基于dSPACE的嵌入式車輛動力學仿真平臺開發*

詹軍王啟配何云廷鮑闞魯蔣立

（1.吉林大學 汽車仿真與控制國家重點實驗室；2.一汽大眾汽車有限公司）

基于dSPACE的嵌入式車輛動力學仿真平臺開發*

詹軍1王啟配1何云廷1鮑闞1魯蔣立2

（1.吉林大學 汽車仿真與控制國家重點實驗室；2.一汽大眾汽車有限公司）

針對嵌入式車輛動力學仿真平臺開發需求，基于吉林大學汽車仿真與控制國家重點實驗室的車輛動力學模型，研究了基于dSPACE環境的車輛動力學模型編譯、運行控制、參數賦值等關鍵方法。基于dSPACE嵌入式仿真平臺與離線仿真平臺驗證了車輛動力學模型側向加速度和橫擺角速度的一致性，以及仿真控制策略的可行性和正確性。

1 嵌入式車輛動力學仿真平臺介紹

國際上，嵌入式車輛動力學仿真平臺主要有CarSim、veDYNA和ASM。CarSim是美國MSC公司開發的車輛動力學仿真平臺，CarSim模型在計算機上運行的速度比實時快3～6倍，可以仿真車輛對駕駛員、路面及空氣動力學輸入的響應，主要用來預測和仿真汽車整車的操縱穩定性、制動性、平順性、動力性和經濟性，其中的CarSim RT模塊是CarSim模型專用于嵌入式實時仿真的模塊，可嵌入多種實時仿真系統，如NI、dSPACE、ETAS、opal-RT等實時仿真系統,提供與一些實時硬件系統的接口，滿足軟硬件在環仿真平臺的要求[3]。veDYNA是德國Te? sis公司開發的車輛動力學仿真平臺，以Matlab/ Simulink為開發環境，整個模型或模型組件通過C代碼編寫，并以s-function形式嵌入到Matlab/Simu?link程序環境中，主要用于汽車性能分析，車輛動力學、部件控制單元測試，控制算法開發與測試[4]，可嵌入各種實時仿真系統（ADI、ETAS、NI、Opal-RT和xPC）。ASM是dSPACE公司基于Simuik開發的車輛動力學仿真平臺，主要應用于發動機控制系統、汽車控制系統、車載電子設備和駕駛輔助系統的測試和研發，ASM能夠很好地運行在dSPACE實時仿真系統[5]。

國外已經實現了車輛動力學模型嵌入到實時硬件系統中，目前國內文獻對此還沒有論述。吉林大學汽車仿真與控制國家重點實驗室經過10多年的研究，研發了基于總成特性的實時車輛動力學模型（State Key Laboratory of Automotive Simulation and Con?trol，簡稱ASCL），模型在PC機上（主頻3.0G）運行速度是仿真時間的5倍左右，滿足了實時仿真要求。經仿真驗證，精度到90%以上，并且可實現制動到0、大滑移等極限工況的仿真，可用于電子系統的仿真驗證[6]。

針對上述問題，本文研究了基于ASCL車輛動力學模型嵌入到dSPACE環境時的一些關鍵技術；研究了dSPACE環境下模型的運行控制方法，闡述了在嵌入式平臺模型上的參數賦值方法，再次開發了便于應用的操作界面；通過典型工況檢驗了動力學模型側向加速度和橫擺角速度的一致性，實現了車輛動力學嵌入式仿真平臺的開發。

2 dSPACE環境下ASCL運行控制方法研究

2.1 目標代碼的生成方法

ASCL基于ANSI C語言開發，其仿真精度達90%，由簧載質量系統、非簧載質量系統、轉向系統、懸架系統、車輪系統、動力傳動系統和制動系統7大系統構成，在開發過程中將其劃分為7個大的功能模塊，每個大的功能模塊下又劃分為很多小的功能模塊，各模塊都獨立開發。

dSPACE實時硬件仿真系統采用了GCC編譯器，同時又區別于普通的GCC編譯器，在PC機環境下，需要在編譯批處理文件時使用帶有dSPACE標識的指令x86-gcc，然后調用指令x86-ar生成目標庫文件。為了提高ASCL代碼的運行效率，在編譯中使用-O2命令進行代碼優化。

2.2 仿真控制方法

ASCL仿真過程的控制主要分為初始化和運行控制。本文利用DS1006 RTLib提供的函數編寫控制程序(ControlFunction.c)以驅動dSPACE實時硬件對ASCL進行仿真控制[7]，利用基于時鐘D中斷的初始化控制和基于時鐘A中斷的仿真運行控制。

2.2.1 基于時鐘D中斷的初始化

ASCL為用戶提供了Preset、Initialize、Simulate、Terminate等4個函數，其中Preset函數主要讀取模型參數文件，將參數值賦給模型各大系統；Initialize函數主要實現車輛初始狀態的確定即給變量賦初值，實現初始狀態的平衡；Simulate函數實現對各功能模塊進行迭代仿真運算，計算模型的輸出；Ter? minate函數主要是釋放在仿真過程中Preset函數開辟的內存。

為了實現ASCL的正確運行，本文采用時鐘D中斷來實現模型的初始化。首先，利用dSPACE提供的函數ds1006_init（）完成對DS1006板的初始化，用以啟動dSPACE；利用函數ds1006_start_isr_timerD（DTD, timerD_interrupt）開啟時鐘D中斷，其中該函數含有時鐘D中斷的周期（DTD）與中斷服務程序（timerD_in?terrupt）兩個參數，在觸發時鐘D中斷時，在中斷服務程序中完成ASCL的初始化和參數賦值；利用函數RTLIB_BACKGROUND_SERVICE()開啟后臺服務程序，后臺服務程序必須在實時硬件上循環執行，這樣才能以一定的周期執行時鐘D中斷,不斷進行仿真控制。

時鐘D中斷服務程序以設定的中斷周期運行，當參數文件準備好時，通過自定義的函數ncode和Pre?setState來判斷，只有當函數ncode=NULL且Preset?State=0兩個條件同時滿足時，才能利用Preset函數將準備好的參數文件中的參數傳遞給車輛動力學模型，然后通過Initialize函數使其初始化，初始化成功后關閉時鐘D。基于時鐘D中斷的模型初始化流程如圖1所示。

2.2.2 基于時鐘A中斷的仿真控制

當模型完成初始化后，啟動時鐘A中斷服務程序來完成車輛動力學模型的實時運算。時鐘A中斷服務程序以設定的周期運行，通過控制一個時鐘周期推動車輛動力學模型運算一個仿真步長來控制動力學模型的仿真。首先開啟時鐘A過載檢測，用于判斷仿真計算時長是否超過中斷周期，當中斷服務程序的執行時間超過中斷周期時，則中斷服務程序結束。通過自定義函數SimState的值判斷模型仿真狀態，其中，當SimState=0時，表明是停止狀態，執行動力學模型的中止函數Terminate；當SimState=1時，表明是暫停狀態，動力學模型暫停；當SimState=2時，表明是運行狀態。同時，通過自定義函數time_simulate計算仿真運行時間，若未達到仿真結束時間，則周期執行動力學模型函數Simulate，實現模型迭代仿真運算；若仿真狀態到達設定的仿真時間，則執行模型中止函數Terminate，關閉時鐘A中斷。基于時鐘A中斷的動力學模型仿真控制框圖如圖2所示。

在進行中斷控制設置時，應避免時鐘A和時鐘D同時處于運行狀態，因為兩者優先級相同，所以在時鐘D運行之前需要先關閉時鐘A，同理，在時鐘A運行之前需要先關閉時鐘D，否則只能等待一個時鐘周期運行完才能執行下一個中斷服務，不利于提高運行效率。

2.3 動力學模型下載方法

動力學模型在實時仿真系統運行時，需要從上位機下載到實時仿真系統。本文利用dSPACE提供的makefile文件將開發的控制程序ControlFunction.c、動力學模型*.a庫文件以及相應的頭文件組成一個統一的整體，其中makefile文件中需要設置添加控制程序ControlFunction.c，同時添加.a庫文件，庫文件中開放了控制程序ControlFunction.c調用的4個函數，然后在批處理文件中使用dSPACE提供的“down1006”指令將makefile文件下載到dSPACE中，完成動力學模型控制平臺的開發。

3 動力學模型的參數賦值

ASCL中的preset函數可以通過解析一個參數文件來給模型參數賦值，在dSPCE實時仿真系統環境下，需要將參數文件下載到dSPCE，并將參數文件的存儲首地址傳遞給解析函數。本文CLIB函數實現參數的傳遞過程，定義了指針變量ParFile來傳遞地址，當ASCL在dSPACE環境下運行時，首先將在PC機內存中的參數文件復制到dSPACE內存中，然后將參數文件在dSPACE內存的首地址傳遞給preset函數中的ParFile變量，完成動力學模型的參數賦值。

CLIB是實時硬件dSPACE提供的一套PC機與dSPACE實時處理器通訊的接口函數集，CLIB建立了PC機與dSPACE處理器內存之間的通信[8]。本次采用CLIB提供的函數對dSPACE內存進行訪問，其中參數文件處理流程如圖3所示。

dS1006板 卡 處 理 包 括 利 用 函 數 DS_regis?ter_host_app注冊應用程序、DS_board_index獲得板卡號，從而將參數文件傳遞到該板內存；參數文件在PC機上的處理包括獲取參數大小、在PC機上分配內存、將參數文件傳遞到分配的內存上；參數文件在dSPACE上的處理包括利用函數DS_alloc_mem在dSPACE上開辟內存、DS_write_8函數將PC機內存上的參數文件寫入到dSPACE的內存上、DS_get_var_addr獲取模型中存儲參數文件首地址的指針變量、把dSPACE內存中參數文件首地址賦值給指針變量。

4 仿真控制平臺界面設計

為了方便測試和工程應用，開發了仿真平臺界面控制模型的下載、監控和仿真控制，界面編寫采用了LabWindows語言。LabWindows/CVI軟件是在C語言環境下開發的軟件界面，可以通過LabWindows對CLIB庫函數的調用，完成仿真平臺界面開發。

仿真平臺界面主要包括輸入、輸出設置和運行狀態控制3部分，其中，模型輸入設置主要完成動力學模型的下載和參數賦值控制，該部分中首先通過路徑瀏覽完成mkfile文件的選擇，下載mkfile文件，然后通過路徑瀏覽完成參數文件的選擇和下載；模型輸出設置顯示當前時刻的仿真運行車速，以監控模型運行；模型運行狀態控制實現模型的運行、暫停、停止功能，另外，StopRTP將dSPACE內存中的動力學模型清除，Quit實現退出ControlDesk應用界面。

5 仿真驗證

為了驗證模型的運行情況，分別對模型的仿真運行時間和車輛雙移線工況進行了仿真驗證。設置ASCL的仿真步長為1 ms，當動力學模型下載到dSPACE的DS1006中運行時，其每步平均仿真實測時間為0.18ms左右，模型運行時間占設定時間的18%，滿足實時仿真要求。

定義了雙移線仿真工況，通過Controldesk監測模型側向加速度和橫擺角速度的運算結果，并將該仿真結果與離線仿真結果對比，如圖4和圖5所示，驗證了車輛動力學模型在兩種仿真平臺下側向加速度和橫擺角速度的一致性，以及仿真控制策略的可行性和正確性。

6 結束語

開發了基于dSPACE的嵌入式車輛動力學仿真平臺，主要完成以下方面的工作：

a. 利用dSPACE的GCC編譯器在PC機下完成了目標代碼的生成；

b.利用dSPACE自帶的RTLib函數，基于時鐘A和D中斷實現了動力學模型的初始化和仿真控制；

c. 利用dSPACE自帶的Clib函數完成了動力學模型的參數賦值；

d. 驗證了ASCL在dSPACE嵌入式仿真平臺和離線仿真平臺下側向加速度和橫擺角速度的一致性，以及仿真控制策略的可行性和正確性。

1 李茗.汽車電子產品的開發.汽車工程，2004（26）：367～372.

2 魏學哲.戴海峰.孫澤昌.汽車嵌入式系統開發方法、體系架構和流程.同濟大學學報（自然科學版），2012（40）7：1055～1070.

3 吳海東.郭孔輝.蘆蕩.基于LabVIEW RT的硬件在環仿真.汽車技術，2010（9）:1～4.

4 北京九州恒潤技術有限公司.TesisDYNAware-基于Matlab/Simulik的車輛動力學實時仿真模型.CAD/CAM與制造業信息化，2004:72～74.

5 dSPACE.ASM Vehicle Dynamics.

6 魯蔣立.車輛動力學模型嵌入式仿真平臺開發：[學位論文].長春：吉林大學，2014.

7 Embedded Success dSPACE.DS1006 Processor Board RTLib Reference.2012-11.

8 Embedded Success dSPACE.CLIB C Interface Library. 2011-5.

（責任編輯簾 青）

修改稿收到日期為2015年3月1日。

Development of Embedded Vehicle Dynamics Simulation Platform Based on dSPACE

Zhan Jun1,Wang Qipei1,He Yunting1,Bao Kan1,Lu Jiangli2
（1.State Key Laboratory of Automotive Simulation and Control,Jilin University;2.FAW VW Co.,Ltd）

To satisfy the development demand of embedded vehicle dynamics simulation platform,we study the key methods of the vehicle dynamics model compilation,operation control,parameter assignment,based on dSPACE environment and the vehicle dynamics model of State Key Laboratory of Automotive Simulation and Control of Jilin University.The embedded simulation platform,which is based on dSPACE,and offline simulation platform verifies consistency of lateral acceleration and yaw rate,as well as the feasibility and correctness of this simulation control strategy.

Vehicle dynamics model,dSPACE,Embedded type,Simulation platform

車輛動力學模型 dSPACE 嵌入式 仿真平臺

U462.3

A

1000-3703（2015）04-0018-04

國家高科技研究發展計劃（863）（2006AA110101，2006AA110102）資助。