基于樹莓派的四輪獨(dú)立電驅(qū)動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙風(fēng)財(cái) 肖廣兵

摘 ?要： 本文設(shè)計(jì)了基于樹莓派的四輪獨(dú)立電驅(qū)動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，主要由驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理模塊、上位機(jī)控制模塊等組成。系統(tǒng)使用ESP8266WIFI通訊模塊實(shí)現(xiàn)傳感器、控制器和上位機(jī)之間的信息交互，以樹莓派芯片作為系統(tǒng)控制核心，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。本系統(tǒng)能夠方便用戶對車輛進(jìn)行綜合性能的驗(yàn)證和評估，獲取理想的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，具有結(jié)構(gòu)簡單、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、容錯(cuò)率高的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞： 樹莓派;四輪獨(dú)立電驅(qū)動(dòng);數(shù)據(jù)監(jiān)控

中圖分類號(hào)： TP39 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.08.023

本文著錄格式：趙風(fēng)財(cái)，肖廣兵. 基于樹莓派的四輪獨(dú)立電驅(qū)動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 軟件，2020，41（08）：78-82

【Abstract】： This paper designs a four-wheel independent electric drive monitoring system based on raspberry PI， which is mainly composed of drive control system， battery management system， data processing module， upper computer control module and so on. The system uses ESP8266WIFI communication module to realize the information interaction between the sensor， the controller and the upper computer. The raspberry PI chip is used as the system control core system for data processing. The system is convenient for users to verify and evaluate the comprehensive performance of the vehicle and obtain ideal experimental data. It has the characteristics of simple structure， accurate data and high fault tolerance.

【Key words】： Raspberry PI; Four - wheel independent electric drive; Data monitoring

0 ?引言

電動(dòng)汽車因其在解決大氣污染，能源短缺等問題上表現(xiàn)突出，目前已成為體現(xiàn)國家可持續(xù)發(fā)展和科技創(chuàng)新的戰(zhàn)略需求[1]。其中四輪獨(dú)立電驅(qū)動(dòng)車輛是一種電池組供電，汽車前后輪都有動(dòng)力的車輛，可按行駛路面狀態(tài)不同而將發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩按不同比例分布在前后所有的輪子上，以提高汽車的行駛能力[2]。四輪獨(dú)立電驅(qū)動(dòng)車輛能夠?qū)崿F(xiàn)整車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)的實(shí)時(shí)評估、有更加精確的ABS/TCS/ESP動(dòng)力學(xué)控制，具有電機(jī)響應(yīng)快，精度高的特點(diǎn)，因此在汽車控制方面擁有傳統(tǒng)汽車無法取代的優(yōu)點(diǎn)。

目前國內(nèi)外對四輪獨(dú)立電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)已經(jīng)取得了一些成果，李克強(qiáng)[3]等人提出一種基于模糊動(dòng)態(tài)滑模理論的控制方法以實(shí)現(xiàn)防滑控制;靳立強(qiáng)和王慶年等建立了四輪獨(dú)立電驅(qū)動(dòng)車輛的18自由度動(dòng)力學(xué)模型，幫助車輛實(shí)現(xiàn)防滑控制[4]。但關(guān)于四輪獨(dú)立電驅(qū)動(dòng)車輛的研究仍然有許多問題亟待解決，如各輪轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)不佳會(huì)導(dǎo)致整車動(dòng)力學(xué)容易失衡、回路中的網(wǎng)絡(luò)時(shí)滯變大會(huì)導(dǎo)致控制系統(tǒng)的閉環(huán)或開環(huán)的回路傳輸時(shí)間變長、以及如果車身關(guān)鍵傳感器或者執(zhí)行器失效，車輛動(dòng)力學(xué)瞬間會(huì)失衡。

針對四輪獨(dú)立電驅(qū)動(dòng)車輛發(fā)展較晚、相關(guān)成果不充足的特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了四輪獨(dú)立電驅(qū)動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，通過四輪獨(dú)立電驅(qū)動(dòng)概念車上安裝的監(jiān)測車輛和電池狀態(tài)的傳感器，收集準(zhǔn)確且全面的數(shù)據(jù)，對車輛運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，便于對車輛進(jìn)行綜合性能的驗(yàn)證和評估，使得用戶可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，獲取理想的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，促進(jìn)四輪獨(dú)立電驅(qū)動(dòng)車輛相關(guān)成果的產(chǎn)生。

1 ?系統(tǒng)設(shè)計(jì)

四輪獨(dú)立電驅(qū)動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)由數(shù)據(jù)收集模塊、上位機(jī)模塊、通訊模塊和數(shù)據(jù)處理模塊構(gòu)成。數(shù)據(jù)收集模塊包括驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)與電池管理系統(tǒng)，以多個(gè)監(jiān)測車輛和電池狀態(tài)的傳感器為基礎(chǔ)，當(dāng)車輛開始運(yùn)行后，開始穩(wěn)定的獲取包括車速、車輪轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)向角、電池電壓和電流在內(nèi)的多個(gè)重要數(shù)據(jù)，并通過通訊模塊組建的無線通訊網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)模塊，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，在PC端界面上進(jìn)行直觀的數(shù)據(jù)顯示。

上位機(jī)模塊同時(shí)承擔(dān)著監(jiān)控系統(tǒng)與用戶的交互，用戶可以控制系統(tǒng)與每個(gè)車輪傳感器的連接狀態(tài)，便于進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)、可以控制供電系統(tǒng)進(jìn)行電池能量均衡，以減小各個(gè)電池之間電量差異、可以選擇有效的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，便于進(jìn)行數(shù)據(jù)的對比分析[5]-[6]。本系統(tǒng)能夠?qū)Κ?dú)立四輪電驅(qū)動(dòng)車輛的重要數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，在豐富的數(shù)據(jù)反饋的基礎(chǔ)上，滿足用戶的各種實(shí)驗(yàn)需求。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2 ?硬件電路設(shè)計(jì)

四輪獨(dú)立電驅(qū)動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)主要包括傳感器模塊、樹莓派控制模塊和無線通信模塊等。本系統(tǒng)由ESP8266無線WIFI模塊組建無線通訊網(wǎng)絡(luò)，能夠使傳感器、控制器與上位機(jī)之間保持信息交互，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)和操作指令的傳遞;傳感器模塊是系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)是基礎(chǔ)，起到對車輛行駛和電池狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測的作用，本系統(tǒng)使用霍爾效應(yīng)式車速傳感器測量測速、扭矩光電編碼器測量車輪轉(zhuǎn)矩、以及高壓隔離與采樣的方法監(jiān)測電池組電壓;控制模塊選用樹莓派4B作為核心元件，對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，并完成用戶發(fā)出的操作指令。

2.1 ?傳感器模塊設(shè)計(jì)

傳感器模塊需要對車速、車輪轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)向角、電池電壓，電流和溫度進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，并實(shí)時(shí)發(fā)送給信息處理器和上位機(jī)。霍爾效應(yīng)式車速傳感器利用霍爾效應(yīng)的原理制成，由一個(gè)幾乎完全閉合的包含永久磁鐵和磁極部分的磁路組成，實(shí)現(xiàn)對車速的監(jiān)測[7];而光電編碼器是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器，能夠獲取準(zhǔn)確的車輪轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)[8]。

系統(tǒng)采用高壓隔離與采樣的方法監(jiān)測電池組電壓，在電池組狀態(tài)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測時(shí)，要實(shí)現(xiàn)對電池電壓采樣通路的高速開關(guān)控制，同時(shí)解決前端采樣點(diǎn)路與后端數(shù)據(jù)處理電路之間的共地問題。電路原理圖如圖2所示，采用AQW214S光耦繼電器作為高壓隔離器件，同時(shí)也作為電壓采集系統(tǒng)的高速信號(hào)采樣器件，R1=2R2，電路中電容C1為去耦電容，電阻R5為限流電阻，電阻R4用于保證電路可靠工作[9]。

2.2 ?樹莓派控制模塊

本文使用樹莓派作為四輪獨(dú)立電驅(qū)動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)控制模塊的核心單元。樹莓派是一款基于ARM的單片機(jī)電腦主板，具有體積小、效率高、功能強(qiáng)大等特點(diǎn)，新一代樹莓派4B搭載1.5 GHz的64位四核處理器和統(tǒng)一的Linux開源操作系統(tǒng)、全吞吐量千兆以太網(wǎng)、支持Bluetooth 5.0和BLE、雙micro HDMI輸出、支持4K分辨率、存儲(chǔ)系統(tǒng)增加了雙倍數(shù)據(jù)速率支持、支持C、C++、Python等語言編程[10]。

樹莓派4B的主控制器采用博通BCM2711的1.5 GHz四核處理器，電路圖如圖3所示，采用ARM Cortex A72架構(gòu)、500MHzGPU和LPDDR4內(nèi)存，性能相較樹莓派3B+提升了近50%。在通訊方面，樹莓派采用USB串口通信和GPIO引腳通信兩種方式實(shí)現(xiàn)，提供2個(gè)Micro HDMI 2.0接口（4K 60FPS）和40針GPIO引腳，通過在樹莓派上進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，運(yùn)用相關(guān)的技術(shù)即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入輸出。

2.3 ?無線通信模塊

通訊模塊是四輪獨(dú)立電驅(qū)動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的重要模塊，能夠?qū)⑾到y(tǒng)各部分連成整體，如圖4所示，本文采用ESP8266WI-FI芯片作為核心元件，構(gòu)建無線通訊網(wǎng)絡(luò)。ESP8266是一款Wi-Fi通訊模塊，具有傳輸速度快、低功耗的特點(diǎn)，專為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計(jì)，可將用戶的物理設(shè)備連接到Wi-Fi 無線網(wǎng)絡(luò)上，實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)通信。ESP8266芯片可以通過AT指令配置，和單片機(jī)上的串口進(jìn)行通信，利用WI-FI進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，ESP8266芯片內(nèi)置TensilicaL106 32位 RISC 處理器，CPU時(shí)鐘速度最高有160 MHz，工作模式有Station模式、AP模式和AP兼Station模式[11]。

3 ?系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用Visual Basic6.0軟件開發(fā)設(shè)計(jì)，主要包括驅(qū)動(dòng)控制程序設(shè)計(jì)、電池管理程序設(shè)計(jì)和輔助功能設(shè)計(jì)。

四輪獨(dú)立電驅(qū)動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的流程圖如圖5所示，用戶登錄成功后進(jìn)入功能區(qū)，系統(tǒng)的功能主要分為驅(qū)動(dòng)控制、電池管理、設(shè)備檢測、歷史數(shù)據(jù)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)五個(gè)部分，其中驅(qū)動(dòng)控制和電池管理是系統(tǒng)的核心功能，能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示、充放電監(jiān)測和電池狀態(tài)診斷，用戶可以查看車輛運(yùn)行時(shí)的車速變化、各個(gè)車輪的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)向角變化、電池充放電時(shí)的實(shí)時(shí)電壓電流變化，控制電池能量均衡等;設(shè)備檢測和歷史數(shù)據(jù)的功能分別對應(yīng)檢測上位機(jī)通訊狀態(tài)并控制與各傳感器之間的連接、保存有效的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)供后續(xù)查看。

系統(tǒng)主界面如圖6所示，主要由驅(qū)動(dòng)控制、電池管理、設(shè)備檢測、歷史數(shù)據(jù)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)五個(gè)部分的入口按鈕組成，右上方顯示實(shí)時(shí)的日期和時(shí)間，點(diǎn)擊右下方紅色按鈕退出程序。

3.1 ?驅(qū)動(dòng)控制設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)控制界面包括車輛狀態(tài)界面、實(shí)時(shí)車速界面、車輪轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)向角界面等。車輛狀態(tài)界面如圖7所示，界面上方是獨(dú)立四輪驅(qū)動(dòng)車的底盤模型，跟隨試驗(yàn)車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)實(shí)時(shí)變化，給予用戶直觀的感受，下方進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)顯示，包括當(dāng)前車速和加速度等，核心數(shù)據(jù)是各個(gè)車輪的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)向角和網(wǎng)絡(luò)時(shí)滯。用戶可以根據(jù)此界面進(jìn)行數(shù)據(jù)觀察和對比，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)車行進(jìn)中的問題，包括四輪轉(zhuǎn)矩是否一致、網(wǎng)絡(luò)時(shí)滯是否過大等。右下角是功能選擇區(qū)，用戶可以刷新當(dāng)前狀態(tài)、進(jìn)入實(shí)時(shí)車速界面、選擇有效的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，被保存的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在歷史記錄中查看[12]。

實(shí)時(shí)車速界面如圖8所示，車速傳感器獲取試驗(yàn)車行進(jìn)的速度和加速度，發(fā)送到數(shù)據(jù)處理模塊，經(jīng)過分析、處理，在上位機(jī)界面繪制出車輛實(shí)時(shí)車速折線圖，右側(cè)顯示車輛行駛時(shí)間和當(dāng)前是速度與加速度。車輪轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)向角界面如圖9所示，頁面主體分別是車輪實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)向角的折線圖，頁面右側(cè)顯示當(dāng)前實(shí)時(shí)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)向角，用戶通過車輪選擇，可以直觀的查看相關(guān)的數(shù)據(jù)，在折線圖中，如果試驗(yàn)車沿著直線行駛，轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)向角都接近于零，圖中的出現(xiàn)明顯升降的時(shí)刻便說明試驗(yàn)車在進(jìn)行轉(zhuǎn)彎。

3.2 ?電池管理設(shè)計(jì)

電池管理是本系統(tǒng)的核心功能之一，程序設(shè)計(jì)主要包括主界面、供電監(jiān)測、充電監(jiān)測和電池狀態(tài)界面等。為防止電池發(fā)生過充電或過放電現(xiàn)象，系統(tǒng)會(huì)監(jiān)測每塊電池實(shí)時(shí)的電壓和電流、溫度、及電池組總電壓，并及時(shí)預(yù)警[13]。

電池管理主界面如圖10所示，主要由供電監(jiān)測、充電監(jiān)測、狀態(tài)診斷和電池參數(shù)四個(gè)部分的入口按鈕組成，右上方顯示實(shí)時(shí)的日期和時(shí)間，點(diǎn)擊右下方紅色按鈕退出程序。

供電監(jiān)測界面如圖11所示，頁面上方顯示電驅(qū)動(dòng)車輛的電池向電動(dòng)機(jī)供電的示意圖。界面左下方是數(shù)據(jù)顯示區(qū)，傳感器檢測電池組供電時(shí)的實(shí)時(shí)電壓、電流和溫度通過無線網(wǎng)絡(luò)上傳至上位機(jī)，在供電監(jiān)測界面顯示出來，使用戶可以準(zhǔn)確掌握電池組的工作情況，防止發(fā)生電池組過放電的現(xiàn)象發(fā)生，延長電池組的可使用時(shí)間。右下方是功能區(qū)，用戶可以刷新電池供電數(shù)據(jù)、進(jìn)入電池狀態(tài)頁面、查看電池組的續(xù)航能力，方便用戶合理控制電池的使用[14]。

充電監(jiān)測和電池狀態(tài)界面如圖12所示，在充電監(jiān)測界面，右側(cè)顯示充電中實(shí)時(shí)的電池電壓和電流、和溫度。以鋰電池為例，充電時(shí)先保持恒流，這個(gè)階段電壓上升，當(dāng)電壓升到4.2V時(shí)，進(jìn)入第二階段，即恒壓充電，此時(shí)電流下降，當(dāng)電流下到一定階段時(shí)，電池充電完成。系統(tǒng)進(jìn)行充電狀態(tài)的監(jiān)測，使得用戶可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)充電異常現(xiàn)象，延長電池的可使用時(shí)間。右側(cè)顯示顯示當(dāng)前電池已充電和充滿仍需要的時(shí)間，幫助用戶合理控制充電時(shí)間[15]-[16]。

在電池狀態(tài)界面中，用戶可以查看電池組中每塊電池的電壓和剩余電量，挑選出工作不正常的電池，使電池組可靠高效的運(yùn)行。電池在大量生產(chǎn)時(shí)質(zhì)量不易把控，出廠時(shí)電池中的電量便會(huì)有微小的差異，隨著老化，污染物侵蝕等因素，電池間的電量差異會(huì)越來越大，因此，本系統(tǒng)提供能量均衡的功能，即單體電池均衡充電，減小各個(gè)電池之間電量差異[17]。

3.3 ?輔助功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的輔助功能包括設(shè)備檢測和歷史記錄，使軟件功能更加豐富，為用戶提供更多便利。設(shè)備檢測界面如圖13所示，用戶可已經(jīng)檢查通訊狀態(tài)并控制與車輪傳感器的連接狀態(tài)，在界面上方顯示目前所連接通訊網(wǎng)絡(luò)的IP地址和密碼，用戶可以選擇斷開和連接。在界面下方顯示已連接到的車輪傳感器，用戶可以刷新連接、斷開指定傳感器的連接。頁面另一個(gè)重要功能是設(shè)備診斷，系統(tǒng)可以根據(jù)傳感器檢測的數(shù)據(jù)，分析篩選出數(shù)據(jù)缺少或不準(zhǔn)確的設(shè)備，反饋給用戶，保障系統(tǒng)的正常運(yùn)行[18]。

歷史數(shù)據(jù)界面如圖14所示，用戶通過日期選擇，獲取當(dāng)天保存的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)開始時(shí)間和實(shí)驗(yàn)時(shí)長找到目標(biāo)實(shí)驗(yàn)，點(diǎn)擊查看后會(huì)顯示當(dāng)次車輛運(yùn)行時(shí)的包括車輪轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)向角、網(wǎng)絡(luò)時(shí)滯、電池的電壓、電流和溫度的數(shù)據(jù)，供用戶進(jìn)行觀察、整合，獲取相關(guān)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

4 ?結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了基于樹莓派的四輪獨(dú)立電驅(qū)動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，通過四輪獨(dú)立電驅(qū)動(dòng)概念車上安裝的監(jiān)測車輛和電池狀態(tài)的傳感器，獲取包括車速、車輪轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)向角、電池電壓和電流在內(nèi)的多個(gè)重要數(shù)據(jù)，對車輛運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。系統(tǒng)使用ESP8266WIFI通訊芯片實(shí)現(xiàn)傳感器、控制器和上位機(jī)之間的信息交互，以樹莓派芯片作為系統(tǒng)控制核心進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。本系統(tǒng)能夠方便用戶對車輛進(jìn)行綜合性能的驗(yàn)證和評估，獲取理想的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，具有結(jié)構(gòu)簡單、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、容錯(cuò)率高的特點(diǎn)。

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