淺析基于VI的智能車(chē)仿真系統應用設計案例

1 引言

全國高等學(xué)校自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)教學(xué)指導分委員會(huì )受?chē)医逃课?，舉辦第一屆“飛思卡爾”杯大學(xué)生智能車(chē)邀請賽。為了給參加本次智能車(chē)邀請賽的各支隊伍提供一個(gè)可離線(xiàn)/在線(xiàn)仿真的平臺以及理論試驗平臺，我們開(kāi)發(fā)了基于LabVIEW虛擬儀器技術(shù)的智能車(chē)仿真系統Plastid(以下簡(jiǎn)稱(chēng)Plastid)。

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

1. 賽道與賽車(chē)環(huán)境模擬

系統對賽道與賽車(chē)分別建立了模型，使用者可以按照指示方便地自行設計賽道以及賽車(chē)，將賽道設計成各種各樣的直路、彎路、坡路，將賽車(chē)設計成各種尺寸、形狀，從而使得系統的適用性更廣泛。另一方面，本軟件更適用于沒(méi)有條件制作試驗賽道的參賽隊伍，他們可以在該系統中檢測控制算法。

2. 控制算法的仿真驗證

系統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結點(diǎn)算法仿真以及單片機在線(xiàn)仿真。使用者可以選擇其中最適合自己的仿真方法，對自己的控制算法在系統的環(huán)境中進(jìn)行驗證。

3. 路徑識別的方案分析

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

4. 離線(xiàn)/在線(xiàn)仿真相結合

系統不僅可以離線(xiàn)仿真，還可以通過(guò)CAN通訊與單片機系統相連，對系統進(jìn)行虛擬賽道環(huán)境的在線(xiàn)仿真。

使用者通過(guò)該仿真系統可以反復對原始設計方案進(jìn)行研究，得到近似最優(yōu)方案后，再進(jìn)行實(shí)車(chē)設計和實(shí)際賽道試驗，從而減少了開(kāi)發(fā)的費用和時(shí)間成本，大大提高智能車(chē)開(kāi)發(fā)效率。

2 基本構架

圖1是整個(gè)仿真系統的構架圖，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，使用者可根據實(shí)際情況設定模型參數，它為整個(gè)系統提供了底層的驅動(dòng)，仿真結果都是在這兩個(gè)模型的基礎上計算的。

圖1 仿真系統構架圖

控制算法層為使用者提供了3種不同的仿真方案：SubVI、C結點(diǎn)以及單片機在線(xiàn)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的在線(xiàn)仿真，使用CAN模塊，可以使單片機與仿真系統進(jìn)行即時(shí)的數據交流，從而實(shí)現動(dòng)態(tài)仿真。

動(dòng)態(tài)仿真環(huán)境基于賽車(chē)、賽道模型以及控制算法所輸出的控制信號(電機控制、轉向控制及車(chē)速信號等)，計算出車(chē)的行走路線(xiàn)，并即時(shí)地將數據傳回控制算法層(其計算周期可調)。

憑借軟件仿真的優(yōu)勢，在仿真過(guò)程中，系統可以方便地將各種變量記錄下來(lái)，特別是一些實(shí)際試驗時(shí)無(wú)法測量的量(如賽車(chē)相對于賽道中心線(xiàn)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(hù)可以調用這些文件，對其仿真結果進(jìn)行后期分析和處理，繼而改進(jìn)自己的賽車(chē)設置以及控制算法。

3 賽道、賽車(chē)、路徑識別模型

我們知道，一個(gè)具有高級控制策略的智能車(chē)應該在不同的賽道上都具有穩定的發(fā)揮，為了驗證這一點(diǎn)，就必須在不同的賽道上做試驗。然而，由于各方面的限制，我們不可能為賽車(chē)制作無(wú)數的賽道進(jìn)行測試。但這個(gè)問(wèn)題卻可在Plastid中輕易地得到解決：我們可以設計出不同的賽道，并將其保存成文件，在仿真時(shí)將其調用即可。

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

圖2 賽道設計界面

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

對于路徑識別系統，Plstid給予使用者至多8個(gè)的光感傳感器的坐標設定，使用者可以任意地安排傳感器的個(gè)數和相對于車(chē)的排列坐標(將傳感器安排成一條直線(xiàn)，或者弧線(xiàn)等方案)，從而達到自己想要的識別效果。

對于加速的模擬，目前系統暫時(shí)以直接加速度為控制量，在對實(shí)車(chē)進(jìn)行測試和分析后，將構建相應的模型。

圖3即賽車(chē)設計的操作界面，左邊為賽車(chē)的基本參數，右邊為傳感器坐標設定、試驗賽道生成以及傳感器值的即時(shí)顯示(試駕時(shí)用)。

使用者除了可以設定賽車(chē)參數外，還可以對所設定好的賽車(chē)進(jìn)行“試駕”，當場(chǎng)檢驗所設計參數的優(yōu)劣，并可將賽車(chē)信息保存于文件，供仿真時(shí)調入使用。

圖3 賽車(chē)參數設定界面

4 控制算法仿真

Plastid針對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結點(diǎn)以及單片機的在線(xiàn)仿真。

首先，最接近于LabVIEW編程環(huán)境的即為SubVI方案。用戶(hù)將自己的控制算法，移植為L(cháng)abVIEW的SubVI，Plastid在仿真時(shí)即時(shí)地給該SubVI輸入變量(車(chē)速、傳感器值等)，SubVI通過(guò)計算得出控制量并輸送給Plastid仿真循環(huán)。SubVI方案對于熟悉LabVIEW G語(yǔ)言編程方法的使用者來(lái)說(shuō)非常簡(jiǎn)單，但它的缺點(diǎn)是移植性較差，由于C語(yǔ)言和G語(yǔ)言的差別較大，因此將單片機的控制算法轉換為子VI的程序需要一定的工作量。

其次，C結點(diǎn)方案則更適合于采用C語(yǔ)言編程的使用者們，其原理與SubVI方案類(lèi)似，但是其程序則可直接用C語(yǔ)言編寫(xiě)，用Visual Studio IDE將其編譯為dll文件，系統在仿真時(shí)會(huì )自動(dòng)調用該dll，從而實(shí)現與SubVI一樣的控制和反饋。對于本方案，使用者可以將其單片機的程序進(jìn)行適當的修改后即可使用，因此移植性較高。

最后，利用CAN模塊，系統可以直接與單片機進(jìn)行直接通訊，并實(shí)現在線(xiàn)仿真。單片機方面只需要在其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程序)，而Plastid則通過(guò)CAN模塊得到這些量，并傳送反饋量給單片機。在這一方案，單片機的程序修改不大，但需要有CAN模塊等硬件支持。

圖4為系統動(dòng)態(tài)仿真的界面，使用者在加載完賽道與賽車(chē)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每一次計算的時(shí)間，可以根據單片機的運算周期進(jìn)行設定，但值得一提的是，在仿真過(guò)程中，其真實(shí)的仿真周期會(huì )根據計算機的性能等因素而不同，但其仿真的結果可以保證確實(shí)根據該仿真周期計算而得，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仿真系統還未與實(shí)車(chē)的仿真進(jìn)行過(guò)深入比較，且開(kāi)發(fā)周期也較短，因此必然留有一些不足之處。

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

其次，在仿真過(guò)程中，系統只是根據汽車(chē)的運動(dòng)學(xué)模型(將車(chē)簡(jiǎn)化為一四輪剛體來(lái)處理)進(jìn)行計算，并未考慮其側滑以及路面摩擦力的影響。這將使其仿真結果與實(shí)際結果有一定差距，我們將在后續工作中根據實(shí)車(chē)的情況，不斷進(jìn)行實(shí)車(chē)試驗和對比，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，計算速度也是系統必須面臨的一大問(wèn)題。對此，我們將優(yōu)化代碼，并裁剪不必要的程序，從而提高系統的仿真速度。

綜上所述，本系統主要針對本次智能車(chē)大賽而開(kāi)發(fā)，將在這一屆邀請賽過(guò)程中進(jìn)行不斷的優(yōu)化和改進(jìn)，爭取為廣大參賽隊伍更好地完成開(kāi)發(fā)任務(wù)而服務(wù)。