基于樹莓派的四輪獨立電驅動監控系統設計

趙風財 肖廣兵

摘 ?要： 本文設計了基于樹莓派的四輪獨立電驅動監控系統，主要由驅動控制系統、電池管理系統、數據處理模塊、上位機控制模塊等組成。系統使用ESP8266WIFI通訊模塊實現傳感器、控制器和上位機之間的信息交互，以樹莓派芯片作為系統控制核心，進行數據處理。本系統能夠方便用戶對車輛進行綜合性能的驗證和評估，獲取理想的實驗數據，具有結構簡單、數據準確、容錯率高的特點。

關鍵詞： 樹莓派;四輪獨立電驅動;數據監控

中圖分類號： TP39 ? ?文獻標識碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.08.023

本文著錄格式：趙風財，肖廣兵. 基于樹莓派的四輪獨立電驅動監控系統設計[J]. 軟件，2020，41（08）：78-82

【Abstract】： This paper designs a four-wheel independent electric drive monitoring system based on raspberry PI， which is mainly composed of drive control system， battery management system， data processing module， upper computer control module and so on. The system uses ESP8266WIFI communication module to realize the information interaction between the sensor， the controller and the upper computer. The raspberry PI chip is used as the system control core system for data processing. The system is convenient for users to verify and evaluate the comprehensive performance of the vehicle and obtain ideal experimental data. It has the characteristics of simple structure， accurate data and high fault tolerance.

【Key words】： Raspberry PI; Four - wheel independent electric drive; Data monitoring

0 ?引言

電動汽車因其在解決大氣污染，能源短缺等問題上表現突出，目前已成為體現國家可持續發展和科技創新的戰略需求[1]。其中四輪獨立電驅動車輛是一種電池組供電，汽車前后輪都有動力的車輛，可按行駛路面狀態不同而將發動機輸出扭矩按不同比例分布在前后所有的輪子上，以提高汽車的行駛能力[2]。四輪獨立電驅動車輛能夠實現整車運動狀態參數的實時評估、有更加精確的ABS/TCS/ESP動力學控制，具有電機響應快，精度高的特點，因此在汽車控制方面擁有傳統汽車無法取代的優點。

目前國內外對四輪獨立電驅動系統已經取得了一些成果，李克強[3]等人提出一種基于模糊動態滑模理論的控制方法以實現防滑控制;靳立強和王慶年等建立了四輪獨立電驅動車輛的18自由度動力學模型，幫助車輛實現防滑控制[4]。但關于四輪獨立電驅動車輛的研究仍然有許多問題亟待解決，如各輪轉矩協調不佳會導致整車動力學容易失衡、回路中的網絡時滯變大會導致控制系統的閉環或開環的回路傳輸時間變長、以及如果車身關鍵傳感器或者執行器失效，車輛動力學瞬間會失衡。

針對四輪獨立電驅動車輛發展較晚、相關成果不充足的特點，本文設計了四輪獨立電驅動監控系統，通過四輪獨立電驅動概念車上安裝的監測車輛和電池狀態的傳感器，收集準確且全面的數據，對車輛運行狀態進行實時監控，便于對車輛進行綜合性能的驗證和評估，使得用戶可以及時發現問題，獲取理想的實驗數據，促進四輪獨立電驅動車輛相關成果的產生。

1 ?系統設計

四輪獨立電驅動監控系統由數據收集模塊、上位機模塊、通訊模塊和數據處理模塊構成。數據收集模塊包括驅動控制系統與電池管理系統，以多個監測車輛和電池狀態的傳感器為基礎，當車輛開始運行后，開始穩定的獲取包括車速、車輪轉矩和轉向角、電池電壓和電流在內的多個重要數據，并通過通訊模塊組建的無線通訊網絡把數據發送到上位機模塊，經過數據處理，在PC端界面上進行直觀的數據顯示。

上位機模塊同時承擔著監控系統與用戶的交互，用戶可以控制系統與每個車輪傳感器的連接狀態，便于進行相關的實驗、可以控制供電系統進行電池能量均衡，以減小各個電池之間電量差異、可以選擇有效的實驗數據進行保存，便于進行數據的對比分析[5]-[6]。本系統能夠對獨立四輪電驅動車輛的重要數據進行實時監控，在豐富的數據反饋的基礎上，滿足用戶的各種實驗需求。系統結構圖如圖1所示。

2 ?硬件電路設計

四輪獨立電驅動監控系統的硬件系統主要包括傳感器模塊、樹莓派控制模塊和無線通信模塊等。本系統由ESP8266無線WIFI模塊組建無線通訊網絡，能夠使傳感器、控制器與上位機之間保持信息交互，實現監測數據和操作指令的傳遞;傳感器模塊是系統功能實現是基礎，起到對車輛行駛和電池狀態的實時監測的作用，本系統使用霍爾效應式車速傳感器測量測速、扭矩光電編碼器測量車輪轉矩、以及高壓隔離與采樣的方法監測電池組電壓;控制模塊選用樹莓派4B作為核心元件，對傳感器數據進行分析、處理，并完成用戶發出的操作指令。

2.1 ?傳感器模塊設計

傳感器模塊需要對車速、車輪轉矩、轉向角、電池電壓，電流和溫度進行數據收集，并實時發送給信息處理器和上位機。霍爾效應式車速傳感器利用霍爾效應的原理制成，由一個幾乎完全閉合的包含永久磁鐵和磁極部分的磁路組成，實現對車速的監測[7];而光電編碼器是一種通過光電轉換將輸出軸上的機械幾何位移量轉換成脈沖或數字量的傳感器，能夠獲取準確的車輪轉矩數據[8]。

系統采用高壓隔離與采樣的方法監測電池組電壓，在電池組狀態信息進行實時監測時，要實現對電池電壓采樣通路的高速開關控制，同時解決前端采樣點路與后端數據處理電路之間的共地問題。電路原理圖如圖2所示，采用AQW214S光耦繼電器作為高壓隔離器件，同時也作為電壓采集系統的高速信號采樣器件，R1=2R2，電路中電容C1為去耦電容，電阻R5為限流電阻，電阻R4用于保證電路可靠工作[9]。

2.2 ?樹莓派控制模塊

本文使用樹莓派作為四輪獨立電驅動監控系統控制模塊的核心單元。樹莓派是一款基于ARM的單片機電腦主板，具有體積小、效率高、功能強大等特點，新一代樹莓派4B搭載1.5 GHz的64位四核處理器和統一的Linux開源操作系統、全吞吐量千兆以太網、支持Bluetooth 5.0和BLE、雙micro HDMI輸出、支持4K分辨率、存儲系統增加了雙倍數據速率支持、支持C、C++、Python等語言編程[10]。

樹莓派4B的主控制器采用博通BCM2711的1.5 GHz四核處理器，電路圖如圖3所示，采用ARM Cortex A72架構、500MHzGPU和LPDDR4內存，性能相較樹莓派3B+提升了近50%。在通訊方面，樹莓派采用USB串口通信和GPIO引腳通信兩種方式實現，提供2個Micro HDMI 2.0接口（4K 60FPS）和40針GPIO引腳，通過在樹莓派上進行程序設計，運用相關的技術即可實現數據的輸入輸出。

2.3 ?無線通信模塊

通訊模塊是四輪獨立電驅動監控系統的重要模塊，能夠將系統各部分連成整體，如圖4所示，本文采用ESP8266WI-FI芯片作為核心元件，構建無線通訊網絡。ESP8266是一款Wi-Fi通訊模塊，具有傳輸速度快、低功耗的特點，專為物聯網應用設計，可將用戶的物理設備連接到Wi-Fi 無線網絡上，實現聯網通信。ESP8266芯片可以通過AT指令配置，和單片機上的串口進行通信，利用WI-FI進行數據傳輸，ESP8266芯片內置TensilicaL106 32位 RISC 處理器，CPU時鐘速度最高有160 MHz，工作模式有Station模式、AP模式和AP兼Station模式[11]。

3 ?系統軟件設計

系統軟件設計采用Visual Basic6.0軟件開發設計，主要包括驅動控制程序設計、電池管理程序設計和輔助功能設計。

四輪獨立電驅動監控系統的流程圖如圖5所示，用戶登錄成功后進入功能區，系統的功能主要分為驅動控制、電池管理、設備檢測、歷史數據和系統設計五個部分，其中驅動控制和電池管理是系統的核心功能，能夠進行數據顯示、充放電監測和電池狀態診斷，用戶可以查看車輛運行時的車速變化、各個車輪的轉矩與轉向角變化、電池充放電時的實時電壓電流變化，控制電池能量均衡等;設備檢測和歷史數據的功能分別對應檢測上位機通訊狀態并控制與各傳感器之間的連接、保存有效的實驗數據供后續查看。

系統主界面如圖6所示，主要由驅動控制、電池管理、設備檢測、歷史數據和系統設計五個部分的入口按鈕組成，右上方顯示實時的日期和時間，點擊右下方紅色按鈕退出程序。

3.1 ?驅動控制設計

驅動控制界面包括車輛狀態界面、實時車速界面、車輪轉矩和轉向角界面等。車輛狀態界面如圖7所示，界面上方是獨立四輪驅動車的底盤模型，跟隨試驗車的運動狀態實時變化，給予用戶直觀的感受，下方進行實時的數據顯示，包括當前車速和加速度等，核心數據是各個車輪的轉矩、轉向角和網絡時滯。用戶可以根據此界面進行數據觀察和對比，發現試驗車行進中的問題，包括四輪轉矩是否一致、網絡時滯是否過大等。右下角是功能選擇區，用戶可以刷新當前狀態、進入實時車速界面、選擇有效的數據進行保存，被保存的實驗數據在歷史記錄中查看[12]。

實時車速界面如圖8所示，車速傳感器獲取試驗車行進的速度和加速度，發送到數據處理模塊，經過分析、處理，在上位機界面繪制出車輛實時車速折線圖，右側顯示車輛行駛時間和當前是速度與加速度。車輪轉矩和轉向角界面如圖9所示，頁面主體分別是車輪實時轉矩和轉向角的折線圖，頁面右側顯示當前實時的轉矩和轉向角，用戶通過車輪選擇，可以直觀的查看相關的數據，在折線圖中，如果試驗車沿著直線行駛，轉矩和轉向角都接近于零，圖中的出現明顯升降的時刻便說明試驗車在進行轉彎。

3.2 ?電池管理設計

電池管理是本系統的核心功能之一，程序設計主要包括主界面、供電監測、充電監測和電池狀態界面等。為防止電池發生過充電或過放電現象，系統會監測每塊電池實時的電壓和電流、溫度、及電池組總電壓，并及時預警[13]。

電池管理主界面如圖10所示，主要由供電監測、充電監測、狀態診斷和電池參數四個部分的入口按鈕組成，右上方顯示實時的日期和時間，點擊右下方紅色按鈕退出程序。

供電監測界面如圖11所示，頁面上方顯示電驅動車輛的電池向電動機供電的示意圖。界面左下方是數據顯示區，傳感器檢測電池組供電時的實時電壓、電流和溫度通過無線網絡上傳至上位機，在供電監測界面顯示出來，使用戶可以準確掌握電池組的工作情況，防止發生電池組過放電的現象發生，延長電池組的可使用時間。右下方是功能區，用戶可以刷新電池供電數據、進入電池狀態頁面、查看電池組的續航能力，方便用戶合理控制電池的使用[14]。

充電監測和電池狀態界面如圖12所示，在充電監測界面，右側顯示充電中實時的電池電壓和電流、和溫度。以鋰電池為例，充電時先保持恒流，這個階段電壓上升，當電壓升到4.2V時，進入第二階段，即恒壓充電，此時電流下降，當電流下到一定階段時，電池充電完成。系統進行充電狀態的監測，使得用戶可以及時發現充電異常現象，延長電池的可使用時間。右側顯示顯示當前電池已充電和充滿仍需要的時間，幫助用戶合理控制充電時間[15]-[16]。

在電池狀態界面中，用戶可以查看電池組中每塊電池的電壓和剩余電量，挑選出工作不正常的電池，使電池組可靠高效的運行。電池在大量生產時質量不易把控，出廠時電池中的電量便會有微小的差異，隨著老化，污染物侵蝕等因素，電池間的電量差異會越來越大，因此，本系統提供能量均衡的功能，即單體電池均衡充電，減小各個電池之間電量差異[17]。

3.3 ?輔助功能設計

系統的輔助功能包括設備檢測和歷史記錄，使軟件功能更加豐富，為用戶提供更多便利。設備檢測界面如圖13所示，用戶可已經檢查通訊狀態并控制與車輪傳感器的連接狀態，在界面上方顯示目前所連接通訊網絡的IP地址和密碼，用戶可以選擇斷開和連接。在界面下方顯示已連接到的車輪傳感器，用戶可以刷新連接、斷開指定傳感器的連接。頁面另一個重要功能是設備診斷，系統可以根據傳感器檢測的數據，分析篩選出數據缺少或不準確的設備，反饋給用戶，保障系統的正常運行[18]。

歷史數據界面如圖14所示，用戶通過日期選擇，獲取當天保存的實驗數據，根據開始時間和實驗時長找到目標實驗，點擊查看后會顯示當次車輛運行時的包括車輪轉矩和轉向角、網絡時滯、電池的電壓、電流和溫度的數據，供用戶進行觀察、整合，獲取相關的實驗結果。

4 ?結論

本文設計了基于樹莓派的四輪獨立電驅動監控系統，通過四輪獨立電驅動概念車上安裝的監測車輛和電池狀態的傳感器，獲取包括車速、車輪轉矩和轉向角、電池電壓和電流在內的多個重要數據，對車輛運行狀態進行實時監控。系統使用ESP8266WIFI通訊芯片實現傳感器、控制器和上位機之間的信息交互，以樹莓派芯片作為系統控制核心進行數據處理。本系統能夠方便用戶對車輛進行綜合性能的驗證和評估，獲取理想的實驗數據，具有結構簡單、數據準確、容錯率高的特點。

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