一种车载分布式网络控制系统的开发方法技术方案

一种车载分布式网络控制系统的开发方法，包括系统分析和初步设计、建模与仿真、快速原型设计、系统实现和硬件在环测试五个阶段，首先对车辆零部件、车载通讯网络和协议进行系统分析，提出车载分布式网络控制系统的控制要求和网络通讯要求，进行车载控制系统的初步设计，制定通讯网络和协议，并把初步设计结果与提出的要求进行理论验证。再对车辆及车载控制系统及通讯网络协议建模并仿真验证。然后进行快速原型设计并测试。在快速原型系统设计的基础上，开发实际的控制系统和通讯网络。最后构建分布式网络硬件在环测试环境，对所开发的实物控制系统和通讯网络进行硬件在环仿真测试。本发明专利技术尽量把控制和通讯的各种潜在问题暴露在前期，可提高开发工作质量和效率。

Development method of vehicular distributed network control system

A vehicle distributed network control system development methods, including system analysis and preliminary design, modeling and simulation, rapid prototyping, system implementation and hardware testing in five stages in the ring, first on the vehicle parts, vehicle communication network and protocol analysis system, request control requirements of on-board distributed network control system and network communication the preliminary design, vehicle control system, establish communication network and protocol, and the results of preliminary design and put forward the requirements for theoretical validation. Then the vehicle and vehicle control system and communication network protocol are modeled and simulated. Then, the prototype is designed and tested. Based on the design of the rapid prototyping system, the actual control system and communication network are developed. Finally, the distributed network hardware in loop test environment is constructed, and the hardware in loop simulation test of the developed physical control system and communication network is carried out. The invention exposes the potential problems of control and communication as early as possible so as to improve the quality and efficiency of development work.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及。
技术介绍
分布式网络控制系统在车载控制系统中具有实时性好、可靠性高、易维护等突出的优点，在现代汽车上得到了广泛的应用。现代汽车上一般都有多个电子控制单元进行车辆的控制，各个电控单元直接通过网络通讯进行数据交换，从而构成一种车载分布式网络控制系统。车载分布式网络控制系统促进了汽车电子控制技术在车辆控制中的应用，但另一方面也带来新的技术问题既有控制本身的技术问题，也有通讯带来的新问题，以及控制与通讯相互影响的问题。具体表现在1、各个控制系统之间对网络通讯协议有很大的依赖性，即通讯协议直接影响了车辆的控制性能，而通讯协议的制定又依赖于控制系统的控制要求与控制算法；2、单个控制系统的开发需要其他控制系统的配合，如果配合失当，有可能导致开发成本上升、开发周期延长；3、分布式网络控制系统的测试难度较大，既需要单个系统的测试，也需要分布式网络环境下的综合测试。目前车载分布式网络控制系统的开发方法主要是将开发控制系统和制定通讯协议分开进行，即由整车单位制定分布式控制系统的网络通讯协议，由零部件单位根据网络通讯协议开发各自的零部件控制系统，然后再把开发出的零部件控制系统集中在一起联调，解决整个分布式控制系统相互之间的控制与通讯等问题。制定通讯协议时，主要是分析各个零部件控制系统的通讯要求和网络通讯本身的特点，制定一个兼顾各个控制系统的数据通讯协议。但通讯协议是否真正满足控制系统的要求需要在分布式系统联调时才能够验证，如果不能满足要求，则需要在联调阶段对通讯协议不断修改，而通讯协议的修改又会影响到控制系统的修改；反过来，控制系统的修改，也可能会影响到通讯协议的修改；这是因为控制算法与通讯协议之间存在相互耦合的关系。开发控制系统时，主要是在解决零部件控制算法问题的同时加入数据通讯的功能，当某些控制功能需要通讯功能才能完成时，则需要在后期的分布式系统联调时来解决。制定通讯协议方面，出现了一些为了解决通讯协议设计与验证问题而出现的解决方案，比如一些CAN总线的软件分析与设计工具(如CANoe)、中国专利200410009782.1“车载CAN总线实时仿真系统”等，前者可以在协议制定早期对通讯协议本身做软件仿真，但难以验证通讯协议的实时性，也很难考虑到分布式控制过程中进行数据通讯的特点；后者在不考虑控制过程的情况下，可以通过网络节点在环仿真验证协议的实时性是否满足要求。开发控制系统方面，为了缩短开发周期、提高开发质量，出现了采用建模与仿真、快速原型开发、自动代码实现和硬件在环测试等开发工具与方法，与传统开发方式相比可以大大提高开发质量并缩短开发周期。中国专利200410067082.8“车载分布式控制系统的计算机辅助开发方法”主要是建立针对应用的通讯协议数据交换的XML文档，形成统一模型的机读数据格式，从而便于进行计算机辅助分析、设计和测试，可提高控制系统中实现通讯协议的开发效率。该方法主要适用于制定完通讯协议以后，在控制系统开发时提高通讯协议转换为软件代码的效率。上述将控制系统开发和通讯协议制定分开的方法便于不同的开发人员做不同的工作，但没有充分考虑到在分布式控制系统实际运行过程中，控制与通讯实际上是相互关联相互耦合的，比如采用网络仿真软件和网络在环仿真系统验证过的网络通讯实时性能不一定在实际的分布式控制系统中能够达到，也不一定能满足分布式控制的实际要求；如果达不到要求，还是需要在系统联调阶段找出其中的问题并对通讯协议进行修改。又比如进行控制系统开发时提出的控制算法，如果需要通过网络通讯来传输控制参数时，则控制算法能达到的性能也会受到网络通讯的影响，这也需要到系统联调时才能发现问题并修改解决。开发后期对通讯协议和控制算法进行大的修改可能会大大增加开发风险并难以控制进度和质量。控制系统的开发方法只解决了控制算法的开发问题，而为解决总线通讯技术而出现的总线仿真软件和网络在环仿真系统只关注了总线通讯本身，没有考虑实际的分布式控制系统通讯与控制相互耦合的特点，因而对解决车载分布式网络控制系统开发和测试中面临的问题还是存在局限性。
技术实现思路
为克服现有的车载分布式网络控制系统开发和测试中周期长、成本高和质量难以控制等缺点，本专利技术提出一种分布式网络环境下车载分布式网络控制系统的开发方法。本专利技术在开发过程中将控制算法与网络通讯协议进行综合设计，然后在开发全过程的各个阶段对控制算法与网络通讯协议进行各种层面上的综合测试与验证，把控制与通讯的问题尽早发现并解决。本专利技术采用的技术方案是把车载分布式网络控制系统开发过程划分为系统分析与初步设计、建模与仿真、快速原型设计、系统实现和硬件在环测试等五个阶段，在每个设计阶段都进行控制系统与通讯网络的各种综合测试和验证，尽早发现控制与通讯中的问题并及时修改解决，这样就能克服现有开发方法中把控制与通讯的问题留到最后综合联调时才发现所带来的弊端。本专利技术的第一步是进行车载分布式网络控制系统的系统分析与设计。对车辆零部件、车载通讯网络和协议进行系统分析，提出车载分布式网络控制系统的控制要求和网络通讯要求，然后进行车载控制系统的初步设计，制定通讯网络和协议，最后把初步的设计结果与提出的要求进行理论验证。系统分析时，把车辆划分为被控对象——即零部件系统、控制系统——即零部件的控制系统、通讯网络——即拓扑结构和通讯协议等四个部分，对控制算法、通讯网络和通讯协议进行分析，提出控制要求和通讯要求，初步设计控制算法和通讯协议，采用理论计算的方法判断通讯网络与通讯协议是否能够满足控制的要求，如果不满足，则修改后再验证。第二步是进行建模与仿真设计。对车辆零部件、车载控制系统及网络通讯协议进行建模和仿真验证，主要包括车辆被控对象——即零部件建模、车辆控制系统建模、通讯网络建模、通讯协议建模和仿真验证等步骤。其中车辆被控对象建模和车辆控制系统建模属于控制相关的建模，通讯网络建模和通讯协议建模属于通讯相关的建模，可以并行开展控制相关和通讯相关的建模工作。全部建模工作完成以后进行整个车载分布式网络控制系统的仿真验证。建模过程中，对车载被控对象进行数学抽象，基于建模与仿真工具(包括但不限于Matlab/Simulink等)建立车载被控对象的数学模型，全部被控对象的数学模型构成虚拟车辆零部件系统，能够模拟车辆的各种运行工况；根据各个控制系统的控制算法，建立各控制系统的数学模型，构成虚拟车载控制系统；根据初步设计的通讯网络和通讯协议建立通讯网络和通讯协议的数学模型，构成虚拟通讯网络；虚拟车辆零部件系统、虚拟车载控制系统、虚拟通讯网络和通讯协议共同构成完整的车载分布式网络控制系统模型。在此基础上，对控制算法和通讯协议进行纯软件的仿真测试和验证，找出其中存在的问题并进行修改，直到能够满足车载分布式网络控制仿真环境下的控制要求和通讯要求为止。第三步是进行快速原型设计。将虚拟车辆零部件系统模型运行在一个实时运行环境(比如dSPACE或者LabVIEW RT等)中作为被控对象，将虚拟车载控制系统和虚拟车载分布式网络运行在另一个实时运行环境中，按照实际的接口要求设计被控对象与控制系统之间的软硬件接口；上述在实时运行环境中运行的被控对象与控制系统、通讯网络和通讯协议共同构成了分布式网络控制快速原型系统，在此基础上对控制算法和通本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种车载分布式网络控制系统的开发方法，其特征在于将车载分布式网络控制系统的开发过程划分为系统分析与初步设计、建模与仿真、快速原型设计、系统实现和硬件在环测试五个阶段，在各个阶段都对控制系统与通讯网络进行各种层面上的综合测试和验证，尽早发现控制与通讯中的问题并及时修改解决，系统分析与初步设计阶段首先对车辆零部件、车载通讯网络和协议进行系统分析，提出车载分布式网络控制系统的控制要求和网络通讯要求，然后进行车载控制系统的初步设计，制定通讯网络和协议，再把初步的设计结果与提出的要求进行理论验证；建模与仿真阶段是对车辆零部件、车载控制系统及通讯网络与协议建模并仿真验证；在快速原型设计阶段进行快速原型设计和快速原型测试验证；系统实现阶段是以快速原型系统设计为基础，开发出实际的控制系统和通讯网络；然后在硬件在环测试阶段构建分布式网络硬件在环测试环境，对所开发的实物控制系统进行硬件在环仿真测试验证。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：廖承林，王丽芳，陈志武，
申请(专利权)人：中国科学院电工研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]