汽車(chē)駕駛模擬器數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

摘? 要：汽車(chē)駕駛模擬器能夠模擬汽車(chē)運(yùn)動(dòng)，使駕駛者獲得與真實(shí)車(chē)輛駕駛的相同感受，駕駛員通過(guò)模擬的真實(shí)駕駛訓(xùn)練環(huán)境和外圍設(shè)備控制虛擬汽車(chē)進(jìn)行駕駛，并借由顯示屏、音響設(shè)備、傳感器元件獲取感官信息反饋。該文主要采用STM32單片機(jī)、USB通信協(xié)議，設(shè)計(jì)汽車(chē)駕駛模擬器數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，進(jìn)行汽車(chē)硬件設(shè)備的操作數(shù)據(jù)采集和處理，實(shí)時(shí)獲悉外圍設(shè)備的狀態(tài)，使駕駛員能夠根據(jù)虛擬場(chǎng)景實(shí)時(shí)路況，進(jìn)行相應(yīng)的駕駛操作，完成駕駛科目訓(xùn)練和考試。

關(guān)鍵詞：汽車(chē)駕駛? 模擬器? 數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)? 設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TN919 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2020）04（a）-0032-02

汽車(chē)駕駛模擬器模擬汽車(chē)的真實(shí)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)多輸入、多輸出和快速響應(yīng)，該文重點(diǎn)探討基于駕校實(shí)地場(chǎng)景的駕校學(xué)員訓(xùn)練和考試系統(tǒng)，由駕駛學(xué)員在虛擬的駕駛場(chǎng)地環(huán)境下，通過(guò)實(shí)際操作硬件設(shè)備來(lái)控制三維駕駛汽車(chē)模型，預(yù)先獲悉和了解駕駛規(guī)則，實(shí)時(shí)采集方向盤(pán)、離合器、油門(mén)、剎車(chē)、擋位、手剎、轉(zhuǎn)向燈、雨刷、車(chē)鎖等數(shù)據(jù)，為實(shí)地考試做好準(zhǔn)備。

1? 汽車(chē)駕駛模擬器數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)硬件設(shè)備分析

1.1 硬件設(shè)備

汽車(chē)駕駛模擬器設(shè)備主要包括有以下部分：（1）喇叭。通常將其設(shè)計(jì)于方向盤(pán)的中間，用于提醒路人或其他車(chē)輛，確保車(chē)輛通行順暢。（2）雨刷。通過(guò)控制開(kāi)關(guān)的關(guān)閉、慢刷、快刷、噴水量等控制方式，確保汽車(chē)擋風(fēng)玻璃的清潔。（3）車(chē)鎖開(kāi)關(guān)。通過(guò)車(chē)鎖開(kāi)關(guān)啟動(dòng)汽車(chē)，控制車(chē)輛的啟動(dòng)狀態(tài)。（4）檔位控制器。通常由1、2、3、4、5、R這6個(gè)檔位構(gòu)成，用于調(diào)節(jié)汽車(chē)的行駛速度，確保行車(chē)安全可控。（5）手剎控制器。利用該設(shè)備防止汽車(chē)停止時(shí)溜車(chē)及啟動(dòng)時(shí)前沖。（6）方向盤(pán)。通過(guò)方向盤(pán)轉(zhuǎn)角控制汽車(chē)的拐彎，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)在行駛過(guò)程中的轉(zhuǎn)向操作。（7）車(chē)燈。通常由小燈、大燈、近光燈和遠(yuǎn)光燈組成，確保汽車(chē)在黑暗環(huán)境下安全行駛。轉(zhuǎn)向燈包括有左轉(zhuǎn)向、右轉(zhuǎn)向、雙閃，用于提醒他人汽車(chē)的轉(zhuǎn)彎。（8）離合。通過(guò)離合啟動(dòng)汽車(chē)，避免換擋速度過(guò)快而導(dǎo)致汽車(chē)行駛不夠平穩(wěn)。（9）剎車(chē)與油門(mén)。前者用于控制汽車(chē)的減速及停止;后者用于控制汽車(chē)的加速及減速。

1.2 傳感器

可以采用霍爾傳感器的磁場(chǎng)及變化，檢測(cè)三踏板行程位移，獲悉位移、速度、轉(zhuǎn)角等相關(guān)參數(shù)，其應(yīng)用原理為：在薄片的垂直方向施加強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，薄片兩端接通電流，在電流與磁場(chǎng)垂直的方向上會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)差為UH的霍爾電壓。在該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選用線性霍爾傳感器，利用霍爾效應(yīng)測(cè)量制動(dòng)踏板的位移，通過(guò)霍爾元件感應(yīng)離合、剎車(chē)、油門(mén)底部永久磁場(chǎng)輸出的電壓信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換和計(jì)算，獲悉制動(dòng)踏板行程。而在測(cè)量方向盤(pán)的轉(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)角設(shè)計(jì)中，則選用光柵傳感器，利用檢測(cè)電路對(duì)光的遮擋輸出脈沖來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)角，由光柵傳感器輸出的有序脈沖判定方向盤(pán)的正反轉(zhuǎn)。

1.3 回正電機(jī)選擇

由于汽車(chē)駕駛模擬器對(duì)方向盤(pán)的靈活度要求較高，決定著汽車(chē)車(chē)身旋轉(zhuǎn)的速度，為此要注重對(duì)控制電機(jī)的選擇，該系統(tǒng)選取24V直流永磁電機(jī)，由直流電機(jī)的定子產(chǎn)生磁場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)駕駛模擬器方向盤(pán)對(duì)行駛方向的有效控制[1]。

2? 汽車(chē)駕駛模擬器數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用

汽車(chē)駕駛模擬器數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)主要采集駕駛員操作信號(hào)數(shù)據(jù)，例如：油三踏板行程信號(hào)，方向盤(pán)的轉(zhuǎn)角信號(hào)，檔位、雨刷、車(chē)燈、喇叭、車(chē)鎖燈等組合開(kāi)關(guān)的信號(hào)，其硬件電路設(shè)計(jì)主要包括以下內(nèi)容。

2.1 CPU設(shè)計(jì)與應(yīng)用

該系統(tǒng)采用一個(gè)32位STM32的芯片，型號(hào)為STM32F103XC8T6，涵蓋有18個(gè)開(kāi)關(guān)量和3路模擬量，信號(hào)處理速度達(dá)到72MHz，內(nèi)置一個(gè)8MHz的晶振，可以放大鎖相環(huán)。并通過(guò)內(nèi)部數(shù)模轉(zhuǎn)換，進(jìn)行模擬量的采集，體現(xiàn)電路設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)化特性。

2.2 外圍電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用

（1）電源系統(tǒng)。該部分為電機(jī)、芯片提供穩(wěn)定的電源，包括有AMS1117正向低壓穩(wěn)壓器、CON2直流電壓接口、基準(zhǔn)電壓和地之間的小容量電容連接，有效實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓，避免輸出電壓受到輸入電壓的波動(dòng)影響。（2）系統(tǒng)時(shí)鐘電路。采用外接晶體振蕩器的方式設(shè)置系統(tǒng)時(shí)鐘電路信號(hào)，通常來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)電路外接晶振為8MHz，并在芯片內(nèi)部鎖相環(huán)電路的作用下，可以對(duì)實(shí)時(shí)時(shí)鐘的基頻進(jìn)行倍頻，使之達(dá)到72MHz，并將RCC時(shí)鐘、ADC時(shí)鐘、USB時(shí)鐘信號(hào)分頻提供給不同的模塊，確保晶振正常穩(wěn)定運(yùn)行。（3）通信協(xié)議接口電路。USB通信協(xié)議快速便捷，支持熱插拔、即插即用，可以較好地應(yīng)用于汽車(chē)駕駛模擬器的數(shù)據(jù)傳輸，體現(xiàn)出廣播方式傳輸報(bào)文的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，將采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到三維汽車(chē)動(dòng)力學(xué)模型中，其通信串口USB2.0能夠配置1～8個(gè)端點(diǎn)，最大速率為480MB/s，進(jìn)行反向不歸零編碼/解碼的同步傳輸方式，并采用CRC（循環(huán)冗余校驗(yàn)）方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)男ｒ?yàn)。同時(shí)，USB2.0協(xié)議支持批量/同步端點(diǎn)的雙緩沖區(qū)機(jī)制，支持掛起和喚醒，抗干擾能力強(qiáng)。

2.3 采集模塊電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用

（1）三踏板行程采集電路。采用霍爾傳感器采集離合、油門(mén)、剎車(chē)的位移。（2）開(kāi)關(guān)量采集電路。車(chē)燈由不同的組合開(kāi)關(guān)組成，包括大燈、小燈、遠(yuǎn)光、左轉(zhuǎn)向、右轉(zhuǎn)向，用于轉(zhuǎn)向提示和夜間照亮。雨刷由不同的組合開(kāi)關(guān)構(gòu)成，包括慢刷、快刷、雨刷清洗，用于陰雨天汽車(chē)擋風(fēng)玻璃的清潔。喇叭由微動(dòng)開(kāi)關(guān)組成，用于提醒路人及其他車(chē)輛。檔位開(kāi)關(guān)由開(kāi)關(guān)線霍爾傳感器組成，用于汽車(chē)行駛過(guò)程的速度切換。車(chē)鎖開(kāi)關(guān)包括有汽車(chē)啟動(dòng)、關(guān)閉啟和上鎖，確保汽車(chē)的正常啟動(dòng)。方向盤(pán)則是通過(guò)光柵尺的脈沖量判定其轉(zhuǎn)角[2]。

3? 汽車(chē)駕駛模擬器數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)與應(yīng)用

3.1 開(kāi)關(guān)量采集模塊設(shè)計(jì)與應(yīng)用

（1）車(chē)燈及雨刷信號(hào)采集。在合理配置IO口的傳輸方式及速度的前提下，基于通訊協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，如大/小燈、遠(yuǎn)光、左轉(zhuǎn)向、右轉(zhuǎn)向的數(shù)據(jù);慢刷、快刷、快速噴水的數(shù)據(jù)。（2）車(chē)鎖及喇叭信號(hào)采集。要配置IO口的傳輸方式、傳輸速度，判斷并獲悉組合開(kāi)關(guān)操作的狀態(tài)值，如：開(kāi)鎖、打火啟動(dòng)等車(chē)鎖狀態(tài)值。（3）檔位與駐車(chē)信號(hào)采集。配置IO口的傳輸方式、速度，判斷獲悉掛檔、拉動(dòng)手剎等狀態(tài)。

3.2 三踏板行程采集模塊設(shè)計(jì)與應(yīng)用

油門(mén)、剎車(chē)、離合通過(guò)芯片的ADC采集模擬量，并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，經(jīng)由DMA方式進(jìn)行傳輸，完成外設(shè)地址與存儲(chǔ)器地址、存儲(chǔ)器地址之間的數(shù)據(jù)搬移，數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程無(wú)須CPU的參與，僅依靠DMA的獨(dú)立通道配置方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的搬移，有效節(jié)約CPU資源。

3.3 方向盤(pán)信號(hào)采集模塊設(shè)計(jì)與應(yīng)用

汽車(chē)駕駛模擬器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的方向盤(pán)正反轉(zhuǎn)主要是由電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制，通過(guò)校準(zhǔn)控制電機(jī)自動(dòng)回正中心位置，當(dāng)方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)會(huì)產(chǎn)生阻力，防止方向盤(pán)過(guò)于靈活而失控。并通過(guò)光柵尺采集方向盤(pán)的轉(zhuǎn)角信號(hào)[3]。

4? 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，汽車(chē)駕駛模擬器數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)進(jìn)行硬件電路、軟件模塊的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，較好地為汽車(chē)模型提供控制量。后續(xù)還要加強(qiáng)對(duì)系統(tǒng)核心部件的研究，要選擇具有更大功率的元器件，避免核心部件穩(wěn)壓電路長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行而發(fā)熱的現(xiàn)象。并要持續(xù)完善駕駛模擬器方向盤(pán)的控制，要添加方向盤(pán)的助力，由控制電機(jī)接收三維駕駛系統(tǒng)虛擬部分反饋的指令，并運(yùn)用優(yōu)化的相關(guān)算法提升汽車(chē)模擬駕駛效果，提升系統(tǒng)整體的實(shí)時(shí)性。

參考文獻(xiàn)

[1] 唐向東，黃志永.汽車(chē)駕駛模擬器在駕駛培訓(xùn)中的應(yīng)用分析[J].汽車(chē)與駕駛維修：維修版，2017（12）：96.

[2] 郭敏，莊信武，任海波，等.基于USB2.0的多串口數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)[J].國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)，2017（36）：79.

[3] 張燚，邵建龍，陳廣，等.汽車(chē)駕駛模擬器數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].微處理機(jī)，2017（1）：91-95.

作者簡(jiǎn)介：姜楷（1982，10—），男，漢族，江蘇鹽城人，本科，中級(jí)工程師，目前從事駕考駕培相關(guān)設(shè)備以及交通信號(hào)的研發(fā)生產(chǎn)工作。