劉彥博，孫偉奇，史 瑞，陳思聰，郝 麗，申贊偉

（1.上海交通大學(xué)a.電子信息與電氣工程學(xué)院教學(xué)發(fā)展與學(xué)生創(chuàng)新中心，b.資產(chǎn)管理與實(shí)驗(yàn)室處，上海 200240；2.心動(dòng)互動(dòng)娛樂有限公司城北大王寨工作室，上海 200070；3.斯柯信號(hào)有限公司平臺(tái)技術(shù)中心，上海 200071）

0 引言

“十四五”期間，智能網(wǎng)聯(lián)汽車產(chǎn)業(yè)將越發(fā)備受關(guān)注。國務(wù)院、國家發(fā)展和改革委員會(huì)都將智能汽車放到核心戰(zhàn)略發(fā)展地位［1］。到2025 年，我國部分自動(dòng)駕駛、有條件自動(dòng)駕駛智能網(wǎng)聯(lián)汽車將有望占當(dāng)年汽車市場銷量的50%以上［2］。行業(yè)預(yù)計(jì)智能汽車中的代碼行數(shù)將超過1 億行，這使得汽車系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜。而傳統(tǒng)面向文檔的方法來開發(fā)系統(tǒng)和軟件已達(dá)到其效率極限［3］。

“智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)路線圖2.0”的發(fā)布，加速了汽車產(chǎn)業(yè)布局。隨著無人駕駛汽車系統(tǒng)復(fù)雜程度的提高，開發(fā)過程的每個(gè)階段都會(huì)帶來復(fù)雜性［4］。對(duì)于大型系統(tǒng)，任何隱藏在復(fù)雜階段中的小問題都有可能對(duì)整個(gè)系統(tǒng)造成損害。自動(dòng)駕駛公司正在使用基于模型開發(fā)的設(shè)計(jì)理念來踐行軟件定義汽車。在教學(xué)中引入企業(yè)前沿設(shè)計(jì)理念，可激發(fā)學(xué)生的興趣和研究方向［5］。

1 模型設(shè)計(jì)理念

在傳統(tǒng)的開發(fā)過程中，需求、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和測試任務(wù)在不同的工具環(huán)境中順序執(zhí)行，有許多手動(dòng)步驟。需求通過文本方式捕獲，使用文檔管理工具。如圖1所示的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程中，每個(gè)階段都可能會(huì)出現(xiàn)一些缺陷。前面階段中所積累的缺陷會(huì)引發(fā)在測試階段中開發(fā)時(shí)間和成本的資源消耗和損失［6］。

圖1 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

如圖2 所示，相同的一組需求分別為基于模型的設(shè)計(jì)和傳統(tǒng)流程設(shè)計(jì)流程。需求不作為文本規(guī)范的基礎(chǔ)，而是用于以模型的形式開發(fā)可執(zhí)行的規(guī)范。MBD使用這些模型來闡明需求和規(guī)范。然后對(duì)模型進(jìn)行詳細(xì)闡述，來進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。使用基于模型的設(shè)計(jì)工具，可以在系統(tǒng)級(jí)模擬設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)之前發(fā)現(xiàn)接口缺陷。一旦設(shè)計(jì)完成，就會(huì)自動(dòng)從模型中生成產(chǎn)品代碼和測試用例。測試可以在需求階段開始來模擬可執(zhí)行的規(guī)格，以驗(yàn)證需求是否被滿足。進(jìn)而使得缺陷被更早地捕獲并移除，降低了開發(fā)的總成本［7］。

圖2 基于模型設(shè)計(jì)流程

如圖3 所示為V-模型開發(fā)生命周期的各階段與其相關(guān)的測試階段之間的關(guān)系。水平軸和垂直軸分別表示時(shí)間或項(xiàng)目完整性（從左到右）和抽象級(jí)別。

圖3 V-模型開發(fā)流程

（1）系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段。通過研究用戶需求文檔來分析和理解所提議系統(tǒng)的業(yè)務(wù)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)用戶需求的可能性和技術(shù)，并相應(yīng)地編輯用戶需求文檔。這個(gè)過程生成用作開發(fā)階段藍(lán)圖的軟件規(guī)范文檔。這些文檔包含一般的系統(tǒng)組織，菜單結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等。為了更好地理解，它可能還包含示例業(yè)務(wù)場景，示例窗口，報(bào)告。在此階段還將制作其他技術(shù)文檔，例如實(shí)體圖，數(shù)據(jù)字典。在這一階段準(zhǔn)備了用于系統(tǒng)測試的文檔。

（2）需求分析階段。首先生成需求文檔，描述系統(tǒng)的功能、界面、性能、數(shù)據(jù)和安全需求。它將作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段的指南，包括軟性和硬性方法的需求。

（3）架構(gòu)設(shè)計(jì)階段。即計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)和軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的階段，也可以稱為高級(jí)設(shè)計(jì)。選擇體系結(jié)構(gòu)的基準(zhǔn)是應(yīng)實(shí)現(xiàn)包括模塊列表等每個(gè)模塊的簡要功能，如接口關(guān)系、依賴關(guān)系、數(shù)據(jù)庫表、體系結(jié)構(gòu)圖、技術(shù)細(xì)節(jié)等。在特定階段進(jìn)行集成測試設(shè)計(jì)。

（4）單元設(shè)計(jì)階段。也稱為底層設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的系統(tǒng)分為較小的單元或模塊，并對(duì)每個(gè)單元或模塊進(jìn)行說明，以便直接編碼。設(shè)計(jì)文檔或程序規(guī)范將以偽代碼包含模塊的詳細(xì)功能邏輯：數(shù)據(jù)庫表以及所有元素，包括其類型和大?。凰薪涌谠敿?xì)信息以及完整的應(yīng)用程序接口（Application Programming Interface，API）參考；所有相關(guān)性問題和錯(cuò)誤消息列表；完成模塊的輸入和輸出。在此階段進(jìn)行單元測試設(shè)計(jì)。

（5）單元測試（Unit Testing，UT）階段。即一種測試源代碼的各個(gè)單元以確定它們是否適合使用的方法。在過程編程中，一個(gè)單元可以是單獨(dú)的功能或過程。UT由程序員或偶爾由白盒測試人員創(chuàng)建。通過測試功能中的每個(gè)可能分支，來驗(yàn)證內(nèi)部邏輯代碼。

（6）集成測試（Integration Testing，IT）階段。將其單獨(dú)的模塊一起測試來暴露接口和集成組件之間在交互中的故障。在IT 過程中通常不直接檢查代碼是否存在錯(cuò)誤，因此測試通常是一個(gè)黑匣子。

（7）需求驗(yàn)證測試階段。即用于確定系統(tǒng)是否滿足需求分析階段中指定的需求的測試階段。驗(yàn)收測試設(shè)計(jì)源自需求文檔。驗(yàn)收測試階段是客戶用來確定是否接受系統(tǒng)的階段。

（8）系統(tǒng)集成和測試（System Integration Testing，ST）階段。它將系統(tǒng)規(guī)范與實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行比較。IT 完成后，下一個(gè)測試級(jí)別是ST。ST 將檢查集成產(chǎn)品是否滿足指定要求。在較低的測試級(jí)別中，測試是根據(jù)技術(shù)規(guī)范進(jìn)行的，即從軟件生產(chǎn)商的技術(shù)角度進(jìn)行的測試。ST是從客戶和未來用戶的角度來看系統(tǒng)。測試人員驗(yàn)證是否完全和適當(dāng)?shù)貪M足了要求；所有系統(tǒng)組件的相互作用都會(huì)產(chǎn)生許多功能和系統(tǒng)特性。因此，它們僅在整個(gè)系統(tǒng)的級(jí)別上可見，并且只能在此處進(jìn)行觀察和測試。

2 車輛模型建模

選擇的底盤設(shè)計(jì)為阿克曼底盤設(shè)計(jì)。阿克曼轉(zhuǎn)向幾何學(xué)是汽車或其他車輛轉(zhuǎn)向中連桿的幾何布置，它能解決轉(zhuǎn)彎內(nèi)外車輪需要找出不同半徑圓的問題［8］。

目前阿克曼底盤在低速自動(dòng)駕駛底盤和中國大學(xué)生方程式賽車中應(yīng)用較多［9-10］。

如圖4 所示，阿克曼底盤可分為前轉(zhuǎn)向和后轉(zhuǎn)向。本文阿克曼模型選用前轉(zhuǎn)向。

圖4 阿克曼底盤模型

圖中參數(shù)：δin為轉(zhuǎn)向角，（°）；δL為左車輪角，（°）；δR為右車輪角，（°）；δvir為虛擬輪角，（°）；TW為跟蹤寬度，m；WB為軸距，m；TC為轉(zhuǎn)彎半徑，m；γ 為轉(zhuǎn)向比例。

阿克曼轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基本要求，在轉(zhuǎn)彎時(shí)，內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)向輪相對(duì)于車輛縱向中心線的轉(zhuǎn)向角必須大于外側(cè)轉(zhuǎn)向輪。轉(zhuǎn)向輪之間的轉(zhuǎn)向角之差稱為前束角。對(duì)于理想的阿克曼轉(zhuǎn)向，車輪角度有一個(gè)共同的轉(zhuǎn)彎圈。

為了簡化整體結(jié)構(gòu)，對(duì)經(jīng)典汽車底盤件做了部分改動(dòng)。普通的獨(dú)立車輪懸架是一種復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)。底盤分為兩部分，后部（承載兩個(gè)驅(qū)動(dòng)單元）和前部（承載其余的設(shè)備）。這兩個(gè)部分由軸承內(nèi)的軸連接，使后橋能夠擺動(dòng)。這種方法能夠避免因重載而使經(jīng)典的獨(dú)立懸架無法實(shí)現(xiàn)的情況?；趯?shí)際的轉(zhuǎn)向角度和期望的前進(jìn)速度，車載電腦（Electronic Control Unit，ECU）來計(jì)算車輪速度和設(shè)置為驅(qū)動(dòng)單位。計(jì)算轉(zhuǎn)向角度的方程為［8］：

3 Simulink建模與仿真

使用Matlab Simulink 進(jìn)行車輛運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行建模［11］。Matlab Simulink 軟件被廣泛適用于汽車仿真，用于建立模型車動(dòng)力模型，將車輛動(dòng)力模型進(jìn)行匹配。在Mathworks Hardware Suppport頁面中可以獲取、配置Matlab和Simulink的集成硬件解決方案。

在車輛建模設(shè)計(jì)過程中，對(duì)于車輛運(yùn)動(dòng)力學(xué)方面要考量速度、縱向加速度、橫向加速度以及車輛本身的質(zhì)量，車輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等參數(shù)。線控底盤Simulink 建模結(jié)構(gòu)，如圖5 所示。模型采用高電平控制器，該模型的異步系統(tǒng)基于中斷的子系統(tǒng)，模型的同步基于控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller area network，CAN同步通信［12］。

圖5 線控底盤控制模型

編碼器計(jì)數(shù)異步更新。當(dāng)一個(gè)完整上升沿觸發(fā)，中斷發(fā)布。CPU 和中斷信號(hào)的設(shè)置對(duì)應(yīng)eCAP 模塊。如圖6 所示，eCAP引腳需要根據(jù)型號(hào)硬件實(shí)現(xiàn)配置上的布線進(jìn)行設(shè)置。在主同步模型中每10 ms檢索和重置一次的計(jì)數(shù)。

圖6 eCAP模型

如圖7 所示，目前限于編碼器更新速率，車輛動(dòng)力學(xué)控制器采樣時(shí)間為10 ms。

圖7 編碼器采樣模型

如圖8 所示，在線控底盤設(shè)計(jì)中，ePWM模塊產(chǎn)生PWM（Pulse width modulation）信號(hào)來調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)。定時(shí)器周期必須小于20 kHz，電動(dòng)機(jī)使用ePWM模塊的A和B通道。當(dāng)收到標(biāo)準(zhǔn)化的期望速度時(shí)，1 前進(jìn)，-1反向。

圖8 電機(jī)速度控制模型

如圖9 所示，舵機(jī)轉(zhuǎn)向控制信號(hào)（steering端）經(jīng)過處理后，輸出至eCAP 模塊。本文使用CAN 打包／解包以及CAN傳輸和接收在CAN總線上共享數(shù)據(jù)。

圖9 舵機(jī)轉(zhuǎn)向控制模型

CAN Receive端接收到信號(hào)后解析出控制信號(hào)傳輸?shù)綀?zhí)行端口，如圖10 所示。

圖10 CAN接收模型

CAN Send端接發(fā)送信號(hào)，將控制信號(hào)打包后傳輸?shù)絺魉投丝冢鐖D11 所示。

圖11 CAN發(fā)送模型

DBC（Data Base CAN）設(shè)計(jì)文件包含打包信息，如圖12 所示。使用CAN硬件支持包訪問CAN網(wǎng)絡(luò)，發(fā)送信息到CAN網(wǎng)絡(luò)，使用儀表板塊可視化車輛狀態(tài)。

圖12 Simulink CAN DBC打包信息

通過使用Embedded Coder 生成代碼，如圖13所示。

圖13 Simulink模型代碼生成

基于MBD設(shè)計(jì)代碼測試全覆蓋，滿足要求，如圖14 所示。

圖14 Simulink模型代碼測試

4 實(shí)車驗(yàn)證

將以上實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停浜夏壳霸O(shè)計(jì)參數(shù)來構(gòu)建總模型，滿足電動(dòng)機(jī)控制器功率與電壓的基本需求。

如圖15 所示，線控底盤供電系統(tǒng)7.3 V電池為舵機(jī)、雙電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)供電。7.3 V通過DC-DC 模組升壓到9 V為CAN卡供電。7.3 V通過5 V穩(wěn)壓器給ECU供電。ECU 輸出3.3 V 給霍爾傳感器獲取前端編碼器和后端編碼器信息。底盤調(diào)試，通過DB9 數(shù)據(jù)接口將程序加載到自動(dòng)駕駛線控底盤。

圖15 線控底盤硬件供電圖

圖16 所示為Matlab Gui 搭建的調(diào)試界面，讀取CAN信號(hào)解析后，圖形頁面顯示不同傳感器上的信息。可通過速度以及車輛動(dòng)力學(xué)參數(shù)，計(jì)算出在當(dāng)前車速下車輛性能，在某一時(shí)刻下車輛的縱向加速度、速度、車輛質(zhì)量的信息。

圖16 線控底盤Simulink調(diào)試界面

圖17 所示為設(shè)計(jì)的線控底盤在全局參考軌跡的跟蹤途徑，從原點(diǎn)出發(fā)，返回到終點(diǎn)，能夠滿足自動(dòng)駕駛賽道的要求。

圖17 線控底盤軌跡路徑圖

5 結(jié)語

本文搭建了基于模型線控底盤仿真模型與硬件。將仿真參數(shù)代入實(shí)車模型，驗(yàn)證了模型的正確性。通過線控底盤的全流程設(shè)計(jì)，培養(yǎng)了基于車輛動(dòng)力學(xué)方程從系統(tǒng)設(shè)計(jì)、需求分析，到自動(dòng)生成代碼、代碼測試的工程實(shí)踐能力，提升自主設(shè)計(jì)的創(chuàng)新能力。該設(shè)計(jì)方法的掌握，可使設(shè)計(jì)過程少走彎路，不僅可以縮短開發(fā)周期，還能有效節(jié)約開發(fā)成本。