EDR 控制器硬件在環測試系統的研究＊

辛迪宇，李占旗，劉全周，王劍飛，孫德明

（中汽研（天津）汽車工程研究院有限公司，天津 300300）

前言

EDR 控制器類似于飛機的“黑匣子”——飛行數據記錄儀（FDR）[1]，EDR 可以實時監控、采集并記錄發生事故前后車輛和乘員保護系統的時間序列數據[2]。在發生交通事故時，如果可以復現事故現場車輛行駛狀況的數據，將有助于事故的調查和責任的劃分。目前中國發售的大部分車型均安裝有EDR 模塊[3]，在EDR 控制器開發過程中需要對EDR 控制器的控制功能進行大量、重復的碰撞測試，對于這些測試在實際試驗中會耗費大量的金錢和時間，本文通過開發被控對象模型和EDR 碰撞臺架，并將兩者與dSPACE 硬件在環仿真系統相結合的方式搭建了EDR 控制器硬件在環測試系統，實現了車輛碰撞工況的仿真，該系統不僅可以滿足EDR 控制器功能測試，而且大大降低了控制器的開發成本。

1 EDR 控制器的功能

EDR 控制器的主要目的是實現事故發生前或發生時的數據存儲記錄。故EDR 控制存儲單元需要具有事件觸發、數據存儲、總線通信等功能。此外為了保證系統的可靠工作等潛在需求，控制存儲單元還具有備用電源、診斷系統等功能，具體如下：

事件觸發模塊由傳感器信號采集、信號前處理、觸發閾值計算等組成，如圖1 所示。

（1）信號采集，數據來源為內置加速度傳感器和外圍碰撞傳感器兩部分，內置加速度傳感器采集橫向、縱向加速度信號，外圍碰撞傳感器采集正碰、側碰加速度信號。

（2）信號前處理，中央處理器根據數據處理算法、標定參數對數據進行抗擾、濾波、FIFO（先進先出，緩沖環節，降低處理器負擔）、A/D 轉換等處理，處理后的結果作為觸發閾值計算的輸入。

（3）觸發閾值計算，在一定時間內，加速度達到某個限值后，則儲存相應的輸入數據。

數據存儲功能是指中央處理器從汽車CAN 網絡讀取數據，經過必要處理后送入非易失性存儲器中存儲。

診斷功能包括故障檢測和故障處理兩部分，故障檢測對系統的狀態或參數進行比較，當狀態或參數不符預期或超出預定范圍時認為系統出現故障，對相應的故障數據位進行置位并存儲。故障處理根據故障檢測出的故障進行相應的處理措施。

2 測試模型及建模原理

圖2 EDR 控制器硬件在環測試系統

EDR 控制器硬件在環測試系統的作用主要是開發測試控制器的存儲功能和故障診斷功能，由于EDR 控制器內部帶有碰撞傳感器，單純仿真無法激活控制器內部的碰撞傳感器，故本文采用被控對象模型和碰撞試驗臺架結合的方式開發EDR 控制器硬件在環測試系統，如圖2 所示。本文所開發的EDR 控制器硬件在環測試系統主要包括四部分：1）裝有Matlab/Simulink/RTW 軟件、dSPACE/ControlDesk 軟件及dSPACE/ConfigurationDesk 軟件的上位機；2）EDR 碰撞仿真實驗臺架；3）DSPACE HIL 測試仿真機柜；4）EDR 控制器。

2.1 硬件系統開發

EDR 控制器硬件在環測試系統的硬件系統是基于dSPA-CE 實時仿真系統開發而成的，本文采用的dSPACE 測試仿真系統是SCALEXIO 系統平臺，選取的資源板卡為DS2671總線仿真板卡，該板塊具有CAN/LIN 總線仿真功能。DSPA-CE 的RTT 模塊可將Matlab/simulink 開發的模型由離線轉換為實時，RTW 模塊將模型生成DSPACE 實時仿真系統的代碼，通過將代碼下載到dSPACE 實時仿真系統上，使得模型在HIL 測試仿真系統中運行[4]。

EDR 控制器與硬件在環仿真系統的交互包括CAN 總線和硬線兩部分，其中采用DS2671 總線仿真板卡進行CAN 總線信號的仿真，CAN 總線用于被控對象與EDR 控制器的數據交互；利用程控電源給EDR 控制器供電，HIL 測試仿真系統和上位機通過網線連接。

2.2 碰撞模型開發

目前已知的轎車與轎車正面碰撞時有效碰撞速度與其變形之間的實驗公式為[5]：

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

由于轎車的有效變形量x 隨每個車輛的不同而不同，且在碰撞過程中x 為連續變化過程，目前還沒有確定的公式可以仿真出碰撞過程中x 的變化過程，故通過公式進行碰撞仿真不具有精確性和唯一性，且目前還沒有可以連續仿真碰撞過程的公式，而通過查表法進行碰撞仿真，可精確還原碰撞數據，但對于超出范圍的數據偏差較大，本文采用查表的方式對碰撞過程進行仿真。

2.3 發動機模型開發

發動機模型主要包括3 部分，分別為扭矩計算模型、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、熱模型相關的數據，故本文搭建的發動機模型忽略燃油消耗模型和熱模型。通過建立發動機節氣門開度和發動機轉速的關系可以得出發動機扭矩值，然后通過積分的形式使扭矩變化與真實發動機一致，發動機節氣門開度和發動機轉速對應發動機扭矩值的關系如圖3 所示。

圖3 發動機節氣門開度和轉速對應扭矩值的關系圖

2.4 整車動力學模型開發

整車動力學模型是將發動機模型傳輸的動力轉換為作用在車輪上的力，車輪上的力通過克服阻力驅動車輛行駛，這些阻力包括：滾動阻力、坡道阻力、空氣阻力、加速阻力等，車輛動力學方程為：

式中：Ff 為汽車滾動阻力（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）。

根據車輛動力學方程和各阻力方程進行建模，所搭建的車輛動力學Simulink 模型如圖4 所示。

圖4 車輛動力學模型

2.5 EDR 碰撞臺架開發

本文所采用的EDR 碰撞臺架包括動力模塊、反饋模塊、保護模塊、控制模塊等四部分，EDR 控制器安裝在工作臺上，工作臺置于直線導軌上，動力模塊負責產生不同的加速度值；反饋模塊將外置于工作臺上的加速度值檢測出來，并發送至控制模塊中的上位機；保護模塊用于程序跑飛時，通過回位彈簧對電機進行機械保護，此外通過保護罩與試驗人員進行隔離，以保護試驗人員的安全；控制模塊通過下載至驅動器中的程序對電機進行控制，并通過指示燈實時顯示電機的運行狀態。

其原理為：dSPACE 實時仿真機柜和EDR 碰撞臺架通過硬線和總線連接，當模型中碰撞觸發時，dSPACE 實時仿真機柜發出模型計算的加速度數據給EDR 碰撞臺架，EDR 碰撞臺架通過控制臺架上的電機動作，使得EDR 控制器內部碰撞傳感器激活，從而仿真碰撞過程，EDR 控制器識別和存儲內部碰撞傳感器識別到的數據。

3 EDR 測試系統驗證

為驗證開發的EDR 控制器硬件在環測試系統，本文選取了某公司開發的EDR 控制器，分別對EDR 控制器硬件在環測試系統的控制功能及EDR 控制器故障注入進行驗證，其中EDR 控制器硬件在環測試系統的數據輸出采用車輛縱向碰撞加速度、安全氣囊狀態進行說明，EDR 控制器故障注入采用電氣故障進行說明。

圖5 模型輸出的碰撞數據和控制器識別的碰撞數據對比圖

圖5為EDR控制器硬件在環測試系統中碰撞模型輸出的碰撞數據和EDR 控制器識別的碰撞數據對比圖，從圖中可以看出本文搭建的EDR 控制器硬件在環測試系統仿真的碰撞加速度與控制器識別的碰撞加速度基本吻合，從而證明了EDR 控制器可識別到系統仿真的碰撞過程。

圖6 為碰撞時，EDR 控制器硬件在環測試系統中總線仿真輸出的安全氣囊的打開時刻和控制器識別的安全氣囊狀態對比圖，在EDR 控制器硬件在環測試系統的安全氣囊狀態仿真中設置在加速度大于8g 時安全氣囊打開，從圖中可以看出EDR 識別并記錄的安全氣囊狀態與仿真一致。

圖6 模型輸出的安全氣囊的打開時刻和控制器識別的安全氣囊狀態對比圖

對于故障診斷功能的驗證，本文以EDR 控制器供電電源短路故障為例進行說明，通過EDR 硬件在環測試系統的上位機設置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，實驗表明EDR 識別到的故障代碼和輸入的故障一致，通過故障診斷功能的驗證可證明本文開發的EDR 硬件在環測試系統可滿足EDR 控制器的故障診斷功能開發驗證。

4 結論

本文開發了EDR 控制器硬件在環測試系統，并通過試驗對所開發的EDR 控制器硬件在環測試系統進行了控制功能及故障診斷功能的驗證，驗證結果表明本文所開發的EDR控制器硬件在環測試系統可有效的測試EDR 控制器的功能，且具有可重復性、靈活性、安全性等特點。