通过硬件在环实时测试进行全球协调的轻型车辆测试循环的验证规程外文翻译资料

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通过硬件在环实时测试进行全球协调的轻型车辆测试循环的验证规程

Bogdan Ovidiu Varga，Nicolae Burnete，and calin Iclodean

克卢日·纳波卡技术大学【罗马尼亚】

摘要：本文研究了基于IPG公司CarMaker软件应用开发的车辆驱动模型的特性，并通过硬件在环（HiL）实时测试方法连接到内燃机测试平台，用于世界协调轻型车辆测试规程（WLTP）驾驶循环的认证（截止到2017年）。

仿真任务包括测量全球协调轻型车辆测试规程（WLTP）驾驶循环的通常经典车辆模型的燃料消耗、功率、扭矩和污染物排放。基于获得的结果，对IPG CarMaker中的虚拟车辆模型和试验台上的真实内燃机引擎进行比较分析。逐步的仿真结果通过CAN总线集成来自车载测量的真实生活数据来验证。该系统捕获各种与驱动性能相关的传感器和CAN总线信号。 这些输入量是从Puma Open测试台应用程序获得的，并被发送到AVL InMotion设备上进行进一步分析和处理。

关键词：硬件在环 AVL InMotion IPG CarMaker 实时仿真 全球协调的轻型车辆测试规程驾驶循环

1 引言

通过“全球协调轻型车辆测试规程（WLTP）”，确定了特定轻型车辆（乘用车和轻型商用车辆）的污染物和二氧化碳排放水平、燃料或能源消耗以及电量耗用范围的全球统一标准。

全球协调轻型车辆测试规程正由欧盟专家根据联合国欧洲经济委员会世界车辆协调统一论坛的指导原则[1]制定，最终版本正在拟定当中。

根据全球协调轻型车辆测试规程和全球统一试验循环（WLTC）的严格指导，提供了测功器测试和车辆负载、换档、总车辆重量、燃料消耗、环境温度以及压力的相关条件。

分配给最高功率质量比（PMR）车辆类别（第三等级）的全球统一试验循环（WLTC）由四个速度阶段（低、中、高和超高）组成[1]，这个功质比参数代表了绝大多数欧洲车辆。

本文通过将电机驱动系统的实时仿真与测试台的实验结果进行比较，加上对整个车辆模型的硬件在环仿真结果进行分析，验证了全球统一试验循环驱动周期的硬件在环仿真和测试平台的准确性和有效性。

本文所述的开发和测试环境的规程，通过底盘测功器上的驱动测试，在真实条件下的整个驾驶操纵参数空间中操作车辆以用于全球统一试验（WLTC）驾驶循环，以便覆盖在每天的现实世界应用中所发生的与消耗相关的情形。机动和基于相应情形的测试是用于在AVL底盘测功器上应用AVL InMotion实现测试用例的方法的名称。这种方法的基础本质上是驾驶车辆 - 车辆发展的最终驱动力即为一系列相应情形和机动的思想[2]。应当确定驾驶员行为、路线和环境条件与车辆的实际模型（包括发动机，动力系和排气系统）的结合，以便进行更逼真的模拟。

AVL InMotion为这种给车辆的每个单独部件应用物理模型的仿真提供了一个平台。为了能除了获取进行测试的过程中所需参数以外[3]，还具有外推操作条件的可能性，物理模型的使用是必要的先决条件。

2 设备和研究方法

2.1 实验测试台

实验测试台由耦合到内燃机及其附属设备的发动机测功器组成（图1）。

图1 实验测试台（雷诺K9K内燃机和测功器）

用于这项研究的内燃机是雷诺K9K。发动机的规格和工作特性是：1461cm³的总排量，最大功率为66kW（在4000r/min时），最大扭矩为220Nm（在2000r/min时）和15.5:1的压缩比。

DynoRoad 202测功器是一台配备有用于直接连接到电源电压的转换器功率模块IGBT（绝缘栅双极晶体管）的异步交流电机。电源模块使用混合接口，以便于控制发动机扭矩和速度。

2.2 模型在环

模型在环（MiL）仿真捕获将在C代码中实现的模型的特性。

V模型（图2）呈现了一种开发流程，可以认为是瀑布模型的扩展，并且展示了开发生命周期的每个阶段与其相关的测试阶段之间的关系[4]。

这种开发的基础是作为汽车软件开发标准方法之一的完善的V模型[4]。

2.3 软件在环

软件在环（SiL）是将编译的生产软件代码整合到仿真模型中。在SiL阶段，实际的生产软件代码被并入包含物理系统的模型的数学模拟中。这样做是为了允许包含不存在模型的软件功能，或是确保更快的模拟运行。

软件在环意味着代码生成，并且它在相同的仿真模型中替换控制器块。当它与模型在环仿真的结果相比较时，仿真结果应该是大致相同的。

IPG CarMaker平台是一个提供从软件在环操作到硬件在环测试的广泛应用的虚拟驾驶环境。IPG CarMaker旨在支持从早期概念阶段到硬件原型测试的开发过程[5]。

AVL InMotion是一种为了定义基于IPG CarMaker产品的策略的解决方案，以利于AVL为不同类型的被测单元（发动机、动力系统、变速器等）添加软件在环接口[6，7]。

虚拟车辆是一种与其真实世界对应物的行为匹配的真实车辆的计算机建模呈现。模型即以与要研究的车辆直接相关的数据进行参数化（图3）。

图2 X在环（XiL）仿真程序的V模型的结构

图3 IPG CarMaker仿真模型

与虚拟车辆的模型相关联的AVL InMotion包含三维道路模型和完全参数化的驾驶员模型（IPGDRIVER），它能够执行高达稳定极限的闭环机动。任意交通场景的仿真允许用户在陆上和城市中进行虚拟驾驶测试，这是准确可重复的[8]。

通过这种方法，使用IPG CarMaker来测试具有验证参数设置的任何车辆，并且通过改变在车辆模型中应用的参数数据来便捷地在虚拟车辆之间转换是有可能的。虚拟车辆包含真实车辆的所有部分，包括动力系统、轮胎、底盘、制动器等。应用硬件在环或是软件在环将真实的汽车控制器（防死锁刹车系统ABS，车身电子稳定系统ESP和车用电源ACC）或软件模型控制器集成到虚拟车辆中同样也很便捷 [8]。

硬件的主要组成部分是运行IPG CarMaker的实时计算机。可执行文件的配置方式不仅允许主机（网卡）和测试台（I / O模块）之间的通信，而且为通过CAN总线实现AVL InMotion与实验测试台的通信配置了第三部分。

第二块硬件是主机。它的设置与简单的HiL配置完全相同，除了使用诸如AVL InMotion GUI或用户定义脚本等工具来控制AVL InMotion的操作外。

第三块硬件是测试台，它已经改进以允许直接连接到实时计算机、AVL InMotion或者AVL InMotion和实时系统的组合。添加或改变布线可以实现对仿真环境的修正。

第四块硬件是AVL InMotion，是为了允许特定的信号从测试台传递到实时系统而配置。 AVL InMotion通过CAN总线与实时计算机通信得到自己的任务，其中实时计算机通过鼠标点击控制的AVL InMotion对话框，从用户定义的命令或是从主机计算机获取其指令。

2.4 模型实现

在表1中给出了全球统一试验循环（WLTC）第三等级（版本5）的主要特性参数，同时车辆速度和加速度如图4所示[10]。

表1 全球统一试验循环第三等级（版本5）的特性参数

全球统一试验循环（WLTC）第三等级是由机动动作实现的。机动是IPG CarMaker针对驾驶场景的概念（图5），并且遵循机动定义被分为几个机动步骤（加速、制动、停止等）[8]。

图4 全球统一试验循环（WLTC）第三等级（版本5）

图5 全球统一试验循环（WLTC）第三等级的机动

2.5 硬件在环

硬件在环（HiL）仿真结合了物理和虚拟原型两者的诸多优点，正在从控制原型设计工具迅速演进为系统建模、仿真和综合范例[11]。

通过比较电机驱动系统的实时仿真和试验台的实验结果，以及分析整个车辆模型的硬件在环仿真结果，本文验证了该硬件在环仿真和测试平台的准确性和有效性。

优先于处理器在环（PiL）的硬件在环（HiL）是一种实时仿真技术，其使用实时处理器来运行仿真模型，并且结合一些硬件来模拟受控对象的运行状态。它通过I / O端口连接被测电子控制单元（ECU），并对构建的控制策略和控制算法进行实时测试[12]。

AVL InMotion和实验测试台之间的通信是通过使用控制器局域网（CAN）总线（外设CAN总线）完成的。外设CAN总线可以实现与动力系统组件的通信。除了这条CAN总线以外，来自传感器的几个信号还可以通过模拟和数字IO传入系统（反之亦然，执行器信号传递到动力系统部件也是如此）[13]。

电控单元（ECU）接收来自传感器的信号并控制实验测试台的内燃机。测功器是由AVL P400 EMCON控制的电驱动器，并且用于设置内燃机曲轴处的模拟旋转速度。

Puma Open是在实验测试台上命令和控制测试任务的执行的操作系统[13]。通过CAN总线通信接口，Puma Open系统在控制和命令系统的通信过程中实现与ECU和其他交互点的数据交换。

在仿真过程中，模型在环（MiL）、软件在环（SiL）、处理器在环（PiL）和硬件在环（HiL）之间的差异如表2所示。

硬件在环使用这个按照实时模型设计拟定好的虚拟模型，它将根据节气门开度、档位、车辆速度等额外地产生发动机转速作为输出。

表2 MiL, SiL, PiL and HiL之间的差异

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