車(chē)輛can總線仿真環(huán)境下can總線的研究

車(chē)輛can總線仿真環(huán)境下can總線的研究

控制區(qū)域網(wǎng)絡(luò)是同一時(shí)代最廣泛使用的車(chē)輛總線通信網(wǎng)絡(luò)。由于它的本質(zhì)是時(shí)間不確定性網(wǎng)絡(luò)，因此沒(méi)有中斷研究。在中國(guó)，關(guān)于計(jì)算機(jī)的研究已經(jīng)開(kāi)始。一些大學(xué)和研究所已經(jīng)開(kāi)始研究和開(kāi)發(fā)計(jì)算機(jī)。其中大部分采用ific開(kāi)發(fā)的coinfoll建模引擎進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)，主要集中在通信網(wǎng)絡(luò)本身的硬件開(kāi)發(fā)和網(wǎng)絡(luò)本身的通信性能研究上，不涉及網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲對(duì)控制性能的影響。隨著改善車(chē)輛性能的各控制器間通信的日益增加,信息傳輸時(shí)滯在負(fù)載突增的情況下變得格外明顯.由于CAN消息傳輸時(shí)間的不確定性,傳輸時(shí)滯在車(chē)輛處于緊急情況時(shí)給控制性能帶來(lái)的影響也變得無(wú)法預(yù)知.而專(zhuān)業(yè)的CAN開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)工具,只能單純對(duì)通信性能進(jìn)行仿真和研究,不能用來(lái)研究通信時(shí)滯給控制性能帶來(lái)的影響.隨著車(chē)載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,線控(X-By-Wire)系統(tǒng)將在車(chē)輛控制領(lǐng)域廣泛使用,節(jié)點(diǎn)數(shù)量與通信負(fù)載的增加導(dǎo)致信息傳輸時(shí)間的延長(zhǎng),其對(duì)控制性能的影響亦將日趨嚴(yán)重.防抱死制動(dòng)系統(tǒng)(ABS)是當(dāng)今車(chē)輛廣泛裝配用來(lái)提高車(chē)輛制動(dòng)安全性的電子控制系統(tǒng),主要采用傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式將控制器與傳感器連接.從車(chē)輛底盤(pán)控制的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看,集成的底盤(pán)控制勢(shì)在必行,因此采用網(wǎng)絡(luò)代替?zhèn)鹘y(tǒng)連接方式不可避免.本研究基于有限狀態(tài)機(jī)(FiniteStateMachine,簡(jiǎn)稱(chēng)FSM)理論,在MATLAB/Simulink/Stateflow仿真環(huán)境下建立CAN網(wǎng)絡(luò)通信模型,分析信息傳輸?shù)臅r(shí)滯.在采用模糊控制方法建立ABS控制系統(tǒng)中,研究控制器及輪速傳感器作為CAN網(wǎng)絡(luò)的獨(dú)立通信節(jié)點(diǎn)時(shí),網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)滯給控制器控制性能帶來(lái)的影響.1基于simulaid的bs控制模型CAN2.0B協(xié)議只定義了通信的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層,應(yīng)用層需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用自行定義.為了便于與ABS控制模型鏈接,CAN網(wǎng)絡(luò)的通信模型采用分級(jí)建模的方式,通信系統(tǒng)級(jí)模型在Simulink中建立,節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用層在控制系統(tǒng)所需的傳感器和電子控制單元(ElectronicControlUnit,簡(jiǎn)稱(chēng)ECU)模型中建立,節(jié)點(diǎn)的MAC層及物理層在Stateflow中建立,如圖1所示.1.1兩種網(wǎng)絡(luò)模型CAN屬于多主串行通信網(wǎng)絡(luò),其信道資源為多節(jié)點(diǎn)共享,采用CSMA/CD方式仲裁節(jié)點(diǎn)發(fā)送沖突.根據(jù)CAN特點(diǎn)建立的信道模型,如圖2所示.網(wǎng)絡(luò)初始化結(jié)束后,信道進(jìn)入空閑狀態(tài).當(dāng)檢測(cè)到有節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息幀時(shí),信道轉(zhuǎn)為占用狀態(tài).幀發(fā)送結(jié)束后,經(jīng)過(guò)幀間空閑回到信道空閑狀態(tài).當(dāng)有多個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息幀產(chǎn)生沖突時(shí),通過(guò)仲裁函數(shù)根據(jù)節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)判定信道訪問(wèn)權(quán),優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn)在信道再次空閑時(shí)重新進(jìn)行信道資源爭(zhēng)奪.1.2狀態(tài)發(fā)送狀態(tài)的仲裁圖3為CAN網(wǎng)絡(luò)控制器節(jié)點(diǎn)模型.網(wǎng)絡(luò)初始化后節(jié)點(diǎn)進(jìn)入空閑狀態(tài).當(dāng)節(jié)點(diǎn)有信息幀需發(fā)送時(shí),先判斷信道狀態(tài),若被占用則等待,若空閑則查看發(fā)送是否有沖突.若無(wú)沖突則節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)入發(fā)送狀態(tài),若有沖突則通過(guò)仲裁函數(shù)進(jìn)行仲裁.仲裁勝出的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)入發(fā)送狀態(tài),占用信道資源,仲裁失敗的節(jié)點(diǎn)進(jìn)入接收狀態(tài).當(dāng)節(jié)點(diǎn)沒(méi)有消息發(fā)送又檢測(cè)到總線被占用時(shí),該節(jié)點(diǎn)從空閑狀態(tài)轉(zhuǎn)為幀接收狀態(tài),成為接收節(jié)點(diǎn).發(fā)送或接收結(jié)束后,節(jié)點(diǎn)返回空閑狀態(tài).本研究所用ABS控制器采用該模型與網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)通信.1.3數(shù)據(jù)發(fā)送模塊傳感器以智能節(jié)點(diǎn)形式作為獨(dú)立的CAN節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中存在,可使傳感器信息被需求節(jié)點(diǎn)同時(shí)同步獲得,提高傳輸實(shí)時(shí)性和控制可靠性.智能傳感器節(jié)點(diǎn)模型如圖4所示.該模型由數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)發(fā)送2個(gè)并行的子狀態(tài)組成.由于傳感器節(jié)點(diǎn)只需要周期向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送傳感器狀態(tài)信息,因此數(shù)據(jù)發(fā)送模塊不需要設(shè)置幀接收狀態(tài).網(wǎng)絡(luò)初始化后,2個(gè)并行子狀態(tài)均進(jìn)入空閑狀態(tài).數(shù)據(jù)采集子狀態(tài)采樣后將傳感器信號(hào)裝幀送入緩沖器待發(fā).數(shù)據(jù)發(fā)送子狀態(tài)在檢測(cè)到數(shù)據(jù)采集子模塊緩沖器內(nèi)非空時(shí),判斷信道是否滿足發(fā)送條件.若信道空閑則發(fā)送信息幀,其過(guò)程與控制器節(jié)點(diǎn)相同.若出現(xiàn)發(fā)送沖突,通過(guò)仲裁判斷是否繼續(xù)發(fā)送.仲裁勝出則繼續(xù)發(fā)送,失敗則節(jié)點(diǎn)停留在判斷狀態(tài),繼續(xù)監(jiān)聽(tīng)信道等待空閑.將4個(gè)輪速傳感器設(shè)計(jì)為網(wǎng)絡(luò)的獨(dú)立智能傳感器節(jié)點(diǎn).輪速信號(hào)在數(shù)據(jù)采集子狀態(tài)采樣后通過(guò)計(jì)算轉(zhuǎn)換為輪速值,將該輪速值作為信息幀數(shù)據(jù)域攜帶信息,通過(guò)CAN網(wǎng)絡(luò)傳輸至ABS控制器.2分析和計(jì)算信息中斷2.1兩種最優(yōu)設(shè)計(jì)位由CAN協(xié)議可知,信號(hào)在網(wǎng)絡(luò)上從發(fā)送節(jié)點(diǎn)等待發(fā)送到接收節(jié)點(diǎn)成功接收存在時(shí)滯.與傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)信息傳輸方式相比,這段時(shí)間即可視為網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)滯.若發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)的軟件抖動(dòng)時(shí)間為tJ,則通信時(shí)滯時(shí)間tR由消息的排隊(duì)時(shí)間tW、在網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)臅r(shí)間tC及軟件抖動(dòng)時(shí)間tJ3部分組成,即消息m的通信時(shí)滯為tRm=tCm+tWm+tJm.(1)若消息m以定周期Tm發(fā)送,當(dāng)滿足tRm<Tm時(shí),則系統(tǒng)無(wú)丟幀.CAN協(xié)議為了保證信息傳輸?shù)目煽啃?在傳輸過(guò)程中使用位填充技術(shù),這使得實(shí)際傳輸?shù)南⑽粩?shù)增加.假定等待發(fā)送的消息優(yōu)先級(jí)為m,且發(fā)送消息無(wú)錯(cuò),則根據(jù)協(xié)議規(guī)定的數(shù)據(jù)幀格式,消息在網(wǎng)絡(luò)上的最長(zhǎng)傳輸時(shí)間tCm=(g+8sm+13+?g+8sm?14?)tbittCm=(g+8sm+13+?g+8sm-14?)tbit,(2)式中g(shù)根據(jù)CAN的幀格式確定,當(dāng)幀格式為標(biāo)準(zhǔn)幀時(shí)g為34,為擴(kuò)展幀時(shí)g為54;sm為數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)域攜帶的字節(jié)數(shù),取值為0～8的整數(shù);tbit為網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奈粫r(shí)間.消息m在等待發(fā)送時(shí)的最長(zhǎng)排隊(duì)時(shí)間tWm可由遞推公式(3)計(jì)算:tn+1Wm=tBm+∑?k∈hp(m)????tnWk+tJk+tbitTm????×tCk,(3)tWmn+1=tBm+∑?k∈hp(m)?tWkn+tJk+tbitΤm?×tCk,(3)式中t0WmWm0=tBm,tBm為信息幀優(yōu)先級(jí)低于m的消息中,發(fā)送時(shí)間最長(zhǎng)的信息幀在總線上的傳輸時(shí)間,即tBm=maxk∈lp(m)tCktBm=maxk∈lp(m)tCk;hp(m)為優(yōu)先級(jí)高于m的幀集合,lp(m)為優(yōu)先級(jí)低于m的幀集合.2.2兩種時(shí)滯的模型在通信網(wǎng)絡(luò)的波特率、信息幀格式、單幀數(shù)據(jù)域字節(jié)數(shù)及信息幀發(fā)送周期一定的情況下,由前述公式即可從理論上計(jì)算出單幀信息最大延遲時(shí)間.本研究所建CAN網(wǎng)絡(luò)通信模型,具有計(jì)算并保存所有發(fā)送節(jié)點(diǎn)從有信息幀待發(fā)至該幀被接收節(jié)點(diǎn)成功接收的時(shí)間,并將該時(shí)間段作為幀的發(fā)送時(shí)滯.通過(guò)將CAN通信模型與車(chē)輛控制器模型的無(wú)縫連接,可直觀研究由該時(shí)滯給控制器帶來(lái)的影響.3模擬分析3.1胎模型和控制器為了驗(yàn)證通信時(shí)滯對(duì)控制器控制性能的影響,在Simulink平臺(tái)建立了包括縱向、側(cè)向、橫擺及4個(gè)車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)的7自由度車(chē)輛模型,輪胎模型為Dugoff非線性模型.控制器采用模糊控制邏輯,以車(chē)輪減速度a和實(shí)際滑移率與理想滑移率的偏差e為輸入變量,控制電磁閥開(kāi)關(guān)的PWM信號(hào)為控制輸出變量,即有e=sd-si,(4)式中sd為理想滑移率;si為實(shí)際輪胎滑移率.圖5-7為輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的隸屬度函數(shù).表1為控制器控制規(guī)則,各規(guī)則權(quán)重為1.采用Mandani推理進(jìn)行模糊邏輯運(yùn)算,解模糊運(yùn)算采用重心法.3.2傳感器節(jié)點(diǎn)信號(hào)傳輸通信模型包含5個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),其中4個(gè)為車(chē)輪輪速傳感器節(jié)點(diǎn),1個(gè)ABS控制器節(jié)點(diǎn).控制器節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)最高,其次為左前輪傳感器節(jié)點(diǎn)、右前輪傳感器節(jié)點(diǎn)、左后輪傳感器節(jié)點(diǎn)和右后輪傳感器節(jié)點(diǎn).通信波特率設(shè)置為SAEJ1939應(yīng)用協(xié)議推薦使用的250kb/s,幀格式采用標(biāo)識(shí)符為29位的擴(kuò)展格式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,每幀數(shù)據(jù)域攜帶4字節(jié)信息,各傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)幀發(fā)送周期為5ms.由于4個(gè)輪速傳感器以獨(dú)立的CAN節(jié)點(diǎn)形式存在,因此控制器在一個(gè)控制循環(huán)中,應(yīng)至少接收4個(gè)輪速傳感器信號(hào)一次才能保證控制有效,故此處將控制器控制周期設(shè)置為40ms.由2.1分析可知,當(dāng)軟件抖動(dòng)時(shí)間tJm為0時(shí),計(jì)算可得優(yōu)先級(jí)最低的節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)幀在信道上傳輸?shù)臅r(shí)間tCm和最長(zhǎng)排隊(duì)時(shí)間tWm分別為0.48ms和3.26ms,即從消息等待發(fā)送到被接收節(jié)點(diǎn)成功接收所用時(shí)間最大應(yīng)為3.74ms.因此,從理論上分析,將系統(tǒng)傳感器節(jié)點(diǎn)的發(fā)送周期設(shè)定為5ms時(shí),可保證系統(tǒng)無(wú)丟幀運(yùn)行.而實(shí)際仿真時(shí),軟件抖動(dòng)不可避免,且其實(shí)際使用時(shí)也不可知.當(dāng)tJm>1.26ms時(shí),即可導(dǎo)致tRm>Tm,出現(xiàn)丟幀情況.仿真可借此考察在信息傳輸存在時(shí)滯和丟幀現(xiàn)象情況下ABS控制器表現(xiàn).另外,由于實(shí)際車(chē)輛在低速行駛時(shí),傳感器信號(hào)誤差較大,且此時(shí)車(chē)輪抱死對(duì)操縱穩(wěn)定性影響很小,故控制器在車(chē)速低于2m/s時(shí)停止工作.3.3abs與傳感器間的信息傳輸仿真對(duì)比圖8為車(chē)輛以初速度v=22.22m/s在峰值附著系數(shù)μ=0.80的路面上的制動(dòng)過(guò)程中,4個(gè)輪速傳感器通過(guò)CAN網(wǎng)絡(luò)發(fā)送信息幀的時(shí)滯情況.可以看到,由于4個(gè)車(chē)輪傳感器節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)由高到低,信息幀數(shù)n傳輸時(shí)滯依此序逐漸增加,且優(yōu)先級(jí)較低的兩后輪在整個(gè)制動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)傳輸時(shí)滯超過(guò)幀發(fā)送周期的丟幀現(xiàn)象.其中優(yōu)先級(jí)次低的左后輪丟幀率為0.51%,優(yōu)先級(jí)最低的右后輪丟幀率為2.81%.表2為在3種典型ABS路面上,控制器與傳感器間采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式和CAN網(wǎng)絡(luò)方式進(jìn)行信息傳輸?shù)姆抡鎸?duì)比結(jié)果.從表2中可以看出,由于采用CAN網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí),信息在傳輸過(guò)程中較點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸方式存在時(shí)滯,制動(dòng)時(shí)間t和制動(dòng)距離d有所增加.這是由于傳感器發(fā)送的信息幀到達(dá)控制器時(shí)間由于傳輸時(shí)滯而增加,相當(dāng)于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式中控制器向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出控制指令并在該控制周期中執(zhí)行指令的時(shí)間延長(zhǎng),作動(dòng)器執(zhí)行命令時(shí)間推遲所致.圖9為車(chē)輛以不同初速度,在3種典型ABS路面制動(dòng)時(shí)車(chē)輪滑移率s曲線.由于4個(gè)車(chē)輪滑移率在采用CAN網(wǎng)絡(luò)方式通信的仿真結(jié)果相似,此處只列舉傳感器節(jié)點(diǎn)中優(yōu)先級(jí)最低的車(chē)輪滑移率.隨著路面峰值附著系數(shù)的降低,滑移率變化幅度增加.這是因?yàn)槁访娴姆逯蹈街禂?shù)越低,相同制動(dòng)力矩下車(chē)輪滑移率的變化率就越大.而采用網(wǎng)絡(luò)方式傳輸輪速信號(hào)時(shí),信號(hào)的傳輸時(shí)滯使得根據(jù)輪速等信息計(jì)算所得滑移率與實(shí)際滑移率在時(shí)間上滯后,更加劇了滑移率變化的幅度.另外,在車(chē)速較低的制動(dòng)晚期,滑移率的變化幅值較制動(dòng)開(kāi)始的高車(chē)速時(shí)有所增加,是由于模糊控制器控制規(guī)則在制訂時(shí)傾向于高中速時(shí)車(chē)輪滑移率控制的穩(wěn)定性,因此制動(dòng)后車(chē)速降至低速時(shí),滑移率s幅值變化較大.圖10為以CAN網(wǎng)絡(luò)方式傳輸信息時(shí)車(chē)速及4個(gè)車(chē)輪輪速的響應(yīng)圖.雖然整個(gè)通信過(guò)程存在時(shí)滯及丟幀,但這并未影響車(chē)輛制動(dòng)時(shí)的操作性和穩(wěn)定性.因此,CAN網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)滯給該控制器性能帶來(lái)的影響較小,說(shuō)明所建ABS控制器在單一路面上具有較強(qiáng)魯棒性.3.4輪速傳感器應(yīng)用圖11為車(chē)輛在對(duì)接路面(制動(dòng)初速度為22.22m/s,行駛30m后峰值附著系數(shù)由0.80變?yōu)?.15)上制動(dòng)過(guò)程中,4個(gè)輪速傳感器節(jié)點(diǎn)的信息傳輸時(shí)滯.可以看到,4個(gè)車(chē)輪傳感器節(jié)點(diǎn)中,優(yōu)先級(jí)最高的左前輪信息傳輸時(shí)滯在2ms以?xún)?nèi),優(yōu)先級(jí)稍低的右前輪的最大時(shí)滯在4ms內(nèi).兩后輪優(yōu)先級(jí)更低,且出現(xiàn)丟幀現(xiàn)象,丟幀率分別為0.41%和2.49%.圖12為4個(gè)車(chē)輪在對(duì)接路面的滑移率s曲線.前輪在路面峰值附著系數(shù)跳變點(diǎn)處發(fā)生短暫抱死,是由于制動(dòng)時(shí),載荷前移使前輪產(chǎn)生制動(dòng)力增大,在高制動(dòng)力矩作用下進(jìn)入低附著路面,輪速變化劇烈致使前輪發(fā)生抱死現(xiàn)象.但在控制邏輯的控制下,前輪能較快回到理想滑移率附近.后輪在整個(gè)制動(dòng)過(guò)程中沒(méi)有抱死,能夠較好地跟隨理想滑移率.但由于右后輪輪速傳感器節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)最低,受信息傳輸時(shí)滯及丟幀影響,右后輪滑移率在進(jìn)入低附路面后,滑移率幅值變化較大.車(chē)輛在模糊邏輯控制下,仍能保持原有操縱性和穩(wěn)定性,說(shuō)明控制器具有較強(qiáng)魯棒性.4基于abs的約束傳輸信息時(shí)滯(1)所建CAN網(wǎng)絡(luò)通信模型可用來(lái)研究消息傳輸時(shí)滯和丟幀給系統(tǒng)控制器控制性能帶來(lái)的影響,為在考慮網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)滯及丟幀情況下研究控制器性能提供一種直觀有效的方法.(2)在本模型中,輪速傳感器節(jié)點(diǎn)信息傳輸周期設(shè)為5ms時(shí),可滿足控制器通過(guò)CAN網(wǎng)絡(luò)得到傳感器信息的實(shí)時(shí)性要求.雖然信息傳輸過(guò)程中存在時(shí)滯和丟幀現(xiàn)象,