張 碩， 劉進(jìn)一， 朱忠祥， 杜岳峰， 謝 斌， 李 偉

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院 車輛與交通工程系， 北京 100083)

基于LabVIEW的電動車智能控制創(chuàng)新教學(xué)實驗平臺

張 碩， 劉進(jìn)一， 朱忠祥， 杜岳峰， 謝 斌， 李 偉

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院 車輛與交通工程系， 北京 100083)

基于虛擬儀器軟件LabVIEW，以電動高爾夫球車為載體，在完成對現(xiàn)有機(jī)械結(jié)構(gòu)和電控系統(tǒng)改造的基礎(chǔ)上，建立了一套電動車智能控制創(chuàng)新教學(xué)實驗平臺?；贜I myRIO控制器，開發(fā)了車速與制動控制、自動轉(zhuǎn)向控制和避障預(yù)警控制等車輛智能控制算法；通過室內(nèi)臺架實驗和道路實車實驗，驗證了電動車智能控制創(chuàng)新教學(xué)實驗平臺的功能，電動車智能控制創(chuàng)新教學(xué)實驗平臺的建立完善了課程教學(xué)內(nèi)容，豐富了學(xué)生的專業(yè)技能，提高了學(xué)生的實際動手能力，有效提高了實踐教學(xué)水平。

電動車； 教學(xué)實驗平臺； 虛擬儀器； 智能控制； LabVIEW

隨著人們對能源可持續(xù)發(fā)展要求的不斷提高，電動車逐漸得到人們的認(rèn)可與重視，而自動控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用，極大地促進(jìn)了電動車智能化水平的提升[1-2]。車輛的電子控制技術(shù)作為車輛工程專業(yè)本科生必修的專業(yè)課之一，其傳統(tǒng)的教學(xué)實驗與實踐環(huán)節(jié)不足，不能很好地培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新意識。

虛擬儀器及其測試技術(shù)的發(fā)展，使得虛擬儀器在信號測試和智能控制領(lǐng)域的應(yīng)用也日趨成熟，在實踐創(chuàng)新課程教育中得到了廣大師生的歡迎[3-4]。因此，本文在北京農(nóng)業(yè)大學(xué)教學(xué)質(zhì)量工程項目課改專項的支持下，以電動高爾夫球車為研究對象，結(jié)合現(xiàn)有實驗室資源，融合多種傳感器，采用虛擬儀器技術(shù)，基于LabVIEW開發(fā)平臺和NI myRIO控制器，搭建了電動車智能控制創(chuàng)新教學(xué)實驗平臺[5]?；谠撈脚_，開展了車速與制動控制、自動轉(zhuǎn)向控制和避障預(yù)警控制等多個測試技術(shù)和自動控制實驗，取得了良好的實踐教學(xué)效果。

1 實驗平臺硬件系統(tǒng)設(shè)計

開發(fā)的電動車智能控制教學(xué)實驗平臺采用Maeshell系列DG-2型電動高爾夫球車，在電動高爾夫球車原有機(jī)械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上加裝傳感器，基于NI myRIO控制器實現(xiàn)電動高爾夫球車的車速調(diào)節(jié)與制動、轉(zhuǎn)向和避障預(yù)警等自動控制[6]。該實驗平臺主要包括：基于電動推桿的車速調(diào)節(jié)與制動控制系統(tǒng)、基于轉(zhuǎn)角傳感器的自動轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)和基于激光掃描儀的避障預(yù)警系統(tǒng)，平臺建設(shè)方案見圖1。

圖1 電動車智能控制創(chuàng)新教學(xué)實驗平臺建設(shè)方案

1.1 車速調(diào)節(jié)與制動系統(tǒng)

車速調(diào)節(jié)與制動系統(tǒng)主要由地面低速雷達(dá)測速傳感器、速度與制動控制裝置構(gòu)成。速度與制動控制裝置主要由安裝于腳踏板下方電動推桿構(gòu)成，采用鉸接和U型槽的安裝方式，通過電動推桿伸出位移的不同，帶動制動踏板的提升和下降來控制速度[7]。當(dāng)電動推桿完全伸出時，實現(xiàn)制動。

1.2 自動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

自動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由RE-38絕對值型角度傳感器和自動轉(zhuǎn)向操縱裝置構(gòu)成。自動轉(zhuǎn)向操縱裝置取代原有方向盤及其傳動機(jī)構(gòu)，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器、57 mm步進(jìn)電機(jī)、PF60-5-T行星減速器、雙膜片彈簧聯(lián)軸器和TL12A-1磁粉離合器等組成。通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器不同的輸出頻率和輸出電壓調(diào)節(jié)、控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速，經(jīng)行星減速器減速增矩，并通過聯(lián)軸器與磁粉離合器與方向盤連接，實現(xiàn)轉(zhuǎn)向的自動控制[8]。其中，通過磁粉離合器的離合來實現(xiàn)自動操縱模式與手動操縱模式的切換。

1.3 避障預(yù)警機(jī)構(gòu)

避障預(yù)警系統(tǒng)主要由2個TIM561型激光掃描儀構(gòu)成，最大掃描角度為270°，分辨率為0.33°，掃描頻率為15 Hz，通過以太網(wǎng)線與NI myRIO控制器連接。將2個激光掃描儀安裝在電動高爾夫球車的對角線位置，每個激光掃描儀與電動車前進(jìn)方向偏差45°，設(shè)置激光掃描儀掃描角度為270°。從而實現(xiàn)汽車周圍環(huán)境360°無死角的平面掃描，達(dá)到準(zhǔn)確檢測障礙物的目的[9-10]。

電動車智能控制創(chuàng)新教學(xué)實驗平臺見圖2。

圖2 電動車智能控制創(chuàng)新教學(xué)實驗平臺

2 實驗平臺的軟件系統(tǒng)設(shè)計

所建設(shè)的電動車智能控制創(chuàng)新教學(xué)實驗平臺必須滿足不同的教學(xué)內(nèi)容和實踐教學(xué)要求，尤其是讓學(xué)生自己動手開發(fā)不同的自動控制模式。虛擬儀器在實驗平臺軟件設(shè)計與測試控制中的應(yīng)用，極大地提高了實驗平臺的適用性和可操作性，充分發(fā)揮了學(xué)生的積極性和創(chuàng)造性。因此，本實驗平臺基于LabVIEW2012開發(fā)平臺，開發(fā)了針對電動車車速調(diào)節(jié)與制動控制、自動轉(zhuǎn)向控制和避障預(yù)警控制的相關(guān)程序，主要包括用于顯示和人機(jī)交互的前面板和用于測試、自動程序運(yùn)行的后面板(即程序結(jié)構(gòu)框圖)[11-12]，如圖3所示。

圖3 實驗平臺軟件系統(tǒng)前面板與程序框圖

在所開發(fā)的電動車智能控制創(chuàng)新教學(xué)實驗平臺軟件系統(tǒng)中，NI myRIO控制器不斷接受來自于傳感器的反饋信號，對比不同工況下的控制需求，控制器根據(jù)不同的控制算法，給出控制量，輸入執(zhí)行機(jī)構(gòu)，執(zhí)行相應(yīng)動作，完成閉環(huán)控制循環(huán)[13-14]。其中，NI myRIO控制器接收來自于地面低速雷達(dá)測速傳感器的車速，根據(jù)反饋信號輸出電壓信號，控制電動推桿的直線伸縮量，從而實現(xiàn)車速調(diào)節(jié)和制動的自動控制；接收來自于RE-38絕對值型角度傳感器將采集的前輪轉(zhuǎn)角，根據(jù)反饋信號輸出電壓信號，控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的輸出頻率和輸出電壓，進(jìn)而控制步進(jìn)電機(jī)，經(jīng)行星減速器減速增矩，并通過聯(lián)軸器與磁粉離合器帶動方向盤轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)自動轉(zhuǎn)向；接收來自于TIM561型激光掃描儀的障礙物距離和輪廓信息，通過做出無障礙、預(yù)警或者報警信息，提示駕駛員做出減速、轉(zhuǎn)向或制動等動作。

3 實驗平臺應(yīng)用

已搭建的電動車智能控制創(chuàng)新教學(xué)實驗平臺，可以滿足不同的教學(xué)內(nèi)容和實踐教學(xué)要求，完成基于LabVIEW開發(fā)平臺和NI myRIO控制器的各種自動控制實驗。在完成硬件系統(tǒng)搭建和軟件開發(fā)的基礎(chǔ)上，分別開展了電動車速度與制動控制實驗、自動轉(zhuǎn)向控制實驗和避障預(yù)警控制實驗。

3.1 速度與制動控制實驗

為了檢驗電動高爾夫球車車速與制動控制系統(tǒng)的實際性能，分別開展了基于PID算法的車速閉環(huán)控制實驗和制動實驗。

3.1.1 閉環(huán)PID速度控制實驗

閉環(huán)PID速度控制實驗是基于電動車平地起步，達(dá)到設(shè)定速度并保持勻速行駛為控制目標(biāo)的閉環(huán)速度控制。采用PID算法，通過多次測試標(biāo)定，確定PID控制參數(shù)為Kp=1.2，Ki=0.8，Kd=0.22[15]。分別以4、5、6 km/h 3種不同速度為控制目標(biāo)，開展速度控制實驗，實驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 閉環(huán)PID速度控制實驗曲線

表1 閉環(huán)PID速度控制實驗結(jié)果 km·h-1

由1表可知，采用基于PID算法的閉環(huán)控制方式，在3種不同的設(shè)定速度下，平均誤差均小于等于0.03 km/h，標(biāo)準(zhǔn)差均小于0.17 km/h，實際響應(yīng)時間均小于1 s。速度控制較為平穩(wěn)，精度較高，可以很好地保證電動高爾夫球車行駛速度穩(wěn)定在駕駛者所設(shè)定的速度上。

3.1.2 制動實驗

電動車的制動控制部分通過控制對電動推桿的伸出、縮回的時間來完成。在程序開始后的每一循環(huán)檢測是否需要制動，如果檢測到制動信號，則立刻控制電動推桿動作，實現(xiàn)制動；完成制動后，終止程序，等待下次啟動。

經(jīng)過多次對電動推桿運(yùn)動時間的標(biāo)定，當(dāng)電動推桿通電5 s時，可以完成電動推桿伸出和縮回的一次完整循環(huán)，并且實現(xiàn)制動踏板完全踩死至完全松開的動作，實現(xiàn)一次完整制動。為了保證制動的徹底性，在制動時設(shè)置電動推桿伸出后駐停2 s，保證電動高爾夫球車完全停車；完全停車以后，再控制電動推桿縮回。實際行駛過程中，當(dāng)速度達(dá)到6 km/h時，制動時間可以達(dá)到3 s左右，平均制動減速度可達(dá)到0.56 m/s2，滿足制動要求。

3.2 自動轉(zhuǎn)向控制實驗

為了檢驗電動高爾夫球車自動轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的實際性能，首先開展了室內(nèi)臺架實驗，標(biāo)定了PID控制參數(shù)；其次，基于實際道路環(huán)境，完成實車實驗，檢測自動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在行走過程中對目標(biāo)信號的跟隨性和控制精度。

3.2.1 室內(nèi)臺架實驗

在電動車自動轉(zhuǎn)向控制臺架實驗中，首先通過多次實驗，標(biāo)定得到PID控制參數(shù)為Kp=12，Ki=240，Kd=144；通過天車讓電動高爾夫球車前輪離地，避免原地轉(zhuǎn)向?qū)嚨那拜喸斐傻淖枇?；在前輪無負(fù)荷工況下，對給定的正弦信號進(jìn)行轉(zhuǎn)向跟蹤控制[16]。

臺架實驗中，輸入的跟蹤信號為幅值10°的正弦信號，其表達(dá)式為

金石學(xué)可以說是朱熹的家學(xué)。朱熹之父朱松喜歡收藏石刻拓本，這對朱熹產(chǎn)生了直接的影響，使他從少年時代開始就養(yǎng)成了對“古金石文字”的愛好。

f(t)=10°sint

式中，t代表時間。

自動轉(zhuǎn)向臺架實驗結(jié)果如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)向控制臺架實驗曲線

由圖5可知，對于給定的正弦信號，自動轉(zhuǎn)向跟蹤過程中，電動車實際轉(zhuǎn)角和給定信號曲線吻合較好，平均偏差為0.612°，標(biāo)準(zhǔn)差為0.83°，自動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有良好的跟隨特性，響應(yīng)時間較小，可以完成電動高爾夫球車自動轉(zhuǎn)向的精度要求。

3.2.2 實車實驗

臺架實驗不同于實際的工作環(huán)境，比如，在電動車行走過程中存在臺架無法模擬的輪胎滾動摩擦等。因此，在臺架實驗完成后，還需進(jìn)行轉(zhuǎn)向系統(tǒng)實車行走實驗。本次實驗在工學(xué)院地下實驗室進(jìn)行，對幅值15°的正弦波進(jìn)行跟蹤，實驗結(jié)果如圖6示。

圖6 轉(zhuǎn)向控制實車實驗曲線

由圖6可知，跟蹤過程中的平均偏差為0.673°，標(biāo)準(zhǔn)差為0.901°,最大偏差為0.861°，因此電動車自動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在行走過程中也能具有良好的跟隨性，控制精度滿足電動車自動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的要求。

3.3 避障預(yù)警控制實驗

開發(fā)的避障預(yù)警系統(tǒng)能夠在車輛行駛過程中，對路徑前方的障礙物進(jìn)行成像、篩選、識別；當(dāng)障礙物距離達(dá)到設(shè)定的預(yù)警距離時發(fā)生預(yù)警，提示危險可能存在；當(dāng)障礙物距離進(jìn)一步減小時發(fā)出報警和鳴笛，提示駕駛員制動[17]。

實驗之前，設(shè)置激光掃描儀發(fā)射命令為150 ms，根據(jù)激光掃描儀的實際安裝位置，對避障預(yù)警控制系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。考慮到電動高爾夫球車行駛的實際路況和低速工況，通過多次實驗得出：將車寬設(shè)置為1.1 m，障礙物識別最小輪廓為10 mm，預(yù)警距離設(shè)置為3 m，報警距離設(shè)置為1.5 m。模擬路況環(huán)境如圖7所示。

圖7 模擬路況環(huán)境

在模擬路況環(huán)境下，分別進(jìn)行無障礙物、預(yù)警距離(距離車頭1.5～3 m以內(nèi))和報警距離(距離車頭1.5 m以內(nèi))3種距離信息的障礙物檢測和避障預(yù)警控制實驗。實驗結(jié)果見圖8—10。

圖8 無障礙物靜態(tài)檢測結(jié)果

由圖8可知，在極坐標(biāo)系下，原點為激光掃描儀的安裝位置，區(qū)域A處-30°～85°的輪廓線表示停在路邊的車輛、灌木叢以及樹木；區(qū)域B處直至原點的細(xì)長輪廓線，是由激光束與安裝支架干涉引起，利用圖像采集程序中所設(shè)計的等價模塊排出這一信號的干擾。檢測結(jié)果表明，在實際道路前方?jīng)]有障礙物的情況下，檢測系統(tǒng)未顯示有障礙，沒有出現(xiàn)誤報。

由圖9可知，將路障置于預(yù)警距離區(qū)間(距離車頭1.5～3 m以內(nèi))時，系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警，預(yù)警標(biāo)志為黃色，提示駕駛員減速；且顯示障礙物輪廓和方位信息，區(qū)域C輪廓線表示障礙物輪廓。

圖9 預(yù)警距離障礙物靜態(tài)檢測結(jié)果

由圖10可知，當(dāng)路障置于報警距離區(qū)間(距離車頭1.5 m以內(nèi))時，系統(tǒng)發(fā)出報警，報警標(biāo)志為紅色，提示駕駛員制動或者轉(zhuǎn)向，且顯示出2個障礙物輪廓和方位信息，區(qū)域C輪廓線表示2個障礙物的輪廓。

圖10 報警距離靜態(tài)障礙物檢測結(jié)果

4 結(jié)語

基于LabVIEW的電動車智能控制創(chuàng)新教學(xué)實驗平臺已搭建完成，基于此平臺開展了不同的實踐教學(xué)實驗。在這個過程中，不僅加深了學(xué)生對課程教學(xué)中理論知識的理解，提高了學(xué)生在測控系統(tǒng)整體設(shè)計、硬件平臺搭建和軟件系統(tǒng)開發(fā)等方面的實際動手能力，為車輛電子控制技術(shù)課程改革與創(chuàng)新提供了嶄新的途徑。將虛擬儀器技術(shù)、車輛仿真技術(shù)和測控技術(shù)有效結(jié)合起來，是豐富教學(xué)實踐內(nèi)容、創(chuàng)新教學(xué)實踐方法和提高教學(xué)實踐模式多樣性的有效手段，具有十分重要的實際應(yīng)用價值。

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Innovative teaching experimental platform for intelligent control of electric vehicles based on LabVIEW

Zhang Shuo, Liu Jinyi, Zhu Zhongxiang, Du Yuefeng, Xie Bin, Li Wei

(Department of Vehicle and Traffic Engineering, School of Engineering,China Agricultural University, Beijing 100083, China)

Based on the LabVIEW of the virtual instrument software，and by taking an electric golf cart as a carrier, an innovative teaching experimental platform for the intelligent control of electric vehicles is set up on the basis of reforming the existing mechanical structure and electronic control system. Base on NI myRIO controller, the intelligent control algorithms for the vehicle speed and braking control, automatic steering control and obstacle avoidance warning control are developed. Through the indoor bench experiment and the road real vehicle experiment, the functions of the innovative teaching experimental platform for the intelligent control of electric vehicles are validated. The establishment of such platform improves the content of the course teaching, enriches the students’ professional skills, enhances the students’ practical ability, and raises the level of the practical teaching effectively.

electric vehicle；teaching experimental platform； virtual instrument； intelligent control； LabVIEW

10.16791/j.cnki.sjg.2017.07.024

2017-01-10

2017-03-02

中國農(nóng)業(yè)大學(xué)2015年教改專項項目

張碩(1989—)，男，山東滕州，博士研究生，主要從事車輛智能控制領(lǐng)域的研究

E-mail：shuo891001@163.com

朱忠祥(1976—)，男，浙江臺州，博士，副教授，博士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械的設(shè)計、仿真以及自動控制研究.

E-mail：zhuzhonxiang@cau.edu.cn

U469.72；G484

A

1002-4956(2017)07-0089-06