辛迪宇，李占旗，劉全周，王劍飛，孫德明

（中汽研（天津）汽車(chē)工程研究院有限公司，天津 300300）

前言

EDR 控制器類(lèi)似于飛機(jī)的“黑匣子”——飛行數(shù)據(jù)記錄儀（FDR）[1]，EDR 可以實(shí)時(shí)監(jiān)控、采集并記錄發(fā)生事故前后車(chē)輛和乘員保護(hù)系統(tǒng)的時(shí)間序列數(shù)據(jù)[2]。在發(fā)生交通事故時(shí)，如果可以復(fù)現(xiàn)事故現(xiàn)場(chǎng)車(chē)輛行駛狀況的數(shù)據(jù)，將有助于事故的調(diào)查和責(zé)任的劃分。目前中國(guó)發(fā)售的大部分車(chē)型均安裝有EDR 模塊[3]，在EDR 控制器開(kāi)發(fā)過(guò)程中需要對(duì)EDR 控制器的控制功能進(jìn)行大量、重復(fù)的碰撞測(cè)試，對(duì)于這些測(cè)試在實(shí)際試驗(yàn)中會(huì)耗費(fèi)大量的金錢(qián)和時(shí)間，本文通過(guò)開(kāi)發(fā)被控對(duì)象模型和EDR 碰撞臺(tái)架，并將兩者與dSPACE 硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)相結(jié)合的方式搭建了EDR 控制器硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了車(chē)輛碰撞工況的仿真，該系統(tǒng)不僅可以滿(mǎn)足EDR 控制器功能測(cè)試，而且大大降低了控制器的開(kāi)發(fā)成本。

1 EDR 控制器的功能

EDR 控制器的主要目的是實(shí)現(xiàn)事故發(fā)生前或發(fā)生時(shí)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)記錄。故EDR 控制存儲(chǔ)單元需要具有事件觸發(fā)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、總線(xiàn)通信等功能。此外為了保證系統(tǒng)的可靠工作等潛在需求，控制存儲(chǔ)單元還具有備用電源、診斷系統(tǒng)等功能，具體如下：

事件觸發(fā)模塊由傳感器信號(hào)采集、信號(hào)前處理、觸發(fā)閾值計(jì)算等組成，如圖1 所示。

（1）信號(hào)采集，數(shù)據(jù)來(lái)源為內(nèi)置加速度傳感器和外圍碰撞傳感器兩部分，內(nèi)置加速度傳感器采集橫向、縱向加速度信號(hào)，外圍碰撞傳感器采集正碰、側(cè)碰加速度信號(hào)。

（2）信號(hào)前處理，中央處理器根據(jù)數(shù)據(jù)處理算法、標(biāo)定參數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行抗擾、濾波、FIFO（先進(jìn)先出，緩沖環(huán)節(jié)，降低處理器負(fù)擔(dān)）、A/D 轉(zhuǎn)換等處理，處理后的結(jié)果作為觸發(fā)閾值計(jì)算的輸入。

（3）觸發(fā)閾值計(jì)算，在一定時(shí)間內(nèi)，加速度達(dá)到某個(gè)限值后，則儲(chǔ)存相應(yīng)的輸入數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能是指中央處理器從汽車(chē)CAN 網(wǎng)絡(luò)讀取數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)必要處理后送入非易失性存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)。

診斷功能包括故障檢測(cè)和故障處理兩部分，故障檢測(cè)對(duì)系統(tǒng)的狀態(tài)或參數(shù)進(jìn)行比較，當(dāng)狀態(tài)或參數(shù)不符預(yù)期或超出預(yù)定范圍時(shí)認(rèn)為系統(tǒng)出現(xiàn)故障，對(duì)相應(yīng)的故障數(shù)據(jù)位進(jìn)行置位并存儲(chǔ)。故障處理根據(jù)故障檢測(cè)出的故障進(jìn)行相應(yīng)的處理措施。

2 測(cè)試模型及建模原理

圖2 EDR 控制器硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)

EDR 控制器硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)的作用主要是開(kāi)發(fā)測(cè)試控制器的存儲(chǔ)功能和故障診斷功能，由于EDR 控制器內(nèi)部帶有碰撞傳感器，單純仿真無(wú)法激活控制器內(nèi)部的碰撞傳感器，故本文采用被控對(duì)象模型和碰撞試驗(yàn)臺(tái)架結(jié)合的方式開(kāi)發(fā)EDR 控制器硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)，如圖2 所示。本文所開(kāi)發(fā)的EDR 控制器硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)主要包括四部分：1）裝有Matlab/Simulink/RTW 軟件、dSPACE/ControlDesk 軟件及dSPACE/ConfigurationDesk 軟件的上位機(jī)；2）EDR 碰撞仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)架；3）DSPACE HIL 測(cè)試仿真機(jī)柜；4）EDR 控制器。

2.1 硬件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

EDR 控制器硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)是基于dSPA-CE 實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)開(kāi)發(fā)而成的，本文采用的dSPACE 測(cè)試仿真系統(tǒng)是SCALEXIO 系統(tǒng)平臺(tái)，選取的資源板卡為DS2671總線(xiàn)仿真板卡，該板塊具有CAN/LIN 總線(xiàn)仿真功能。DSPA-CE 的RTT 模塊可將Matlab/simulink 開(kāi)發(fā)的模型由離線(xiàn)轉(zhuǎn)換為實(shí)時(shí)，RTW 模塊將模型生成DSPACE 實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的代碼，通過(guò)將代碼下載到dSPACE 實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)上，使得模型在HIL 測(cè)試仿真系統(tǒng)中運(yùn)行[4]。

EDR 控制器與硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)的交互包括CAN 總線(xiàn)和硬線(xiàn)兩部分，其中采用DS2671 總線(xiàn)仿真板卡進(jìn)行CAN 總線(xiàn)信號(hào)的仿真，CAN 總線(xiàn)用于被控對(duì)象與EDR 控制器的數(shù)據(jù)交互；利用程控電源給EDR 控制器供電，HIL 測(cè)試仿真系統(tǒng)和上位機(jī)通過(guò)網(wǎng)線(xiàn)連接。

2.2 碰撞模型開(kāi)發(fā)

目前已知的轎車(chē)與轎車(chē)正面碰撞時(shí)有效碰撞速度與其變形之間的實(shí)驗(yàn)公式為[5]：

式中：V 為轎車(chē)的有效碰撞速度（單位：m/s）；x 為轎車(chē)的有效變形量（單位：m）。

由于轎車(chē)的有效變形量x 隨每個(gè)車(chē)輛的不同而不同，且在碰撞過(guò)程中x 為連續(xù)變化過(guò)程，目前還沒(méi)有確定的公式可以仿真出碰撞過(guò)程中x 的變化過(guò)程，故通過(guò)公式進(jìn)行碰撞仿真不具有精確性和唯一性，且目前還沒(méi)有可以連續(xù)仿真碰撞過(guò)程的公式，而通過(guò)查表法進(jìn)行碰撞仿真，可精確還原碰撞數(shù)據(jù)，但對(duì)于超出范圍的數(shù)據(jù)偏差較大，本文采用查表的方式對(duì)碰撞過(guò)程進(jìn)行仿真。

2.3 發(fā)動(dòng)機(jī)模型開(kāi)發(fā)

發(fā)動(dòng)機(jī)模型主要包括3 部分，分別為扭矩計(jì)算模型、燃油消耗模型、熱模型，由于EDR 控制器不采集與燃油消耗模型、熱模型相關(guān)的數(shù)據(jù)，故本文搭建的發(fā)動(dòng)機(jī)模型忽略燃油消耗模型和熱模型。通過(guò)建立發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門(mén)開(kāi)度和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系可以得出發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩值，然后通過(guò)積分的形式使扭矩變化與真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)一致，發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門(mén)開(kāi)度和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩值的關(guān)系如圖3 所示。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門(mén)開(kāi)度和轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)扭矩值的關(guān)系圖

2.4 整車(chē)動(dòng)力學(xué)模型開(kāi)發(fā)

整車(chē)動(dòng)力學(xué)模型是將發(fā)動(dòng)機(jī)模型傳輸?shù)膭?dòng)力轉(zhuǎn)換為作用在車(chē)輪上的力，車(chē)輪上的力通過(guò)克服阻力驅(qū)動(dòng)車(chē)輛行駛，這些阻力包括：滾動(dòng)阻力、坡道阻力、空氣阻力、加速阻力等，車(chē)輛動(dòng)力學(xué)方程為：

式中：Ff 為汽車(chē)滾動(dòng)阻力（單位：N）；Fi 為坡道阻力（單位：N）；Fw 為空氣阻力（單位：N）；Fj 為加速阻力（單位：N）。

根據(jù)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)方程和各阻力方程進(jìn)行建模，所搭建的車(chē)輛動(dòng)力學(xué)Simulink 模型如圖4 所示。

圖4 車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型

2.5 EDR 碰撞臺(tái)架開(kāi)發(fā)

本文所采用的EDR 碰撞臺(tái)架包括動(dòng)力模塊、反饋模塊、保護(hù)模塊、控制模塊等四部分，EDR 控制器安裝在工作臺(tái)上，工作臺(tái)置于直線(xiàn)導(dǎo)軌上，動(dòng)力模塊負(fù)責(zé)產(chǎn)生不同的加速度值；反饋模塊將外置于工作臺(tái)上的加速度值檢測(cè)出來(lái)，并發(fā)送至控制模塊中的上位機(jī)；保護(hù)模塊用于程序跑飛時(shí)，通過(guò)回位彈簧對(duì)電機(jī)進(jìn)行機(jī)械保護(hù)，此外通過(guò)保護(hù)罩與試驗(yàn)人員進(jìn)行隔離，以保護(hù)試驗(yàn)人員的安全；控制模塊通過(guò)下載至驅(qū)動(dòng)器中的程序?qū)﹄姍C(jī)進(jìn)行控制，并通過(guò)指示燈實(shí)時(shí)顯示電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。

其原理為：dSPACE 實(shí)時(shí)仿真機(jī)柜和EDR 碰撞臺(tái)架通過(guò)硬線(xiàn)和總線(xiàn)連接，當(dāng)模型中碰撞觸發(fā)時(shí)，dSPACE 實(shí)時(shí)仿真機(jī)柜發(fā)出模型計(jì)算的加速度數(shù)據(jù)給EDR 碰撞臺(tái)架，EDR 碰撞臺(tái)架通過(guò)控制臺(tái)架上的電機(jī)動(dòng)作，使得EDR 控制器內(nèi)部碰撞傳感器激活，從而仿真碰撞過(guò)程，EDR 控制器識(shí)別和存儲(chǔ)內(nèi)部碰撞傳感器識(shí)別到的數(shù)據(jù)。

3 EDR 測(cè)試系統(tǒng)驗(yàn)證

為驗(yàn)證開(kāi)發(fā)的EDR 控制器硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)，本文選取了某公司開(kāi)發(fā)的EDR 控制器，分別對(duì)EDR 控制器硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)的控制功能及EDR 控制器故障注入進(jìn)行驗(yàn)證，其中EDR 控制器硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸出采用車(chē)輛縱向碰撞加速度、安全氣囊狀態(tài)進(jìn)行說(shuō)明，EDR 控制器故障注入采用電氣故障進(jìn)行說(shuō)明。

圖5 模型輸出的碰撞數(shù)據(jù)和控制器識(shí)別的碰撞數(shù)據(jù)對(duì)比圖

圖5為EDR控制器硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)中碰撞模型輸出的碰撞數(shù)據(jù)和EDR 控制器識(shí)別的碰撞數(shù)據(jù)對(duì)比圖，從圖中可以看出本文搭建的EDR 控制器硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)仿真的碰撞加速度與控制器識(shí)別的碰撞加速度基本吻合，從而證明了EDR 控制器可識(shí)別到系統(tǒng)仿真的碰撞過(guò)程。

圖6 為碰撞時(shí)，EDR 控制器硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)中總線(xiàn)仿真輸出的安全氣囊的打開(kāi)時(shí)刻和控制器識(shí)別的安全氣囊狀態(tài)對(duì)比圖，在EDR 控制器硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)的安全氣囊狀態(tài)仿真中設(shè)置在加速度大于8g 時(shí)安全氣囊打開(kāi)，從圖中可以看出EDR 識(shí)別并記錄的安全氣囊狀態(tài)與仿真一致。

圖6 模型輸出的安全氣囊的打開(kāi)時(shí)刻和控制器識(shí)別的安全氣囊狀態(tài)對(duì)比圖

對(duì)于故障診斷功能的驗(yàn)證，本文以EDR 控制器供電電源短路故障為例進(jìn)行說(shuō)明，通過(guò)EDR 硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)的上位機(jī)設(shè)置EDR 控制器供電電源短路到地，從EDR 故障讀取工具中讀取EDR 控制器的故障代碼，實(shí)驗(yàn)表明EDR 識(shí)別到的故障代碼和輸入的故障一致，通過(guò)故障診斷功能的驗(yàn)證可證明本文開(kāi)發(fā)的EDR 硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)可滿(mǎn)足EDR 控制器的故障診斷功能開(kāi)發(fā)驗(yàn)證。

4 結(jié)論

本文開(kāi)發(fā)了EDR 控制器硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)，并通過(guò)試驗(yàn)對(duì)所開(kāi)發(fā)的EDR 控制器硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了控制功能及故障診斷功能的驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果表明本文所開(kāi)發(fā)的EDR控制器硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)可有效的測(cè)試EDR 控制器的功能，且具有可重復(fù)性、靈活性、安全性等特點(diǎn)。