虛擬仿真無人駕駛汽車跨學科實驗平臺的構建

姜顯揚, 唐向宏

(杭州電子科技大學 通信工程學院, 浙江 杭州 310018)

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虛擬仿真無人駕駛汽車跨學科實驗平臺的構建

姜顯揚, 唐向宏

(杭州電子科技大學 通信工程學院, 浙江 杭州 310018)

采用虛擬仿真技術構建了“無人駕駛汽車防撞預警技術”教學與研發用跨學科實驗平臺,利用Simulink和CarSim聯合完成平臺的構建,進行了汽車防撞預警模糊控制邏輯算法的設計和驗證。該平臺的建設與傳統的實驗室建設方法相比,具有成本低、建設周期短、趣味性和創新性強、更能夠滿足知識快速更新的需要等優勢,大大減少了實驗平臺的建設成本和風險,并實現綠色建設實驗室的理念。

虛擬仿真； 無人駕駛汽車； 實驗教學； 跨學科實驗平臺

隨著現代科學技術向縱深發展,高校理工科教學與科研工作常常出現跨學科融合的情況,迫切要求實驗中心能夠快速、經濟地建立跨學科的實驗研發與教學平臺[1]。但是,直接建立硬件實物跨學科實驗平臺將面臨經費等多方面困難。采用虛擬仿真技術[2-9]構建科研與教學跨學科實驗平臺,具有傳統的實驗室建設方法無可比擬的優勢。杭州電子科技大學通信工程學院實驗中心在教學和科研實踐中,構建了無人駕駛汽車與電子通信專業學科交叉的跨學科實驗平臺,促進了教學科研的開展。

1 無人駕駛汽車技術與電子通信技術的結合

無人駕駛汽車是近幾年國內外加緊研發的國際前沿技術,國內有許多相關企業通過與高校、科研單位的合作,在無人駕駛汽車前沿技術的研發方面實現資源整合、優勢互補。

汽車是機電技術相結合的產物,而無人駕駛汽車對信號采集與處理、信息傳輸交換和防撞預警算法等技術有更高的要求,汽車生產企業的研發人員迫切需要得到高校電子通信學科的專業人員的技術支持；而高校為完成無人駕駛汽車科研項目,也迫切需要快速、經濟地構建汽車項目的研發和實驗平臺。

無人駕駛汽車與電子通信專業的學科交叉,既是對通信學院現有實驗條件的考驗,又是一個促進本校科研與教學發展和進步的契機。由于杭州電子科技大學通信工程學院實驗中心現有的實驗室條件遠不能涵蓋汽車專業的跨學科教學、科研的需要,于是采用虛擬仿真技術構建跨學科實驗平臺,圓滿解決了這一難題。

2 虛擬仿真技術跨學科實驗平臺的構建

傳統的電子通信專業的虛擬仿真實驗是基于OrCAD、PSPICE、PCAD、Altium Designer、Mutisim、Proteus、LabVIEW、LabWindows、CVI、Matlab/Simulink、ISE等軟件構建的,而當面對無人駕駛汽車技術的跨學科應用時,這些實驗手段幾乎無用武之地。

汽車專業的仿真軟件主要有AutoForm、DynaForm、Star-CCM、GT-SUITE、AVL-Fire、CarSim、TruckSim、BikeSim、ADV ISOR、SimulationX、TESIS DYNAware、AUTOSEA、ADAMS、veDYNA 、AMESIM、LS-Dyna等。這些軟件往往不為電子通信專業的師生所熟悉。

鑒于Matlab/Simulink仿真軟件涵蓋的學科范圍非常廣泛,不僅在電子、電工、信息、通信、自動控制、計算機等領域,而且在汽車、土木工程、數理、金融、醫學等很多學科、工程領域也有廣泛深入的應用。實驗中心根據校企合作項目需求,經過深入調查論證,制訂了以Matlab/Simulink仿真軟件為核心,整合電子通信專業仿真軟件OrCAD、PSPICE、Altium Designer、Proteus和汽車專業仿真軟件CarSim構建聯合仿真實驗平臺的方案。Matlab/Simulink既有針對汽車仿真軟件CarSim的接口,可以互相交換仿真數據，也有針對電子通信軟件的接口,可以互相交換仿真數據。Matlab/Simulink仿真軟件起到了一個橋梁的作用,在汽車仿真軟件和電子通信仿真軟件之間交換仿真數據,實現互聯互通(見圖1)。

圖1 跨學科聯合仿真實驗平臺

電路設計、嵌入式軟件仿真通過專業仿真軟件OrCAD、PSPICE、Altium Designer、Proteus等完成；信號處理算法通過Matlab/Simulink仿真軟件進行驗證,并與電路仿真軟件對照分析；汽車動力學行為通過

CarSim仿真軟件模擬,并與Matlab/Simulink仿真軟件中的信號處理算法通過接口相連接。該仿真實驗平臺的構建方案完全以虛擬環境的方式建立控制電路與無人駕駛汽車之間的連接,可以編寫、分析、驗證、修改核心信號處理算法,并設計、驗證、分析、修改電子電路硬件與嵌入式軟件,平臺搭建方便快捷,建設成本低廉,實驗實現方便有效,充分滿足了校企合作項目研發和大學生創新競賽的需要。

CarSim 是一款汽車整車動力學仿真軟件,模型準確、建模快速、易于修改,駕駛員操縱轉向、剎車、油門等操作行為變量和路面、風向等行車環境變量,均能實時地反映到車輛模型的動態響應之中,其輸出的狀態量也非常豐富,輸出數據以動畫、曲線、表格等多種形式顯示，以供研究分析。

以Matlab/Simulink仿真軟件為核心,聯合CarSim建模進行仿真實驗,可以設置一些實物實驗中很難實現的高成本或極端危險的工況和行車條件,并對整車系統與環境因素進行多角度、全方位的仿真實驗研究。

3 無人駕駛汽車防撞預警虛擬仿真實驗

以校企合作項目“無人駕駛汽車防撞預警技術”為例,采用模糊控制邏輯實現防撞預警的判定,并以跨學科聯合仿真平臺作為項目研發的實驗手段。

首先,通過Simulink和CarSim聯合仿真實驗來完成汽車防撞預警模糊控制邏輯算法的設計和驗證。

CarSim提供聯合仿真所需的汽車動力學模型,該模型能夠反映汽車各種運動學和動力學特性,并實時模擬車輛的行駛過程,然后輸出信號參量提供給Simulink仿真軟件,包括車輛的自車位置S、縱向速度V、發動機轉速ωe、加速度a等信息。

在Simulink中建立加速制動切換邏輯模型、加速控制模型、制動控制模型和模糊控制模型。其中,制動控制模型如圖2所示,模糊控制部分的模型如圖3所示。

圖2 Simulink構建制動控制模塊模型

圖3 模糊控制邏輯模塊圖

將在Simulink仿真軟件中建立的實驗模型和在CarSim仿真軟件中建立的動力學模型相連接,組成一個以期望加速度為輸入,以車輛速度、車輛位移為輸出的閉合的仿真系統,如圖4所示。

圖4 CarSim與Simulink聯合仿真模型圖

在圖4中,前車(編碼“i_i”)和本車(編碼“i_i2”)在CarSim仿真軟件中設置各項環境條件和車輛動力學參數,輸出車輛速度參數V1、V2和車輛位置參數S1、S2給Simulink之中的模糊控制邏輯模塊。模糊控制邏輯根據算法運算得到本車期望加速度參數并輸出給加速制動控制模塊,包括加速制動切換邏輯模塊、加速控制模塊和制動控制模塊。然后,加速控制模塊和制動控制模塊分別輸出油門量或剎車量給本車,用于控制本車與前車之間的安全車距。

根據兩車距離和相對速度大小的不同組合,設置了4種有代表性的仿真工況:

(1) 大間距高速接近:兩車間距500 m，前車初速度80 km/h并以1 MPa壓力剎車，后車初速度120 km/h，仿真時長30 s；

(2) 大間距低速接近:兩車間距500 m；前車初速度80 km/h,無剎車，后車初速度120 km/h，仿真時長30 s；

(3) 小間距高速接近:兩車間距100 m，前車初速度80 km/h并以1 MPa壓力剎車，后車初速度120 km/h，仿真時長30 s；

(4) 小間距低速接近:兩車間距100 m；前車初速度80 km/h,無剎車，后車初速度120 km/h，仿真時長30 s。

仿真結果如圖5所示。圖中,橫坐標是仿真時間t,即車輛運行時間；縱坐標是車輛的位置坐標，前車與后車在道路上的間距s可以從中相減得出。從圖5可以看出,在4種工況下模糊控制算法均能有效保持后車與前車的安全距離,從而達到防撞預警并自動制動的目的。仿真結果表明,跨學科實驗平臺是有效的。

圖5 不同仿真工況下前車與后車的車間距離變化圖

另外,防撞預警控制電路硬件和嵌入式軟件的設計仿真,是在Matlab/Simulink驗證了模糊控制邏輯模塊的算法之后,進一步通過專業仿真軟件OrCAD、PSPICE、Altium Designer、Proteus等所做的實驗,信號處理算法通過Matlab/Simulink仿真軟件進行驗證,并與電路仿真軟件對照分析。這些步驟與一般電子電路虛擬仿真實驗方法相同,很多文獻已經有所論述[10-13],在此不再贅述。

4 結語

基于虛擬仿真技術的無人駕駛汽車跨學科實驗平臺的構建,促進了教學、科研的發展。汽車防撞預警虛擬仿真實驗案例表明,跨學科實驗平臺的建設是合理有效的,它成功解決了科研教學中的設備問題。該實驗平臺也為電子通信專業的本科學生和研究生參加“挑戰杯”、各類電子競賽和創新性大學生實驗競賽等大型賽事提供了一個良好的汽車項目教學實驗平臺。

References)

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Construction of interdisciplinary experimental platform for virtual simulation of pilotless automobile

Jiang Xianyang, Tang Xianghong

(School of Communication Engineering, Hangzhou University of Electronic Science and Technology，Hangzhou 310018, China)

By using the virtual simulation technology, an interdisciplinary experimental platform of “Pilotless automobile collision warning technology” for research and teaching is constructed, and based on the combination of Simulink and CarSim, this platform is jointly completed to carry out the design and verification of the logic algorithm of the fuzzy control for automobile collision avoidance warning. Compared with the traditional methods of laboratory construction, this platform construction has the advantages such as lower cost, shorter construction period, more interesting and innovation, and being more able to meet the needs of the rapid updating of knowledge. In addition, it can greatly reduce unnecessary construction cost, and realize the idea of green laboratory construction.

virtual simulation; pilotless automobile; experimental teaching; interdisciplinary experimental platform

10.16791/j.cnki.sjg.2016.11.029

虛擬仿真技術探索與實踐

2016-05-12

浙江省高等教育學會高校實驗室工作研究重點項目(ZD201601)；杭州電子科技大學2016年高等教育研究資助項目(XNFZ201610)

姜顯揚(1971—),男,湖北大冶,博士,講師,主要從事信息與通信專業科研與教學研究.

E-mail：jiangxy@hdu.edu.cn

G642.0；TP391.9

A

1002-4956(2016)11-0117-04