重庆理工大学学报(自然科学)

紧凑型驾驶员在环EMT换挡试验平台开发

分类:重点推荐 发布时间:2018-04-25 18:12 访问量:921

分享到:
ü 引用本文

__________________________________________________________________________________________________________________________________________

引用格式:任鑫,王立军,陈红旭,等.紧凑型驾驶员在环EMT换挡试验平台开发[J].重庆理工大学学报(自然科学),2018(3):28-34.

Citation formatREN Xin, WANG Lijun, CHEN Hongxu, et al.Development of Compact Driver-in-the-Loop EMT Gearshift Test Bench[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science),2018(3):28-34.

__________________________________________________________________________________________________________________________________________

作者简介:任鑫,男,硕士研究生,主要从事电动汽车方向、变速器控制研究,E-mail:renx15@mails.tsinghua.edu.cn。

doi: 10.3969/j.issn.1674-8425(z).2018.03.004

紧凑型驾驶员在环EMT换挡试验平台开发

任 鑫,王立军,陈红旭,卢紫旺

(清华大学 汽车安全与节能国家重点实验室, 北京 100084)

摘 要: 常见的变速器换挡试验台架注重对换挡的动力学过程进行研究,而没有把驾驶员以及交通场景带来的外界随机扰动考虑在内。为了提升变速器换挡试验的真实性和可靠性,在原有电驱动机械变速器(EMT)换挡试验台架的基础上增加了紧凑型驾驶模拟仿真系统,集成了虚拟交通场景、驾驶操作部件以及基于模型预测控制方法的自动驾驶算法。在LabVIEW环境下开发了数据采集与处理软件来实现驾驶模拟信息采集和处理、驾驶模拟仿真系统与变速器控制器通信、车辆运行状态以及换挡过程监控等功能。大量试验结果表明:该试验平台能够模拟车辆在不同路况和驾驶员风格下的运行状态,实现驾驶员和交通场景在环的EMT换挡试验。

关 键 词: 驾驶模拟仿真系统;驾驶模拟器;驾驶员在环;换挡试验

Development of Compact Driver-in-the-LoopEMTGearshift Test Bench

REN Xin, WANG Lijun, CHEN Hongxu, LU Ziwang

(The State Key Laboratory of Electrical Vehicle, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

Abstract: Conventional gearshift test benches focus on analyzing dynamic process of shift process without considering external random disturbance of driver and traffic environment in a driving cycle. Based on original gearshift test bench, a compact driving simulation system was designed to realize driver-in-the-loop gearshift test, which is more reliable than conventional test. Virtual driving environment, driving simulator and auto-driving algorithm based on model predictive control were integrated in the system. A LabVIEW software was developed for simulator data acquisition and processing, communication between simulation system and transmission control unit (TCU) as well as vehicle status and shift process monitoring. A large number of tests show that the test bench can simulate the vehicle operating conditions under different road condition and driver style and realize driver-in-the-loop gearshift test of electric-drive mechanical transmission (EMT).

Key words: driving simulation system; driving simulator; driver-in-the-loop; transmission gearshift test

 

电驱动系统作为电动汽车的核心技术之一,近年来得到了越来越多的关注。在电驱动系统的研究中,换挡控制算法验证与换挡性能测试至关重要。电驱动系统的测试通常分为实车道路试验和台架试验两种,其中实车道路试验由于试验成本高、试验周期长等原因在研究阶段使用较少。台架试验以其经济性、不断提高的自动化程度和精度逐渐成为电驱动系统测试的主要方式[1]。程潇骁等[2]设计了电机-变速器一体化传动的换挡试验台架测控系统,能够实现换挡过程的控制、数据采集和显示以及在线调参等功能,为换挡过程分析和控制策略优化提供了方便; Chih-Hsien Yu等[3]研发了无离合器自动机械变速器(CLAMT)换挡实验平台,用于五速机械变速器的自动换挡控制策略研究。上述换挡试验台架主要关注换挡的动力学过程,但是与道路试验相比,忽略了换挡过程中驾驶员以及交通场景带来的外界随机扰动,也不能进行各种复杂工况条件下的测试[4]

为了提升变速器换挡试验的真实性和可靠性,一些研究者开始研究如何在换挡试验中考虑驾驶员以及交通场景的影响。米林等[5]以机械式自动变速器换挡试验台的测控系统为基础,模拟换挡时的实况环境,在很大程度上避免了实车道路试验的缺点。但是基于测控系统对车辆行驶工况的模拟较为有限,也未能实现驾驶员和交通场景在环。为了进一步改进,本文在原有电驱动机械变速器(EMT)测试台架的基础上增加了紧凑型驾驶模拟仿真系统,通过真实驾驶员或者基于模型预测控制(MPC)的自动驾驶算法对虚拟驾驶环境中的车辆进行操作,实现驾驶员和交通场景在环的变速器换挡试验。

1 试验平台总体设计方案

 

驾驶员在环的电驱动机械变速器(EMT)换挡试验平台总体方案如图1所示。其中1为输出端电机,2为行星减速机构,3为机械变速器,4为驱动电机,5为换挡执行机构及换挡电机,6、7、8为电机控制器,9为变速器控制器(TCU),10为NI USB数据采集卡,11为上位机显示器,12为驾驶操作设备,13为数据处理服务器,14为驾驶场景显示器,15、16为监控显示器。

主要工作原理:驾驶员通过驾驶操作设备控制虚拟驾驶场景中的车辆,驾驶员操作信息以及车辆状态信息经过数据处理服务器通过CAN通信发送到变速器控制器。变速器控制器根据驾驶员操作信息、车辆状态等参数识别换挡时机并控制驱动电机、换挡电机完成自动换挡。整个过程的驾驶员操作信息、车辆状态和最近一次的换挡信息都会实时显示在监控系统中,方便测试时对车辆状态和换挡过程进行监测。根据功能,将试验平台分为EMT换挡试验平台、紧凑型驾驶模拟器以及监控系统三部分。

1.1 EMT换挡试验台架

换挡试验台架是整个试验系统的核心组成部分,主要由机械变速器、输出端电机及其控制器、驱动电机及其控制器、换挡执行机构以及变速器控制器组成。输入端电机经过行星减速机构的转速模拟车辆行驶时变速器输出轴的转速,因此与驾驶模拟器中虚拟车辆的转速耦合。输出端电机工作在转速闭环模式时,其转速可以通过一个电压模拟量来控制。将车辆模型返回到LabVIEW程序的车速按照一定比例缩小,再通过NI USB-6314数据采集卡的模拟量输出通道输出相应的电压模拟量就可以控制其转速随车辆模型车速变化。机械变速箱为无同步器的4挡变速箱,由2个换挡电机实现4个挡位的自动控制。变速器控制器是试验台架换挡控制的核心,其功能包含根据车辆运行状态识别换挡时机、换挡协调控制、换挡过程数据采集等。

EMT换挡过程如下:变速器控制器向驱动电机发送卸载转矩的指令,随后向换挡电机发送摘挡指令。摘挡结束后,变速器控制器控制驱动电机快速、精确地实现目标挡位输入输出端齿轮转速的同步,最后再向换挡电机发送换挡指令,控制驱动电机恢复转矩,完成换挡。整个换挡过程的数据通过CAN通信上传到上位机。

1.2 紧凑型驾驶模拟仿真系统

汽车驾驶模拟器通过计算机技术产生汽车行驶过程中的虚拟视景、音响效果和运动仿真,使驾驶员能够在虚拟驾驶环境中产生实车驾驶体验[6]。大型的汽车驾驶模拟器(如典型的6自由度运动模拟平台)可以模拟出汽车行驶时的翻转、俯仰、旋转等运动,同时驾驶模拟器的视景系统可以为驾驶员提供模拟真实驾驶环境的视景,使驾驶员更好地沉浸在虚拟的驾驶环境中,因此对于研究驾驶员的行为特性具有很大的优势[7]。但是,对于一些与驾驶员行为特性相关而驾驶员行为特性又不是关键因素的研究来说,大型驾驶模拟器由于开发成本、使用成本太高不再适用。因此,对于变速器换挡测试,开发低成本的紧凑型驾驶模拟器是具有实际应用价值的。

本文开发的紧凑型驾驶模拟仿真系统由驾驶操作设备、驾驶场景显示屏以及数据处理服务器组成,省略了真实的驾驶舱以及多自由度运动模拟系统,大大降低了成本。其主要功能是模拟车辆在不同交通场景、不同驾驶员风格下的行驶状态,为实现驾驶员在环的EMT换挡测试提供条件。实现种类丰富、效果逼真的虚拟驾驶场景以及为驾驶员提供接近实车的驾驶操作设备是驾驶模拟仿真系统设计的目标。

1.3 监控系统

为了更加方便地监测车辆运行状态以及换挡过程,在LabVIEW环境下开发了相应的状态监控界面,实时显示当前试验的相关信息。车辆状态监控界面的主要功能是显示驾驶员的操作信息以及车辆的速度、挡位变化信息等。换挡过程监控的主要功能是将最近一次换挡过程中的关键参数可视化,便于测试时对换挡过程有直观的认识,提高测试的效率。清晰、直观地显示试验中的关键数据是监控系统设计的目标。

2 试验平台硬件选型

第一部分对试验平台整体的系统构成和工作原理作了初步说明,本章详细介绍各个部分的硬件选型与和功能。

2.1 换挡试验台架硬件选型

EMT换挡试验台架结构如图2所示。输出端电机1、驱动电机4均选用安川公司的SGM7A-08A7A61交流伺服电机及配套的控制器,额定功率,额定转矩,具有响应速度快、功率密度大以及控制精度高等优点。为保证变速器输出端转速稳定,行星减速机构2采用普洛威(POROVIN)公司的TS090型单级减速机构,实现输出端电机减速增矩的功能。机械变速箱3为法士特(FAST)公司生产的无同步器4挡变速箱。换挡执行机构5的机械部分为自主设计的齿轮减速式机构,具有结构紧凑、控制精确等优点;电控部分采用2个安川公司的SGM7A-02A7A61交流伺服电机及配套的控制器,额定功率,额定转矩。变速器控制器9基于Infineon XC2000系列芯片设计。数据采集卡10为NI公司的USB 6314系列,可配合LabVIEW软件通过模拟量输出通道输出的电压来控制输出电机1的转速。数据处理服务器13采用惠普580-076系列主机。服务器与变速器控制器的通信基于CAN总线,CAN分析仪14采用Kvaser Leaf Light HS V2,可靠性好。

2.2 紧凑型驾驶模拟器硬件选型

试验台架所用的紧凑型驾驶模拟器硬件组成如图3所示。其中;1为方向盘;2为离合器/刹车/油门踏板;3为换挡杆(自动挡),采用罗技(Logitech)公司的G29驾驶模拟设备。方向盘采用了双马达力反馈技术,可以较好地模拟出驾驶汽车时方向盘对驾驶员的力反馈。方向盘的转角范围以及力反馈的大小都可以根据实际需要进行调节。踏板装置和换挡杆(自动挡)也都仿照实车进行设计,保证驾驶体验更加接近真实情形。驾驶模拟器采集驾驶员操作信息后,通过USB信号线4输入数据处理服务器5,服务器通过LabVIEW程序读取并解释驾驶员操作信息,最后输入车辆模型。车辆模型根据输入信息模拟真实车辆的运动,并将车速信息返回到服务器,而虚拟车辆的运动及驾驶环境则会通过视频线6显示在驾驶员前方的显示器7上。

3 试验平台软件设计

图4所示为驾驶员在环的EMT换挡试验平台信息流示意图。其中:1为驾驶员操作信息,2为车辆模型输入信号,3为车辆模型返回信号,4为驾驶员操作信息和车辆状态信息,5为换挡信息,6为处理后的监控信息。根据功能,将软件部分分为驾驶模拟仿真系统信息处理、监控系统数据处理和车辆模型及真实路况模拟3部分。其中,前两部分程序基于LabVIEW程序开发,车辆模型及真实路况模拟程序基于Unity3D开发。

3.1 驾驶模拟仿真系统信息处理

驾驶模拟仿真系统信息处理程序的主要功能是正确地解读驾驶员的意图并控制虚拟的车辆按照驾驶员的意图行驶,同时将驾驶员操作信息以及车辆运行状态信息发送到换挡试验台架TCU和监控系统数据处理程序。首先对输入输出信号进行说明。信号1包含方向盘转角、刹车踏板深度、油门踏板深度、挡位信息以及驾驶模式。驾驶模式是指驾驶员可以通过方向盘上的按键选择驾驶模式为“自动驾驶(Auto)”或“驾驶员驾驶(Driver)”。为了操作简便,挡位信息仅包含“前进”、“空挡”和“后退”3个挡位。信号2包含目标加速度、目标转向角以及驾驶模式,其中目标加速度与目标转向角根据车辆模型输入接口的要求,均为归一化之后的值。信号3为车辆模型返回的车速信息。信号4包含方向盘转角、刹车踏板深度、油门踏板深度、挡位信息、驾驶模式以及车速信息等。驾驶模拟仿真系统信号说明见表1。

驾驶员操作信息处理程序基于LabVIEW软件开发,信息处理流程如图5所示。程序首先根据方向盘上驾驶模式切换按钮的状态判断驾驶员选择的驾驶模式,若为自动驾驶模式,则虚拟车辆的行驶不再受驾驶员控制,而是由车辆模型预设的自动驾驶算法控制,此时不再对输入信号进行处理;若选择驾驶员驾驶,则虚拟车辆的行驶受驾驶员控制,此时需要对输入信息作进一步解析。刹车和油门信号、方向盘转角最终解释为虚拟车辆的目标加速度、目标转向角。需要注意的是,如果同时检测到刹车和油门踏板信号,那么认为是驾驶员误操作。从安全的角度考虑,仅刹车踏板信号有效,自动忽略油门踏板信号。另外,将踏板信号解释为虚拟车辆的目标加速度时,需要考虑当前车速,相同的踏板信号在车辆处于前进和后退时对应的目标加速度恰好相反。

3.2 监控系统数据处理

监控系统数据处理软件的核心是将试验时反映车辆运行状态和换挡动力学过程的关键数据显示在监控界面上,方便测试者了解整个系统运行的状态。本文主要基于LabVIEW软件开发了2个监控界面,分别是车辆状态监控界面和换挡过程监控界面。

车辆状态监控界面如图6所示。该界面显示了驾驶员的操作信息如踏板信号、方向盘转角信号、挡位信号以及驾驶模式,方便驾驶员在操作时得到反馈。该界面还把驾驶员在一定时间段内的车速变化以及挡位变化显示出来,便于观测变速器在该驾驶工况下的换挡频率等。

变速器换挡过程监控界面如图7所示。该界面将换挡过程的关键数据可视化,包括换挡时间、当前挡位、驱动电机转矩、接合齿圈相对接合套的转速、接合齿圈相对接合套的转角。通过该界面可以方便地对每次换挡的情况进行监测,并对换挡品质产生初步的判断。

3.3 车辆模型及真实路况模拟

车辆模型及虚拟驾驶场景是驾驶模拟仿真系统的核心部分,其性能的优劣对整个驾驶模拟系统的实用性有直接影响[8]。随着计算机技术的发展,构建虚拟驾驶场景的技术也越来越成熟。姜峰等[9-10]研究了基于Unity3D平台的虚拟驾驶场景开发,能较好地实现虚拟驾驶系统的功能。

本文的车辆模型以及真实路况模拟使用Udacity公司的自动驾驶算法开发平台实现。该平台也是基于Unity3D平台开发,为二次开发者提供了基本车辆模型以及质量较高的虚拟驾驶环境,开发者可以通过服务器接口方便地在这个平台上开发车辆的控制算法。用于驾驶员操作信息处理的LabVIEW程序可以与该平台的服务器基于TCP协议通信并传递归一化处理后的加速度、转向角以及驾驶模式信息,这样就可以实现通过驾驶模拟器输入设备控制虚拟环境中车辆模型的目的。此外,为了在没有真实驾驶员的情况下也能进行变速器换挡测试,还在该平台上开发了基于模型预测控制(MPC)的自动驾驶算法,该算法通过识别道路中心线自动控制虚拟车辆的转向角和加速度。试验结果表明:该算法能够很好地控制车辆行驶,可以作为一个驾驶水平较好的“标准驾驶员”在测试中使用。车辆以及真实路况模拟视景如图8所示。

4 变速器测试实例

在原有电驱动机械变速器换挡试验台架的基础上增加紧凑型驾驶模拟仿真系统后,试验台架的实物图如图9所示。该试验台架能方便地实现驾驶员和驾驶场景在环的变速器换挡测试。

选择模拟器的驾驶模式为“自动驾驶”,对整个测试系统的功能进行验证。图10所示为虚拟车辆行驶过程中90~160 s的车速和挡位变化曲线。从图10可以看出:随着车速的变化,挡位多次在2挡和3挡之间切换。对照车速和挡位曲线可以看出,挡位切换时车速会降低,这是因为短时间的动力中断造成的。

图11所示为某一次换挡过程中的接合齿圈相对接合套的转速、接合齿圈相对接合套的转角、驱动电机转矩随时间的变化曲线。从图11可以清楚地观测换挡过程中各个部件的运动情况,为换挡测试以及换挡控制策略验证提供了方便。

5 结束语

本文针对原有换挡试验台架不能将驾驶员以及驾驶环境因素考虑在内的不足,在原有试验台架的基础上设计了紧凑型驾驶模拟仿真系统。该系统能模拟多种仿真效果较好的虚拟驾驶环境,实现驾驶员在环仿真,为变速器试验提供车辆运行工况。试验结果表明:改进后的试验台架可以基于虚拟驾驶环境进行驾驶员在环的变速器换挡测试,使实验室试验更加接近真实道路试验,而且其与真实道路测试相比节约了时间和成本,受环境影响小。所设计的状态监控界面可以将车辆运行以及换挡过程关键数据可视化,显示效果清晰直观,便于测试者观察,使试验过程更加方便和高效。

参考文献:

[1] 倪小波.汽车机械式变速器性能试验台设计与研究[D].武汉:武汉理工大学,2013.

[2] 程潇骁,陈红旭,任晨佳,等.电机-变速器一体化传动的换挡试验台架测控系统的设计[J].汽车工程,2015,37(2):184-188.

[3] YU C H,TSENG C Y,WANG C P.Smooth gear-change control for EV Clutchless Automatic Manual Transmission[C]//IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics.USA:IEEE,2012:971-976.

[4] 熊会元,韩祥,胡意,等.驾驶员在环的电驱动系统模拟试验台研究与开发[J].汽车技术,2016(5):52-56.

[5] 米林,王晶晶,谭伟,等.机械式自动变速器换挡性能测控试验系统[J].重庆理工大学学报(自然科学),2015,29(1):12-15.

[6] 姚梦阳,杨春杰,黎建军,等.6-SPSR驾驶模拟器平台设计及机构理论分析[J].现代机械,2017(2):11-13.

[7] 吴晓瑞,吴志周.汽车驾驶模拟器在交通安全中的应用综述[J].交通信息与安全,2015(2):10-19.

[8] 高晗,裴玉龙.基于OpenGL的虚拟驾驶场景开发技术[J].交通信息与安全,2008,26(4):189-192.

[9] 姜峰,陈艳,李滨城,等.基于Unity3D的虚拟驾驶系统的开发与应用[J].智能计算机与应用,2017,7(4):39-41.

[10] 张茜.基于Unity3D的汽车功能模拟与驾驶场景演示系统的设计和实现[D].南京:东南大学,2016.

                                         (责任编辑 杨黎丽)