(長安大學(xué) 汽車學(xué)院，西安 710064)

0 引言

汽車駕駛模擬器是一種能夠正確模擬汽車駕駛動作，使駕駛者有實(shí)車駕駛感受的仿真設(shè)備[1]。駕駛者通過操縱汽車駕駛模擬器上的人機(jī)交互設(shè)備來感受類真實(shí)的汽車駕駛狀態(tài)，通過場景建模、音效渲染等虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)獲得良好的沉浸感。汽車駕駛模擬器不僅能夠模擬科目二、科目三、城市工況、高速工況、環(huán)山路等多種道路狀況，還能夠模擬夜晚、雨雪、霧天等多種天氣狀況[2]，使駕駛者在操作過程中熟悉駕駛環(huán)境，提高適應(yīng)能力及反應(yīng)速度。由于汽車駕駛模擬器安全高效、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，目前被廣泛用于駕駛員模擬考試、科研及教學(xué)等多種領(lǐng)域[3]。

汽車駕駛模擬器系統(tǒng)可分為視景仿真系統(tǒng)、軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)、硬件控制系統(tǒng)三大部分，其中硬件控制系統(tǒng)主要包括模擬器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、儀表控制系統(tǒng)、力反饋系統(tǒng)等?？刂葡到y(tǒng)能夠?qū)崟r地采集駕駛者的操作狀態(tài)數(shù)據(jù)并實(shí)現(xiàn)與主控計(jì)算機(jī)的通信、儀表盤控制及方向盤回正[4]，是實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的重要基礎(chǔ)。因此，為了保證模擬器有良好的沉浸感、交互性與實(shí)時性，應(yīng)對控制系統(tǒng)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。

本文設(shè)計(jì)的汽車駕駛模擬器控制系統(tǒng)具有精確度高、擴(kuò)展性強(qiáng)、成本低等特點(diǎn)。其中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于ATmega2560單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，能夠獲取汽車踏板、方向盤、安全帶、點(diǎn)火開關(guān)、照明燈光、轉(zhuǎn)向燈光、危險(xiǎn)報(bào)警閃光燈、換擋機(jī)構(gòu)、手剎、喇叭、雨刷、后視鏡位置等狀態(tài)信息。使用Arduino UNO R3開發(fā)板、電機(jī)擴(kuò)展板、步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)了車速表和轉(zhuǎn)速表的控制，并借助VS2010完成了與主控計(jì)算機(jī)之間的通信，確保模擬器的工作實(shí)時、高效、準(zhǔn)確。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)汽車駕駛模擬器控制系統(tǒng)，首先需要明確其功能需求，根據(jù)需求確定系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)[5]。該系統(tǒng)需要考慮的功能需求主要如下：

圖2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖

1)能精確實(shí)現(xiàn)基本駕駛操作。由于科目二考試練習(xí)需要，方向盤、離合踏板、制動踏板、加速踏板、后視鏡位置調(diào)節(jié)旋鈕等模擬信號傳輸應(yīng)較為精準(zhǔn)，結(jié)合車輛動力學(xué)模型呈現(xiàn)出較高質(zhì)量的車輛半聯(lián)動狀態(tài)。車輛起步、行駛和停車時用到的安全帶、點(diǎn)火開關(guān)、手剎、換擋機(jī)構(gòu)、喇叭、左右轉(zhuǎn)向燈、危險(xiǎn)報(bào)警閃光燈及特殊天氣時使用的霧燈、示廓燈、遠(yuǎn)近光燈、雨刷等信號傳輸應(yīng)高效可靠。駕駛模擬器結(jié)構(gòu)組成應(yīng)符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JT/T 378-2014《汽車駕駛培訓(xùn)模擬器》的要求。此為汽車駕駛模擬器最基本且最重要的任務(wù)；

2)車輛狀態(tài)顯示。在汽車行駛過程中需要實(shí)時監(jiān)控車輛速度及發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，設(shè)計(jì)儀表盤實(shí)物可以更加直觀地顯示車輛狀態(tài)，并使駕駛員養(yǎng)成良好的駕駛習(xí)慣。

3)實(shí)時響應(yīng)、安全可靠。延時響應(yīng)不僅影響到駕駛者的體驗(yàn)感，還可能使科目二、科目三模擬考試無法正常進(jìn)行，因此所有的硬件設(shè)備都應(yīng)快速響應(yīng)，分離數(shù)字信號和模擬信號，盡量減少模擬信號收到的干擾源，并優(yōu)化串口通信，給駕駛者更好的交互感和沉浸感。

為實(shí)現(xiàn)上述功能需求，本方案基于開源平臺、低功耗的AVR單片機(jī)設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將采集到的設(shè)備操作狀態(tài)分為模擬信號和數(shù)字信號分別處理，數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)幀的方式傳輸給主控計(jì)算機(jī)。主控計(jì)算機(jī)根據(jù)串口通信協(xié)議讀取各類數(shù)據(jù)，結(jié)合動力學(xué)模型、視景平臺和音效完成模擬駕駛功能。然后，主控計(jì)算機(jī)將動力學(xué)模型計(jì)算得到的車速和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速等信息生成數(shù)據(jù)幀寫入儀表控制系統(tǒng)，驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)需求分析，汽車駕駛模擬器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)共需6路模擬輸入，23路數(shù)字輸入。而ATmega2560單片機(jī)有100個管腳，其中包括16路模擬輸入，54路數(shù)字輸入/輸出，4路UART接口[5]，適合本系統(tǒng)大量IO接口的設(shè)計(jì)需求。

本系統(tǒng)采用ATmega2560單片機(jī)為主控制器，并設(shè)計(jì)了電源電路、時鐘電路、復(fù)位電路、數(shù)據(jù)采集電路、濾波電路、串行接口電路[6]，其與主控計(jì)算機(jī)的通信采用UART(Universal Asynchronous Receiver and Transmitter)接口， USB轉(zhuǎn)TTL設(shè)備采用以CH340芯片為核心的集成模塊，單片機(jī)燒錄程序采用ICSP(In-Circuit Serial Programming)接口[7]。具體硬件設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。下文著重設(shè)計(jì)了電源電路及數(shù)據(jù)采集電路。

2.1.1 電源電路設(shè)計(jì)

電源模塊可為系統(tǒng)提供5 V和3.3 V電源，電源電路包括外接電源供電電路、電源濾波電路、電源穩(wěn)壓電路、USB供電電路、電源切換電路等。在此電路中當(dāng)運(yùn)算放大器輸入端V+V-時，即外接電源VIN>6.6V時使用低壓差穩(wěn)壓器NCP1117穩(wěn)壓后的5 V進(jìn)行供電。3.3 V由低壓差穩(wěn)壓器LP2985-33穩(wěn)壓5V后得到。另外，可在USB供電電源與P型MOS管的D極之間接一個自恢復(fù)保險(xiǎn)絲，起到過流時保護(hù)電路的作用[8-9]。電源電路如圖3所示。其中接插件P4外接以USB總線轉(zhuǎn)接芯片CH340為核心的集成模塊，將該模塊的TX、RX接口與ATmega2560的RX、TX接口分別連接，二者的GND引腳相連，并將集成模塊的5V電源作為單片機(jī)的供電電源，在電源與地間接一個0.1 μF的去耦電容。

圖3 電源電路

2.1.2 模擬信號電路設(shè)計(jì)

模擬信號的采集使用了線性型霍爾傳感器、電位器和PS2操縱桿。由于科目二考試中車輛大部分時間處于半聯(lián)動狀態(tài)，因此對方向盤和三踏板的精確度要求比較高，為了更好地模擬考試評分制度，需要此類模擬信號穩(wěn)定且準(zhǔn)確。除了傳感器標(biāo)定及動力學(xué)模型搭建以外，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件濾波電路也是不可缺少的。本系統(tǒng)在模擬輸入端加入電源去耦電容及輸出端對地的濾波電容?？紤]到科目二考試中需用到后視鏡調(diào)節(jié)按鈕，PS2操縱桿可提供上下、左右兩個方向的模擬信號，能夠模擬真實(shí)車輛中手動型后視鏡調(diào)節(jié)按鈕。模擬信號電路如圖4所示。

圖4 模擬信號電路

2.1.3 數(shù)字信號電路設(shè)計(jì)

數(shù)字信號的采集使用了開關(guān)型霍爾傳感器和開關(guān)控制電路兩大類。換擋機(jī)構(gòu)使用集成的開關(guān)型霍爾傳感器模塊，其本質(zhì)為數(shù)字信號輸出，相當(dāng)于6個開關(guān)信號，操縱桿擺動到相應(yīng)擋位時，此擋位輸出為高電平，其余擋位輸出為低電平。其余數(shù)字信號本質(zhì)也為開關(guān)量，根據(jù)電路系統(tǒng)本身需要設(shè)計(jì)為上拉電阻或下拉電阻式開關(guān)控制電路。以轉(zhuǎn)向燈信號為例，左、右轉(zhuǎn)向燈信號輸出端對地各接一個10 k Ω的下拉電阻，與電源之間接各有一個開關(guān)，當(dāng)某一轉(zhuǎn)向燈開啟時，對應(yīng)的開關(guān)閉合，完成輸出信號由低電平到高電平的變化。危險(xiǎn)報(bào)警閃光燈開啟時，兩個開關(guān)同時閉合。相應(yīng)的開關(guān)控制電路如圖5所示。

圖5 開關(guān)控制電路

2.2 儀表控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

步進(jìn)電機(jī)28BYJ-48電機(jī)是永磁型單極性四相步進(jìn)電機(jī)，電機(jī)工作電壓為5～12 V?？刂破鬟x用Arduino UNO R3開發(fā)板，具有6路模擬輸入，14路數(shù)字輸入/輸出。28BYJ-48步進(jìn)電機(jī)有5個引腳，需接入4路數(shù)字信號，1路GND，由此可知開發(fā)板滿足儀表控制系統(tǒng)硬件需求。配套使用Arduino AFMotor電機(jī)擴(kuò)展板，并外接12 V直流電源供電，擴(kuò)展板帶有兩個L293D芯片，可驅(qū)動兩個電機(jī)同時轉(zhuǎn)動。L293D是一種雙橋驅(qū)動芯片，每一個L293D可同時驅(qū)動1路步進(jìn)電機(jī)或者2路直流電機(jī)[10]，連接示意圖如圖6所示。

圖6 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路連接示意圖

3 軟件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)保證了信號傳輸?shù)目煽啃?，而軟件設(shè)計(jì)可以保證汽車駕駛模擬器具體動作的準(zhǔn)確性、實(shí)時性。軟件設(shè)計(jì)分為單片機(jī)程序設(shè)計(jì)和串口通信設(shè)計(jì)兩部分，本系統(tǒng)中單片機(jī)程序設(shè)計(jì)采用Arduino平臺的開發(fā)工具Arduino IDE，通過C++語言編程，可直接將程序燒寫進(jìn)單片機(jī)。ATmega2560帶有ICSP在線串行編程功能，通過VCC、MISO、MOSI、SCK、GND、RESET等6個接口為單片機(jī)燒錄程序，通過UART實(shí)現(xiàn)與主控計(jì)算機(jī)的通信功能。Arduino UNO R3開發(fā)板則通過開發(fā)板上的USB接口芯片ATmega16U2實(shí)現(xiàn)與主控計(jì)算機(jī)的通信功能。主控計(jì)算機(jī)程序用VS2010開發(fā)，用于處理單片機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，提取各模擬信號值和數(shù)字信號值并代入車輛動力學(xué)模型。

3.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)的主要功能包括定義引腳、數(shù)據(jù)采集與處理、信號濾波、生成數(shù)據(jù)幀等，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件控制流程圖如圖7所示。其中決定汽車駕駛模擬器真實(shí)感的部分是數(shù)據(jù)的采集與處理[11]，尤其是模擬信號量的處理方式，所以需對模擬信號增加軟件濾波設(shè)計(jì)，使信號更加穩(wěn)定。由于ATmega2560內(nèi)置模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，能將輸出的模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量，且線性型霍爾傳感器和電位器的模擬信號量都呈線性變化，可以用map()函數(shù)作映射。數(shù)字信號用一位或多位開關(guān)量表示。模擬信號通過analogRead()讀取信號值，數(shù)字信號需用pinMode(pin,INPUT)設(shè)置引腳為輸出模數(shù)，再通過digitalRead()讀取信號值，最后數(shù)據(jù)幀以數(shù)組的形式發(fā)送。需注意在Arduino IDE中設(shè)置的波特率要與主控計(jì)算機(jī)程序的波特率一致。

圖7 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件控制流程圖

3.2 儀表控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要用到三部分：1)Arduino第三方庫AccelStepper，使開發(fā)板可以同時控制兩個28BYJ-48步進(jìn)電機(jī)；2)第三方庫AFMotor，使步進(jìn)電機(jī)可以在AFMotor電機(jī)擴(kuò)展板的配合下進(jìn)行工作；3)定時中斷函數(shù)。儀表控制系統(tǒng)軟件控制流程如圖8所示。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動程序的設(shè)計(jì)過程中需要解決以下問題：1)由于數(shù)據(jù)幀發(fā)送頻率很快，電機(jī)還未轉(zhuǎn)到目標(biāo)位置時就會得到下一幀的目標(biāo)位置，容易出現(xiàn)電機(jī)指針抖動或者錯亂的現(xiàn)象; 2)若下一幀目標(biāo)位置與上一幀相同，電機(jī)會返回位置0重新轉(zhuǎn)動。為解決這些問題，保證數(shù)據(jù)穩(wěn)定，需在電機(jī)未到目標(biāo)位置時關(guān)閉串口，且在檢測到下一幀目標(biāo)位置與上一幀目標(biāo)位置相同時開啟定時中斷，每100ms檢測一次，直到目標(biāo)位置不同時，通過moveTo()函數(shù)賦予電機(jī)輸出軸目標(biāo)位置，再用run()函數(shù)執(zhí)行轉(zhuǎn)動指令。

3.3 串口通信設(shè)計(jì)

單片機(jī)向主控計(jì)算機(jī)實(shí)時發(fā)送數(shù)據(jù)幀，數(shù)據(jù)幀由幀頭和數(shù)據(jù)信息構(gòu)成[12]，每一類信號都由信號位置標(biāo)識符、分隔符和信號輸出值組成，使數(shù)據(jù)信息能夠被主控計(jì)算機(jī)分類提取[13]。數(shù)據(jù)幀格式如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)幀格式

采用UART通信，在Arduino IDE中查看當(dāng)前設(shè)備的COM口編號，在VS2010環(huán)境下編程，首先由com[0].Open()函數(shù)設(shè)置波特率并打開串口，設(shè)置緩沖器長度，由com[0].Read()函數(shù)讀取數(shù)據(jù)幀信息，然后根據(jù)數(shù)據(jù)幀中信號位置標(biāo)識符和分隔符讀取各信號值[14]。同時將動力學(xué)模型中的車速和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩提取出來，發(fā)送給Arduino UNO R3開發(fā)板，查看COM口編號，由com[1].Open()函數(shù)設(shè)置波特率并打開串口，經(jīng)過開發(fā)板上的USB接口芯片，用com[1].Write()函數(shù)完成通信。變量的信號輸出值范圍示例如表2所示。

表2 變量的信號輸出值范圍示例

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本系統(tǒng)的準(zhǔn)確度與實(shí)時性，在駕駛模擬器上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：23路數(shù)字信號響應(yīng)迅速、準(zhǔn)確，離合、制動、加速踏板能實(shí)現(xiàn)汽車半聯(lián)動的狀態(tài)，但在倒車入庫、側(cè)方停車等項(xiàng)目中發(fā)現(xiàn)方向盤精度不夠高，從而影響模擬科目二考試結(jié)果。因此需要對方向盤進(jìn)行準(zhǔn)確標(biāo)定。汽車方向盤可旋轉(zhuǎn)1 080°，設(shè)最左邊為-540°，最右邊為540°，以每10°為單位測量線性型霍爾傳感器的模擬信號值，并做5次實(shí)驗(yàn)求取平均值，得到圖9實(shí)線部分。

圖9 方向盤標(biāo)定結(jié)果

由圖9實(shí)線部分可知，方向盤在轉(zhuǎn)動的過程中并不完全是線性變化的，尤其在右轉(zhuǎn)彎時會有較大的偏差。由實(shí)驗(yàn)值擬合的一元二次函數(shù)：

y=0.501 5x+370

(1)

引入誤差指標(biāo)R2來評價(jià)擬合曲線的精確度，其范圍為0-1，越接近1說明擬合曲線的精確度越高。R2能夠通過如下公式得到：

(2)

由此公式得到擬合函數(shù)的R2為0.98902，為使方向盤完全準(zhǔn)確，擬合函數(shù)的R2應(yīng)盡量接近1，可采用分段函數(shù)的方式，在擬合產(chǎn)生較大偏差時斷開，從而使擬合曲線與實(shí)驗(yàn)測量值的誤差保持在一定范圍內(nèi)。經(jīng)過多次試驗(yàn)，確保方向盤每90°的模擬信號值盡量準(zhǔn)確，所得的分段函數(shù)為：

y=

(3)

如圖9所示，分段擬合后的函數(shù)值基本與實(shí)驗(yàn)平均值完全重合，分段后R2為0.999 79，信號處理過程優(yōu)化前后對比如表3所示。證明優(yōu)化后方向盤在轉(zhuǎn)動過程中，角度與模擬信號值的對應(yīng)關(guān)系較為準(zhǔn)確，由此可根據(jù)單片機(jī)發(fā)送的模擬信號值得到方向盤轉(zhuǎn)動角度，將此數(shù)值代入汽車動力學(xué)模型中，根據(jù)方向盤和車輪轉(zhuǎn)動角度的比例關(guān)系，可以得到當(dāng)前狀態(tài)車輪的轉(zhuǎn)動角度。

表3 方向盤信號處理過程優(yōu)化前后對比

優(yōu)化后的汽車駕駛模擬器控制系統(tǒng)在功能的實(shí)現(xiàn)方面滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(JT/T 378-2014)，且準(zhǔn)確性和實(shí)時性較好。在真實(shí)駕考場地等比例還原的仿真視景平臺中實(shí)驗(yàn)，該系統(tǒng)可以完成倒車入庫、側(cè)方停車、坡道起步、直角轉(zhuǎn)彎、S彎等所有科目二考試科目，且能夠在多種工況中穩(wěn)定行駛，即使在崎嶇的環(huán)山路中也能保持良好的實(shí)時性及沉浸感。經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)，模擬信號和數(shù)字信號傳輸準(zhǔn)確率達(dá)100%。另外，車速表和轉(zhuǎn)速表在低速工況下表現(xiàn)較好，但高速時稍有延遲。對于此問題，需要通過優(yōu)化儀表控制系統(tǒng)軟件程序來解決。本系統(tǒng)在駕駛模擬器實(shí)驗(yàn)平臺上驗(yàn)證如圖10所示。

圖10 本系統(tǒng)在駕駛模擬器實(shí)驗(yàn)平臺上驗(yàn)證

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)開發(fā)了一種基于單片機(jī)的汽車駕駛模擬器硬件控制系統(tǒng)，分為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和儀表控制系統(tǒng)兩部分。對汽車駕駛模擬器進(jìn)行需求分析后，基于Arduino平臺設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)采集電路、數(shù)據(jù)處理程序及電機(jī)控制程序，并優(yōu)化了方向盤的信號傳輸精度，符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JT/T 378-2014《汽車駕駛培訓(xùn)模擬器》的功能要求。且硬件電路簡單、可靠性好、成本低。并通過串口通信使主控計(jì)算機(jī)同時完成讀寫，最后在汽車駕駛模擬器上對該系統(tǒng)進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：系統(tǒng)實(shí)時性、穩(wěn)定性和沉浸感較好，取得了理想效果。