車輛模擬駕駛訓(xùn)練系統(tǒng)動感系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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1 引言
車輛模擬駕駛訓(xùn)練系統(tǒng)是一種利用現(xiàn)代技術(shù)手段模擬真車駕駛的仿真系統(tǒng)，它可以使汽車駕駛訓(xùn)練更加安全、經(jīng)濟(jì)、高效和逼真。與現(xiàn)有車輛模擬駕駛訓(xùn)練系統(tǒng)相比，新型車輛模擬駕駛訓(xùn)練系統(tǒng)的獨(dú)特之處是增加了動感系統(tǒng)。該動感系統(tǒng)可以使駕駛員在模擬駕駛室內(nèi)真實(shí)感受到模型車所行駛的沙盤路面的狀況，與實(shí)車在正常路面上行駛的感覺一樣，從而彌補(bǔ)現(xiàn)有車輛模擬駕駛訓(xùn)練系統(tǒng)的不足，提高駕駛訓(xùn)練的效果。
2 系統(tǒng)的組成及工作原理
新型車輛模擬駕駛訓(xùn)練系統(tǒng)中的動感系統(tǒng)主要由動感數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、動感數(shù)據(jù)無線發(fā)收系統(tǒng)、動感平臺及其控制系統(tǒng)組成。
工作原理是：安裝于模型車上的動感數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集模型車行駛過程中姿態(tài)的動感數(shù)據(jù)，通過無線收發(fā)系統(tǒng)將動感數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到動感平臺控制系統(tǒng)，進(jìn)而使動感平臺產(chǎn)生相應(yīng)的動感。
3 硬件設(shè)計(jì)
3.1 動感數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
動感系統(tǒng)的動感數(shù)據(jù)采集使用HMR3000型數(shù)字羅盤模塊。HMR3000是Honeywell公司的產(chǎn)品，它不僅可以測量磁場，還可以測量物體的姿態(tài)，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地輸出被測物體的俯仰角、橫滾角和航向角。用單片機(jī)和HMR3000組合構(gòu)建適用于機(jī)載或車載的測控系統(tǒng)，可廣泛應(yīng)用于航海、通信雷達(dá)、微波定向、海上平臺控制、天線安裝、無人機(jī)、機(jī)器人、運(yùn)動定向、自動控制等方面。
HMR3000體積小、功耗低、精度高、價(jià)格便宜，是姿態(tài)測量用戶的理想選擇。
3.1.1 HMR3000的數(shù)據(jù)輸出格式
HMR3000數(shù)字羅盤按照NMEA0183的格式，通過所帶的RS-232接口輸出數(shù)據(jù)。輸出6種格式：HDG格式、HDT格式、XDR格式、HPR格式、RCD格式和CCD格式。動感系統(tǒng)采用的是如下所示的HPR格式：$PTNTHPR,x..x(航向)，a,x..x(俯仰角)，a，x..x(橫滾角)，a*hh該數(shù)據(jù)輸出格式將HMR3000的3個(gè)重要測量結(jié)果和相應(yīng)的測量狀態(tài)結(jié)合在一起。數(shù)據(jù)中的x..x為所測的相應(yīng)航向角、俯仰角和橫滾角的值，形式為n位ASCⅡ碼，單位可以是“度”也可以是“mils”。數(shù)據(jù)中的“a”表示測量狀態(tài)。測量狀態(tài)有以下6種：
L=LOW ALARM(低級報(bào)警)；
M=LOW WARNING(低級警告)；
N=NORMAL(正常)；
O=HIGH WARNING(高級警告)；
P=HIGH ALARM(高級報(bào)警)；
C=TUNING ANALOG CIRCUIT(調(diào)節(jié)模擬電路)。
如果1個(gè)輸出語句的3個(gè)狀態(tài)指示中有任何1個(gè)報(bào)警，航向位置將為空白。報(bào)警和警告的閾值可以在EEPROM中更改。
3.1.2 HMR3000的控制指令
工作：羅盤啟動，指令為#FAO.3=1*26＜CR＞＜1f＞；
停止：羅盤停止，指令為#FAO.3=0*27＜CR＞＜1f＞；
詢問：詢問羅盤啟動、停止?fàn)顟B(tài)，指令為#FA0.3？*15＜CR＞＜lf＞；
響應(yīng)：有二種響應(yīng)，工作狀態(tài)響應(yīng)為#1*31＜CR＞＜lf＞；停止?fàn)顟B(tài)響應(yīng)為#0*30＜CR＞＜1f＞。
3.1.3 HMR3000的數(shù)據(jù)單位和進(jìn)制的設(shè)定指令
數(shù)據(jù)單位可以分為“度”和“mils”二種。度=mils×9/160，其中，度的數(shù)值是0.0"359.9，而mils的數(shù)值是0"6 399。進(jìn)制分為十進(jìn)制和十六進(jìn)制二種。設(shè)定數(shù)據(jù)單位和進(jìn)制的指令如下：
#FA0.4=1*21＜CR＞＜lf＞ ∥殳定羅盤數(shù)據(jù)單位為“度”
#FA0.4=0*20＜CR＞＜lf＞ ∥設(shè)定羅盤數(shù)據(jù)單位為“mils”
#FA0.5=1*20＜CR＞＜lf＞ ∥設(shè)定羅盤數(shù)據(jù)為十進(jìn)制
#FA0.5=0*21＜CR＞＜lf＞ ∥設(shè)定羅盤數(shù)據(jù)為十六進(jìn)制
3.1.4 HMR3000數(shù)據(jù)采集速率的設(shè)定指令
HMR3000的數(shù)據(jù)輸出有6種格式，對應(yīng)的數(shù)據(jù)采集速率格式也有6種，其中HPR格式更新速率指令為
#BAD=I*hh＜CR＞＜lf＞ ∥設(shè)定HPR的更新速率為“I”句/s
其中I的值可以設(shè)為0、l、2、3、6、12、20、30、60、120、180、300、413、600、825、1200。
3.1.5 HMR3000姿態(tài)數(shù)據(jù)的查詢指令
HMR3000啟動后會按照指定的工作模式發(fā)送數(shù)據(jù)，一般會選擇連續(xù)工作方式。需要查詢當(dāng)前的數(shù)據(jù)狀態(tài)和具體數(shù)值時(shí)需要使用查詢指令。HPR格式的查詢指令為
$PTNT，HPR*78＜CR＞＜lf＞ ∥查詢HPR格式的數(shù)據(jù)狀態(tài)
3.1.6 HMR3000與MCU的接口連接
由于HMR3000與外界的串行通信采用的是自身所帶的RS-232接口，與MCU串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)腡TL電平不匹配，所以需要MAX232型電平轉(zhuǎn)換器，如圖1所示。
3.2 動感數(shù)據(jù)無線收發(fā)系統(tǒng)
動感數(shù)據(jù)無線收發(fā)系統(tǒng)采用nRF905型無線收發(fā)模塊，該模塊具有以下突出特點(diǎn)：
●三頻段收發(fā)合一，工作頻率為國際通用的ISM頻段433/868/915 MHz；
●GMSK調(diào)制，抗干擾能力強(qiáng)，特別適合工業(yè)控制領(lǐng)域；
●采用DSS+PLL頻率合成技術(shù)，頻率穩(wěn)定性極好；
●靈敏度高，達(dá)到-100 dBm；
●工作電壓低(2.7 V)，功耗小，待機(jī)狀態(tài)僅為1 μA，可滿足低功耗設(shè)備的要求；
●最大發(fā)射功率達(dá)+10 dBm；
●具有多個(gè)頻道(最多170個(gè)以上)，能滿足需要多信道工作的特殊應(yīng)用；
●工作速率最高可達(dá)76.8 kb/s；
●外圍元件數(shù)目少(僅10個(gè))，基本上無需調(diào)試；
●由于采用低發(fā)射功率、高接收靈敏度的設(shè)計(jì)，使用無需申請?jiān)S可證，使用距離最遠(yuǎn)可達(dá)l 000 m。
此外，由于nRF905是一款收發(fā)一體化的無線傳輸電路，帶有調(diào)制器和解調(diào)器，發(fā)送時(shí)可以自動打包，接收時(shí)可以自動進(jìn)行地址匹配、自動CRC檢驗(yàn)，發(fā)送或接收完畢后，其DR引腳會自動設(shè)置高電平，以示發(fā)送或接收完畢，并且采用SPI接口與MCU通信，因此編程非常方便。它可廣泛應(yīng)用于車輛監(jiān)控、遙控、遙測、工業(yè)數(shù)據(jù)采集、水文氣象監(jiān)控、非接觸RF智能卡、機(jī)器人控制、數(shù)字音頻和數(shù)字圖像無線傳輸?shù)阮I(lǐng)域。
nRF905除了負(fù)責(zé)動感系統(tǒng)中動感數(shù)據(jù)的無線傳輸外，還可傳輸新型車輛模擬駕駛訓(xùn)練系統(tǒng)中模擬駕駛室向模型車發(fā)送的油門、燈光、制動、轉(zhuǎn)向、分動箱、離合等控制指令。nRF905與MCU的連接如圖2所示，引腳功能說明見表1。
3.3 動感平臺及其控制系統(tǒng)
動感平臺是動感系統(tǒng)的執(zhí)行部分，它由6個(gè)液壓泵和模擬駕駛室的底板構(gòu)成。其工作原理是MCU根據(jù)傳來的動感數(shù)據(jù)通過繼電器驅(qū)動電路控制相應(yīng)繼電器，使相應(yīng)液壓泵的相應(yīng)電磁閥開啟或閉合，進(jìn)而模擬駕駛室上下顛簸、前后俯仰或左右搖擺，如圖3所示。
4 軟件設(shè)計(jì)
由于HMR3000和nRF905分別通過RS-232接口和SPI接口與MCU進(jìn)行通信，故整個(gè)系統(tǒng)的硬件電路相對比較簡單，但是，由于HMR3000采用NMEA0183協(xié)議格式輸出數(shù)據(jù)，nRF905收發(fā)數(shù)據(jù)又有嚴(yán)格的時(shí)序要求，因而軟件設(shè)計(jì)相對比較復(fù)雜。
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