステムはコストは低いものの、使いやすさはそれ程でもなく、dSpaceシステムはPXIシステムと変わらない性能を備えながら、コストはPXIシステムより高くなります。

システムアーキテクチャ

ESP HILシミュレーションプラットフォームのハードウェアは、ホストコンピュータ、ターゲット、コントローラ、アクチュエータ、センサの5つの部分から構成されています。ホストコンピュータを使用して、シェア変数でシミュレーションプロセスを監視し、シミュレーションの結果を解析して保存します。さらに、ターゲットが車両モデルを実行し、コントローラが制御アルゴリズムを実行して車両をナビゲートし、アクチュエータが油圧制御装置、ブレーキパイプ、およびブレーキとしての役割を果たします。ホストコンピュータ、ターゲット、およびコントローラはネットワークケーブルで接続されます。

ハードウェアシステム設計

PXIシステムは、車両モデルを実行し、基準信号をコントローラに供給します。コントローラは、ブレーキ信号、メインシリンダ圧力、4輪駆動の速度、ハンドル角度、水平加速度、ヨー角速度など、複数の信号をキャプチャします。

私たちは、NI PXIマルチファンクションデータ収集 (DAQ) モジュールを使用して、メインシリンダを含むすべてのシリンダからのアナログ圧力信号、およびデジタルブレーキ信号を収集しました。また、NI PXI任意波形発生器 (AWG) を使用して、アナログ電圧も出力しました。これによって、ハンドル角度、水平加速度、およびヨー角速度が表されます。さらに、NI AWGでは4つのアナログ電圧信号が出力され、電圧/周波数変換器では電圧が対応する周波数信号に変換されて、4つの車輪の速度がシミュレートされます。 アクチュエータには、Bosch社のESP 8.0油圧制御装置を使用しました。ブレーキシステムは、Jinbei (金杯) のバンのブレーキパイプとブレーキから構成されています。

ホストコンピュータ監視ソフトウェア

このソフトウェアは、シェア変数で開始と停止のシミュレーションを制御し、一部のグローバル変数にターゲットからのデータを記録します。私たちはホストコンピュータ監視ソフトウェアを、シミュレーションプロセス監視とシミュレーションデータ表示という2つの主要な部分に分けました。シミュレーションプロセス監視の機能には、パラメータ復元、制御シミュレーション、リアルタイムパラメータ監視、およびシミュレーションプロセス中のドライバからの入力があります。また、シミュレーションプロセス監視では、シミュレーションモード、ギアシステム、シミュレーション時間、初期状態、およびタイヤ接地状態を構成して、すべての条件下でのシミュレーションを簡単に実施することもできます。シミュレーションデータ表示では、シミュレーションデータの観察および比較、シミュレーション中の車両の移動状態の再生、データの保存および復元を行うことができます。

インタフェースを使用すれば、シミュレーションプロセスで70個のパラメータに対する曲線を観察し、シミュレーションデータを保存および回復することができます。ウィンドウの右下にある「シミュレーション再生」ボタンをクリックすれば、車両の走行跡をグラフィカルに表示できます。また、インタフェースプログラムでは、実際の車両実験を実施しながらヨー角度の情報を記録し、実際の時間間隔に従ったシミュレーションプロセスを介して情報を送信することもできます。そのようにして、車両からの応答のシミュレーション結果が提供されます。

ターゲットシミュレーションおよびコントローラソフトウェア

ターゲットは、15DOF (自由度) の車両モデルを使用して、車両モデルを実行します。15DOFの内訳は、水平、垂直、および位置の移動と回転が6度、4つの車輪の回転および垂直移動が8度、回転システムが1度です。

シミュレーション中、ターゲットは、メインシリンダおよび4輪駆動のシリンダから1 msの間隔で圧力信号を収集して、車両の力を計算し、その車両の移動状態を取得します。また、状態パラメータをPXI-6229経由でコントローラに転送します。同時に、ターゲットは、車両移動状態パラメータをメモリに保存して、シミュレーションの最後にデータをホストコンピュータに転送します。また、ホストコンピュータから送信される制御信号を連続的に検出します。これらの複雑な機能はすべて並列ストラクチャを使用して簡単に実装できました。

また、CompactRIOコントローラを使用して、ESP制御アルゴリズムを実行し、受信したセンサ信号に基づいて車両の状態が危険かどうかを判断しました。危険が検出された場合、このコントローラが車両の動きを制御して、危機を解決します。

シミュレーションプラットフォーム開発の成功

シミュレーション結果は実際の車両実験の結果と適切に一致しました。これは、HILシミュレーションプラットフォームが車両の動作を効率良くシミュレートできることを示しています。

NI PXIおよびCompactRIOに基づいた私たちのESP HILシミュレーションプラットフォームでは、コントローラをシミュレーションループに配置して、コントローラでアルゴリズムを簡単にテストできるようにしました。シミュレーションワークベンチの構築によって、ESP制御アルゴリズムの開発期間が大幅に短縮されました。

このユーザ事例の詳細については、以下の連絡先までお問い合わせください。

Li Hong-zhi
Tsinghua University
Room 532 A, 2J15# Haidian District
Beijing, China
Tel: 010-62797118
Email: hz-li07@mails.tsinghua.edu.cn

投稿者​情報:

李 红志
清华大学