郭笑通 李論 張立亮 王偉 趙健

（1.中國(guó)第一汽車股份有限公司研發(fā)總院，長(zhǎng)春 130013；2.汽車振動(dòng)噪聲與安全控制綜合技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130013；3.吉林大學(xué)，長(zhǎng)春 130022）

主題詞：多物理體在環(huán) 再生制動(dòng) 自動(dòng)化測(cè)試 冗余制動(dòng)

1 前言

隨著汽車電控系統(tǒng)的發(fā)展，越來(lái)越多的車輛制動(dòng)助力系統(tǒng)采用集成式助力系統(tǒng)（Integrated Boost System，IBS），利用無(wú)刷直流電機(jī)取代真空源作為系統(tǒng)助力裝置[1]。整車制動(dòng)力由再生制動(dòng)與液壓制動(dòng)共同提供，在進(jìn)行再生制動(dòng)時(shí)，為了保證駕駛員正常的駕駛習(xí)慣，制動(dòng)系統(tǒng)需保證踏板感覺(jué)正常[2]。而在車輛從穩(wěn)定工況過(guò)渡到不穩(wěn)定工況時(shí)，制動(dòng)系統(tǒng)的助力方式會(huì)發(fā)生改變，由于再生制動(dòng)的作用，可能發(fā)生助力降級(jí)事件。因此需要在IBS 與電子穩(wěn)定控制（Electronic Stability Control，ESC）功能交互下，結(jié)合不同的駕駛工況，評(píng)價(jià)制動(dòng)時(shí)的輸入力，以驗(yàn)證是否發(fā)生助力降級(jí)事件。

本文針對(duì)目前IBS與ESC功能交互的試驗(yàn)需求，基于多物理體在環(huán)（multiple mechatronics Hardware In the Loop，m-HIL）技術(shù)的思想，設(shè)計(jì)冗余制動(dòng)電控系統(tǒng)多物理體在環(huán)試驗(yàn)平臺(tái)（制動(dòng)m-HIL 試驗(yàn)平臺(tái)），并根據(jù)組合測(cè)試的思想，開(kāi)發(fā)自動(dòng)化測(cè)試程序，完成某車型的IBS 與ESC 冗余控制器條件下的再生制動(dòng)工況試驗(yàn)，最后提煉制動(dòng)助力失效時(shí)對(duì)應(yīng)的駕駛參數(shù)空間，形成IBS與ESC 冗余系統(tǒng)的再生制動(dòng)工況下制動(dòng)助力失效典型測(cè)試用例。

2 試驗(yàn)平臺(tái)方案

2.1 試驗(yàn)平臺(tái)總體方案

制動(dòng)m-HIL 試驗(yàn)平臺(tái)包括上位機(jī)模塊、試驗(yàn)臺(tái)控制器模塊、供電模塊、動(dòng)力源模塊、制動(dòng)系統(tǒng)負(fù)載模塊、輸入∕輸出（I∕O）接插口模塊和上層控制軟件模塊7個(gè)部分。制動(dòng)m-HIL 試驗(yàn)平臺(tái)采用真實(shí)的被測(cè)控制器（IBS、ESC）與執(zhí)行機(jī)構(gòu)（制動(dòng)鉗等制動(dòng)系統(tǒng)負(fù)載），通過(guò)實(shí)時(shí)仿真機(jī)及I∕O 板卡，通過(guò)仿真整車參數(shù)及駕駛環(huán)境場(chǎng)景，完成信號(hào)產(chǎn)生、計(jì)算、采集和交互，進(jìn)行機(jī)、電、液、氣多物理耦合在環(huán)的功能試驗(yàn)。試驗(yàn)平臺(tái)總體方案如圖1所示。

2.2 試驗(yàn)平臺(tái)硬件方案

由多物理體在環(huán)試驗(yàn)平臺(tái)作為整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)的控制器，采用dSPACE 硬件和DS1006 型實(shí)時(shí)仿真機(jī)?？刂破髋c上位機(jī)通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)通訊。

I∕O 接插口模塊用于傳感器采集的信號(hào)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的命令信號(hào)與多物理在環(huán)試驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)內(nèi)部總線進(jìn)行信號(hào)通訊[3]。

制動(dòng)系統(tǒng)負(fù)載模塊包括IBS、ESC、制動(dòng)管路、前后制動(dòng)鉗及制動(dòng)盤(pán)等制動(dòng)系統(tǒng)負(fù)載、主缸壓力傳感器、輪缸壓力傳感器和電子駐車制動(dòng)（Electrical Park Brake，EPB）夾緊力傳感器；IBS、ESC 與I∕O 接插口模塊進(jìn)行硬件與網(wǎng)絡(luò)通訊間的信號(hào)交互，其中，網(wǎng)絡(luò)通訊為CANFD協(xié)議；主缸壓力傳感器、輪缸壓力傳感器和EPB 夾緊力傳感器將采集到的信號(hào)實(shí)時(shí)發(fā)送給I∕O接插口模塊。

動(dòng)力源模塊采用液壓作動(dòng)缸，作動(dòng)缸與IBS的推桿通過(guò)機(jī)械方式連接，使作動(dòng)缸只能推動(dòng)IBS 推桿前進(jìn)，不能拉動(dòng)推桿回退；作動(dòng)缸可通過(guò)I∕O 接插口模塊進(jìn)行位移或力控制，并實(shí)時(shí)將作動(dòng)缸位移及輸入力反饋給I∕O接插口模塊。

供電模塊包括220 V∕380 V 工業(yè)電源、穩(wěn)壓電源及可編程電源。其中，220 V∕380 V 工業(yè)電源為上位機(jī)提供220 V電源，并為作動(dòng)缸及多物理體在環(huán)試驗(yàn)平臺(tái)提供380 V 電源；穩(wěn)壓電源為壓力傳感器、EPB 夾緊力傳感器等傳感器提供24 V 直流電源；可編程電源為ESC、IBS進(jìn)行9～16 V不同電壓的供電，其供電電壓及電流門限值由I∕O 接插口模塊控制；穩(wěn)壓電源、可編程電源由220V∕380 V工業(yè)電源供電。

2.3 試驗(yàn)平臺(tái)軟件方案

上層控制軟件模塊包含試驗(yàn)臺(tái)控制模型（MATLAB Simulink 軟件編寫(xiě)）、車輛仿真模型軟件CarSim-RT、試驗(yàn)臺(tái)界面開(kāi)發(fā)軟件Controldesk、作動(dòng)缸控制軟件、實(shí)時(shí)接口（Real-Time Interface，RTI）模型、自動(dòng)化試驗(yàn)程序。其中，實(shí)時(shí)接口模型實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)臺(tái)控制模型、車輛仿真模型與dSPACE 接口之間的連接[4]?；贑ontrolDesk 軟件開(kāi)發(fā)試驗(yàn)界面，CarSim-RT用于控制和觀測(cè)車輛模型實(shí)時(shí)仿真；自動(dòng)化試驗(yàn)通過(guò)ECUtest 軟件編寫(xiě)自動(dòng)化測(cè)試程序?qū)崿F(xiàn)，主要應(yīng)用于模型在環(huán)（Model In the Loop，MIL）∕軟件在環(huán)（Software In the Loop，SIL）∕硬件在環(huán)（Hardware In the Loop，HIL）試驗(yàn)環(huán)境中的自動(dòng)化測(cè)試用例的編輯、執(zhí)行、數(shù)據(jù)分析以及生成試驗(yàn)報(bào)告[5]。試驗(yàn)平臺(tái)軟件方案如圖2所示。

3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

3.1 再生制動(dòng)原理

IBS 與ESC 2 個(gè)控制器功能交互下，再生制動(dòng)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖3所示。

圖3 再生制動(dòng)原理示意

車輛無(wú)轉(zhuǎn)向開(kāi)始制動(dòng)時(shí)，處于穩(wěn)定狀態(tài)，IBS 助力模式為行程控制，再生制動(dòng)（Cooperative Regenerative Brake，CRB）模塊工作，制動(dòng)液儲(chǔ)存在ESC蓄能器中，主缸壓力較低；隨著轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角變大，繼續(xù)制動(dòng)，車輛處于趨于失穩(wěn)狀態(tài)（但未失穩(wěn)），IBS助力模式切換為壓力控制，但CRB未及時(shí)完全退出并將制動(dòng)液完全泵回卡鉗，主缸內(nèi)的液壓力與之前的狀態(tài)一致，以此時(shí)的主缸壓力作為駕駛員需求，產(chǎn)生的液壓制動(dòng)力則很低，產(chǎn)生的整車減速度也很低，反映出踏板力增加很多，駕駛員會(huì)產(chǎn)生制動(dòng)助力失效的不良感覺(jué)。因此，需要進(jìn)行上述駕駛場(chǎng)景的CRB試驗(yàn)，驗(yàn)證是否會(huì)發(fā)生制動(dòng)助力失效。

3.2 組合試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

3.2.1 整體設(shè)計(jì)方案

根據(jù)趨于失穩(wěn)狀態(tài)下的工況分析及專家經(jīng)驗(yàn)，確定趨于失穩(wěn)狀態(tài)下導(dǎo)致制動(dòng)助力失效所對(duì)應(yīng)的參數(shù)空間包括：車速vx、制動(dòng)踏板行程Sbp、制動(dòng)踏板速率vbp、轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角θsw、轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)速ωsw。其中，車速為初始車速。vx、Sbp、θsw為影響力較大的因子，vbp和ωsw為影響力較小的因子。制動(dòng)助力失效的判定標(biāo)志為：踏板力補(bǔ)償指令置為啟動(dòng)狀態(tài)且ABS功能未介入，且助力失效系數(shù)ibf大于助力失效閾值ibf_th。

踏板力補(bǔ)償指令信號(hào)及ABS 功能信號(hào)均由ESC 發(fā)到CANFD 網(wǎng)絡(luò)中，助力失效系數(shù)的計(jì)算方法為：當(dāng)車輛處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，控制作動(dòng)缸以一組速度（5 mm∕s、10 mm∕s、15 mm∕s、20 mm∕s、……、55 mm∕s）勻速推動(dòng)IBS推桿前進(jìn)，實(shí)時(shí)采集作動(dòng)缸位移（亦即制動(dòng)踏板行程）與作動(dòng)缸輸入力，得到不同制動(dòng)踏板速率下標(biāo)準(zhǔn)輸入力-作動(dòng)缸位移（F-S）曲線。車輛趨于失穩(wěn)時(shí)，當(dāng)制動(dòng)踏板行程為S1時(shí)，實(shí)時(shí)采集到的作動(dòng)缸輸入力為F1，此時(shí)對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)F-S曲線中的作動(dòng)缸輸入力為Fnormal，助力失效系數(shù)計(jì)算公式為：

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)定ibf_th=2。駕駛場(chǎng)地為20 km×20 km的方形瀝青區(qū)域，路面附著系數(shù)為1.0，采用組合測(cè)試與粒子群優(yōu)化相結(jié)合的方法進(jìn)行多次迭代試驗(yàn)，直至找到制動(dòng)助力失效時(shí)所對(duì)應(yīng)的參數(shù)空間[vx Sbpθswvbpωsw]T。

3.2.2 測(cè)試方案比較

目前，尋求特定參數(shù)空間的方法主要包括組合測(cè)試和優(yōu)化搜索測(cè)試。優(yōu)化搜索測(cè)試通過(guò)設(shè)定一定的獎(jiǎng)勵(lì)函數(shù)，將測(cè)試結(jié)果視為函數(shù)結(jié)果，使用梯度優(yōu)化等方式尋找可能發(fā)生危險(xiǎn)的參數(shù)空間，如粒子群優(yōu)化算法等。但是，優(yōu)化搜索測(cè)試尋找最優(yōu)解需要的迭代次數(shù)很多，如果進(jìn)行多次迭代，則需要進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的“耐久”試驗(yàn)，一旦試驗(yàn)過(guò)程中系統(tǒng)崩潰，則需要重新進(jìn)行，試驗(yàn)周期過(guò)長(zhǎng)，不適合工程應(yīng)用；組合測(cè)試只需在測(cè)試用例生成中進(jìn)行，無(wú)需在試驗(yàn)過(guò)程中循環(huán)迭代（或者循環(huán)迭代的次數(shù)很少），故本文選擇組合測(cè)試方法進(jìn)行工程應(yīng)用。

3.2.3 組合測(cè)試方案

組合測(cè)試的主要目標(biāo)是從一個(gè)龐大的輸入空間中選取少量的輸入配置，使生成的測(cè)試用例數(shù)量較少，提高算法的執(zhí)行效率[6]。參數(shù)空間包括vx、Sbp、vbp、θsw、ωsw。其中vx、Sbp、θsw的水平為固定值，各6個(gè)，如表1所示。

表1 各參數(shù)水平

為了提高試驗(yàn)的可操作性，控制達(dá)到每一個(gè)制動(dòng)踏板行程所需的時(shí)間與達(dá)到每一個(gè)轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角所需的時(shí)間盡量相等。因此，每個(gè)轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角因子的水平對(duì)應(yīng)3個(gè)轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)速因子的水平，即0.8θsw-20、0.9θsw-20、θsw-20。

每個(gè)制動(dòng)踏板速率因子的水平vbp設(shè)置為：Sbp∕vbp=θsw∕ωsw。

根據(jù)數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)分析，73%的缺陷是由單因子或雙因子相互作用產(chǎn)生的，19%的缺陷是由3 個(gè)因子相互作用產(chǎn)生的[7]。綜合考慮試驗(yàn)所需時(shí)間，本文采用雙因子組合算法，即保證車速、制動(dòng)踏板行程和轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角中任意2 個(gè)因子下所有水平的組合均出現(xiàn)過(guò)。本文采用啟發(fā)式搜索算法中的模擬退火算法，其應(yīng)用到本試驗(yàn)的步驟為：

輸入：5個(gè)因子待覆蓋的兩兩取值組合對(duì)的集合

輸出：測(cè)試用例集（初始為空）

3.2.4 自動(dòng)化測(cè)試方案

通過(guò)3.2.3 節(jié)組合測(cè)試方案得到的測(cè)試用例群需要由自動(dòng)化測(cè)試軟件執(zhí)行，自動(dòng)化試驗(yàn)通過(guò)ECUtest 軟件實(shí)現(xiàn)。由于該程序較為簡(jiǎn)單，僅與Sbp和θsw有關(guān)（vbp與ωsw可通過(guò)Sbp和θsw的斜率表示），例如，當(dāng)Sbp=15 mm、vbp=24 mm∕s、θsw=60°、ωsw=56°∕s時(shí)，可建模如圖4所示。

圖4 因子建模示意

測(cè)試步驟為：擋位設(shè)置為D擋；以某一大小的油門開(kāi)度（如40%）加速直至車速為某一水平值作為目標(biāo)值；按照?qǐng)D4所示的方式進(jìn)行Sbp、θsw的設(shè)置，直至車速降為0。

更改目標(biāo)車速、Sbp、θsw的設(shè)置，重復(fù)上述測(cè)試步驟，并將制動(dòng)助力失效的一組測(cè)試用例作為后續(xù)驗(yàn)證此種工況下的典型測(cè)試用例。

4 試驗(yàn)結(jié)果

以某個(gè)工況下制動(dòng)助力失效時(shí)的車輛狀態(tài)為例，此時(shí)對(duì)應(yīng)的參數(shù)空間為[Vx Sbpθswvbpωsw]T=[80 20 12.6 120 76]T。

vx、Sbp、θsw曲線如圖5 所示。作動(dòng)缸輸入力、各輪制動(dòng)壓力曲線如圖6所示。

圖5 車速、制動(dòng)踏板行程、轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角曲線

圖6 作動(dòng)缸輸入力、各輪制動(dòng)壓力曲線

縱向加速度、橫向加速度、制動(dòng)助力失效標(biāo)志曲線如圖7所示。

圖7 縱向加速度、橫向加速度、制動(dòng)助力失效標(biāo)志曲線

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的制動(dòng)m-HIL 試驗(yàn)平臺(tái)方案能夠進(jìn)行IBS 與ESC 冗余控制器下的再生制動(dòng)工況試驗(yàn)，可用于驗(yàn)證該工況下制動(dòng)助力是否失效。通過(guò)基于模擬退火算法的組合測(cè)試，減少了測(cè)試用例數(shù)量，并通過(guò)自動(dòng)化測(cè)試軟件ECUtest 編寫(xiě)了該工況下的自動(dòng)化測(cè)試程序，找到制動(dòng)助力失效對(duì)應(yīng)的一組典型測(cè)試用例。后續(xù)，對(duì)于不同的車型項(xiàng)目，該測(cè)試用例可進(jìn)行重用，以減少IBS與ESC冗余控制下的測(cè)試復(fù)用工作量。