新型車輛模擬駕駛訓(xùn)練系統(tǒng)動感系統(tǒng)設(shè)計

動感系統(tǒng)是新型車輛模擬駕駛訓(xùn)練系統(tǒng)的重要組成部分，它可以增強模擬駕駛訓(xùn)練的真實感，這是新型車輛模擬駕駛訓(xùn)練系統(tǒng)區(qū)別于現(xiàn)有車輛模擬駕駛訓(xùn)練系統(tǒng)的獨特之處。詳細(xì)介紹動感系統(tǒng)的總體構(gòu)想及其軟硬件設(shè)計。

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、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)真實感受到模型車所行駛的沙盤路面的狀況，與實車在正常路面上行駛的感覺一樣，從而彌補現(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)實時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)實時傳送到動感平臺控制系統(tǒng)，進而使動感平臺產(chǎn)生相應(yīng)的動感。

3 硬件設(shè)計

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)，實時準(zhǔn)確地輸出被測物體的俯仰角、橫滾角和航向角。用單片機和HMR3000組合構(gòu)建適用于機載或車載的測控系統(tǒng)，可廣泛應(yīng)用于航海、通信雷達、微波定向、海上平臺控制、天線安裝、無人機、機器人、運動定向、自動控制等方面。

HMR3000體積小、功耗低、精度高、價格便宜，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(高級報警)；
C=TUNING ANALOG CIRCUIT(調(diào)節(jié)模擬電路)。
如果1個輸出語句的3個狀態(tài)指示中有任何1個報警，航向位置將為空白。報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。進制分為十進制和十六進制二種。設(shè)定數(shù)據(jù)單位和進制的指令如下：
#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)為十進制
#FA0.5=0*21<CR><lf> ∥設(shè)定羅盤數(shù)據(jù)為十六進制

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：
●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，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，達到-100 dBm；
●工作電壓低(2.7 V)，功耗小，待機狀態(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+10 dBm；
●具有多個頻道(最多170個以上)，能滿足需要多信道工作的特殊應(yīng)用；
●工作速率最高可達76.8 kb/s；
●外圍元件數(shù)目少(僅10個)，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，使用無需申請許可證，使用距離最遠(yuǎn)可達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)送時可以自動打包，接收時可以自動進行地址匹配、自動CRC檢驗，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

由于HMR3000和nRF905分別通過RS-232接口和SPI接口與MCU進行通信，故整個系統(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)格的時序要求，因而軟件設(shè)計相對比較復(fù)雜。

4.1 HMR3000與MCU的通信協(xié)議

HMR3000的串行通信是根據(jù)NMEA0183標(biāo)準(zhǔn)制定的簡單的ASCⅡ協(xié)議，可以在單片機系統(tǒng)中使用RS-232或RS-485接口電路。ASCⅡ碼的傳輸和接收使用1位起始位、8位數(shù)據(jù)位、無奇偶校驗位和I位停止位，每個碼有10位。數(shù)據(jù)傳輸率可選擇l200 bit/s、2 400 bit/s、4 800 bit/s、9 600 bit/s、19 200bit/s、38 400 bit/s。

4.2 MCU接收HMR3000的數(shù)據(jù)

啟動HMR3000后，設(shè)定好HMR3000的數(shù)據(jù)單位、進制及其數(shù)據(jù)采集速率，每次數(shù)據(jù)采集后HMR3000自動向MCU發(fā)送數(shù)據(jù)。由于它采用NMEA0183協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的HPR格式即“$PTNTHPR，x..x,a,x..x，a，x..x，a*hh”格式輸出，此格式中不僅含有效數(shù)據(jù)“x..x”和其狀態(tài)“a”，還包含有‘$’、‘P’、‘T’、‘*’、‘h’等相關(guān)格式字符，因此在程序中要加以區(qū)分。動感系統(tǒng)中將字符‘$’作為一組有效數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_始，將字符‘*’作為一組有效數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕Y(jié)束，并通過計算接收逗號‘，’的個數(shù)判斷有效數(shù)據(jù)的開始。MCU接收HMR3000的數(shù)據(jù)流程如圖4所示。

4.3 nRF905與MCU的通信協(xié)議

nRF905與MCU之間的通信采用SPI通信協(xié)議，使用2條控制信號線CSN、SCK和2條數(shù)據(jù)信號線MOSI、MISO進行通信。CSN用來控制外圍設(shè)備的選通(低電平有效)，SCK提供同步時鐘，MOSI、MISO分別為主從設(shè)備的輸入/輸出線。在SPI通信過程中，主從設(shè)備均在時鐘的下降沿從各自的輸出線輸出1位數(shù)據(jù)，在時鐘的上升沿從各自的輸入線讀入l位數(shù)據(jù)。

4.4 nRF905發(fā)送和接收數(shù)據(jù)

nRF905發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時必須嚴(yán)格遵守發(fā)送或接收時序，否則將導(dǎo)致發(fā)送或接收失敗。

4.4.1 發(fā)送數(shù)據(jù)

nRF905的發(fā)送時序如圖5所示，其中．TA-TB是nRF905的命令字寄存器、匹配地址寄存器和發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器編程時間；TD-Tl是發(fā)送啟動脈沖，至少為10μs；T1-T2是nRF905的自動編碼，至少為650 μs；T2-T3是自動發(fā)送數(shù)據(jù)；T3是發(fā)送結(jié)束時DR置高電平，表示發(fā)送結(jié)束。具體步驟如下：

(1)給nRF905上電后，MCU將TX_EN置為高電平，將TRX_CE置為低電平,使nRF905進入發(fā)送模式；
(2)MCU通過SPI接口按照SPI通信協(xié)議向nRF905寫命令字、匹配地址和將要發(fā)送的數(shù)據(jù)；
(3)使TRX_CE產(chǎn)生1個至少10 μs的發(fā)送脈沖；
(4)nRF905接到發(fā)送脈沖后自動編碼、自動發(fā)送。如果nRF905命令字寄存器中的AUTO_RE-TRAN位被設(shè)置為高電平，則nRF905不斷重發(fā)，直到TRX_CE被置高電平；
(5)nRF905發(fā)送數(shù)據(jù)后，DR自動置高電平。MCU可以通過DR判斷發(fā)送完畢與否。以便發(fā)送下一組數(shù)據(jù)。

4.4.2 接收數(shù)據(jù)

nRF905接收時序如圖6所示，具體步驟如下：

(1)給nRF905上電后，MCU通過將TX_EN置低電平和TRX_CE置高電平，使nRF905進入接收模式(圖6中的TA時刻)；

(2)650μs后，nRF905開始檢測有無發(fā)送的數(shù)據(jù)(圖6中的T0時刻)；
(3)當(dāng)nRF905探測到有接收頻率的載波時，將CD置高電平(圖6中的Tl時刻)；
(4)當(dāng)nRF905接收完有效匹配地址后，將AM置高電平(圖6中的T2時刻)；
(5)當(dāng)nRF905接收完有效數(shù)據(jù)且CRC檢驗正確后，將DR置高電平(圖6中的T3時刻)；
(6)MCU在DR變高電平后可以通過SPI讀取nRF905接收的數(shù)據(jù)。

4.5 動感控制部分的編程

根據(jù)硬件電路的連接，可以利用外部中斷0服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)動感的實時控制，這樣，MCU在DR變成高電平后即可控制動感平臺動作，提高了實效性。程序流程如圖7所示。

5 結(jié)束語

據(jù)考證，國內(nèi)現(xiàn)有的車輛模擬駕駛訓(xùn)練系統(tǒng)均未安裝動感系統(tǒng)。車輛模擬駕駛動感系統(tǒng)具有廣闊的發(fā)展前景。本文為該系統(tǒng)的設(shè)計提供了切實可行、安全可靠的參考設(shè)計方案。