基于LabVIEW的汽車(chē)防溜車(chē)模擬測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃喜軍 陳輝金 張龍 黃佳輝 楊宇

摘 要： 針對(duì)停在斜坡上的汽車(chē)可能發(fā)生溜車(chē)的情況，提出基于LabVIEW的汽車(chē)防溜車(chē)模擬測(cè)試系統(tǒng)。以STM32單片機(jī)為主控的智能小車(chē)模擬汽車(chē)，由上位機(jī)通過(guò)路由器發(fā)送不同的控制指令控制智能小車(chē)的移動(dòng)。小車(chē)采用三維角度傳感器檢測(cè)坡度傾角，利用AB相編碼器檢測(cè)車(chē)輪旋轉(zhuǎn)方向，以此判斷汽車(chē)是否處于溜車(chē)狀態(tài)，一旦達(dá)到溜車(chē)條件，則自動(dòng)進(jìn)行剎車(chē)。同時(shí)攝像頭對(duì)汽車(chē)后方的圖像進(jìn)行采集，并將圖像和測(cè)試數(shù)據(jù)通過(guò)路由器無(wú)線(xiàn)傳輸至上位機(jī)進(jìn)行顯示。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，該系統(tǒng)具有開(kāi)發(fā)周期短、可靠性高等特點(diǎn)，為汽車(chē)安全輔助測(cè)試提供了參考。

關(guān)鍵詞： LabVIEW； 防溜車(chē)系統(tǒng)； STM32； 測(cè)試系統(tǒng)； 控制方式； 無(wú)線(xiàn)傳輸

中圖分類(lèi)號(hào)： TN06?34； TP273.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）11?0091?04

Design of anti?slip vehicle simulation test system based on LabVIEW

HUANG Xijun1， CHEN Huijin2， ZHANG Long1， HUANG Jiahui1， YANG Yu1

（1. College of Electronic Engineering and Automation， Guilin University of Electronic Technology， Guilin 541004， China；

2. Department of Experiential Practice， Guilin University of Electronic Technology， Guilin 541004， China）

Abstract： Since the vehicle parked on the slope may slip， an anti?slip vehicle simulation test system based on LabVIEW is proposed. The intelligent car taking STM32 microcontroller as its main control chip is used to simulate the vehicle， and its movement is controlled with different control commands sent by the host computer through the router. The three?dimensional angle sensor is used to detect the dip angle of the slop， and the AB phase encoder is adopted to detect the rotation direction of the wheel to judge the vehicle whether maintains the slip state. Once the vehicle has slipped， the car will brake automatically. The image in the rear of the vehicle is collected by means of the camera. The image and test data are wirelessly transmitted through the router to the host computer for display. The experimental test results show that the system has the characteristics of short development time and high reliability， and provides a reference for the vehicle safety auxiliary test.

Keywords： LabVIEW； anti?slip vehicle system； STM32； test system； control mode； wireless transmission

0 引 言

汽車(chē)的安全設(shè)計(jì)關(guān)乎到駕駛員與路人的生命財(cái)產(chǎn)安全。近年來(lái)，已有部分汽車(chē)推出上坡輔助系統(tǒng)以減少安全事故的發(fā)生。該系統(tǒng)能讓駕駛員松開(kāi)剎車(chē)踏板后，汽車(chē)仍能持續(xù)制動(dòng)數(shù)秒，方便駕駛員將腳由剎車(chē)踏板轉(zhuǎn)向油門(mén)踏板，以防止溜車(chē)。但此方法僅僅在汽車(chē)正常起步時(shí)才能發(fā)揮作用，而許多溜車(chē)事故也可能發(fā)生在非起步時(shí)刻。本設(shè)計(jì)以智能小車(chē)模擬汽車(chē)，在小車(chē)達(dá)到溜車(chē)條件時(shí)，控制小車(chē)進(jìn)行剎車(chē)，為防止溜車(chē)事故的發(fā)生提供借鑒。LabVIEW是一個(gè)在工業(yè)自動(dòng)化控制方面應(yīng)用廣泛的圖形化編程工具，利用LabVIEW開(kāi)發(fā)汽車(chē)防溜車(chē)模擬測(cè)試系統(tǒng)，具有開(kāi)發(fā)周期短、人機(jī)界面友好、操作簡(jiǎn)單和易維護(hù)的特點(diǎn)[1?4]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

防溜車(chē)模擬測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)在小車(chē)發(fā)生溜車(chē)時(shí)立即控制剎車(chē)，并通過(guò)攝像頭及時(shí)了解小車(chē)后方的狀況。系統(tǒng)以STM32F103C8T6單片機(jī)作為主控芯片，采用三維角度傳感器、AB相編碼器檢測(cè)坡度傾角和車(chē)輪轉(zhuǎn)向等信息來(lái)判斷小車(chē)是否處于溜車(chē)狀態(tài)，并通過(guò)路由器實(shí)現(xiàn)智能小車(chē)與PC端的無(wú)線(xiàn)通信，實(shí)現(xiàn)防溜車(chē)模擬測(cè)試功能。智能小車(chē)的移動(dòng)是通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)PWM方式控制來(lái)實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎或加、減速，并通過(guò)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊反向的電壓模擬剎車(chē)。使用攝像頭采集小車(chē)后方的圖像，經(jīng)路由器將圖像和小車(chē)狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送給PC端，同時(shí)PC端通過(guò)路由器向小車(chē)發(fā)送控制指令，系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)防溜車(chē)模擬測(cè)試系統(tǒng)分為6個(gè)主要部分：主處理器、傳感器模塊、攝像頭、路由器、電源模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)等。

2.1 主處理器

為了使用簡(jiǎn)便，縮短開(kāi)發(fā)周期，系統(tǒng)選用屬于STM32系列的STM32F103C8T6作為控制電路的核心部件，該款單片機(jī)屬于ST意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的32位高性能、低成本、低功耗的增強(qiáng)型系列單片機(jī)，能很好地滿(mǎn)足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求。主控電路圖如圖2所示。高速外部時(shí)鐘的兩端連接的是12 MHz晶振，經(jīng)過(guò)內(nèi)部6倍頻后，系統(tǒng)時(shí)鐘可以達(dá)到72 MHz。已知復(fù)位引腳NRST最小[Vih]為2 V，由[T=-ln（1-VihVo）×R2C3]，[Vo]為 3.3 V，[T]約為93 μs，系統(tǒng)能穩(wěn)定工作。

2.2 傳感器模塊

2.2.1 三維角度傳感器

由三維角度傳感器能得到可能發(fā)生溜車(chē)的方向，輔助判斷溜車(chē)是否發(fā)生。系統(tǒng)采用MPU6050作為三維角度傳感器。MPU6050內(nèi)帶3軸陀螺儀和3軸加速度傳感器，利用自帶的數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器（Digital Motion Processor，DMP）輸出三維角度數(shù)據(jù)。DMP可以很方便地實(shí)現(xiàn)姿態(tài)解算，降低運(yùn)動(dòng)處理運(yùn)算對(duì)操作系統(tǒng)的負(fù)荷，同時(shí)大大降低開(kāi)發(fā)難度。

2.2.2 AB相編碼器

AB相編碼器能檢測(cè)到車(chē)輪旋轉(zhuǎn)方向，結(jié)合三維角度傳感器獲得的坡度值及發(fā)動(dòng)機(jī)是否提供了動(dòng)力就能判斷溜車(chē)是否發(fā)生。電機(jī)尾部自帶13線(xiàn)的磁（霍爾）編碼器，集成了上拉電阻和比較整形功能，可以直接輸出方波。車(chē)輪轉(zhuǎn)一圈電機(jī)可以輸出390個(gè)脈沖，4倍頻之后是1 560個(gè)。通過(guò)編碼器輸出的A，B兩路脈沖的相位就能判斷車(chē)輪的旋轉(zhuǎn)方向。車(chē)輪正轉(zhuǎn)則A相脈沖超前B相90°，車(chē)輪反轉(zhuǎn)則A相脈沖滯后B相90°。通過(guò)AB相編碼器能檢測(cè)到車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)（360°/1 560≈0.23°）的微小角度[θ]。并且使用STM32內(nèi)部的定時(shí)/計(jì)數(shù)器可以得到5 ms內(nèi)接收到的脈沖數(shù)[N]，從而可以計(jì)算出車(chē)輪轉(zhuǎn)速為[（N×1 000×60）（5×1 560） ]r/min。同時(shí)，也可以根據(jù)小車(chē)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度和車(chē)輪的半徑[R]計(jì)算出溜車(chē)距離。

2.3 攝像頭

攝像頭的作用是讓駕駛員迅速看清車(chē)子后方的情況，能盡快做出判斷。攝像頭通過(guò)USB接口和路由器連接。

2.4 路由器

路由器是PC端和智能小車(chē)互連的橋梁。路由器經(jīng)OpenWrt刷機(jī)后相當(dāng)于一個(gè)Linux系統(tǒng)，再燒入ser2net和MJPG?STREAMER兩款開(kāi)源的固件，以實(shí)現(xiàn)智能小車(chē)與LabVIEW上位機(jī)的通信和圖像的傳輸。

2.4.1 串行數(shù)據(jù)至網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

ser2net即serial port to net，能夠?qū)⒋袛?shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)相互轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)需要將路由器接收到的來(lái)自L(fǎng)abVIEW上位機(jī)的控制數(shù)據(jù)由網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至串行數(shù)據(jù)，并傳送至單片機(jī)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制。同時(shí)，把小車(chē)的狀態(tài)由串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，由WiFi發(fā)送給LabVIEW上位機(jī)，進(jìn)而實(shí)時(shí)監(jiān)控小車(chē)狀態(tài)[5]。

2.4.2 通過(guò)網(wǎng)絡(luò)訪(fǎng)問(wèn)攝像頭

MJPG?STREAMER可以通過(guò)文件或者HTTP方式訪(fǎng)問(wèn)Linux UVC攝像頭，用戶(hù)只需要利用瀏覽器就可以實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控等工作。由于該固件采用開(kāi)源的方式開(kāi)發(fā)，因此降低了視頻開(kāi)發(fā)的成本，提高了開(kāi)發(fā)效率。

2.5 電源模塊

系統(tǒng)采用3節(jié)3.7 V電池分別為主控板和路由器供電，一路通過(guò)LM7805穩(wěn)壓至5 V給路由器供電，另一路再通過(guò)AMS1117?3.3 V穩(wěn)壓至3.3 V給主控板供電。

2.6 電機(jī)驅(qū)動(dòng)

為了穩(wěn)定系統(tǒng)，縮短開(kāi)發(fā)周期，電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用L298N驅(qū)動(dòng)電路。L298N是由ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流驅(qū)動(dòng)芯片，可以通過(guò)控制端口電平變化來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)。由于電機(jī)是感性元件，驅(qū)動(dòng)電路給它的驅(qū)動(dòng)脈沖可產(chǎn)生高壓損壞電路，加上4組二極管，電壓就被嵌位在電源的水平上，而且有把能量回饋電源的功能。IN1～I(xiàn)N4接輸入控制電平，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。ENA，ENB一般接5 V，使能控制電機(jī)，通過(guò)PWM控制脈沖寬度可以調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包括傳感器底層驅(qū)動(dòng)的編寫(xiě)和模擬測(cè)試軟件的設(shè)計(jì)。模擬測(cè)試軟件選用LabVIEW作為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)編寫(xiě)測(cè)試程序?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行測(cè)試和評(píng)價(jià)，整個(gè)系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖4所示。

3.1 獲取攝像頭圖像

LabVIEW是一種圖形化編程語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)環(huán)境，能夠快速創(chuàng)建用戶(hù)界面。其中IMAQ Vision是基于LabVIEW平臺(tái)的軟件包，主要負(fù)責(zé)圖像的處理及開(kāi)發(fā)，能夠完成圖像的采集與讀取，圖像的顯示以及圖像的各種分析處理工作[6?8]。因?yàn)長(zhǎng)abVIEW中沒(méi)有直接獲取網(wǎng)絡(luò)攝像頭的函數(shù)，所以先要將網(wǎng)絡(luò)攝像頭轉(zhuǎn)換為本地?cái)z像頭。使用 IPCamAdapter這款軟件就能很方便地將網(wǎng)絡(luò)攝像頭轉(zhuǎn)換為本地?cái)z像頭。獲取圖像流程圖和程序框圖分別如圖5，圖6所示。

3.2 通信協(xié)議包定義

由于汽車(chē)防溜車(chē)模擬測(cè)試系統(tǒng)的下位機(jī)與上位機(jī)之間需要傳送多種數(shù)據(jù)，單字符通信方式干擾較大，所以采用數(shù)據(jù)包格式傳送指令[9?10]，包頭和包尾用0xFF，無(wú)校驗(yàn)位。在下行數(shù)據(jù)協(xié)議中，類(lèi)型位0x00表示向小車(chē)發(fā)送控制指令，不同的命令位代表不同的控制指令，數(shù)據(jù)位代表油門(mén)的大小。上行數(shù)據(jù)協(xié)議中，不同的類(lèi)型位代表小車(chē)的各種狀態(tài)數(shù)據(jù)，角度值用十六進(jìn)制數(shù)表示，數(shù)據(jù)位1代表角度值的高8位，數(shù)據(jù)位2代表角度值的低8位。轉(zhuǎn)速的數(shù)據(jù)位1中0x00代表車(chē)輪反轉(zhuǎn)，0x01代表車(chē)輪正轉(zhuǎn)，數(shù)據(jù)位2表示速度值。

3.3 控制方式設(shè)計(jì)

為了使小車(chē)模擬測(cè)試系統(tǒng)更加直觀、控制小車(chē)更加簡(jiǎn)易便捷，模擬測(cè)試系統(tǒng)添加了按鍵控制小車(chē)的功能：按W小車(chē)前進(jìn)，按空格小車(chē)停止，按S小車(chē)后退，按A小車(chē)左轉(zhuǎn)，按D小車(chē)右轉(zhuǎn)。

3.4 前面板設(shè)計(jì)

由LabVIEW開(kāi)發(fā)的汽車(chē)模擬測(cè)試系統(tǒng)的前面板如圖7所示，可顯示坡度、速度及圖像等信息。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中操作方便、簡(jiǎn)單，提高了測(cè)試效率。

3.5 溜車(chē)條件判斷

由于實(shí)際情況中小車(chē)會(huì)在凹凸不平的路面上行駛，難免出現(xiàn)抖動(dòng)，為了避免誤判，設(shè)置角度閾值為10°。在沒(méi)有動(dòng)力提供給車(chē)子的前提下，車(chē)身方向上的傾角達(dá)到10°以上，并且車(chē)輪在此方向上有轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì)，則判斷為溜車(chē)。

4 系統(tǒng)測(cè)試

基于LabVIEW的汽車(chē)防溜車(chē)模擬測(cè)試系統(tǒng)上電運(yùn)行后，通過(guò)上位機(jī)控制智能小車(chē)爬行至不同的坡度上進(jìn)行測(cè)試。表1為坡度測(cè)試結(jié)果，可以看出測(cè)量誤差較小，坡度信息正確。同時(shí)，上位機(jī)能及時(shí)收到傳感器發(fā)回的坡度數(shù)據(jù)和車(chē)輪的轉(zhuǎn)數(shù)，以及攝像頭獲取的圖像等信息，在LabVIEW界面上實(shí)時(shí)顯示。

防溜車(chē)測(cè)試結(jié)果如表2所示，當(dāng)達(dá)到溜車(chē)條件時(shí)，小車(chē)能迅速進(jìn)行剎車(chē)，停在斜坡上不再移動(dòng)。經(jīng)多次測(cè)試檢驗(yàn)，小車(chē)溜車(chē)距離約為0.12 mm，對(duì)應(yīng)車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)的平均角度約為0.23°，能在較短時(shí)間和距離內(nèi)自動(dòng)剎車(chē)，說(shuō)明防溜車(chē)系統(tǒng)性能穩(wěn)定，測(cè)試成功率高。

5 結(jié) 論

本文針對(duì)汽車(chē)防溜車(chē)的安全性和可靠性要求，建立基于LabVIEW的汽車(chē)防溜車(chē)模擬測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，在未提供動(dòng)力時(shí)，小車(chē)上坡時(shí)車(chē)輪反轉(zhuǎn)或下坡時(shí)車(chē)輪正轉(zhuǎn)均能自動(dòng)剎車(chē)，且測(cè)試軟件具有良好的人機(jī)交互性，可視化程度較高，能夠勝任數(shù)據(jù)采集、處理、顯示等任務(wù)。該防溜車(chē)模擬測(cè)試系統(tǒng)能為汽車(chē)的安全輔助測(cè)試提供有利參考，降低測(cè)試成本，提高測(cè)試效率，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

注：本文通訊作者為陳輝金。

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