2012-09-24 Systemskiss Michael Andersson Version 1.0: 2012-09-24 Status Granskad DOK, PL 2012-09-19 Godkänd Erik Frisk 2012-09-24 Systemskiss i
2012-09-24 Projektidentitet, TSRT10, HT2012, Tekniska högskolan vid Linköpings Universitet, ISY, Reglerteknik Namn Ansvar Telefon E-post (@student.liu.se) Michael Andersson Projektledare (PL) 0733-248 678 mican817 Jasper Germeys Dokumentansvarig (DOK) 073-62 66 715 jasge693 Christoer Norén Testansvarig (TST) 073-676 83 18 chrno389 Anders Granström Designansvarig (DSN) 070-361 2 88 5 andgr127 Komponentansvariga Josef Larsson för Hårdvara (HAR) 072-90 21 100 josla972 Andreas Jansson för Simulator (SIM) 070-23 30 275 andja283 Andreas Svensson för Reglering (REG) 070-53 199 16 andsv288 E-postlista för hela gruppen: Hemsida: http://www.isy.liu.se/edu/projekt/reglerteknik/2012/platooning/ Kund: Scania AB (publ), 151 87, Södertälje. Tel vxl: 08-553 810 00. Fax: 08-553 810 37. Kontaktperson hos kund: Rickard Lyberger, rickard.lyberger@scania.com. Kursansvarig: Daniel Axehill, 2A:549, 013-28 40 42, daniel@isy.liu.se. Handledare: Daniel Eriksson, 2E:475, 013-28 5743, daner@isy.liu.se. Beställare: Erik Frisk, frisk@isy.liu.se. Systemskiss ii
2012-09-24 Innehåll Status i Projektidentitet ii Dokumenthistorik...................................... iv 1 Inledning 1 2 Översikt av systemet 1 2.1 Beskrivning av Lastbilssystemet............................ 2 2.1.1 Alix....................................... 3 2.1.2 WSU....................................... 3 2.1.3 Regulator och estimator............................ 3 2.1.4 CAN-Gateway................................. 3 2.1.5 Lastbilens sensorer............................... 3 2.2 Regulator och estimator................................ 3 2.3 Simulator........................................ 4 2.3.1 Mjukvarusimulering.............................. 4 2.3.2 Hårdvarusimulering.............................. 7 Systemskiss iii
2012-09-24 Dokumenthistorik Version Datum Utförda förändringar Utförda av Granskad 1.0 2012-09-24 Godkännd Frisk 0.4 2012-09-20 Små uppdateringer TST, DOK DOK 0.3 2012-09-19 Små uppdateringer SIM, TST DOK, PL 0.2 2012-09-19 Rättat till grammatik och syftningsfel. SIM, TST Handl Redigerat bilder 0.1 2012-09-09 Första upplaga SIM, TST Handl Systemskiss iv
2012-09-24 1 Inledning Detta dokument tar upp hur systemen i projektet ska byggas upp. I dokumentet kommer den planerade hårdvaran att presenteras samt hur den ska användas i projektet. Projektet utförs på Tekniska högskolan vid Linköpings Universitet i samarbete med Scania i Södertälje höstterminen 2012. Syftet med platooning är att få luftmotståndet att minska genom att låta lastbilar att köra nära varandra i en kolonn. Detta resulterar i minskad bränsleförbrukning som är positivt både ekonomiskt och miljömässigt. För att platooning ska fungera säkert krävs det bl.a. att lastbilarna får information om varandras hastigheter och positioner. Därför behövs estimatorer för att skatta tillstånden hos de olika fordonen samt en regulator för att styra det egna fordonet i kolonnen. 2 Översikt av systemet Figur 1 visar en lastbil med exempel på några av de många sensorer som den innehåller. I detta projekt ska en modell över en lastbil och dess omgivning programmeras i Simulink. Den modellerade lastbilen ska sedan hårdvarusimuleras för att på så sätt kunna efterlikna lastbilar som kör i en kolonn samtidigt som den kommunicerar med de övriga fordonen i kolonnen.vid ett lyckat resultat leder detta till minskad bränsleförbrukning för deltagarna i kolonnen. För att kunna göra en hårdvarusimulering krävs en dator med Matlab samt xpc-target för kommunikation med hårdvara. I Figur 2 [3] visas det system med de komponenter som kommer användas i projektet för att få platooning att fungera. I bilden ser man hur de olika delsystemen kommunicerar med varandra och hur detta sker. En estimator och regulator ska även de implementeras i Simulink för att få lastbilen i kolonnen att bete sig på ett acceptabelt sätt, dvs. den ska inte köra ryckigt, krav på säkerhetsavstånd ska hållas, osv. Figur 1: Bild över den egna lastbilens utrustning I verkligheten är lastbilen utrustad med diverse sensorer såsom: radar, hastighetsmätare, accelerometrar m.m., vilka kommer att modelleras i simulationsmiljön. Som exempel kan radarn modelleras genom att räkna ut avstånd och relativ hastighet i förhållande till lastbilen framför. Systemskiss 1
2012-09-24 2.1 Beskrivning av Lastbilssystemet Projektgruppen ska undersöka huruvida WSU:n (Wireless safety unit (se avsnitt 2.1.2 nedan)) i systemet skall plockas bort för att istället låta regulatorn ta emot data och skicka information via Alix (se avsnitt 2.1.1 nedan). En ytt medför att estimatorn och regulatorn (se avsnitt 2.1.3 nedan) ska implementeras i xpc-target istället. Lastbilen i guren är den riktiga lastbilen som tar in information från sin omgivning med sina sensorer där informationen sedan går via CANbussen (se avsnitt 2.1.4 nedan) vidare till regulator och estimator i xpc-target. Alix kommer genom wi att skicka ut information från xpc-target samtidigt som den läser in information från de andra fordonen i kolonnen, denna information kommer sedan gå via CAN-bussen ner till lastbilen som guren visar. Nedan följer en detaljbeskrivning för komponenterna i Figur 2. 802.11p Alix Ethernet GPS USB WSU (Knatte) USB Ethernet Laptop (styrning/ övervakning) CAN Regulator (xpc-target) Ethernet Laptop (xpc host) CAN CAN-Gateway CAN Lastbil Figur 2: Bild över hårdvarans kommunikation Systemskiss 2
2012-09-24 2.1.1 Alix Alix är en dator som i det här projektet kommer att fungera som ett externt trådlöst nätverkskort i systemet där data skickas och tas emot. Med hjälp av Alix får lastbilen information om sin position i förhållande till de andra fordonen i kolonnen. Den standard som används för trådlös överföring är 802.11p. Alix skickar ut information enligt GCDC Interaction Protocol [2]. 2.1.2 WSU WSU (Wireless Safety Unit) är en dator som används för att ta in och estimera data från Alix och data från den egna lastbilen via xpc-target. 2.1.3 Regulator och estimator För att lastbilen ska hålla sin hastighet och ett bra säkerhetsavstånd till deltagarna i kolonnen måste tillstånd såsom hastighet och position regleras med en regulator. Dessa tillstånd kommer från estimatorn som tar emot sensordata från lastbilen som den estimerar till insignaldata till regulatorn. Lastbilens regulator och estimator kommer programmeras i Simulink som med hjälp utav xpc-target gör det möjligt att simulera och testa Simulink- och stateow-modeller i realtid på den fysiska hårdvaran. Den dator som kopplas till xpc-target kan utöver implementeringen av estimatorn och regulatorn även användas för övervakning/debugging. 2.1.4 CAN-Gateway CAN-bussen används för att skicka information till och från lastbilen. På CAN-bussen skickas information från lastbilen såsom hastighet och radarinformation samtidigt som börvärden tas emot från regulatorn. CAN står för control area network som är ett bussystem som ofta används i fordon. CAN ställer krav på snabbhet och tålighet, vilket passar bra i fordonsindustrin där den kan användas i t.ex. styrning för växellådor och i krockkuddesystem. 2.1.5 Lastbilens sensorer Lastbilen som systemet är tänkt att testas på är utrustad med ett antal sensorer för att återge en bild av verkligheten. De sensorer som kan komma till användning är de avståndssensorer som lastbilen är utrustad med såsom radar. Lastbilens GPS används för att ta reda på lastbilens positionering men kan även användas till att skatta lastbilens hastighet. Lastbilen har även sensorer som mäter dess hastighet och accelerationer i longitudell och lateral led. För att mäta hastigheter kan lastbilens tachometer användas medans lastbilens accelerometrar kan användas för att ta reda på lastbilens accelerationer. Som exempel visas i Figur 3 att lastbilen med sin radar kan detektera två fordon framför sig samt fordon i andra vägler än den lastbilen kör i. 2.2 Regulator och estimator Det ska konstrueras en regulator och estimator till lastbilen för att få lastbilen att uppföra sig i en kolonn på ett sådant sätt att luftmotståndet minimeras. Regulatorn ska även se till att lastbilen inte kör för ryckigt då detta skulle påverka bränsleförbrukningen negativt. Säkerhetsaspekten är även den viktig, då inga olyckor får ske. Därför måste avstånd alltid skattas och hållas av lastbilen samtidigt som de tillåtna hastigheterna under körning ska hållas. Det nns beskrivet i vilka scenarion som regulatorn ska kunna uppfatta och agera på enligt CoACT 2012 [1]. Här ingår bland annat scenarion med fordon som ansluter och lämnar kolonnen. Regulatorn och estimatorn kommer att konstrueras i Simulink för att sedan implementeras i xpc-target som visas i Figur 2. Systemskiss 3
2012-09-24 Figur 3: Schematisk bild som visar den egna lastbilen (i mörkgrått) och representation av de radarsignaler som levereras genom CAN och deras relativa positioner. 2.3 Simulator I projektet kommer en simulationsmiljö att byggas i Simulink. Denna simulationsmiljö ska efterlikna ett verkligt scenario där en av lastbilarna är projektgruppens med implementerad regulator och estimator. Denna lastbil kör i kolonn tillsammans med andra lastbilar som kommer vara lastbilens omgivning som även den kommer att implementeras i Simulink. Denna omgivning ska först och främst utvecklas för att kunna utföra platooning acceptabelt samtidigt som det ska nnas möjlighet till vidareutveckling i framtiden. 2.3.1 Mjukvarusimulering I simulationsmiljön ska lastbilsmodeller skapas utgående från verkliga fysikaliska samband där följande fenomen ska tas med: fordonsframdrivning rullmotstånd gravitationskraft luftmotstånd Dessa samband kan ställas upp med kända ekvationer som därefter kan implementeras i Simulink. I simulationsmiljön ska deltagarna i den simulerade kolonnen ha parametrar som ska kunnas ställas in av användaren. Dessa parametrar ska vara: lastbilarnas vikt Systemskiss 4
2012-09-24 lastbilarnas aerodynamiska egenskaper lastbilarnas rullmotstånd lastbilarnas bromsegenskaper lastbilarnas motorskaraktäristik såsom eekt och moment Simulationsmiljön ska också ha parametrar som ska kunna justeras av användaren, dessa ska inledningsvis vara: hastighetsprolen vägens lutning Även dessa parametrar kommer kunna sättas in i kända fysikaliska ekvationer och på så sätt efterlikna en modell av en verklig kolonn som kör på en raksträcka. Under simulering ska användaren kunna läsa av fysikaliska variabler såsom hastighet och acceleration. Det ska även nnas plottar som visar dessa fysikaliska storheter. Användaren ska även kunna läsa av de värden som tas fram från regulatorn och estimatorn, där även regulatorparametrar ska kunna ställas in. Figur 4 visar hur simuleringen är tänkt att fungera i Simulink, där man även ser vilka signaler som de olika blocken kommer att ha som insignal och utsignal. Lastbilsmodellerna här är endast fordonsdynamiska modeller som sänder ut nya positioner, hastigheter m.m. till omvärldsmodellen. Omvärldsmodellen används för kommunikationen mellan de olika lastbilarna. Omvärldsmodellen innehåller även information om vägen, såsom riktning och lutning. I Figur 4 ser man att estimatorn får sensordata från omgivningen såsom de andra lastbilarnas position. Med denna information kan estimatorn estimera t.ex avståndet till framförvarande lastbil (distvehicleahead i bild). Med estimerad data räknar regulatorn ut en hastighet för lastbilen att hålla (vref i bild). Lastbilen tar in denna hastighet samtidigt som den berättar för omgivningen vad den har för hastighet och accelereration m.m. Systemskiss 5
2012-09-24 Lastbil1 Regulator vref Lastbilsmodell distvehicleahead m.m. Estimator v, acc, yawangle radar, GPS m.m. Lastbil2 Regulator vref Lastbilsmodell distvehicleahead m.m.... Estimator v, acc, yawangle radar, GPS m.m. Omvärldsmodell LastbilN Regulator vref Lastbilsmodell distvehicleahead m.m. Estimator v, acc, yawangle radar, GPS m.m. Figur 4: Bild över kommunikationen i simulationsmiljön under mjukvarusimulering Systemskiss 6
2012-09-24 2.3.2 Hårdvarusimulering Ett krav på systemet är att den ska kunna genomföra en HIL (Hardware In the Loop) simulering. Detta genomförs genom att låta den skapade modellen för den egna lastbilen kommunicera med den implementerade omgivningen genom ett trådlöst nätverk. Hur detta ska utföras visas i Figur 5. Bilden visar att i simuleringsmiljön nns en lastbil samt dess omgivning. Lastbilen i simuleringsmiljön kommunicerar via CAN med xpc-target som innehåller både regulator och estimator. Vidare skickar Alix ut information till de övriga fordonen i kolonnen. Figur 6 visar hur det ser ut för en platoon med tre lastbilar. Lastbilarna åker tillsammans i en kolonn där alla skickar ut data om hastighet och positionering för att de andra deltagarna ska ta emot denna och anpassa hastigheten. wi 802.11p System i lastbil Alix CAN/UDP xpc target CAN Omvärldsmodell Lastbil Simuleringsmiljö Figur 5: Hardware In the Loop simuleringsmiljö Systemskiss 7
2012-09-24 802.11p Alix Alix Alix CAN/UDP CAN/UDP CAN/UDP xpc target xpc target xpc target CAN CAN CAN Lastbil Lastbil Lastbil Sensorer Omgivning Referenser Figur 6: Bild över kommunikationen i en platoon med tre lastbilar [1] CoACT 2012 Scenarios for the nal event and testing workshop. Erhållen från Erik Frisk, Forsonssystem, ISY. [2] The GCDC Interaction Protocol. http://www.gcdc.net/mainmenu/home/technology/ Interaction_Protocol. [3] Michael Andersson, Per Svennerbrant. Teknisk dokumentation - styrsystem för platooning. Technical report, ISY fordonssystem, 2012. Systemskiss 8