姜顯揚, 唐向宏

(杭州電子科技大學(xué) 通信工程學(xué)院, 浙江 杭州 310018)

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虛擬仿真無人駕駛汽車跨學(xué)科實驗平臺的構(gòu)建

姜顯揚, 唐向宏

(杭州電子科技大學(xué) 通信工程學(xué)院, 浙江 杭州 310018)

采用虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建了“無人駕駛汽車防撞預(yù)警技術(shù)”教學(xué)與研發(fā)用跨學(xué)科實驗平臺,利用Simulink和CarSim聯(lián)合完成平臺的構(gòu)建,進行了汽車防撞預(yù)警模糊控制邏輯算法的設(shè)計和驗證。該平臺的建設(shè)與傳統(tǒng)的實驗室建設(shè)方法相比,具有成本低、建設(shè)周期短、趣味性和創(chuàng)新性強、更能夠滿足知識快速更新的需要等優(yōu)勢,大大減少了實驗平臺的建設(shè)成本和風(fēng)險,并實現(xiàn)綠色建設(shè)實驗室的理念。

虛擬仿真； 無人駕駛汽車； 實驗教學(xué)； 跨學(xué)科實驗平臺

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)向縱深發(fā)展,高校理工科教學(xué)與科研工作常常出現(xiàn)跨學(xué)科融合的情況,迫切要求實驗中心能夠快速、經(jīng)濟地建立跨學(xué)科的實驗研發(fā)與教學(xué)平臺[1]。但是,直接建立硬件實物跨學(xué)科實驗平臺將面臨經(jīng)費等多方面困難。采用虛擬仿真技術(shù)[2-9]構(gòu)建科研與教學(xué)跨學(xué)科實驗平臺,具有傳統(tǒng)的實驗室建設(shè)方法無可比擬的優(yōu)勢。杭州電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院實驗中心在教學(xué)和科研實踐中,構(gòu)建了無人駕駛汽車與電子通信專業(yè)學(xué)科交叉的跨學(xué)科實驗平臺,促進了教學(xué)科研的開展。

1 無人駕駛汽車技術(shù)與電子通信技術(shù)的結(jié)合

無人駕駛汽車是近幾年國內(nèi)外加緊研發(fā)的國際前沿技術(shù),國內(nèi)有許多相關(guān)企業(yè)通過與高校、科研單位的合作,在無人駕駛汽車前沿技術(shù)的研發(fā)方面實現(xiàn)資源整合、優(yōu)勢互補。

汽車是機電技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)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(yù)警算法等技術(shù)有更高的要求,汽車生產(chǎn)企業(yè)的研發(fā)人員迫切需要得到高校電子通信學(xué)科的專業(yè)人員的技術(shù)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(jīng)濟地構(gòu)建汽車項目的研發(fā)和實驗平臺。

無人駕駛汽車與電子通信專業(yè)的學(xué)科交叉,既是對通信學(xué)院現(xiàn)有實驗條件的考驗,又是一個促進本?？蒲信c教學(xué)發(fā)展和進步的契機。由于杭州電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院實驗中心現(xiàn)有的實驗室條件遠(yuǎn)不能涵蓋汽車專業(yè)的跨學(xué)科教學(xué)、科研的需要,于是采用虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建跨學(xué)科實驗平臺,圓滿解決了這一難題。

2 虛擬仿真技術(shù)跨學(xué)科實驗平臺的構(gòu)建

傳統(tǒng)的電子通信專業(yè)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(gòu)建的,而當(dāng)面對無人駕駛汽車技術(shù)的跨學(xué)科應(yīng)用時,這些實驗手段幾乎無用武之地。

汽車專業(yè)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(yè)的師生所熟悉。

鑒于Matlab/Simulink仿真軟件涵蓋的學(xué)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(lǐng)域,而且在汽車、土木工程、數(shù)理、金融、醫(yī)學(xué)等很多學(xué)科、工程領(lǐng)域也有廣泛深入的應(yīng)用。實驗中心根據(jù)校企合作項目需求,經(jīng)過深入調(diào)查論證,制訂了以Matlab/Simulink仿真軟件為核心,整合電子通信專業(yè)仿真軟件OrCAD、PSPICE、Altium Designer、Proteus和汽車專業(yè)仿真軟件CarSim構(gòu)建聯(lián)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(shù)據(jù)，也有針對電子通信軟件的接口,可以互相交換仿真數(shù)據(jù)。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(shù)據(jù),實現(xiàn)互聯(lián)互通(見圖1)。

圖1 跨學(xué)科聯(lián)合仿真實驗平臺

電路設(shè)計、嵌入式軟件仿真通過專業(yè)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(xué)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(gòu)建方案完全以虛擬環(huán)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(shè)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(shè)成本低廉,實驗實現(xiàn)方便有效,充分滿足了校企合作項目研發(fā)和大學(xué)生創(chuàng)新競賽的需要。

CarSim 是一款汽車整車動力學(xué)仿真軟件,模型準(zhǔn)確、建?？焖佟⒁子谛薷?駕駛員操縱轉(zhuǎn)向、剎車、油門等操作行為變量和路面、風(fēng)向等行車環(huán)境變量,均能實時地反映到車輛模型的動態(tài)響應(yīng)之中,其輸出的狀態(tài)量也非常豐富,輸出數(shù)據(jù)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(lián)合CarSim建模進行仿真實驗,可以設(shè)置一些實物實驗中很難實現(xiàn)的高成本或極端危險的工況和行車條件,并對整車系統(tǒng)與環(huán)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(yù)警虛擬仿真實驗

以校企合作項目“無人駕駛汽車防撞預(yù)警技術(shù)”為例,采用模糊控制邏輯實現(xiàn)防撞預(yù)警的判定,并以跨學(xué)科聯(lián)合仿真平臺作為項目研發(fā)的實驗手段。

首先,通過Simulink和CarSim聯(lián)合仿真實驗來完成汽車防撞預(yù)警模糊控制邏輯算法的設(shè)計和驗證。

CarSim提供聯(lián)合仿真所需的汽車動力學(xué)模型,該模型能夠反映汽車各種運動學(xué)和動力學(xué)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(fā)動機轉(zhuǎn)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(gòu)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?zāi)Ｐ秃驮贑arSim仿真軟件中建立的動力學(xué)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(tǒng),如圖4所示。

圖4 CarSim與Simulink聯(lián)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(shè)置各項環(huán)境條件和車輛動力學(xué)參數(shù),輸出車輛速度參數(shù)V1、V2和車輛位置參數(shù)S1、S2給Simulink之中的模糊控制邏輯模塊。模糊控制邏輯根據(jù)算法運算得到本車期望加速度參數(shù)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(jù)兩車距離和相對速度大小的不同組合,設(shè)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(jié)果如圖5所示。圖中,橫坐標(biāo)是仿真時間t,即車輛運行時間；縱坐標(biāo)是車輛的位置坐標(biāo)，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(yù)警并自動制動的目的。仿真結(jié)果表明,跨學(xué)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(yù)警控制電路硬件和嵌入式軟件的設(shè)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(yè)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(jīng)有所論述[10-13],在此不再贅述。

4 結(jié)語

基于虛擬仿真技術(shù)的無人駕駛汽車跨學(xué)科實驗平臺的構(gòu)建,促進了教學(xué)、科研的發(fā)展。汽車防撞預(yù)警虛擬仿真實驗案例表明,跨學(xué)科實驗平臺的建設(shè)是合理有效的,它成功解決了科研教學(xué)中的設(shè)備問題。該實驗平臺也為電子通信專業(yè)的本科學(xué)生和研究生參加“挑戰(zhàn)杯”、各類電子競賽和創(chuàng)新性大學(xué)生實驗競賽等大型賽事提供了一個良好的汽車項目教學(xué)實驗平臺。

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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(shù)探索與實踐

2016-05-12

浙江省高等教育學(xué)會高校實驗室工作研究重點項目(ZD201601)；杭州電子科技大學(xué)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(yè)科研與教學(xué)研究.

E-mail：jiangxy@hdu.edu.cn

G642.0；TP391.9

A

1002-4956(2016)11-0117-04