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作者：周斌 蔣荻南 李立國(guó) 職務(wù)：碩士研究生 |
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引言 2006年8月，清華大學(xué)將舉辦第一屆"飛思卡爾"杯全國(guó)大學(xué)生悄艸笛肴Ｈ?0多所著名高校將參加此項(xiàng)賽事，目前正在積極準(zhǔn)備之中。 我們知道，按照傳統(tǒng)的開(kāi)發(fā)思想，主要分為制造賽道，硬件布置、控制算法，通過(guò)實(shí)車(chē)的調(diào)試再進(jìn)行相應(yīng)的修改，如此循環(huán)，如圖1所示。這種模式具有成本高，開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)以及試驗(yàn)無(wú)法重現(xiàn)和歸檔等缺陷。
如果換一種思路，采用虛擬開(kāi)發(fā)模式，先進(jìn)行虛擬仿真，得到優(yōu)化的硬件布置和控制算法后，再進(jìn)行實(shí)車(chē)開(kāi)發(fā)，這樣將大大提高效率和降低成本，見(jiàn)圖2。正是在這樣的構(gòu)想下，我們開(kāi)發(fā)了Plastid智能仿真軟件。值得一提的是，在韓國(guó)4屆大賽中，還沒(méi)有類(lèi)似軟件出現(xiàn)，因此它具有一定的獨(dú)創(chuàng)性。
V型開(kāi)發(fā)模式 軟件的開(kāi)發(fā)流程，分為開(kāi)發(fā)平臺(tái)、仿真內(nèi)核、操作界面以及匹配標(biāo)定，由于有"匹配標(biāo)定"這一個(gè)環(huán)節(jié)，因此我們采取軟硬件同步開(kāi)發(fā)的V型開(kāi)發(fā)模式，如圖3所示。
我們采用LabVIEW作為軟件的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，是因?yàn)閳D形化編程環(huán)境LabVIEW，滿(mǎn)足建立靈活的可擴(kuò)展式測(cè)試測(cè)量和控制應(yīng)用系統(tǒng)的要求，同時(shí)滿(mǎn)足以最小成本最快速地開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的需求。LabVIEW支持多任務(wù)，同時(shí)對(duì)外設(shè)有C語(yǔ)言接口。選用LabVIEW開(kāi)發(fā)還可以提高程序的可靠性。 內(nèi)核算法涉及汽車(chē)專(zhuān)業(yè)知識(shí)，如圖4所示，在每個(gè)計(jì)算周期中，系統(tǒng)首先計(jì)算出傳感器輸出和賽車(chē)車(chē)速，輸入智能車(chē)控制算法中，通過(guò)匹配標(biāo)定單元可得出加速度和前輪轉(zhuǎn)角，在剛體的運(yùn)動(dòng)模型算法中得出下一計(jì)算周期的車(chē)速和賽車(chē)坐標(biāo)。 利用LabVIEW簡(jiǎn)單易用的GUI控件，可以完全按使用者的需求進(jìn)行界面的設(shè)計(jì)。Plastid系統(tǒng)的使用界面做到了美觀、大方，簡(jiǎn)明且操作方便，符合人機(jī)工程學(xué)。 如圖3所示，軟件開(kāi)發(fā)的最后環(huán)節(jié)為匹配標(biāo)定過(guò)程。通過(guò)大量的實(shí)車(chē)試驗(yàn)，我們得到驅(qū)動(dòng)電機(jī)Map圖，轉(zhuǎn)向性能，加減速性能以及舵機(jī)轉(zhuǎn)向性能等實(shí)車(chē)參數(shù)，并將其補(bǔ)充進(jìn)內(nèi)核算法中的匹配標(biāo)定單元（圖4）中，從而完善了Plastid。
系統(tǒng)構(gòu)架 圖5是整個(gè)仿真系統(tǒng)的構(gòu)架圖，主要分為基本模型層、控制算法層、通訊層以及仿真環(huán)境層。
基本模型層包括賽車(chē)模型與賽道模型，使用者可根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定模型參數(shù)，它為整個(gè)系統(tǒng)提供了底層的驅(qū)動(dòng)，仿真結(jié)果都是在這兩個(gè)模型的基礎(chǔ)上計(jì)算得來(lái)的。 一個(gè)具有高級(jí)控制策略的智能車(chē)應(yīng)該在不同的賽道上都具有穩(wěn)定的發(fā)揮。在Plastid中很容易解決避免制作很多實(shí)際賽道困難，如圖6所示，我們可以用點(diǎn)、弧、手繪等方式方便地設(shè)計(jì)出各種賽道進(jìn)行仿真使用設(shè)計(jì)出不同的賽道，并將其保存成文件，在仿真時(shí)將其調(diào)用即可。
賽車(chē)也是整個(gè)仿真的基礎(chǔ)模型之一。如圖7所示，在賽車(chē)參數(shù)面板中，左邊可以任意設(shè)置賽車(chē)的幾何參數(shù)，右邊傳感器布置區(qū)支持各種傳感器布置方式的設(shè)定。試駕功能可以在設(shè)計(jì)階段對(duì)賽車(chē)的運(yùn)動(dòng)和傳感器性能進(jìn)行測(cè)試，提高了開(kāi)發(fā)效率。
控制算法層為使用者提供了3種不同的仿真方案：SubVI、C結(jié)點(diǎn)以及單片機(jī)在線(xiàn)仿真。使用者可選擇其中一個(gè)方案輸入或移植自己的控制算法。 通訊層只用于單片機(jī)的在線(xiàn)仿真，使用CAN模塊，可以使單片機(jī)與仿真系統(tǒng)進(jìn)行即時(shí)的數(shù)據(jù)交流，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)仿真。 首先，最接近于LabVIEW編程環(huán)境的即為SubVI方案。此方案對(duì)于熟悉LabVIEW G語(yǔ)言編程方法的使用者來(lái)說(shuō)非常簡(jiǎn)單，但將單片機(jī)的控制算法轉(zhuǎn)換為子VI的程序需要一個(gè)過(guò)程。 其次，C結(jié)點(diǎn)方案則更適合于采用C語(yǔ)言編程的使用者們，其程序直接用C語(yǔ)言編寫(xiě)，用Visual Studio IDE將其編譯為dll文件，系統(tǒng)在仿真時(shí)會(huì)自動(dòng)調(diào)用該dll，從而實(shí)現(xiàn)與SubVI一樣的控制和反饋。 最后，利用CAN或串口模塊，系統(tǒng)可以直接與單片機(jī)進(jìn)行直接通訊，并實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)仿真。單片機(jī)方面只需要在其CAN接口或串口即時(shí)地傳送其控制量，而Plastid則通過(guò)模塊得到這些量，并傳送反饋量給單片機(jī)。 動(dòng)態(tài)仿真環(huán)境層基于賽車(chē)、賽道模型以及控制算法所輸出的控制信號(hào)（電機(jī)控制、轉(zhuǎn)向控制及車(chē)速信號(hào)等），計(jì)算出車(chē)的行走路線(xiàn)，并即時(shí)地將數(shù)據(jù)傳回控制算法層（其計(jì)算周期可調(diào)）。 在比賽仿真界面中，通過(guò)調(diào)用控制算法、賽道、賽車(chē)，可以在仿真內(nèi)核上進(jìn)行仿真運(yùn)算（對(duì)應(yīng)調(diào)用各個(gè)文件）。如圖8，界面上實(shí)時(shí)顯示車(chē)速、前輪轉(zhuǎn)角等參量的變化。仿真后，可以將仿真過(guò)程保存，以供回放時(shí)調(diào)用。
憑借LabVIEW軟件的優(yōu)勢(shì)，系統(tǒng)可以方便地將仿真過(guò)程中的各種變量記錄下來(lái)，特別是一些實(shí)際試驗(yàn)時(shí)無(wú)法測(cè)量的量，保存于文件中。在回放模式中，用戶(hù)可以調(diào)用這些文件，對(duì)其仿真結(jié)果進(jìn)行后期分析和處理，從而可以更準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，指導(dǎo)賽車(chē)設(shè)置和控制算法的優(yōu)化。 成果 通過(guò)測(cè)試和對(duì)比，Plastid智能車(chē)仿真平臺(tái)可以有效地仿真出賽車(chē)的實(shí)際行駛路線(xiàn)以及直道波動(dòng)、彎道超調(diào)、彎道回轉(zhuǎn)以及交替彎道等現(xiàn)象，具有相當(dāng)高的仿真精度。 此外，基于LabVIEW的本仿真平臺(tái)還作為本次智能車(chē)大賽的官方軟件，與賽車(chē)一起配套發(fā)布，給其他參賽者們提供了幫助和服務(wù)。我們給參賽隊(duì)提供多次現(xiàn)場(chǎng)培訓(xùn)以及網(wǎng)上在線(xiàn)答疑，使他們能夠迅速掌握軟件的使用。憑借出色的創(chuàng)意和較高的實(shí)用性，Plastid仿真平臺(tái)在今年清華大學(xué)第二屆NI杯虛擬儀器設(shè)計(jì)大賽中獲得第一名和最佳創(chuàng)新獎(jiǎng)。在清華大學(xué)第二十三屆"挑戰(zhàn)杯"學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽中獲得了一等獎(jiǎng)的殊榮。 綜上所述，本仿真平臺(tái)是在LabVIEW圖形化編程環(huán)境下開(kāi)發(fā)完成的，并將做不斷的優(yōu)化和改進(jìn)，為廣大參賽隊(duì)伍更好地完成開(kāi)發(fā)任務(wù)而服務(wù)。 |
