基于VI的智能車仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 引言

全國(guó)高等學(xué)校自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委員會(huì)受國(guó)家教育部委托，舉辦第一屆“飛思卡爾”杯大學(xué)生智能車邀請(qǐng)賽。為了給參加本次智能車邀請(qǐng)賽的各支隊(duì)伍提供一個(gè)可離線/在線仿真的平臺(tái)以及理論試驗(yàn)平臺(tái)，我們開(kāi)發(fā)了基于LabVIEW虛擬儀器技術(shù)的智能車仿真系統(tǒng)Plastid（以下簡(jiǎn)稱Plastid）。

本仿真系統(tǒng)基于LabVIEW虛擬儀器技術(shù)開(kāi)發(fā)完成，用于智能車的算法仿真及分析。主要有以下幾大特點(diǎn)：

1． 賽道與賽車環(huán)境模擬

系統(tǒng)對(duì)賽道與賽車分別建立了模型，使用者可以按照指示方便地自行設(shè)計(jì)賽道以及賽車，將賽道設(shè)計(jì)成各種各樣的直路、彎路、坡路，將賽車設(shè)計(jì)成各種尺寸、形狀，從而使得系統(tǒng)的適用性更廣泛。另一方面，本軟件更適用于沒(méi)有條件制作試驗(yàn)賽道的參賽隊(duì)伍，他們可以在該系統(tǒng)中檢測(cè)控制算法。

2． 控制算法的仿真驗(yàn)證

系統(tǒng)可提供三種不同的控制算法仿真的方案：子VI（SubVI）算法仿真、C結(jié)點(diǎn)算法仿真以及單片機(jī)在線仿真。使用者可以選擇其中最適合自己的仿真方法，對(duì)自己的控制算法在系統(tǒng)的環(huán)境中進(jìn)行驗(yàn)證。

3． 路徑識(shí)別的方案分析

系統(tǒng)提供了采用光感電路來(lái)識(shí)別路徑的模型，使用者可以按照自己的想法設(shè)定傳感器的個(gè)數(shù)、排列的位置，在Plastid上反復(fù)作仿真試驗(yàn)，從而定性得出哪種光感電路的排列效果較好。由于實(shí)地試驗(yàn)時(shí)要更換傳感器排列較為耗時(shí)，因此本系統(tǒng)給予了此種定性分析一個(gè)極其方便的試驗(yàn)平臺(tái)。

4． 離線/在線仿真相結(jié)合

系統(tǒng)不僅可以離線仿真，還可以通過(guò)CAN通訊與單片機(jī)系統(tǒng)相連，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行虛擬賽道環(huán)境的在線仿真。
使用者通過(guò)該仿真系統(tǒng)可以反復(fù)對(duì)原始設(shè)計(jì)方案進(jìn)行研究，得到近似最優(yōu)方案后，再進(jìn)行實(shí)車設(shè)計(jì)和實(shí)際賽道試驗(yàn)，從而減少了開(kāi)發(fā)的費(fèi)用和時(shí)間成本，大大提高智能車開(kāi)發(fā)效率。

2 基本構(gòu)架

圖1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)算的。

圖1 仿真系統(tǒng)構(gòu)架圖

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)在線仿真，具體在后文將會(huì)詳述。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。

動(dòng)態(tài)仿真環(huán)境基于賽車、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)向控制及車速信號(hào)等），計(jì)算出車的行走路線，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)）。

憑借軟件仿真的優(yōu)勢(shì)，在仿真過(guò)程中，系統(tǒng)可以方便地將各種變量記錄下來(lái)，特別是一些實(shí)際試驗(yàn)時(shí)無(wú)法測(cè)量的量（如賽車相對(duì)于賽道中心線的偏移量、前向角、加速度等），并保存于文件中。在回放模式中，用戶可以調(diào)用這些文件，對(duì)其仿真結(jié)果進(jìn)行后期分析和處理，繼而改進(jìn)自己的賽車設(shè)置以及控制算法。

3 賽道、賽車、路徑識(shí)別模型

我們知道，一個(gè)具有高級(jí)控制策略的智能車應(yīng)該在不同的賽道上都具有穩(wěn)定的發(fā)揮，為了驗(yàn)證這一點(diǎn)，就必須在不同的賽道上做試驗(yàn)。然而，由于各方面的限制，我們不可能為賽車制作無(wú)數(shù)的賽道進(jìn)行測(cè)試。但這個(gè)問(wèn)題卻可在Plastid中輕易地得到解決：我們可以設(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。

圖2是Plastid的賽道設(shè)計(jì)界面，用戶可以使用“點(diǎn)”來(lái)精確設(shè)定賽道曲線的下一點(diǎn)位置，使用“弧”則可以以圓心坐標(biāo)、角度來(lái)繪制想要得到的弧線，更可以直接采用“手繪”用鼠標(biāo)在屏幕上繪制賽道或從數(shù)據(jù)文件中導(dǎo)入曲線。其操作界面友好，修改方便，且易于上手和操作。圖2中的賽道即根據(jù)韓國(guó)漢陽(yáng)大學(xué)2004年智能車大賽采用的賽道設(shè)計(jì)而成。

圖2 賽道設(shè)計(jì)界面

為了仿真方便，我們將賽車簡(jiǎn)化為一個(gè)四輪剛體模型，除了一些基本的尺寸參數(shù)之外，在前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，根據(jù)賽車的實(shí)際情況，我們用“轉(zhuǎn)向速度”與“最大轉(zhuǎn)向角”兩個(gè)參數(shù)來(lái)模擬。

對(duì)于路徑識(shí)別系統(tǒng)，Plstid給予使用者至多8個(gè)的光感傳感器的坐標(biāo)設(shè)定，使用者可以任意地安排傳感器的個(gè)數(shù)和相對(duì)于車的排列坐標(biāo)（將傳感器安排成一條直線，或者弧線等方案），從而達(dá)到自己想要的識(shí)別效果。

對(duì)于加速的模擬，目前系統(tǒng)暫時(shí)以直接加速度為控制量，在對(duì)實(shí)車進(jìn)行測(cè)試和分析后，將構(gòu)建相應(yīng)的模型。

圖3即賽車設(shè)計(jì)的操作界面，左邊為賽車的基本參數(shù)，右邊為傳感器坐標(biāo)設(shè)定、試驗(yàn)賽道生成以及傳感器值的即時(shí)顯示（試駕時(shí)用）。

使用者除了可以設(shè)定賽車參數(shù)外，還可以對(duì)所設(shè)定好的賽車進(jìn)行“試駕”，當(dāng)場(chǎng)檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)劣，并可將賽車信息保存于文件，供仿真時(shí)調(diào)入使用。
　　
圖3 賽車參數(shù)設(shè)定界面