• Non ci sono risultati.

A MODEL BASED DESIGN METHODOLOGY FOR ABS/ESP SYSTEMS

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Condividi "A MODEL BASED DESIGN METHODOLOGY FOR ABS/ESP SYSTEMS"

Copied!
14
0
0

Testo completo

(1)

M

Master D

MOD

U

Degree in

EL BA

FOR

     

UNIVE

Engi

n Automa

ASED D

R ABS

      

Anno acc

RSITY

neering

ation Eng

DESIG

S/ESP 

      C       S        

cademico 

Y OF P

g Facult

gineerin

GN ME

SYSTE

Candidate

   

Supervisors Examiner:

2010/201

PISA

ty

ng and Ve

ETHO

EMS

      

:   D Dr. I Dr. Ing. C

11 

ehicle co

DOLO

      Nicol

Dr. Ing. Anto Ing. Andrea Carlo Alberto

ontrol

OGY 

a David

onio Bicchi a Ballucchi o Avizzano

(2)

2     

ABSTRACT 

In  this  thesis,  developed  at  LMS  international  company,  is  shown  the  use  of  Model  Based  Design methodology and tools to integrate the major development phases into one continuous  design cycle process.   This thesis is part of a project of the development of an Hardware in the Loop (HIL) test rig for  representing the braking system of a car and in particular reproduce an antilock brake system  controller.  Following the V‐cycle process is realized a complete model of a vehicle and integrated with the  model  of  the  hydraulics  brakes.  With  a  graphical  user  interface  it’s  possible  to  visualize  the  signals coming from a Real time simulation. 

After this integration is tested an ABS algorithm and an hardware valve controller.   

 

INTRODUCTION 

In  recent  years  model  based  design  methodology  has  become  the  preferred  method  for  designing, modelling and simulating complex dynamic systems.  

The traditional system design methodology, with steps of design, implementation, testing and  production, is rather time consuming and error prone in nature. 

With  MBSE,  complicated  systems  can  be  created  by  using  mathematical  models  representing  system components and their interactions with their surrounding environment.  

For  modelling  multiphysics  components  LMS  own  Imagine  AMESim®  software,  that  has  advanced  features  for  automatic  generation  of  source  code  that  would  mimic  the  simulated  system and hence cutting time to market and reducing development costs. 

(3)

3  The Vehicle Model in AMESim®    The  aim  of  this  thesis  is  to  set‐up  a  process  to  check  for  integration  issues  of  a  certain  component in the whole vehicle context. The work begin with the vehicle model built in LMS  Imagine AMESim®.  From this it’s created an S‐function (automatically generate in C‐code) used  for export the model in Simulink, where thanks to Triphase® interface, it’s possible to compile  and run the model into a Xenomai® Real Time PC.  

When  the  simulation  is  running  we  receive  the  arrays  of  timed  signals  representing  the  behaviour of the car. This signals are visualized directly by a created Graphical User Interface.   For each step of the development of the vehicle model and the brake hydraulics integration is  followed this process for verify that each new component of the model is compatible with the  Xenomai interface. 

Further  task  is  a  Model‐in‐the‐loop  AMESim‐Simulink®  cosimulation  between  the  vehicle  and  brake modelization, testing a new Simulink ABS Sliding mode controller. 

Final  step  is  to  setup  an  Hardware‐in‐the‐Loop  test  for  implement  the  control  algorithm  on  experimental board, connected to the AME models.             

The Vehicle Model in AMESim®

The AMESim® Vehicle model developed is an evolution of a demo model available in the demo  library of AMESim, the final layout is shown in the figure below. In particular we use the model  and interconnect it with the model of the brakes. 

(4)

4  For the  with 6 D DOF, so The sev The sev frame (R For  kno some  se simulations DOF, Steeri  15 DOF.  eral degree eral frames R1 ), the spi owing  the  d ensors.  The s necessary ng rack bod s of freedom  used in the ndle frame  ynamic  beh e  absolute  v The Vehi AMESim® y in this thes dy with 1 D m of the sys e 15 DOF ch ( R2 ) and th havior  of  th velocity  sen cle Model in ® Vehicle mode   sis, it’s used DOF, 4 Spind stem are de assis mode he wheel fra  

he  car,  it’s  n nsor,  availab n AMESim® el developed  d the Vehic dle body wi etailed on th l are the Ga ame ( R3 ) : necessary  to ble  in  vehic

le model w ith 1 DOF, 4 he following alilean frame o  connect  o cle  dynamic   with 15 DOF 4 Wheel bo g figure :  e ( R0 ), the   

on  the  chas cs  library  ar : car body  ody with 1  carbody  ssis  model  re  generic 

(5)

5  models, and exp The abs some  As seen the  soli hereafte   To  the  friction  model a the brak A signal the  fric multipli multipli friction  For insta The  dri accelera , express th pressed in fr solute positi point  b  previously, d  connecte er, with the chassis  mo force  is  m and is appli ke torque ac l input on a tional  torq ed  by  a  us ed by a use torque in N ance  with t iver  block  ation  contro e rotary vel rame "Rk".  ion sensor a belonging  , all Euler a ed  to  the  se e associated

odel  is  linke odeled  as  C ed  betwee ction acts o a rotary frict ue  with  3  ser  supplied er supplied  Nm directly.  the second o calculates  ol  (0=  no  ac The Vehi locity of sol allows the m to  a  ngles are re ensor  mode  solid conne Euler angl

ed  to  the  r Coulomb  fr en wheel an n the whee tion torque options,  a d  maximum coefficient  option Fdyn  the  brakin cceleration; cle Model in id "i", with  measuremen solid  wh eachable wi el.  Euler  ang

ection :  les used in vehi rotary  fricti riction.  Brak nd spindle, o el and the re e generator  signal  betw m  value  or  of friction a is defined a ng  control  ;  1=  maxim n AMESim® solid attach nt and the p hose  sens ith Euler an gles  used  in cle dynamics  on  torque  ke  torque  i on the relat eaction acts  supplies a  ween  0  an taken  as  n and the rad as  Fdyn d (0=  no  b mum  acceler hed frame " post treatm sor  mode gle sensor,  n  vehicle  dy generator  f nputs  are  c tive DOF, a on the spin value which d  1,  taken  normal  forc dius on whic dynFnormal  braking;  1=  ration)  and  Ri", versus f ent of the p el  is  co depending  ynamics  are   for  each  w connected  round y2 ax ndle.  h is used to

as  a  fract ce  in  Newt ch the force maximum gear  shiftin frame "Rj"  position of  onnected. only with  e  detailed  wheel.  The  at  chassis  xis. Hence,  o calculate  ion  to  be  ton  to  be  e acts or a 

m  braking,  ng  control 

(6)

6  Braking system    having as input the speed control (usually supplied by a mission profile icon), vehicle speed and  the engine rotary velocity. 

The  gearbox  ratio  is  calculated  from  the  engine  rotary  velocity.  When  the  vehicle  velocity  is  below a threshold (specified by a parameter), the neutral is engaged to avoid engine stalling.   The velocity profile submodel define a mission profile based on tables for the vehicle velocity  and  gearbox  ratio:  for  the  particular  test  of  this  context  it’s  created  a  cycle  imposing  hard  acceleration and braking requests called “FastAccelerationFastBreak”.  This 11s cycle is made a linear request of velocity for first 8 s until 15 m/s (54 Km/h) and after  an hard brake until stop the car.  The tire kinematic model computes all kinematic elements of center of tire contact tire/ground  between the tire belt model and the tire model it’s possible to connect a dedicated sensor; It  allows the measurement of complete ground reaction motor (force and moment) .   This represents the external forces acting from the ground on the wheel, that can be summed  into one ground reaction force vector ( F w ) and one ground reaction moment vector ( M w ).   The tuning of parameters model are made with a Ford S‐max 2.5 L spark ignition 4 strokes ICE  having a mass of 1800 kg.  

Braking system

 

A  brake  system  is  a  system  based  on  simple  hydraulics.  In  the  hydraulics  the  driver  force,  is  transmitted  by  incompressible  brake  fluid  to  another  point.  This  basic  system  consists  of  two  pistons (master cylinder and wheel caliper or cylinder), which are filled with brake fluid and are  connected by a brake line of any length or shape. When the brake pedal is forced down brake  fluid  from  the  master  cylinder  is  transferred  to  the  brake  caliper  piston,  pressurized  fluid  is  transmitted  through  the  brake  caliper  to  the  brake  pads or  shoes,  which  are  mounted  to  the  brake caliper or wheel cylinder.  

(7)

7  An  anti decelera the othe it indica ABS sys wheel o In the f on the B Starting pressure amplifie amplific This  for pressure The par brake p This  flu electrom lock  brake  ation rates  ers, or at a  ates the whe tem respon or wheels.  ollowing fig Bosch appro g from the b e  signal  thr ed by a pow cation ratio  rce  in  Newt e to the hyd rameters us

ads are mea uid  in  pres

magnetic fo systems,  is of the whee faster rate  eel is startin nds by mom gure is show oach describ bottom of t rough  a  sim wer brake bo

to calculate ton  is  an  in draulic brak ed in the m asured to ca ssure  will  p rce activato B s  a  system  els during b than that w ng to slip an mentarily red wn the Hyd bed in ref. [ Braking Sy he figure, a mple  model  ooster. The  e the output put  to  a  sim e with the m model are re alculate the pass  two  s or.  Braking syst that  contro braking. If on which is pro nd is in dang ducing hydr raulic braki 1] .   ystem Hydraulic a brake com of  a  brake  input force t force on th mple  mode maximum fo ealistic value e force appli steps  of  re em

ol  the  tire  ne wheel st grammed in ger of break raulic pressu ng system i cs in AMESim  mmand [0 1   pedal  forc e coming fro he master c el  of  the  ma

orce of 32 b es. The pres ed to a real egulation  v slip  by  mo arts to slow nto the anti king traction ure to the b implemente 1] is given,  ce  430  N  m om the ped cylinder, in o aster  cylind bars as outp ssure and th l brake disc. alves  group onitoring  th w at a faster ilock contro n and lockin brake on the ed in AMES this is conv ax;  this  for dal is multip our case is 1 er,  which  p ut.  he dimensio .  p,  compose e  relative  r rate than  ol module,  ng up. The  e affected  Sim, based  verted in a  rce  is  now  plied by an 

1720 N.   provides  a 

ons of the 

(8)

8  Vehicle and Brake hydraulics integration    With  the  valve  activation  of  the  is  possible  to  have  the  control  of  the  fluid  flow  and  consequently reduce the pressure at the calipers at certain conditions.  

In  no  activation  condition,  the  passage  is  assumed  open,  so  the  same  pressure  that  we  have  downstream is upstream. 

Vehicle and Brake hydraulics integration

The integration in one layer of the two models has presented some issues. The braking model is  a new developed model that is available with next AMESim revision, at beginning has had some  problems that is solved during the model merging. 

First  tentative  was  lo  leave  them  in  different  layers  in  AMESim  and  build  up  a  Simulink  cosimulation. In this way, in the Simulink sketch we have to manage two S‐function. 

This  solution  has  incompatibility  with  Simulink‐Real  time  PC  interface  (Triphase),  the  only  possible solution was solving this issues by trying different vehicle models configuration. 

The  basic  idea  of  this  integration  is  that  the  vehicle  model  send  to  the  brake  pedal  the  command necessary at the vehicle to follow the vehicle profile imposed. 

This signal, between 0 and 1, is amplified to better correspond to a human reaction press of 430  N  (43  KgF).  This  force  is  amplified  by  the  power  booster  and  in  the  end  the  master  cylinder  convert it into a pressure in the circuit.  Simulations of ABS intervention  With the complete model now it’s possible to test better the braking hydraulics facilities and in  particular the ABS valve controller on skidding conditions.   For practicality is adopted velocity profile is the “ FastAccelerationFastBreak ”.  The road grip model with adherence can be an independent input at each wheel. This is a value  between [0‐1] and allows the possibility of several road grip modelling as constant or variable  adherence. For set up a slipping condition, the grip modulation value is set to 0,4. 

(9)

9  The cali an inpu Nm.  In this s step size    The bra calipers the rese iper block s t a signal b simulation is e of and a R Figure 1 speed          Figure 3 A ke comman : when the  ervoirs and t Ve imulator, in etween  0 a s used a sol Runge‐Kutta d control and ef Acceleration an nd can be se valve‐out c the brake p Figure ‐ ehicle and B nterfacing w and 1 and g lver option  a based inte ffective velocity d braking contr een in the f command fo pressure dro ‐ Pressure at cal Brake hydrau with the car gives as an  with four o grator meth   rol           Figure  figure 4 and or the intere op, allowing  lipers with and  ulics integra  chassis, in  output a dy order fixed s hod.  Figure 2 Front w 4 Valve out co d how the va ested whee the wheels without ABS in ation this first ve ynamic torq step integra wheels angular mmand for Fro alves reduc el is activate s to continue   tervention  ehicle mode que of maxi ator of 0.00   r velocity (ZOOM   ont wheels (ZOO e the press ed, some oil e rotating.  el takes as  imum 400  1 seconds  M)  OM)  ure at the  l flow into 

(10)

10 

AMESi

AMESim For this  In the fi        At  the  h loops,  i inverter protoco

GRAPH

For  bett User Int model a Part of  graph [  velocity The stre desired  The use of the c until the the cod

im to Sim

m has not ye purpose it’ gure the ov

heart  of  the t’s  program r  and  other ols.  

HICAL US

ter  collect  terface (GU and the brak the GUI  wa Km/h ], en y, pressure,  eaming data to the visua er can intera urrent mod e stop butt e catch up a

ulink Inte

et the facilit s needed M verview of th e  system  re mmed  and  r  hardware 

ER INTER

and  plot  th I). The GUI  kes integrat as  already  b ngine speed  orientation  a from Xeno alization, by act with the del. During s on press; th round  1500 AMESim

erface

ty to interfa Matlab‐Simu he system.  esides  the  T operated  t componen

RFACE IN

he  informat is develope tion, so the  begun:  the  [ rpm ], ge and forces  omai PC has y scaling and e GUI with t simulation,  his array ca 0 rows   m to Simulink ace directly  link in whic Triphase  Re through  MA nts  via  Ethe

MATLAB

tion  coming d in the me final version displayed s ear lever po applied at t s to be buff d multiplyin he push but it’s buffered an be saved k Interface the softwar h it’s install al‐Time  Tar ATLAB®/SIM ernet  throu

g  from  the  eantime of t n is compat ignals was osition, simu the wheels. fered and co ng that to a  tton for loa d a vector o d with the s re with a re led the Trip rget.  This  ta MULINK®.  It  gh  a  variet Xenomai  is he evolutio tible with al the vehicle ulation time   onverted in rotational m d, unload, r of results wi ave button al time env hase toolbo arget  runs  a communic ty  of  comm

s  created  a  on of the AM l models.   speed indi e and was a  the referen matrix .  reload, start ith all the si . The final v ironment.  ox.   all  control  cates  with  munication  Graphical  ME Vehicle  icator  and  added the  nce frame  t and stop  ignal state  version of 

(11)

11 

MIL co

Model‐i PCs. In t with the In  this  signals t driver.   The  hyd comma vehicle 

osimulatio

in‐the‐loop  this case we e two AMES step  it’s  re that link th draulics  elab nds for the  speed and t MIL cos

on TEST f

testing mea e use a Simu Sim models: eplaced  the  e vehicle w borate  the  ABS valves the speed o simulation T GUI developed

for ABS Sim

ans that all  ulink contro : the vehicle AMESim  v with the bra brake  press s are calcula of each whee MIL Sim TEST for ABS d showing the v

mulink co

the simulat oller that dri e and the br valve  contro ke hydrauli sure  signal  ated by the el.    ulink Cosimulat S Simulink c vehicle behavio

ontroller

tions are m ives the hyd rake hydrau oller  with  a ics are the 

to  send  to  e new Simul tion Layout   controller   our  model based draulics and lics.  a  Simulink  o brake comm the  vehicle link scheme  and run in d runs in cos one.  Like  b mand value

e  model  but e, taking as    to normal  simulation  before  the  e from the  t  now  the  input the 

(12)

12  In  Simu necessa speed o The  con output i This con make a  For each Slip  fact mode co The cho The max the slip  picture    ulink  we  wa ary.  As  inpu of each whe ntroller  imp is calculated ntroller is d comparison h wheel is c tor  λ  and  th ontrol.  osen simulat  G  1  S ximum frict is too high  at the FrL c MIL cos ant  to  cont uts  we  catch

el and the v plements  a  d the comm developed in n between t calculated t he  desired  ted scenario Grip coefficie 100 km/h to  SLIDING MOD tion achieve we have th aliper and a simulation T trol  the  val h  the  signa vehicle spee sliding  mo mand at the v The S n reference the valve co the slip i  one   i o:  ent lowered t 0 in 5 s strai DE CONTROL ed near 15% he valve out allow at the  TEST for ABS ves  that  re ls  needed  f ed, as result de  method valves to op imulink valve co e at the wor ommands of i v v R v v     a des i   . Th to 0.1 at fron ght path  L with tanh a % of λ so we t command wheel velo S Simulink c elease  the  from  the  ve  is calculate   based  on  pen and clos ontroller  rk described f this contro and the diffe his  is  the  co

nt left wheel  anti‐chatterin  want to sta that releas city to avoid controller pressures  a ehicle  mode ed the slip fa a  threshold se them.  d in the art oller and the erence betw ontrolled  va only  ng function  ay around t e the press d the blocki

at  the  calip el  such  as  t actor for ea d  of  Slip  fa   ticle [8], ana e AMESim o ween of the ariable  for  t his paramet ure like sho ing.  pers  when  the  wheel  ch wheel.  ctor  λ,  as  alyzed for  one.   e effective  the  sliding  ter. When  own in the 

(13)

13  Simulat  Ve The pre pressure

HIL CO

Followin hardwa complie Simulink internal The I/O  devices  represe 16 bits w 0.00 35.00 A m pl itude m/s 0 0.00 1.00 A m pl itude / HIL ted results  ehicle speed and ssure in the e in the fron

OSIMULAT

ng  the  V‐cy re and test  ed  and  run 

k; the signa l virtual regi  of the hard are input/o nting the w with sign an 1 2 3 L COSIMULA :  d measured one e master cy nt left calipe

TION TES

ycle  process it. First of  at  the  sam als commun isters.  dware cont output devic wheels speed nd linked to  4 5 6 s ATION TEST  e at the FrL whe linder and i er it’s dropp

ST OF THE

s  we  want  all it’s conf e  CPU.    Eac ication betw roller is link ce which re d and the v a register’s HIL V W 6 7 8 OF THE ABS eel , below the      n the other ped due to t

E ABS HAR

to  replace  figured the  ch  model  h ween the tw ked to the X eceive/send ehicle spee s value in th L ABS valve cont V ehic le Speed Wheel Speed FrL 10 9

Des ired Slip s lip FrL 0 1.80 Pa 0 1 / S HARDWAR Slip and Maste rs calipers h the ABS algo

RDWARE

this  contro Xenomai su as  to  be  la wo models  Xenomai tho a current b d. The curre e Xenomai. troller  0.00 0e+6 A m pl itude Pa 0 1 2 0.00 1.20 A m pl itude / RE CONTRO r cylinder and f have norma orithm inter

CONTRO

oller  with  a  uch that the unched  fro is made by ought Ether between 4 t ent is digitis     3 4 5 s OLLER  front caliper pre l values, wh rvention. 

OLLER

real  one  r e two mode m  different  setting the rCAT™. The  to 20 mA, in sed to a res Master Cylin FrL caliper p FrR caliper p 6 7 8 FrL valve O   essure  hereas the  realized  in  els can be  t  layers  of  e Xenomai  EtherCAT  n this case  solution of  nder pressure pressure pressure 10 9 OUT command

(14)

14  BIBLIOGRAPHY    In order to run the control algorithm on an embedded system, the model has to be converted  to  embedded  c‐code,  which  can  be  compiled  and  ran  independent  of  the  modeling  environment. The difficulties on this step is that many libraries are not available.     

CONCLUSIONS 

This work follow the model based design methodology, reducing the numbers of development  stages by combining the design, implementation and test into one process and can be used in a  wide range of application areas. In particular, here is developed a vehicle model and interfaced  with the braking hydraulics model; it’s built the interface for Simulink in a first step and for a  Real time PC in a second step.  The behaviour of the car it’s shown in a Graphical user interface, developed taking into account  all the rotational matrix of the reference systems. 

After,  a  new  sliding  mode  controller  is  implemented,  having  good  results  in  terms  of  performance  and  stability,  taking  into  account  the  maximum  admissible  threshold  of  desired  slip at the wheels. 

In the end, a Hardware‐in‐The‐Loop setup is realized, linking the Real time PC via EtherCAT to  an Hardware controller realized internally by the company. 

Further  development  steps  can  be  run  the  control  algorithm  on  an  embedded  system,  which  can be compiled and ran independent of the modeling environment. 

BIBLIOGRAPHY

[1]  BOSCH “ Driving Stability Systems” , 2005. [2]  Savaresi, Tanelli “ Active Braking Control Systems Design for Vehicles”. Springer, 2010 [3]  Triphase Power Conversion System Tutorial – Release 4.2 2010  [4]  Bakker, E., Nyborg, L., Pacejka, H.B. “ Tire modelling for use in vehicle dynamics studies” .  SAE Paper, 1987  [5]  Mansour, Ahmadian, Zhila “ MODEL BASED DESIGN AND SDR” , 2008  [6]  The MathWorks, Inc.” Real‐Time Workshop user’s manual” , 2002.  [7]  Harifi, Aghagolzadeh, Alizadeh, Sadeghi  "Designing a sliding mode controller for slip control  of antilock brake systems", 2008

 

Riferimenti

Documenti correlati

This thesis focuses on a radar that meets the requirements of modularity and scalability combining the Software Defined Radio approach with Passive Radar Systems.. For

In the time interval [0, t] no measure has been performed on the

 The takeOrdered(num, key) action returns a local python list of objects containing the num smallest elements of the considered RDD sorted by. considering a user specified

In addition, the radar system of FSK (Frequency shift keying) waveform has high velocity resolution and can avoid the ghost targets, but it is unable to measure the stationary

The state-of-the-art of brake pads and geopolymers will be presented in the Background, with focus for brake pads on the technology, materials and friction/wear

Although the majority of current road tunnel QRAs assess physical aspects of the tunnel system and consider several hazards concerning the transportation of dangerous goods (DGs)

The combination of computer technology and PLC control technology could effectively and rapidly test the present water supply system’s parameters and performance; meanwhile it

At the end of the chapter there is a deeply analysis of the fundamental element of the project: the piezoelectric motor Piezo LEGS TM by P iezoM otor company, whose R the driver