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用于重型卡车的先进电子安全干预
测试的硬件在环式气动制动系统
摘要：车辆制动安全系统正在快速创新和发展，因此系统开发商和监管机构对其进行了广泛的评估和测试，通过使用实际电子设备和车辆硬件的硬件在环（HIL）仿真来评估复杂的重型卡车制动系统的能力，具有更快速，更经济的特点。尽管最初的HIL系统开发会花费大量的时间而且成本也非常高，但是在开发完整的系统上进行的测试时，并不需要因为时间，燃料，车辆维护或技术人员的工作来更改驾驶或卡车配置，而是在车辆动力学仿真软件中快速调整卡车和拖车的配置、装载以及测试场景，这样就可以评估各种条件下自动化安全干预措施（例如ESC）的性能。硬件在环仿真需要对所有轨道进行测试，用于仿真的车辆模型必须针对每个卡车平台的轨道数据进行验证，HIL仿真可以补充和扩展轨道数据，以便在更高速度，低摩擦表面和备用车辆配置下进行测试。国家公路交通安全管理局为此开发了HIL气动制动系统，其目的是评估与安全相关的性能。本文详细介绍了该系统，并提供了一些测试示例结果。
引言
廉价的电子硬件和功能更强大的软件驱动了主动安全系统（例如电子稳定控制（ESC））和高级驾驶员辅助系统（例如自动紧急制动（AEB））在汽车领域的最新创新，较晚的模型汽车是带轮计算机。据估计，超过80％的汽车创新都基于软件[1]，并且随着微处理器，网络和软件功能的增加，这一趋势肯定会继续。
如今，汽车和卡车包括数十个电子控制单元（ECU），它们通过各种网络通信协议进行连接，例如控制器局域网（CAN），本地互连网络和FlexRay。它们已经引入了汽车级以太网芯片组和软件，为汽车上的100MBPS网络铺平了道路，这可以为复杂的技术（如驾驶，互联车辆和驾驶员辅助技术）提供带宽支持。但是由于网络结构的复杂性以及车辆类型的多样性，增加了开发和执行有效的车辆测试程序的难度。
ESC是一种驾驶员辅助技术，现在美国和欧盟要求MY 2012及以后的所有乘用车重量在10,000磅（4536千克）
以下时都需要使用ESC，根据美国国家公路交通安全管理局（2007）的说法，该技术可以避免三分之一的致命事故，而且该技术是通过联邦机动车安全标准（FMVSS）第126号强制执行的。在驾驶员自身的转向和制动不足以快速防止碰撞的情况下，ESC会自动保持方向控制。2015年，NHTSA最终确定了要求在重型卡车和大型客车上使用ESC系统的规则（FMVSS第136号）。目前，ESC系统可用于重型卡车和牵引拖车的组合中，其在重型车辆领域的运用有望进一步减少道路上的致命撞车事故。
配备ESC的重型车辆的物理测试因为许多原因而被限制。出于驾驶员和车辆稳定性的安全考虑，通常不允许在公共道路上以较高的速度进行重型车辆测试，而且现在还缺乏大型的重型车辆专用测试设备。拖挂式拖车和直式卡车因为配置多种多样，因此无法进行全面的实验测试，同时由于难以获得可重复的结果，因此就使得在低摩擦表面上进行ESC测试变得很复杂，另外操作员的可变性也会增加不确定性。
硬件在环（HIL）系统可以扩展现场实验，并有可能减少测试费用和开发时间。重型卡车的HIL仿真涉及跨学科的工程专业知识，包括车辆运动物理和计算机建模，软件工程，网络通信专业知识，电子硬件和实时应用，气动制动系统以及专有的ECU。图1、2、3显示了2012年在NHTSA的车辆研究与测试中心（VRTC）建立的气动HIL系统架构。
图1显示了HIL硬件的牵引器部分，该部分位于装有隔音材料的房间内。左下侧是压力容器，正上方是dSPACE硬件和仪表板的显示板,右边是10个制动室，足以模拟多达5个车轴, 这些腔室的尺寸适合转向和驱动轴，并通过不同尺寸和长度的压力软管连接到调制器，以匹配实际的重型卡车,Bendix EC-60电子控制单元（ECU）位于上层，朝向中心，其他功能在整篇论文中都突出显示。
图1.NHTSA重型卡车HIL系统-拖拉机
图2.制动室（左）和踏板执行器（右）
图3.NHTSA重型卡车HIL系统-拖车
图2是容纳用于重型卡车拖车的类似部件的单独模块，此外，该系统还有一个Bendix TABS-6挂车ECU，该ECU安装在伺服驱动的旋转壳体中，可以让ECU对模拟的挂车侧倾角做出反应，本文后面的部分专门介绍了挂车ECU。
硬件系统组件
本文讨论了NHTSA重型卡车和客车的气动HIL的开发，该系统可以模拟拖拉机和拖车的组合以及具有推轴功能的3级至8级非铰接式单体卡车。
图4显示了该系统主要组件之间的信号流示意图。主机PC用于所有非实时操作，包括模型编译，系统监视，数据存储和分析等。在实时仿真期间，编译的软件在实时dSPACE硬件上运行。
ControlDeskreg;Next Generation是dSPACE软件，为dSPACE实时计算机上运行的仿真提供图形界面（图5）。它在运行时通过其虚拟仪器界面对模拟器硬件和Simulink模型进行完全控制。
重型卡车的车辆动力学通过TruckSIMreg;软件进行建模（图6），通过特殊的Simulink S函数将其作为DLL文件加载到Simulink中（图7），通过将模型从TruckSIM交叉编译成C语言，然后将其编译成dSPACE处理器板目标可执行文件，来实现此功能。目标可执行文件通过ControlDesk软件下载到处理器板上并在处理器板上执行。
dSPACE实时系统和主机PC的图形显示之间的数据传输并不像控制循环那么紧迫。与从TruckSIM实时动画制作器绘制图形等任务所需的PC计算时间相比，从实时系统向主机PC传输数据所需的时间短。但是，模型和ECU数据的获取非常关键，并且dSPACE软件通过ControlDesk包含了一些选项，以检查实时完整性和超限。当前，牵引车和拖车在单个处理器上运行，实时时间步长为1毫秒。该系统仅需0.86毫秒即可完成一个周期，因此不会出现超限情况。该系统能够在四个处理器上运行，但是仅一个处理器用于基本ESC仿真。目前正在开发一个用于NHTSA的新型液压HIL系统以及包括高级驾驶员制动辅助系统的双处理器仿真系统。TruckSIMreg;动画功能用于显示仿真车辆和环境的实时图形（图8），该动画在主机PC上运行，并且不会影响HIL仿真的实时性能。
图4.气动HIL系统流程图[6]
图5.下一代dSPACE ControlDesk
图6.TruckSIM界面
图7.Simulink模型
图8.TruckSIM模型实时动画dSPACE仿真器
NHTSA的HIL Simulator配备了dSPACE实时硬件，该硬件由一个实时处理器（DS1006-QC四核多核处理器）和位于PX10机箱中的三个I/O处理器板组成。DS1006-QC板实现了主机PC访问实时程序的功能，并通过一条以20Mbyte/s通讯的PHS（外围高速）总线连接到I/O板。
dSPACE I/O板一共使用了三个，第一个是DS2211板，该板专门用于汽车HIL系统的仿真和测量[7]。它包含信号调理，适用于高达42伏的信号，并且支持二电压系统，它是此模拟器的中央I/O板，具有16个模拟差分输入通道，20个模拟差分输出通道，基于Texas Instruments DSP板的8个车轮速度通道，16个数字输入通道和2个总线CAN通信接口。DS2211板还具有气动HIL当前不需要的其他功能，都可以在dSPACE网站上找到该板的详细说明。
添加了DS5376分支板，以实现从DS2211 50极连接器（P1A，P1B，P2A，P2B，P3）到ECU和其余HIL电气/电子电路的灵活信号通讯。DS5376提供用于负载的端子，每个通道的负载高达8A。12伏和24伏电池电源电压连接到此板，并用于为数字信号和功率继电器供电。所有模拟输入和输出都是差分的，并且与电源共用一个公共接地。
用于重型卡车的HIL系统需要对许多制动管路压力进行采样和记录，以将其反馈到模拟车辆运动的软件中,DS2211上可用的16个模拟输入通道不足以记录HIL硬件系统的所有必要数据，因此增加了第二个I/O板（DS2002）用于单端通道的输入。
HIL还设计了用于处理与雷达系统和其他车辆设备相关的接口，因此在系统中添加了DS4302 CAN接口板，从而为系统增加了四个额外的CAN通道（图9）。NHTSA的HIL系统共有六个CAN通道可用于连接ECU和其他硬件。
图9.DS4302 CAN接口板[8]
ECU系统
当前的NHTSA HIL系统已设置可以模拟多达10个车轴和气动制动的拖挂车组合，也可以模拟多达五个车轴的中型到重型卡车。两个ECU用于控制重型卡车的ESC系统，分别是用于拖拉机的Bendix EC-60 Advanced（图10）和用于拖车的Bendix TABS-6 Advanced（图16）。在实际应用中，两个ECU都通过OEM（Bendix）原始嵌入式软件进行电子连接，该系统可以处理来自不同制造商的ECU，但到目前为止，工作仍集中在Bendix ECU上。
在HIL中使用的拖拉机电子稳定系统是为ABS和ESC配置的Bendix EC-60,具有以下制造商名称：“ ABS6 ROM7 ESP System 6S/4M”（六个速度传感器和四个调制器）。它是针对车辆并为带有VIN K040157的沃尔沃拖拉机编程，Bendix在其出版物SD-13-4869 [9]中提供了对该系统的详细讨论。该系统提供基于ABS的稳定性功能和自动牵引力控制，为了实现方向稳定性，它配备了偏航控制（YC），该功能可对单个车轮进行制动，并对所有拖车车轮均等地左右制动，它还通过侧倾稳定性程序（RSP）减轻了侧倾，后一种选择降低了发动机转速，并根据需要在所有轴上施加了制动，以通过降低速度来减轻侧翻。
EC-60高级连接
图10显示了与dSPACE实时计算机、手动开关、LED指示器和气动执行器的EC-60电子连接，ECU输入阻抗与实际车辆应用中的阻抗相匹配。图12显示了用于HIL应用的6S/4M EC-60控制器的修改后的接线图，Bendix SD-13-4869手册[9]中提供了原始原理图,主要区别在于动态传感器替换为实时车辆仿真生成的输入。
模拟输入取代了偏航率传感器、横向加速度传感器、车轮速度传感器和负载压力传感器的输入，缓速器和停车灯输入通过J1939总线传递到E-60。在TruckSim动态模型中生成的6kOmega;的负载会添加到负载传感器的计算机生成的信号中，线规保持与原始Bendix接线图所示的要求相似。
图10.Bendix ECU引脚分配[9]
HIL系统可与Bendix EC-60 ECU的多个变体一起使用，每个变体都通过模块化的四分之一圈多针连接器连接到系统（图11）。下面显示的是为具有不同的自动化安全功能的公共汽车，单体卡车和牵引拖车设计的ECU。
图11.具有模块化快速断开功能的各种ECU-60
气动硬件在下面列出，并通过建议的管子尺寸连接。
执行器
bull;五个Bendix M-32压力调节器（图13）。这些控制系统干预期间施加给挂车制动器的压力。
bull;Bendix ATR-6驱动桥牵引力控制阀。
bull;Bendix TR-3转向轴牵引力控制阀。lt;
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