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基于虛擬儀器技術的智能車仿真系統(tǒng)

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   1 引言

       全國高等學校自動化專業(yè)教學指導分委員會受國家教育部委托，舉辦第一屆“飛思卡爾”杯大學生智能車邀請賽。為了給參加本次智能車邀請賽的各支隊伍提供一個可離線/在線仿真的平臺以及理論試驗平臺，我們開發(fā)了基于LabVIEW虛擬儀器技術的智能車仿真系統(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：

       1．  賽道與賽車環(huán)境模擬

       系統(tǒng)對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計賽道以及賽車，將賽道設計成各種各樣的直路、彎路、坡路，將賽車設計成各種尺寸、形狀，從而使得系統(tǒng)的適用性更廣泛。另一方

　　2．  控制算法的仿真驗證

       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)點算法仿真以及單片機在線仿真。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(tǒng)的環(huán)境中進行驗證。

　　3．  路徑識別的方案分析

　　系統(tǒng)提供了采用光感電路來識別路徑的模型，使用者可以按照自己的想法設定傳感器的個數(shù)、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。由于實地試驗時要更換傳感器排列較為耗時，因此本系統(tǒng)給予了此種定性分析一個極其方便的試驗平臺。

　　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通訊與單片機系統(tǒng)相連，對系統(tǒng)進行虛擬賽道環(huán)境的在線仿真。

　　使用者通過該仿真系統(tǒng)可以反復對原始設計方案進行研究，得到近似最優(yōu)方案后，再進行實車設計和實際賽道試驗，從而減少了開發(fā)的費用和時間成本，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)實際情況設定模型參數(shù)，它為整個系統(tǒng)提供了底層的驅(qū)動，仿真結(jié)果都是在這兩個模型的基礎上計算的。  

 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)點以及單片機在線仿真，具體在后文將會詳述。使用者可選擇其中一個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仿真，使用CAN模塊，可以使單片機與仿真系統(tǒng)進行即時的數(shù)據(jù)交流，從而實現(xiàn)動態(tài)仿真。

　　動態(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（電機控制、轉(zhuǎn)向控制及車速信號等），計算出車的行走路線，并即時地將數(shù)據(jù)傳回控制算法層（其計算周期可調(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，特別是一些實際試驗時無法測量的量（如賽車相對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，對其仿真結(jié)果進行后期分析和處理，繼而改進自己的賽車設置以及控制算法。

       3 賽道、賽車、路徑識別模型

       我們知道，一個具有高級控制策略的智能車應該在不同的賽道上都具有穩(wěn)定的發(fā)揮，為了驗證這一點，就必須在不同的賽道上做試驗。然而，由于各方面的限制，我們不可能為賽車制作無數(shù)的賽道進行測試。但這個問題卻可在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，在仿真時將其調(diào)用即可。

　　圖2是Plastid的賽道設計界面，用戶可以使用“點”來精確設定賽道曲線的下一點位置，使用“弧”則可以以圓心坐標、角度來繪制想要得到的弧線，更可以直接采用“手繪”用鼠標在屏幕上繪制賽道或從數(shù)據(jù)文件中導入曲線。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2004年智能車大賽采用的賽道設計而成。

　　圖2 賽道設計界面