车辆can总线仿真环境下can总线的研究

车辆can总线仿真环境下can总线的研究

控制区域网络是同一时代最广泛使用的车辆总线通信网络。由于它的本质是时间不确定性网络，因此没有中断研究。在中国，关于计算机的研究已经开始。一些大学和研究所已经开始研究和开发计算机。其中大部分采用ific开发的coinfoll建模引擎进行网络开发，主要集中在通信网络本身的硬件开发和网络本身的通信性能研究上，不涉及网络传输延迟对控制性能的影响。随着改善车辆性能的各控制器间通信的日益增加,信息传输时滞在负载突增的情况下变得格外明显.由于CAN消息传输时间的不确定性,传输时滞在车辆处于紧急情况时给控制性能带来的影响也变得无法预知.而专业的CAN开发设计工具,只能单纯对通信性能进行仿真和研究,不能用来研究通信时滞给控制性能带来的影响.随着车载网络技术的发展,线控(X-By-Wire)系统将在车辆控制领域广泛使用,节点数量与通信负载的增加导致信息传输时间的延长,其对控制性能的影响亦将日趋严重.防抱死制动系统(ABS)是当今车辆广泛装配用来提高车辆制动安全性的电子控制系统,主要采用传统的点对点方式将控制器与传感器连接.从车辆底盘控制的发展趋势来看,集成的底盘控制势在必行,因此采用网络代替传统连接方式不可避免.本研究基于有限状态机(FiniteStateMachine,简称FSM)理论,在MATLAB/Simulink/Stateflow仿真环境下建立CAN网络通信模型,分析信息传输的时滞.在采用模糊控制方法建立ABS控制系统中,研究控制器及轮速传感器作为CAN网络的独立通信节点时,网络通信时滞给控制器控制性能带来的影响.1基于simulaid的bs控制模型CAN2.0B协议只定义了通信的物理层和数据链路层,应用层需要根据实际应用自行定义.为了便于与ABS控制模型链接,CAN网络的通信模型采用分级建模的方式,通信系统级模型在Simulink中建立,节点的应用层在控制系统所需的传感器和电子控制单元(ElectronicControlUnit,简称ECU)模型中建立,节点的MAC层及物理层在Stateflow中建立,如图1所示.1.1两种网络模型CAN属于多主串行通信网络,其信道资源为多节点共享,采用CSMA/CD方式仲裁节点发送冲突.根据CAN特点建立的信道模型,如图2所示.网络初始化结束后,信道进入空闲状态.当检测到有节点发送信息帧时,信道转为占用状态.帧发送结束后,经过帧间空闲回到信道空闲状态.当有多个节点发送信息帧产生冲突时,通过仲裁函数根据节点优先级判定信道访问权,优先级低的节点在信道再次空闲时重新进行信道资源争夺.1.2状态发送状态的仲裁图3为CAN网络控制器节点模型.网络初始化后节点进入空闲状态.当节点有信息帧需发送时,先判断信道状态,若被占用则等待,若空闲则查看发送是否有冲突.若无冲突则节点转入发送状态,若有冲突则通过仲裁函数进行仲裁.仲裁胜出的节点转入发送状态,占用信道资源,仲裁失败的节点进入接收状态.当节点没有消息发送又检测到总线被占用时,该节点从空闲状态转为帧接收状态,成为接收节点.发送或接收结束后,节点返回空闲状态.本研究所用ABS控制器采用该模型与网络上其他节点通信.1.3数据发送模块传感器以智能节点形式作为独立的CAN节点在网络中存在,可使传感器信息被需求节点同时同步获得,提高传输实时性和控制可靠性.智能传感器节点模型如图4所示.该模型由数据采集和数据发送2个并行的子状态组成.由于传感器节点只需要周期向网络发送传感器状态信息,因此数据发送模块不需要设置帧接收状态.网络初始化后,2个并行子状态均进入空闲状态.数据采集子状态采样后将传感器信号装帧送入缓冲器待发.数据发送子状态在检测到数据采集子模块缓冲器内非空时,判断信道是否满足发送条件.若信道空闲则发送信息帧,其过程与控制器节点相同.若出现发送冲突,通过仲裁判断是否继续发送.仲裁胜出则继续发送,失败则节点停留在判断状态,继续监听信道等待空闲.将4个轮速传感器设计为网络的独立智能传感器节点.轮速信号在数据采集子状态采样后通过计算转换为轮速值,将该轮速值作为信息帧数据域携带信息,通过CAN网络传输至ABS控制器.2分析和计算信息中断2.1两种最优设计位由CAN协议可知,信号在网络上从发送节点等待发送到接收节点成功接收存在时滞.与传统的点对点信息传输方式相比,这段时间即可视为网络通信时滞.若发送节点和接收节点的软件抖动时间为tJ,则通信时滞时间tR由消息的排队时间tW、在网络上传输的时间tC及软件抖动时间tJ3部分组成,即消息m的通信时滞为tRm=tCm+tWm+tJm.(1)若消息m以定周期Tm发送,当满足tRm<Tm时,则系统无丢帧.CAN协议为了保证信息传输的可靠性,在传输过程中使用位填充技术,这使得实际传输的消息位数增加.假定等待发送的消息优先级为m,且发送消息无错,则根据协议规定的数据帧格式,消息在网络上的最长传输时间tCm=(g+8sm+13+⌊g+8sm−14⌋)tbittCm=(g+8sm+13+⌊g+8sm-14⌋)tbit,(2)式中g根据CAN的帧格式确定,当帧格式为标准帧时g为34,为扩展帧时g为54;sm为数据帧的数据域携带的字节数,取值为0～8的整数;tbit为网络传输的位时间.消息m在等待发送时的最长排队时间tWm可由递推公式(3)计算: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为信息帧优先级低于m的消息中,发送时间最长的信息帧在总线上的传输时间,即tBm=maxk∈lp(m)tCktBm=maxk∈lp(m)tCk;hp(m)为优先级高于m的帧集合,lp(m)为优先级低于m的帧集合.2.2两种时滞的模型在通信网络的波特率、信息帧格式、单帧数据域字节数及信息帧发送周期一定的情况下,由前述公式即可从理论上计算出单帧信息最大延迟时间.本研究所建CAN网络通信模型,具有计算并保存所有发送节点从有信息帧待发至该帧被接收节点成功接收的时间,并将该时间段作为帧的发送时滞.通过将CAN通信模型与车辆控制器模型的无缝连接,可直观研究由该时滞给控制器带来的影响.3模拟分析3.1胎模型和控制器为了验证通信时滞对控制器控制性能的影响,在Simulink平台建立了包括纵向、侧向、横摆及4个车轮转动的7自由度车辆模型,轮胎模型为Dugoff非线性模型.控制器采用模糊控制逻辑,以车轮减速度a和实际滑移率与理想滑移率的偏差e为输入变量,控制电磁阀开关的PWM信号为控制输出变量,即有e=sd-si,(4)式中sd为理想滑移率;si为实际轮胎滑移率.图5-7为输入信号和输出信号的隶属度函数.表1为控制器控制规则,各规则权重为1.采用Mandani推理进行模糊逻辑运算,解模糊运算采用重心法.3.2传感器节点信号传输通信模型包含5个CAN网络节点,其中4个为车轮轮速传感器节点,1个ABS控制器节点.控制器节点优先级最高,其次为左前轮传感器节点、右前轮传感器节点、左后轮传感器节点和右后轮传感器节点.通信波特率设置为SAEJ1939应用协议推荐使用的250kb/s,帧格式采用标识符为29位的扩展格式进行数据传输,每帧数据域携带4字节信息,各传感器节点数据帧发送周期为5ms.由于4个轮速传感器以独立的CAN节点形式存在,因此控制器在一个控制循环中,应至少接收4个轮速传感器信号一次才能保证控制有效,故此处将控制器控制周期设置为40ms.由2.1分析可知,当软件抖动时间tJm为0时,计算可得优先级最低的节点发送的数据帧在信道上传输的时间tCm和最长排队时间tWm分别为0.48ms和3.26ms,即从消息等待发送到被接收节点成功接收所用时间最大应为3.74ms.因此,从理论上分析,将系统传感器节点的发送周期设定为5ms时,可保证系统无丢帧运行.而实际仿真时,软件抖动不可避免,且其实际使用时也不可知.当tJm>1.26ms时,即可导致tRm>Tm,出现丢帧情况.仿真可借此考察在信息传输存在时滞和丢帧现象情况下ABS控制器表现.另外,由于实际车辆在低速行驶时,传感器信号误差较大,且此时车轮抱死对操纵稳定性影响很小,故控制器在车速低于2m/s时停止工作.3.3abs与传感器间的信息传输仿真对比图8为车辆以初速度v=22.22m/s在峰值附着系数μ=0.80的路面上的制动过程中,4个轮速传感器通过CAN网络发送信息帧的时滞情况.可以看到,由于4个车轮传感器节点优先级由高到低,信息帧数n传输时滞依此序逐渐增加,且优先级较低的两后轮在整个制动过程中出现传输时滞超过帧发送周期的丢帧现象.其中优先级次低的左后轮丢帧率为0.51%,优先级最低的右后轮丢帧率为2.81%.表2为在3种典型ABS路面上,控制器与传感器间采用点对点方式和CAN网络方式进行信息传输的仿真对比结果.从表2中可以看出,由于采用CAN网络传输时,信息在传输过程中较点对点的传输方式存在时滞,制动时间t和制动距离d有所增加.这是由于传感器发送的信息帧到达控制器时间由于传输时滞而增加,相当于点对点方式中控制器向执行机构发出控制指令并在该控制周期中执行指令的时间延长,作动器执行命令时间推迟所致.图9为车辆以不同初速度,在3种典型ABS路面制动时车轮滑移率s曲线.由于4个车轮滑移率在采用CAN网络方式通信的仿真结果相似,此处只列举传感器节点中优先级最低的车轮滑移率.随着路面峰值附着系数的降低,滑移率变化幅度增加.这是因为路面的峰值附着系数越低,相同制动力矩下车轮滑移率的变化率就越大.而采用网络方式传输轮速信号时,信号的传输时滞使得根据轮速等信息计算所得滑移率与实际滑移率在时间上滞后,更加剧了滑移率变化的幅度.另外,在车速较低的制动晚期,滑移率的变化幅值较制动开始的高车速时有所增加,是由于模糊控制器控制规则在制订时倾向于高中速时车轮滑移率控制的稳定性,因此制动后车速降至低速时,滑移率s幅值变化较大.图10为以CAN网络方式传输信息时车速及4个车轮轮速的响应图.虽然整个通信过程存在时滞及丢帧,但这并未影响车辆制动时的操作性和稳定性.因此,CAN网络通信时滞给该控制器性能带来的影响较小,说明所建ABS控制器在单一路面上具有较强鲁棒性.3.4轮速传感器应用图11为车辆在对接路面(制动初速度为22.22m/s,行驶30m后峰值附着系数由0.80变为0.15)上制动过程中,4个轮速传感器节点的信息传输时滞.可以看到,4个车轮传感器节点中,优先级最高的左前轮信息传输时滞在2ms以内,优先级稍低的右前轮的最大时滞在4ms内.两后轮优先级更低,且出现丢帧现象,丢帧率分别为0.41%和2.49%.图12为4个车轮在对接路面的滑移率s曲线.前轮在路面峰值附着系数跳变点处发生短暂抱死,是由于制动时,载荷前移使前轮产生制动力增大,在高制动力矩作用下进入低附着路面,轮速变化剧烈致使前轮发生抱死现象.但在控制逻辑的控制下,前轮能较快回到理想滑移率附近.后轮在整个制动过程中没有抱死,能够较好地跟随理想滑移率.但由于右后轮轮速传感器节点优先级最低,受信息传输时滞及丢帧影响,右后轮滑移率在进入低附路面后,滑移率幅值变化较大.车辆在模糊逻辑控制下,仍能保持原有操纵性和稳定性,说明控制器具有较强鲁棒性.4基于abs的约束传输信息时滞(1)所建CAN网络通信模型可用来研究消息传输时滞和丢帧给系统控制器控制性能带来的影响,为在考虑网络通信时滞及丢帧情况下研究控制器性能提供一种直观有效的方法.(2)在本模型中,轮速传感器节点信息传输周期设为5ms时,可满足控制器通过CAN网络得到传感器信息的实时性要求.虽然信息传输过程中存在时滞和丢帧现象,