基于虛擬儀器技術(shù)的智能車仿真系統(tǒng)

   1 引言

       全國高等學(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（以下簡稱Plastid）。

       本仿真系統(tǒng)基于LabVIEW虛擬儀器技術(shù)開發(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)，從而減少了開發(fā)的費(fèi)用和時(shí)間成本，大大提高智能車開發(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，在仿真過程中，系統(tǒng)可以方便地將各種變量記錄下來，特別是一些實(shí)際試驗(yàn)時(shí)無法測量的量（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數(shù)的賽道進(jìn)行測試。但這個(gè)問題卻可在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)韓國漢陽大學(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

  4 控制算法仿真

　　Plastid針對(duì)不同的使用者提供了三種不同的控制算法仿真方案：子VI（SubVI）、C結(jié)點(diǎn)以及單片機(jī)的在線仿真。

　　首先，最接近于LabVIEW編程環(huán)境的即為SubVI方案。用戶將自己的控制算法，移植為LabVIEW的SubVI，Plastid在仿真時(shí)即時(shí)地給該SubVI輸入變量（車速、傳感器值等），SubVI通過計(jì)算得出控制量并輸送給Plastid仿真循環(huán)。SubVI方案對(duì)于熟悉LabVIEW G語言編程方法的使用者來說非常簡單，但它的缺點(diǎn)是移植性較差，由于C語言和G語言的差別較大，因此將單片機(jī)的控制算法轉(zhuǎn)換為子VI的程序需要一定的工作量。

　　其次，C結(jié)點(diǎn)方案則更適合于采用C語言編程的使用者們，其原理與SubVI方案類似，但是其程序則可直接用C語言編寫，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。對(duì)于本方案，使用者可以將其單片機(jī)的程序進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷暮蠹纯墒褂?，因此移植性較高。

　　最后，利用CAN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)在線仿真。單片機(jī)方面只需要在其CAN接口即時(shí)地傳送其控制量（這在程序中很容易添加相應(yīng)程序），而Plastid則通過CAN模塊得到這些量，并傳送反饋量給單片機(jī)。在這一方案，單片機(jī)的程序修改不大，但需要有CAN模塊等硬件支持。

　　圖4為系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真的界面，使用者在加載完賽道與賽車文件后，即可進(jìn)行動(dòng)態(tài)的仿真。其中仿真周期表示系統(tǒng)每一次計(jì)算的時(shí)間，可以根據(jù)單片機(jī)的運(yùn)算周期進(jìn)行設(shè)定，但值得一提的是，在仿真過程中，其真實(shí)的仿真周期會(huì)根據(jù)計(jì)算機(jī)的性能等因素而不同，但其仿真的結(jié)果可以保證確實(shí)根據(jù)該仿真周期計(jì)算而得，從而保證其仿真的可靠性。

圖4 動(dòng)態(tài)仿真界面

       5 不足與改進(jìn)

　　由于Plastid仿真系統(tǒng)還未與實(shí)車的仿真進(jìn)行過深入比較，且開發(fā)周期也較短，因此必然留有一些不足之處。

　　該系統(tǒng)目前還只能用于采用光感傳感器路徑識(shí)別方案的智能車，對(duì)于CCD攝像頭技術(shù)還不支持。

　　其次，在仿真過程中，系統(tǒng)只是根據(jù)汽車的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型（將車簡化為一四輪剛體來處理）進(jìn)行計(jì)算，并未考慮其側(cè)滑以及路面摩擦力的影響。這將使其仿真結(jié)果與實(shí)際結(jié)果有一定差距，我們將在后續(xù)工作中根據(jù)實(shí)車的情況，不斷進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)和對(duì)比，從而提高其仿真真實(shí)度，使其能盡可能地模擬出實(shí)際的情況。

　　最后，計(jì)算速度也是系統(tǒng)必須面臨的一大問題。對(duì)此，我們將優(yōu)化代碼，并裁剪不必要的程序，從而提高系統(tǒng)的仿真速度。

    綜上所述，本系統(tǒng)主要針對(duì)本次智能車大賽而開發(fā)，將在這一屆邀請(qǐng)賽過程中進(jìn)行不斷的優(yōu)化和改進(jìn)，爭取為廣大參賽隊(duì)伍更好地完成開發(fā)任務(wù)而服務(wù)。