基于STM32和Arduino的遙控泊車裝置設(shè)計(jì)與開發(fā)

姚毅超,林智桂,付廣

上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545007

0 引言

目前主機(jī)廠對(duì)于實(shí)現(xiàn)遙控泊車的主要方法是將此功能做到整車的全自動(dòng)泊車控制器當(dāng)中，遙控功能是基于現(xiàn)有車鑰匙或者手機(jī)進(jìn)行開發(fā)，局限性較大。車鑰匙可供開發(fā)的按鍵較少，手機(jī)開發(fā)成本較高，時(shí)延較大，影響遙控的實(shí)時(shí)性和使用體驗(yàn)。因此，本文介紹一款基于STM32和Arduino設(shè)計(jì)與開發(fā)的遙控泊車裝置，用于解決上述問題。

該裝置由遙控器、接收器和無線通信模塊3個(gè)部分組成，可實(shí)現(xiàn)對(duì)遙控車輛的橫縱向控制、行車燈控制和遠(yuǎn)程上下電控制。先通過控制器選型確定裝置的硬件構(gòu)成，再運(yùn)用編程語言完成對(duì)所需功能的編寫，最后在實(shí)車上對(duì)該裝置進(jìn)行測試驗(yàn)證，對(duì)行駛車速、主動(dòng)距離、轉(zhuǎn)向角度及速度等性能指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估。使用時(shí)只需將遙控裝置的接收器連接在整車OBD口上，手持遙控器即可實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的遠(yuǎn)程操控。

1 遙控泊車系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 功能定義

(1)基本功能[1]：遙控車輛行駛的基本需求，即通過遙控器上的按鍵控制車輛完成前、后、左、右及制動(dòng)的操作，同時(shí)也可通過其上的搖桿實(shí)現(xiàn)同樣功能，區(qū)別在于搖桿控制可實(shí)現(xiàn)車輛的橫縱向同步控制。

(2)遙控按鍵[1]：遙控器按鍵示意如圖1所示，可進(jìn)行X、Y方向的移動(dòng)，當(dāng)被按下時(shí)為制動(dòng)按鍵。

圖1 遙控器按鍵示意

1.2 目標(biāo)參數(shù)

為滿足使用者體驗(yàn)的同時(shí)保障操控安全，并能夠?qū)b控系統(tǒng)進(jìn)行量化分析，該遙控裝置的目標(biāo)參數(shù)設(shè)定見表1。

表1 遙控裝置的目標(biāo)參數(shù)設(shè)定

1.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

遙控系統(tǒng)分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，硬件設(shè)計(jì)包括遙控器控制器、接收器控制器和無線通信模塊的選型，接收器選用普遍應(yīng)用的STM32F107控制器，遙控器選用開發(fā)集成度高、成本低的Arduino控制器配合Joystick Shield擴(kuò)展板，無線通信模塊選用傳輸距離較遠(yuǎn)、穩(wěn)定性強(qiáng)并具有基站功能的ZigBee模塊[2]。遙控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖2 遙控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)框圖

完成硬件選型、設(shè)計(jì)和組裝后，根據(jù)遙控器控制器和無線通信模塊的尺寸設(shè)計(jì)遙控器外殼，其外觀設(shè)計(jì)效果如圖3所示。

圖3 遙控器外觀設(shè)計(jì)效果

軟件設(shè)計(jì)包括軟件架構(gòu)搭建和算法程序編寫，軟件架構(gòu)是指控車邏輯、安全機(jī)制及底層配置等；算法程序則主要完成具體的控制指令編寫及系統(tǒng)優(yōu)化。STM32F107控制器根據(jù)實(shí)現(xiàn)的功能需要在程序中配置CAN、SCI、TIM、NVIC、RCC 6個(gè)模塊[3]，并編寫相應(yīng)的接口函數(shù)供主程序使用。接收器的軟件設(shè)計(jì)框圖如圖4所示。

圖4 接收器的軟件設(shè)計(jì)框圖

Arduino控制器根據(jù)要實(shí)現(xiàn)的功能通過調(diào)用Arduino提供的庫函數(shù)完成串口配置及遙控指令的收發(fā)，遙控器的軟件設(shè)計(jì)框圖如圖5所示。

圖5 遙控器的軟件設(shè)計(jì)框圖

2 遙控方法研究與實(shí)現(xiàn)

遙控泊車功能目前主要基于總線信號(hào)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，對(duì)于車輛的轉(zhuǎn)向、驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)均通過CAN總線上的相關(guān)報(bào)文進(jìn)行控制，所介紹的遙控裝置以新寶駿某車型作為試驗(yàn)車輛對(duì)橫縱向控制方法進(jìn)行測試驗(yàn)證。

Arduino控制器配合Joystick Shield擴(kuò)展板組成遙控器，根據(jù)擴(kuò)展板上按鍵和搖桿的數(shù)據(jù)值解析關(guān)系編寫遙控指令發(fā)送邏輯，按照上述遙控按鍵定義賦予實(shí)際的控制含義，遙控器上的方向鍵是車輛橫縱向單獨(dú)控制，搖桿是車輛橫縱向同時(shí)控制，因此遙控器實(shí)現(xiàn)了橫縱向分開及同時(shí)控制，其控制流程如圖6所示。

圖6 遙控器的控制流程

2.1 車輛縱向控制

接收器控制器為STM32F107控制器，通過CAN模塊配置相應(yīng)的CAN通道，使其能夠正常收發(fā)CAN報(bào)文標(biāo)準(zhǔn)幀；通過TIM模塊配置相應(yīng)的定時(shí)器，使其能夠計(jì)算不同周期，接著編寫可控制車速、擋位及制動(dòng)的報(bào)文函數(shù)，對(duì)其中對(duì)應(yīng)的字節(jié)進(jìn)行賦值，報(bào)文函數(shù)形式為：

void can_0xID(unsigned int velocity,unsigned char gearreq,unsigned char pressure)

{

unsigned char i;

CanTxMsg TxMessage;

TxMessage.StdId=0xID;

TxMessage.ExtId=0x0000;

TxMessage.IDE = CAN_ID_STD;

TxMessage.RTR = CAN_RTR_DATA;

TxMessage.DLC = 8;

CAN1_DATA[0]=0x00;

CAN1_DATA[1]=0x00;

CAN1_DATA[2]=pressure;

CAN1_DATA[3]=velocity>>8;

CAN1_DATA[4]=velocity;

CAN1_DATA[5]=0x00;

CAN1_DATA[6]=gearreq+rc_ID;

CAN1_DATA[7]=CAN1_DATA[0]+CAN1_DATA[1]+CAN1_DATA[2]+CAN1_DATA[3]+CAN1_DATA[4]+CAN1_DATA[5]+CAN1_DATA[6];

for(i = 0;i < 8;i ++)

{

TxMessage.Data[i]= CAN1_DATA[i];

}

CAN_Transmit(CAN1,&TxMessage);

rc_ID=rc_ID+1;

if(rc_ID==16)

{

rc_ID=0;

}

}

其中CanTxMsg為CAN發(fā)送結(jié)構(gòu)體，0xID為自定義的報(bào)文ID，CAN_ID_STD值為0，CAN_RTR_DATA值為0，pressure為制動(dòng)壓力請(qǐng)求，velocity為速度請(qǐng)求，gearreq為擋位請(qǐng)求，rc_ID為循環(huán)計(jì)數(shù)，CAN_Transmit為報(bào)文發(fā)送函數(shù)。

將縱向控制報(bào)文通過OBD口發(fā)送至整車CAN網(wǎng)絡(luò)，ESC控制器可執(zhí)行相應(yīng)的速度、擋位和制動(dòng)請(qǐng)求，將代碼燒錄進(jìn)接收器控制器連接到整車上進(jìn)行實(shí)車測試。車速、擋位和制動(dòng)請(qǐng)求與響應(yīng)的變化曲線如圖7至圖9所示。

圖7 車速請(qǐng)求與響應(yīng)的變化曲線

圖8 擋位請(qǐng)求與響應(yīng)的變化曲線

圖9 制動(dòng)請(qǐng)求與響應(yīng)的變化曲線

2.2 車輛橫向控制

基于縱向控制的報(bào)文函數(shù)形式編寫橫向控制的請(qǐng)求報(bào)文，主程序中需根據(jù)目標(biāo)參數(shù)中的最大轉(zhuǎn)角定義對(duì)方向盤角度變量值進(jìn)行限制，實(shí)車測試過程中發(fā)現(xiàn)方向盤響應(yīng)表現(xiàn)比較抖動(dòng)，轉(zhuǎn)角曲線呈鋸齒狀，針對(duì)此問題，通過低通濾波算法和幅值限值算法對(duì)轉(zhuǎn)向控制進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化算法程序如下：

int limit(int angle,int angle_old){

if(angle> angle_old){

if((angle-angle_old)>ANGLE_THRESHOLD){

return angle_old+ANGLE_THRESHOLD;

}

else {

return angle;

}

}

else {

if((angle_old-angle)>ANGLE_THRESHOLD){

return angle_old-ANGLE_THRESHOLD;

}

else {

return angle;

}

}

}

其中angle_old為上一周期請(qǐng)求的方向盤角度值，angle為當(dāng)前周期請(qǐng)求的方向盤角度值，ANGLE_THRESHOLD為方向盤角度階躍的限值。

int filter(int value,int value_old){

return(1-WEIGHT)*value_old+WEIGHT*value;

}

其中WEIGHT為比重因子。

經(jīng)過優(yōu)化算法處理后，不斷調(diào)試比重因子和階躍限值后實(shí)現(xiàn)了方向盤的平滑控制，實(shí)車方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)無明顯抖動(dòng)，轉(zhuǎn)角曲線較之前改善明顯，優(yōu)化前后方向盤響應(yīng)的對(duì)比曲線如圖10所示。

圖10 優(yōu)化前后方向盤響應(yīng)的對(duì)比曲線

2.3 遠(yuǎn)程上下電控制

基于縱向控制的報(bào)文函數(shù)形式編寫遠(yuǎn)程上下電控制的請(qǐng)求報(bào)文，當(dāng)接收器控制器接收到來自遙控器控制器的指令0x05時(shí)，表示下電請(qǐng)求，向整車CAN總線發(fā)送下電請(qǐng)求報(bào)文的同時(shí)掛P擋，拉起手剎；當(dāng)接收器控制器接收到來自遙控器控制器的指令0x06時(shí)，表示上電請(qǐng)求，向整車CAN總線發(fā)送上電請(qǐng)求報(bào)文的同時(shí)釋放手剎。遠(yuǎn)程上下電控制邏輯如圖11所示。

圖11 遠(yuǎn)程上下電控制邏輯

3 系統(tǒng)安全機(jī)制建立

遙控器和接收器通過ZigBee無線模塊建立通信實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的操控過程中可能會(huì)因?yàn)閿嚯?、信?hào)傳輸不穩(wěn)定等原因?qū)е峦ㄐ胖袛?，由此帶來安全隱患和諸多風(fēng)險(xiǎn)，因此需要建立遙控器和接收器之間通信的安全機(jī)制，將安全交互協(xié)議分別編寫進(jìn)兩控制器。

3.1 接收器的安全交互邏輯

接收器控制器的定時(shí)器1每隔120 ms向遙控器發(fā)送指令0x11，如圖12所示。

圖12 安全交互邏輯1

接收器控制器接收到數(shù)據(jù)后判斷值是否為0xff，如果是，則將標(biāo)志位RC置1，如圖13所示。

圖13 安全交互邏輯2

接收器控制器的定時(shí)器2每隔1 s會(huì)判斷標(biāo)志位RC是否置1，如果置位，則清零；如果沒有，Num計(jì)數(shù)10次后會(huì)將標(biāo)志位flag置零，如圖14所示。

圖14 安全交互邏輯3

3.2 遙控器的安全交互邏輯

遙控器控制器接收到0x11后會(huì)向接收器控制器發(fā)送指令0xff，如圖15所示。

圖15 安全交互邏輯4

基于上述的安全交互邏輯，需要在主程序中編寫因斷電、接觸不良導(dǎo)致通信中斷時(shí)的處理函數(shù)，即當(dāng)標(biāo)志位flag置零時(shí)，接收器控制器要向整車發(fā)送報(bào)文實(shí)現(xiàn)無轉(zhuǎn)向、無速度且制動(dòng)的功能。

4 結(jié)束語

本文介紹的一款基于STM32和Arduino的遙控泊車裝置經(jīng)過實(shí)車測試驗(yàn)證后，完成預(yù)期設(shè)計(jì)的所有目標(biāo)，從硬件選型制作到軟件架構(gòu)編寫再到功能標(biāo)定調(diào)試，一步步實(shí)現(xiàn)遙控裝置對(duì)車輛橫縱向的平穩(wěn)控制和遠(yuǎn)程上下電控制。該裝置的開發(fā)成功解決了現(xiàn)有車鑰匙按鍵少、手機(jī)開發(fā)成本高的問題，提供了一種綜合性價(jià)比較高的解決方案。