杜 博，夏春蕾，戴曙光

（上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093）

0 引 言

在汽車測(cè)控領(lǐng)域，由于傳統(tǒng)車身控制器主要通過(guò)微控制器處理數(shù)據(jù)采集開關(guān)信號(hào)，并以CAN或者LIN總線將指令傳送給相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)，這種傳統(tǒng)控制方法繁雜且無(wú)節(jié)點(diǎn)反饋信息，如果節(jié)點(diǎn)失效則需要通過(guò)故障診斷來(lái)恢復(fù)系統(tǒng)。當(dāng)前在汽車車身控制還存在一些不足：第一，控制方法諸多，但控制復(fù)雜，設(shè)計(jì)難度高，成本相對(duì)較高；第二，很多在理論上優(yōu)秀的控制算法，在工程應(yīng)用領(lǐng)域難以實(shí)現(xiàn)。

為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)控制方法的魯棒性缺陷，可以從以下三個(gè)方面考慮；第一，采用高性能的單體鋰電池提高其單個(gè)硬件特性；第二，尋求最優(yōu)且在工程領(lǐng)域易實(shí)現(xiàn)的控制策略以提高軟件性能；第三，可對(duì)所在汽車車身控制管理系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行定量誤差分析，結(jié)合最優(yōu)控制算法的實(shí)施，可應(yīng)用在車身測(cè)量控制系統(tǒng)中。文獻(xiàn)［1］采用傳統(tǒng)汽車電器系統(tǒng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信方式，對(duì)于電子程度越來(lái)越高的汽車而言，將使其線束十分復(fù)雜，不僅增加電器系統(tǒng)成本，而且會(huì)因?yàn)楣?jié)點(diǎn)繁多使系統(tǒng)運(yùn)行可靠性降低。文獻(xiàn)［2］和［3］分別提出快速原型驗(yàn)證系統(tǒng)和參數(shù)標(biāo)定V模型車身網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，這些方法雖然能夠提高系統(tǒng)開發(fā)效率和可靠性，但由于其系統(tǒng)為封閉式架構(gòu)，在可交換性和可復(fù)用性上存在一定缺陷。文獻(xiàn)［4］提出一種基于蟻群算法的車身主動(dòng)控制方法，采用參數(shù)自適應(yīng)PID控制算法，雖在一定程度上可以抑制車身控制低頻區(qū)域振動(dòng)幅度，但不適應(yīng)于車身振動(dòng)幅度較大的高頻區(qū)域。因此，本文提出一種優(yōu)化的基于STM32的車身控制方法，以STM32為核心的嵌入式開發(fā)平臺(tái)，實(shí)時(shí)處理車身各關(guān)鍵件角度傳感器值，建立MDH測(cè)量機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，再通過(guò)溫度傳感器檢測(cè)因溫度導(dǎo)致的熱變形誤差，實(shí)時(shí)在線修正測(cè)量誤差，并引入嵌入式操作系統(tǒng)以應(yīng)用編程方式進(jìn)行更新［5］。通過(guò)一系列測(cè)量實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析，該系統(tǒng)的測(cè)量精度符合設(shè)計(jì)要求。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

本文提出一種優(yōu)化的基于STM32的車身測(cè)量控制應(yīng)用系統(tǒng)，首先建立測(cè)量機(jī)MDH數(shù)學(xué)模型，獲取角度傳感器角度值和測(cè)量機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用MDH模型得到空間坐標(biāo)。系統(tǒng)硬件以ARM Cortex－M3為嵌入式開發(fā)平臺(tái)，軟件以嵌入式操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)，編寫車身測(cè)控外設(shè)驅(qū)動(dòng)和任務(wù)處理程序，確保系統(tǒng)運(yùn)行可靠，且數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式靈活，同時(shí)建立便捷直觀操作模式以及友好人機(jī)交互界面。系統(tǒng)整體方案框圖如圖1。

圖1 系統(tǒng)整體方案框圖

圖1中ARM Cortex－M3平臺(tái)連接LCD觸摸屏，可進(jìn)行診斷控制。處理器接到總線信息后，通過(guò)標(biāo)識(shí)符位區(qū)分診斷和操作指令。如果是診斷指令則將數(shù)據(jù)信息以LIN總線協(xié)議的格式，將數(shù)據(jù)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的LIN接口發(fā)送給相應(yīng)的子節(jié)點(diǎn)；如果是操作指令，則根據(jù)具體的指令信息，將數(shù)據(jù)打包成CAN總線協(xié)議格式，將報(bào)文通過(guò)CAN收發(fā)器傳送給相應(yīng)的子節(jié)點(diǎn)。子節(jié)點(diǎn)在收到操作指令后作出相應(yīng)的功能操作，進(jìn)而完成整個(gè)操作流程。另外，當(dāng)子節(jié)點(diǎn)有消息或狀態(tài)需要反饋給主控節(jié)點(diǎn)的時(shí)候，子節(jié)點(diǎn)將指令或狀態(tài)信息以相應(yīng)的報(bào)文協(xié)議的格式發(fā)到處理器中。ARM根據(jù)提取的具體指令或信息，將子節(jié)點(diǎn)需要反映的狀態(tài)和操作顯示在觸摸屏上。

2 MDH數(shù)學(xué)模型和系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 MDH數(shù)學(xué)模型

如圖2所示，根據(jù)機(jī)身結(jié)構(gòu)模擬建立以基座為原點(diǎn)的機(jī)身初始姿態(tài)坐標(biāo)，包括一個(gè)基座、四個(gè)連桿、五個(gè)關(guān)節(jié)和一個(gè)測(cè)頭，在每個(gè)關(guān)節(jié)裝有角度傳感器。運(yùn)用MDH建模方法建立機(jī)身測(cè)量方程，數(shù)學(xué)模型建立的第一步是要確定測(cè)量機(jī)的初始姿態(tài)，因?yàn)椴煌某跏甲藨B(tài)所得到的數(shù)學(xué)模型是不同的。在初始姿態(tài)下，所有關(guān)節(jié)的角度變量都為零度。如圖2建立坐標(biāo)系，O1為基座與桿件L1連接處，L1以角度θ1繞著O1點(diǎn)Z1坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)；O3與O2類似，關(guān)節(jié)角度θ3表示桿件L2與L3的相對(duì)位置；桿件3和4的偏置長(zhǎng)度為d，相對(duì)轉(zhuǎn)角為θ4；O6為測(cè)頭。設(shè)定O1點(diǎn)為坐標(biāo)系原點(diǎn)，根據(jù)坐標(biāo)變換計(jì)算得到O6在O1點(diǎn)坐標(biāo)系下相對(duì)于O1點(diǎn)的空間坐標(biāo)值，即可完成對(duì)測(cè)量機(jī)結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)建模。

圖2 機(jī)身初始姿態(tài)坐標(biāo)

首先進(jìn)行坐標(biāo)矩陣變換，利用MDH建模方法進(jìn)行旋轉(zhuǎn)β角度變換，當(dāng)相鄰關(guān)節(jié)軸線平行時(shí)，將標(biāo)準(zhǔn)DH模型矩陣乘以一個(gè)旋轉(zhuǎn)項(xiàng)，得到MDH模型矩陣為

其中，

然后，從O3轉(zhuǎn)換到O5，各坐標(biāo)系Z軸相互正交，MDH轉(zhuǎn)換矩陣為

最后推導(dǎo)O5到O6的轉(zhuǎn)換圓柱坐標(biāo)的變換公式。圓柱坐標(biāo)公式為

將以上坐標(biāo)轉(zhuǎn)換進(jìn)行整合得到測(cè)量車身運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，設(shè)測(cè)頭相對(duì)于測(cè)量車身坐標(biāo)系原點(diǎn)坐標(biāo)為（Xk，Yk，Zk），得到測(cè)頭坐標(biāo)值為

2.2 硬件驅(qū)動(dòng)開發(fā)和軟件實(shí)現(xiàn)

本文設(shè)計(jì)的基于STM32的車身控制系統(tǒng)，其中ARM Cortex－M3與總線通信是系統(tǒng)的核心，其在通信速率、穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性上都有很高的要求。本文采用的是CAN和LIN總線通信，采用該總線原因如下：第一，在節(jié)點(diǎn)通信速率上能夠滿足ARM模塊的通信要求；第二，在功能和資源配置上，ARM模塊本身有很多外設(shè)接口資源被占用，其IO口配置不易滿足當(dāng)前傳輸速率和功能配置。

總線通信采用的是主從工作模式，ARM主機(jī)控制數(shù)據(jù)傳輸。在硬件資源上，采用四線制雙向通信。在通信過(guò)程中，ARM通過(guò)片選信號(hào)CS發(fā)出啟動(dòng)傳輸信號(hào)，將已裝入8位移位寄存器中的數(shù)據(jù)在8個(gè)時(shí)鐘信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下，一次通過(guò)移位寄存器中，整個(gè)通信過(guò)程中沒有指定數(shù)據(jù)流。考慮到總線通信存在的缺陷，當(dāng)主機(jī)向從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，從機(jī)接收到數(shù)據(jù)后會(huì)拉低中斷信號(hào)線提示主機(jī)數(shù)據(jù)已經(jīng)收到。

總線硬件驅(qū)動(dòng)程序主要由以下函數(shù)組成：第一，字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)加載和卸載函數(shù)，第二，字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)的file＿operation結(jié)構(gòu)體和成員函數(shù)。下面簡(jiǎn)單介紹加載和卸載函數(shù)驅(qū)動(dòng)程序，定義代碼如下：

在加載和卸載函數(shù)中分配和釋放字符，主要是由register＿chrdev＿region（）和unregister＿chrdev＿region（）函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，具體的加載和卸載函數(shù)如下：

2.3 測(cè)試驗(yàn)證

分別隨機(jī)獲取車身關(guān)鍵件角度傳感器測(cè)量值，每個(gè)部位選擇不同的三種姿態(tài)，得到表1數(shù)據(jù)，傳感器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)測(cè)值與理論偏差在1度范圍內(nèi)，系統(tǒng)精度較高，符合系統(tǒng)要求。系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)如圖3所示。

3 結(jié) 論

本文對(duì)汽車車身測(cè)量控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了一種基于STM32的控制，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)控制方法可靠性較弱的不足。采用一種優(yōu)化的車身測(cè)量控制策略，將車身控制的各項(xiàng)開關(guān)控制和系統(tǒng)診斷兩項(xiàng)功能集中到一個(gè)觸摸屏的控制界面中，實(shí)現(xiàn)了集中式的控制，提高了系統(tǒng)操作的快捷性、透明性和安全性。經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)可以滿足實(shí)際應(yīng)用需要，具有較好的應(yīng)用前景。

表1 傳感器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

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