硬件在環汽車駕駛模擬器系統開發

孫榮強 陳煥明 劉大維

摘要：? 為提高硬件在環仿真過程中實時監控的精度，本文基于xPC Target實時仿真實驗平臺，開發了硬件在環汽車駕駛模擬器系統。采用Matlab/Simulink軟件，對車輛參數和道路環境等進行配置，搭建仿真模型，同時結合轉向盤轉角傳感器、制動/油門踏板傳感器和數據采集卡等硬件設備，實現外部硬件對虛擬車輛運動的控制，完成相關硬件在環仿真實驗。以某型轎車為例，在平坦標準道路上的轉向性能進行模擬，對駕駛模擬器系統的性能進行測試。實驗結果表明，該系統的實時性和精度滿足汽車動力學仿真實驗的要求，為研究和開發駕駛輔助系統提供了實驗平臺，具有廣闊的應用前景。

關鍵詞：? 駕駛模擬器; xPC Target; 硬件在環; veDYNA

中圖分類號： U467; TP27文獻標識碼： A

隨著汽車工業的迅猛發展，汽車從設計到進入市場，周期越來越短，而設計研發需要耗費大量的精力物力，特別是實車實驗，不僅危險而且十分復雜。硬件在環仿真作為一種實時仿真技術已經被廣泛應用于汽車研發過程，硬件在環仿真是將外部實物通過計算機接口嵌入到軟件環境中，代替一些難以用數學模型描述的問題，提高仿真精度[13]。基于駕駛模擬器的硬件在環試驗臺，利用計算機仿真及電子、控制等相關技術，許多研究者從人-車-路“閉環系統”整體性能出發[4]，對駕駛員行為和道路環境等進行仿真研究。B.A.Güvene等人[5]利用dSPACE、xPC TargetBox、Vehicle Simulator和工控機等開發了一套車輛硬件在環控制系統，并利用其對車輛偏航穩定性控制器進行控制效果的評估;王野等人[6]基于dSPACE實時仿真系統，利用Controldesk和Matlab開發實驗臺監控程序，通過典型工況對硬件在環實驗臺進行功能驗證;李幼德等人[7]基于dSPACE實時仿真平臺，以CarSim/Simulink聯合仿真，搭建駕駛模擬器系統，實現各種模擬實驗條件，對駕駛員制動意圖模型進行訓練和開發;李升波等人[8]搭建了基于xPC的駕駛員輔助系統硬件在環仿真實驗臺，以模塊化思路建立仿真模型，采用S函數驅動主界面方法，解決了硬件在環仿真過程進行實時監控的問題?；诖?，本文選用xPC Target作為實時平臺，由veDYNA軟件提供車輛各部分動力學模型，設計開發了汽車駕駛模擬器硬件在環仿真系統。該研究為車道偏離輔助系統等開發提供了仿真平臺。

1 硬件在環汽車駕駛模擬器系統組成及工作原理

硬件在環汽車駕駛模擬器系統原理圖如圖1所示。系統主要由上位機、顯示器、下位機、操縱機構、仿真模型和數據采集模塊組成。

利用veDYNA、Matlab/Simulink軟件，硬件在環汽車駕駛模擬器的上位機對車輛參數和道路環境等進行配置，搭建仿真模型，采用Simulink中RTW工具箱進行編譯，通過TCP/IP通信協議傳輸到xPC實時系統的下位機。仿真模型在下位機中實時運行，仿真結果以動畫、曲線等形式實時回傳到上位機[9]。駕駛員根據仿真結果，通過轉向盤、制動/油門踏板等操縱機構對虛擬車輛進行實時控制。數據采集模塊中，轉向盤轉角傳感器等將駕駛員的操縱轉變為電信號，通過PCI6070E數據采集卡的A/D通道傳輸到下位機中，對仿真模型進行實時運算，從而實現外部硬件對虛擬車輛運動的控制，完成相關的硬件在環仿真實驗。硬件在環汽車駕駛模擬器系統實物如圖2所示。

2 硬件在環汽車駕駛模擬器硬件系統

2.1 上位機及下位機系統

上位機及下位機系統由兩臺PC機通過xPC Target硬件在環仿真工具配置而成，通過TCP/IP通信協議進行數據傳輸。上位機采用惠普Compaq dc7800型計算機，CPU主頻為2.7 GHz的Intel Pentium（R）處理器，內存4 GB;下位機采用惠普Compaq dc7700型計算機，CPU主頻為2.13 GHz的Intel Rore（TM）Ⅱ處理器，內存4 GB。

2.2 數據采集模塊

數據采集模塊由數據采集卡、轉向盤轉角傳感器、油門/制動踏板傳感器和轉矩傳感器組成。數據采集卡采用美國NI公司生產的PCI6070E型號，該采集卡功能豐富、采集速度快、準確率高，并支持DMA和雙緩沖兩種傳輸方式，保證了實時信號的不間斷采集和存儲。數據采集卡提供了16路單端/8路差動輸入通道、2路獨立的D/A輸出通道、8線的數字I/O、2個24位的定時器/計數器等多種功能，高效可靠地完成數據采集，將下位機與轉向盤、制動/油門踏板等外部設備連接，通過A/D通道將采集到的轉向盤轉角信號、油門/制動踏板信號和轉向盤轉矩信號轉換成數字信號傳輸到計算機中進行仿真運算[10]。

轉向盤轉角傳感器采用ZKT6012光電式旋轉編碼器，與轉向盤同軸連接，輸出轉向盤轉角信號，準確地將駕駛員對轉向盤的輸入轉換為計算機可識別的電信號。該編碼器體積小、重量輕、安裝方便，分辨力為14.4，具有較高的測量精度[11]。光電式旋轉編碼器輸出OutA和OutB兩路正交信號和一路零位信號，實現雙向計數，適合進行轉向盤轉角的測量。當轉向盤順時針旋轉時，OutA通道信號超前OutB信號1/4T相位，逆時針旋轉時則相反。順時針和逆時針轉動光電編碼器輸出信號如圖3所示。

將光電編碼器輸出的兩路信號輸入到鑒向電路中，鑒向電路根據輸入信號的相位差判斷轉向盤的旋轉方向。鑒向電路由D觸發器CD4013B和與非門DM74LS132組成，鑒向電路原理圖如圖4所示。當轉向盤順時針轉動時，Y1端口輸出脈沖信號，Y2端口沒有脈沖信號輸出[12];當轉向盤逆時針轉動時，Y2端口輸出脈沖信號，Y1端口沒有脈沖信號輸出。

油門和制動踏板采用三佑公司JKH503型電子腳踏板，踏板轉動角度最大為30°，準確反映駕駛員對車輛的縱向動力學控制。踏板內部基于霍爾式傳感器，結合控制電路，只需提供+5 V電平便可輸出與踩踏角度成正比關系的0～+5 V連續變化的模擬信號，信號可直接通過數據采集卡的A/D端口輸入計算機進行處理[13]。

轉向盤轉矩傳感器采用余航YH502系列扭矩傳感器，該傳感器采用應變片電測技術，在弾性軸上組成應變橋，在應變橋兩端施加電壓即可測得該弾性軸所受扭矩的電信號。信號放大后，經過壓/頻轉換，得到與扭應變成正比的頻率信號，信號可直接通過數據采集卡的A/D端口輸入計算機進行處理，計算出駕駛員對轉向盤的輸入轉矩[14]。

3 硬件在環汽車駕駛模擬器軟件系統

3.1 車輛動力學模型

在Simulink環境下，車輛動力學模型如圖5所示。該模型基于車輛動力學軟件veDYNA中Standard結構的車輛動力學模型，采用模塊化建模方式，集成了轉向/制動系統模塊、發動機系統模塊及輪胎模塊等[15]，根據仿真改變各個參數，以適配仿真環境。本文所開發的硬件在環汽車駕駛模擬器，嵌入了轉向盤轉角Simulink模型和油門/制動踏板Simulink模型等，實現了駕駛員通過操縱機構對車輛的控制。

3.2 道路模型

在Simulink環境下，道路模型如圖6所示。在veDYNA的車輛動力學主界面中，提供了標準模型和雙向車道/高級模型兩種道路模型的選擇。標準道路模型可以提供最多15段車道，可分別設置不同道路的表面摩擦系數及坡度;雙向車道/高級模型可以設置包括道路指示牌及前后車交通環境等在內的3D道路環境，提供了更加豐富的仿真實驗環境[16]。

3.3 數據采集模型

在Simulink環境中，搭建數據采集模型，數據采集模型如圖7所示。該模型的作用是采集轉向盤轉角信號、油門/制動踏板信號和轉向盤轉矩信號。轉向盤轉角傳感器、油門/制動踏板傳感器和轉向盤轉矩傳感器生成的電信號，通過PCI6070E AD模塊轉換為數字信號，由數據處理模塊處理后，得到轉向盤轉動角度、油門/制動踏板踩踏角度和轉向盤轉矩，傳輸到車輛動力學模型，實現外部操縱機構對虛擬車輛的轉向及加/減速等控制[17]。

4 硬件在環汽車駕駛模擬器系統測試

為測試該系統的性能，以某型轎車為例，在平坦標準道路上行駛時的轉向性能進行模擬。首先在上位機中的車輛動力學軟件veDYNA中設置車輛參數和道路環境等，搭建仿真模型，車輛以30 km/h和60 km/h的車速行駛時，駕駛員通過轉向盤實時輸入階躍轉向信號，在下位機中實時計算車輛的橫擺角速度和側向加速度響應，并將結果傳輸到上位機進行記錄分析[18]。車輛橫擺角速度和側向加速度響應曲線如圖8和圖9所示。

5 結束語

本文基于xPC Target實時仿真實驗平臺，結合車輛動力學仿真軟件veDYNA，開發了硬件在環汽車駕駛模擬器系統。采用Matlab/Simulink軟件，對車輛參數和道路環境等進行配置，搭建仿真模型，通過數據采集卡采集轉向盤轉角傳感器、油門/制動踏板傳感器和轉矩傳感器等信號，實現外部硬件對虛擬車輛運動的控制。經過實驗測試表明，該系統運行穩定，實時性好，滿足汽車動力學仿真實驗的要求，可作為駕駛輔助系統的仿真平臺。

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