“我們在短短兩個月時間里就利用NI CompactRIO硬件和NI LabVIEW軟件開發(fā)了一套包含復雜算法的轉向反作用力仿真系統(tǒng)。“

挑戰(zhàn)：

開發(fā)一個轉向反作用力仿真系統(tǒng)，可以從不同傳感器采集數(shù)據(jù)，進行計算、信息匹配、并產(chǎn)生輸出，并能夠可靠地執(zhí)行一系列需要快速響應的實時任務。

解決方案：

使用NI CompactRIO硬件和NI LabVIEW軟件在短短兩個月內(nèi)開發(fā)一個基于復雜算法的轉向反作用力仿真系統(tǒng)。

對駕駛過程中轉向反作用力的仿真一直是動態(tài)變化的，因為它取決于車速、轉向角度以及道路狀況。另外，此仿真系統(tǒng)還必須具備快速響應時間，以便通過部件產(chǎn)生反作用力。

在車速、轉向角度、轉向角加速度數(shù)據(jù)的基礎上我們得到了轉向力矩數(shù)據(jù)圖，并根據(jù)此圖計算出最終的反作用力。然后，我們把這些值傳給一個液壓系統(tǒng)來仿真實現(xiàn)最終的反作用力。我們設計系統(tǒng)邏輯，從不同傳感器獲得數(shù)據(jù)、計算數(shù)據(jù)、匹配地圖數(shù)據(jù)，產(chǎn)生輸出，并可靠、快速地執(zhí)行一系列實時任務。

系統(tǒng)概述

我們選擇LabVIEW和CompactRIO來創(chuàng)建我們的系統(tǒng)。我們選擇了可擴展的8槽NI cRIO-9116機箱。它有一個Xilinx Virtex-5現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)，以幫助實現(xiàn)控制邏輯，并保證快速響應時間。我們還選擇了 NI的一款配備了實時操作系統(tǒng)(VxWorks)的cRIO-9024實時控制器。

cRIO-9024控制器具有4 GB的存儲空間，512 MB ​​DRAM和800 MHz的CPU，這將有助于快速采集、記錄和處理大量數(shù)據(jù)。此外，借助兩個以太網(wǎng)端口和一個RS232接口，系統(tǒng)很容易便可與外部設備相連。USB端口可以很容易地用于擴展外部存儲器介質。

我們使用兩個4通道NI9215模擬輸入模塊處理8路模擬傳感器信號。使用一個2端口NI9853控制器區(qū)域網(wǎng)絡(CAN)模塊來與正在開發(fā)的電子穩(wěn)定程序(ESP)電子控制單元(ECU)進行CAN通信。

我們使用NI9474模塊產(chǎn)生8路數(shù)字輸出作為脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號，仿真車輛速度。然后將此PWM信號發(fā)送到EPS ECU來虛擬一個車輛。這個信號會使用通道間相互隔離的NI9269模塊來進行模擬信號輸出，從而消除了信號之間的干擾，以確保用于液壓系統(tǒng)的模擬輸出足夠精確。

除了精確控制數(shù)字和模擬輸出，CompactRIO的配置還可以仿真車輛中動態(tài)變化的傳感器信號和CAN信號(一種車輛通信信號)。我們利用FPGA和實時操作系統(tǒng)創(chuàng)建了一個快速并且高度可靠的車輛仿真系統(tǒng)。

我們?yōu)槭裁催x擇NI產(chǎn)品

考慮到該系統(tǒng)對于處理時間的精確性要求嚴格，我們需要通過FPGA實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集、處理，并保證精確的數(shù)字和模擬控制信號輸出。我們還需要實時、動態(tài)控制，以真實地仿真車輛行駛工況，快速計算出整車轉向反作用力矩的數(shù)據(jù)，并構建出一個不受PC限制的嵌入式系統(tǒng)。LabVIEW減少了我們的軟件開發(fā)時間，并提供了一個強大的函數(shù)庫幫助我們開發(fā)算法。

系統(tǒng)配置

圖1： 系統(tǒng)配置

如圖1所示，8路傳感器信號(NI9215)和CAN通信數(shù)據(jù)(NI9853)各自從它們的輸入對象接收信號。FPGA以100 μs的采樣周期從EPS ECU采集信號，并使用PWM波(0 km/h~250 km/h: 1.41 Hz~353 Hz, 占空比50%)提供車速信號(NI9269)，并最終傳輸給EPS ECU。

通過先入先出(FIFO)的模式，所收集的數(shù)據(jù)將通過實時處理器(cRIO-9024)進行分析和邏輯處理，并轉化為有效值。然后，在實時處理器中，系統(tǒng)使用一種快速映射算法(對應于標準地圖數(shù)據(jù)存儲的反作用力值)由參考數(shù)據(jù)計算出最后的控制量，并將它通過一個FPGA算法產(chǎn)生模擬輸出量。NI 9269模塊則提供±10 V的范圍內(nèi)的控制信號至液壓執(zhí)行器。

輸入的傳感器信號和最終的液壓系統(tǒng)控制值控制了液壓系統(tǒng)。他們同時還保存在隊列中，然后通過TCP / IP通信發(fā)送到PC主機。這種配置使得PC主機可以監(jiān)控反作用力仿真器的性能和狀態(tài)。此外，該系統(tǒng)在保證動態(tài)控制的同時還提供給用戶多個信號的控制權利。

圖2： FPGA程序框圖

圖2顯示了FPGA程序框圖，用于處理傳感器輸入信號的程序以及處理CAN通信的消息的程序。EPS反作用力輸出程序和PWM生成程序分別用于產(chǎn)生液壓執(zhí)行器的控制輸出信號，和將車輛速度轉化為PWM波信號。

圖3 實時程序框圖

在圖3中，程序框圖運行于實時操作系統(tǒng)中，進行數(shù)據(jù)采集、FPGA輸出從數(shù)據(jù)庫中獲取數(shù)據(jù)，并傳出最終值給FPGA，然后再將數(shù)據(jù)經(jīng)過TCP/IP傳給主機。

圖4 2D數(shù)據(jù)插值程序框圖

該系統(tǒng)最重要的部分就是一個可以根據(jù)從傳感器采集的標準值而計算出不同地圖數(shù)據(jù)的算法(見圖4)。將輸入?yún)⒖夹畔⑴c標準值相減后，數(shù)據(jù)減小了，為了保持線性，數(shù)值將從插值中提取出來。

圖5：主機前面板

圖5顯示了主機前面板，用于監(jiān)測EPS仿真器和不同傳感器的狀態(tài)變量。其中大多數(shù)數(shù)據(jù)都將歷史值顯示在圖表上，重要參數(shù)被分開單獨顯示。

圖6：CompactRIO

結論

我們有4個月的時間來開發(fā)這個應用程序，但實際僅使用了短短兩個月內(nèi)就完成了。我們使用LabVIEW編程完成了FPGA程序的快速功能實現(xiàn)和調(diào)試，而這往往需要大量時間和經(jīng)驗。在部署FPGA邏輯的同時，我們還實現(xiàn)了快速的數(shù)據(jù)采集。

該實時操作系統(tǒng)通過運用一個已獲驗證的操作系統(tǒng)(VxWorks)，保證了高度安全、可靠的數(shù)據(jù)處理。因為目標控制的總循環(huán)時間為50毫秒，這就使得一個高效的控制效果成為了可能。這比為液壓執(zhí)行器提供所需的響應更快。

軟件開發(fā)完畢后，將被下載至CompactRIO中獨立運行，在沒有PC控制下，平滑地控制反作用力仿真器。通過匹配整車級別的反作用力力矩數(shù)據(jù)，我們可以在cRIO-9024存儲器中更新不同駕駛條件下的數(shù)據(jù)，用于更準確的實現(xiàn)實驗室級的仿真環(huán)境。因為機箱插槽的可擴展性，我們只要再添加一個模塊，就可以添加出更多樣化的車輛行駛工況。這意味著我們可以使用最初的CompactRIO系統(tǒng)設計來輕松、經(jīng)濟、高效地適應新變化。

使用LabVIEW和CompactRIO作為解決方案的最大優(yōu)勢是，只要使用簡單的組合或者簡單的變量變化，它就能幫助我們快速、方便、準確地建立復雜的算法。