基于Simulink及CANoe的电动助力转向系统ADAS性能测试方法研究

摘 要：实现整车ADAS功能，需要电动助力转向系统能够满足ADAS上位机请求的相关要求，由于ADAS上位机开发周期较长，往往在首次装车时无法搭载，影响了电动助力转向系统的ADAS性能初步调试工作的开展及后续ADAS整车联调的进度。因此，本文研究并提出了一种联合Simulink和CANoe的汽车电动助力转向系统的ADAS性能测试方法。由于单存采用CANoe CAPL编程模块，难以对于较复杂的传递函数进行编程输出，因此本文提出了根据测试项目通过用Simulink软件建立测试环境，联合CANoe接口进行CAN报文输出至整车网络的方式，实现EPS ADAS的测试验证。

关键词：电动助力转向 ADAS CANoe Simulink 测试方法

0 引言

随着汽车辅助驾驶功能渗透率逐年提高，ADAS功能已经逐步被用户所接受，从最初仅作为可有可无的锦上添花的配置，转变为增加驾驶舒适性、安全性的不可或缺的功能。随之带来用户对ADAS性能要求的快速提高。特别是横向控制方面，由最初的仅能实现车道保持，升级为可自动变换车道超车，紧急避让前车等等。随着功能的升级，对于横向执行器即电动助力转向系统（ElectricPower Steering， EPS）的响应性能提出了更高的要求。整车ADAS功能开发过程中，EPS和ADAS上位机由不同供应商团队同步开发，开发周期不同，EPS往往在首次装车时即可完成ADAS功能软件的开发并搭载，但是ADAS上位机软件需要更长的时间进行开发，在首轮装车时难以同步搭载。因此，EPS难4c43e9b5b28b29eabe33f1ad114f6373以在早期进行充分的ADAS性能调试，开发进度被拖后，只能在后期进行进度追赶，影响开发质量。

CANoe是Vector公司开发的汽车网络测试软件平台，具备完善的CAN网络测试能力及通讯节点的仿真能力，可以使用CANoe自带的CAPL编程模块结合Panel进行残余节点的仿真，例如模拟ESP、VCU、ADAS等模块发送相应的报文进行EPS相关功能测试。但对于一些复杂的传递函数，CAPL并不能便捷的进行描述及仿真发送，而Simulink作为一款强大的可视化仿真软件，具备完善的模块库，能够轻松的进行系统的仿真，故本文提出了一种测试方法：使用Simulink进行ESP、VCU、ADAS等EPS关联控制器的模拟仿真，联合CANoe接口及Vector CAN接口设备，与EPS单件或整车CAN网络进行连接，实现EPS的ADAS功能、性能台架调试、实车调试，减小开发周期、提升开发质量。

1 EPS响应ADAS请求的性能评价

ADAS对EPS的请求分为扭矩请求和转角请求两种方式，目前普遍认为转角请求的控制精度要高于扭矩请求。其中转角请求还分为方向盘转角请求和车轮转角请求两种方式，对于车轮转角请求方式，EPS需要根据随方向盘转角变化传动比计算车轮转角值。本文以车轮转角请求方式进行描述，方向盘转角请求类似。

对于请求的响应评价一般是利用阶跃、斜坡、正弦转角请求作为输入，测试EPS实际执行的情况。包含响应的时间、响应的精度、超调量、稳定时间、对称度等。以下基于某款SUV车型进行说明。

1.1 角度响应时间

角度响应时间定义为自ADAS向EPS发出恒定角度请求到车轮转角有明显变化的时间，如图１所示。

角度响应时间的评价在低中高车速下，不同转角请求下进行，如表1所示。

1.2 角度响应对称性

角度响应对称性定义为车辆在平坦路面以恒定的车速（如30km/h）行驶，ADAS向EPS分别发送左右各0.5°（1°，1.5°）的转角请求，车轮角度稳定后分别测向左向右的车轮转角差异要求左右差值百分比小于5%。

1.3 角度回正对称性

角度回正响应对称性定义为车辆在平坦路面以恒定的车速（如30km/h）行驶，ADAS向EPS分别发送左右各0.5°（1°，1.5°）的转角请求，车轮角度稳定后逐渐减小请求角度，分别测向左向右的车轮转角差异要求左右差值百分比小于5%。

1.4 EPS闭环性能

用如下二阶传递函数来评价EPS响应ADAS请求的闭环特性：

其中特征频率为ω0=2πf0，阻尼系数D，迟滞时间TD。标准响应参数：TD。=0.02s，f0，=2.5Hz，D=0.95，偏移量0°；快响应参数：TD。=0.01s，f0，=4Hz，D=0.9，偏移量0.02°；快响应参数：TD。=0.05s，f0，=2Hz，D=1，偏移量-0.02°。

基于斜坡转角输入的响应（图2）和基于正弦转角输入的响应（图3），EPS允许带宽如图阴影区域。蓝色曲线为ADAS请求，黑色线为快响应线，粉色为标准响应线，红色为慢响应线。

2 仿真测试

2.1 台架搭建

EPS测试台架硬件（图4）主要由EPS安装支架、扭矩传感器、程控电源、磁粉制动器负载、Vector CAN接口卡组成。程控电源输出可调电压的电源给EPS作为常电，并分出带有开关的线束至EPS IG输入端口。CAN接口卡连接至EPS的CAN_H、CAN_L端。磁粉制动器作为负载连接至EPS输出端。

2.2 CAN通讯矩阵DBC数据库创建

由于Simulink中的CANFD Pack和CANFD Unpack模块需要导入DBC文件用于各报文信号封装和解封，因此，首先根据EPS通信矩阵，利用CANoe附带的CANdb++Editor 工具创建DBC文件：按照通信协议中定义，将EPS、ESP、ADAS、VCU的报文进行定义，包含报文ID、layout、信号起始、信号长度、最大值、最小值等。

2.3 Simulink仿真搭建

Simulink与CANoe接口卡的交互方式为：1）报文输入方向：通过Packet Input将Vector的CAN Device对应通道接入，再连接至单个报文的CANFD Unpack模块，将该报文各个信号进行解析并按单条信号输出，而后就可以使用这些信号进行相应的处理；2）报文输出方向：通过CANFD Pack将各个信号汇聚后打包，连接至Packet Output模块输出至Vector的CAN Device对应通道。本文基于此方式进行了输入输出的架构搭建。包含ESP、VCU、ADAS、EPS的解析和仿真发送，整体架构如图5所示。

其中ADAS、ESP节点报文涉及E2E的CRC校验，单独做S函数结合E2E Data ID输入实现。台架试验时，ADAS的转角限值可通过转角vs车速的一维图表查表计算出来并输出。（图6）

ADAS响应的闭环性能评价，需要用传递函数、延迟、偏移组合实现。正弦波形一路输入至ADAS CANFD Pack模块直接输出至CAN网络上，三路分别输入至用于计算标准响应、快响应、慢响应的计算模块，同时将回读到CAN网络上的EPS转角信号导入到同一个示波器上，这样就可以直观的观察到EPS实际响应是否满足ADAS的闭环性能要求。（图7）

为便于对关联控制器的输入值进行设置及观测，在Simulink中创建了相应的控制面板。（图8）

2.4 测试验证

将EPS安装至测试台架上，并通过程控电源给EPS供常电及IG电，Vector VN1640与EPS信号端连接，启动Simulink仿真，待EPS的ADAS可控信号变为available（可控）后，将ADAS转角请求切换为Active，转角输入切换至正弦输入。可以看到EPS反馈进入ADAS激活状态，并按照转角请求进行动作。在Simulink示波器上可观测到标准响应（红色线）、快响应（紫色线）、慢响应（绿色线）和EPS实际转角值（白色线）。可以看到，当前EPS的实际响应线在ADAS要求的包络范围内。此外，打开CANoe软件，同步检查Simulink仿真的各信号发送准确性。检查完毕后，关闭部分关联节点（ESP、VCU等），将VN1640连接至整车OBD口EPS对应的CAN网段上，进行实车ADAS响应测试。（图9）

经验证，该仿真架构能够满足测试需求，既可以验证交互逻辑也可以进行性能测试。后续其它车型也可基于该模版、方法进行调整改进。

3 总结

本文通过对EPS ADAS功能的性能要求、测试验证方法进行研究，针对较复杂的测试评价提出了一种验证方式：通过Simulink对ADAS及周边关联控制器进行模拟仿真，结合Vector CAN接口，实现了ADAS、EPS的交互及响应性能测试验证。该方式可以有效节省EPS的ADAS功能开发及标定周期，提升标定质量。基于台架的测试验证，甚至能在装车之前，就对EPS进行初步调试，进一步压缩开发周期。

参考文献：

[1]王霄锋.汽车底盘设计[M].北京：清华大学出版社，2010.

[2]杨金升，张可晨，唐新宇.CANoe开发从入门到精通[M].北京：清华大学出版社，2019.

[3]Progamming with CAP[EB/OL].（2021-01-29）[2024-05-11].www.vector-cantech.com.