產(chǎn)品:
院校產(chǎn)品, LabVIEW, CompactRIO

挑戰(zhàn):
所謂智能車" title="智能車">智能車是指在行駛過程中,，車輛能夠自主識別路徑并自主控制轉(zhuǎn)向和車速,，從而完成自動駕駛,。在智能車自動駕駛控制算法" title="控制算法">控制算法的開發(fā)調(diào)試過程中,，其挑戰(zhàn)在于選擇一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)快速原型開發(fā)的軟硬件平臺,。 在硬件方面,，在智能車的控制中,，由于要檢測實(shí)時(shí)賽道信息,、當(dāng)前車速、電池電壓并要實(shí)時(shí)控制智能車車速,、方向等控制參量,，因此需要有豐富的I/O" title="I/O">I/O通道，并且要求處理器能夠?qū)崿F(xiàn)高速的實(shí)時(shí)控制算法,。另外由于本智能車競賽中使用統(tǒng)一競賽車模的體積受限（30cm×20cm×15cm）,需要這個(gè)控制原型開發(fā)平臺能夠承載在智能車模之內(nèi),。在軟件方面，要求開發(fā)軟件與硬件平臺能夠無縫的連接,，內(nèi)含強(qiáng)大的數(shù)字信號處理以及控制的算法,，操作界面友好，以便快速的開發(fā)調(diào)試,。

解決方案:
整個(gè)快速原型開發(fā)平臺采用NI公司CompactRIO加LabVIEW實(shí)現(xiàn),。CompactRIO為帶有FPGA功能的高實(shí)時(shí)性嵌入式系統(tǒng)，并可同時(shí)配置多塊功能豐富的I/O模塊,?？刂扑惴ㄔ贚abVIEW中實(shí)現(xiàn)，并可下載在CompactRIO運(yùn)行,。

“通過CompactRIO,，可以方便高效地對智能車使用的傳感器、驅(qū)動電路等硬件設(shè)備進(jìn)行測試,，也可以通過LabVIEW開發(fā)控制算法下載到CompactRIO中進(jìn)行實(shí)車調(diào)試,。”

智能車比賽

受教育部高等教育司委托,，高等學(xué)校自動化專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會負(fù)責(zé)主辦全國大學(xué)生智能車競賽,。該項(xiàng)比賽已列入教育部主辦的全國五大競賽之一，于2006年舉辦了第一屆比賽,。參賽選手使用大賽組委會統(tǒng)一提供的競賽車模,，采用飛思卡爾16位微控制器MC9S12DG128 作為核心控制單元，自主構(gòu)思控制方案及系統(tǒng)設(shè)計(jì),，包括傳感器信號采集處理,、控制算法、電機(jī)驅(qū)動,、轉(zhuǎn)向舵機(jī)控制等,。比賽中智能車需要自主識別白色地板上的黑色路徑并自主控制轉(zhuǎn)向和驅(qū)動，從而完成沿線自動駕駛,。參賽隊(duì)伍之名次由賽車現(xiàn)場成功完成賽道比賽時(shí)間為主,。

快速原形

比賽中要求采用Freescale的S12系列單片機(jī)，在用單片機(jī)開發(fā)嵌入式系統(tǒng)時(shí),，存在效率低,，成本高以及開發(fā)周期長等缺點(diǎn),，為此我們決定采用快速原型的開發(fā)方法，以一輛樣車為載體,，將智能車原有的控制核心替換為NI公司的CompactRIO，并通過各種I/O模塊進(jìn)行路徑探測傳感器,、車速傳感器的信號采集以及驅(qū)動電機(jī),、轉(zhuǎn)向舵機(jī)的運(yùn)動控制。用LabVIEW編寫車輛運(yùn)行控制算法,，將控制算法下載到CompactRIO中進(jìn)行原型試驗(yàn),，取得最優(yōu)結(jié)果后再移植到S12芯片中。

智能車的工作模式如圖所示：紅外光電傳感器探測賽道信息,，轉(zhuǎn)速傳感器檢測當(dāng)前車速,，電池電壓監(jiān)測電路監(jiān)測電池電壓，并將這些信息輸入控制器進(jìn)行處理,。通過控制算法來對車輛當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行判斷,，并輸出控制信號" title="控制信號">控制信號實(shí)現(xiàn)對舵機(jī)轉(zhuǎn)向和電機(jī)加減速的控制，從而完成車輛的沿線自動駕駛,。

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圖1智能車的工作模式圖

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（圖解）傳感器檢測量為賽道信息,、當(dāng)前車速和電池電壓，控制器對這些信息輸入進(jìn)行處理,，輸出控制信號控制轉(zhuǎn)向和驅(qū)動,，從而實(shí)現(xiàn)車輛的沿線自動駕駛。

用CompactRIO作為控制器搭建的嵌入式系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)智能車的快速原形,。CompactRIO的4個(gè)I/O模塊用于采集智能車傳感器信號以及控制驅(qū)動電機(jī),、轉(zhuǎn)向舵機(jī)等執(zhí)行器。此外,，還配有控制開關(guān)單元來進(jìn)行人機(jī)交互,，數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示賽車信息，并可在試驗(yàn)結(jié)束后將所需要的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)線傳到上位機(jī)" title="上位機(jī)">上位機(jī)中,，從而可以對控制算法進(jìn)行分析,，優(yōu)化控制策略。

平臺硬件構(gòu)成

本平臺的硬件部分主要由5部分組成,，分別為：模型車底盤,、紅外光電路經(jīng)探測傳感器、光電碼盤電機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器,、電機(jī)驅(qū)動及供電母板,、CompactRIO嵌入式控制器。

其中,，所采用的智能車底盤是奧奇1/10全數(shù)字比例電動遙控后驅(qū)模型賽車的底盤,，紅外光電路經(jīng)探測傳感器采用了15對紅外發(fā)光接收管,，采用紅外光電管是為了減小可見光的影響，提高系統(tǒng)魯棒性,。

為精確控制智能車的運(yùn)動,，需要檢測車輛的運(yùn)動速度。轉(zhuǎn)速傳感器用來檢測車速,。受車模機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制,，須采用體積小、重量輕的速度傳感器,，本車采用的是對射型光電傳感器方案,。在電機(jī)輸出軸上加一齒盤，電機(jī)輸出軸的轉(zhuǎn)動帶動齒盤的轉(zhuǎn)動,。將對射光偶發(fā)光和接受管放在碼盤兩側(cè),，碼盤轉(zhuǎn)動時(shí)，由于碼盤上的齒經(jīng)過發(fā)光管發(fā)出的光線時(shí),，會阻礙光線傳播,。所以接收管兩端的電阻會有很大的變化，這樣,，在電路中,，采樣電阻兩端的電壓就會有很大的變化。用處理器采集電壓脈沖單位時(shí)間內(nèi)的個(gè)數(shù),，就會獲得電機(jī)轉(zhuǎn)速,，從而獲得車速。

CompactRIO嵌入式控制器

實(shí)時(shí)嵌入式控制器采用CompactRIO-9004,，而4個(gè)I/O模塊槽采用NI-9205,、NI-9263、NI-9421以及NI-9472,，分別控制模擬量輸入輸出以及數(shù)字量輸入輸出,，其具體功能如下：

CompactRIO-9004：控制器，主要通過TCP/IP協(xié)議與上位機(jī)進(jìn)行通訊,，從而將控制程序進(jìn)行編譯或下載,，在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中運(yùn)行。此外,，還可以通過網(wǎng)線或串口線將試驗(yàn)過程中一些數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)中,，進(jìn)行分析和處理。

NI-9205：32路模擬量輸入,，其中15路作為光電傳感器的信號輸入,，1路作為車速傳感器輸入。

NI-9263：4路模擬量輸出,，1路作為驅(qū)動電機(jī)PWM控制信號,，1路作為舵機(jī)PWM控制信號,。

NI-9421：8路數(shù)字量輸入，作為各個(gè)控制開關(guān)量的檢測,。

NI-9472：8路數(shù)字量輸出,，作為數(shù)碼管顯示控制信號。

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圖2 cRIO潛入式系統(tǒng)組成圖

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（圖解）由cRIO所搭建的嵌入式系統(tǒng)的組成,，包括模擬量的輸入輸出和數(shù)字量的輸入輸出,。

車輛運(yùn)行控制算法

用圖形化編程軟件LabVIEW編寫了車輛運(yùn)行控制算法?？刂扑惴榛跔顟B(tài)的反饋控制，流程如下圖所示：

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圖3 智能車控制算法簡圖

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（圖解）初始化之后是一個(gè)基于狀態(tài)的反饋控制,，控制算法通過對傳感器信號進(jìn)行處理,，控制執(zhí)行器動作，不斷減小實(shí)際狀態(tài)和名義狀態(tài)之間的誤差,。

首先是相關(guān)參數(shù)的初始化,，然后通過輸入端口采集道路信息和車速信息，根據(jù)控制策略得出車輛運(yùn)動的名義狀態(tài)和實(shí)際狀態(tài),，比較名義狀態(tài)和實(shí)際狀態(tài)的差,，通過PID調(diào)節(jié)減小這個(gè)差值，然后通過輸出端口給出控制信號對驅(qū)動電機(jī)和轉(zhuǎn)向舵機(jī)進(jìn)行控制,，從而實(shí)現(xiàn)車輛行駛過程中的閉環(huán)控制,。

為充分發(fā)揮控制器性能，控制算法中部分程序運(yùn)行在FPGA上,，部分程序運(yùn)行在CompactRIO上,。比如對傳感器信號的讀取、電機(jī)和舵機(jī)的輸出控制都是在FPGA上完成的,。而PID調(diào)節(jié),、控制策略得到的名義狀態(tài)就是在CompactRIO上運(yùn)行的。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)保存與分析

由于CompactRIO有較大的存儲空間,，可以對車輛運(yùn)行過程中所有參量進(jìn)行完全的保存,，在車輛停止后，可以用網(wǎng)線將所存儲的數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī),，便于進(jìn)行分析,。通過同步分析整車狀態(tài)參數(shù)和控制信號，可以對控制算法進(jìn)行分析,，從而有針對性地改進(jìn)控制算法,，在最短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)控制算法的優(yōu)化。最后再將優(yōu)化之后的控制算法移植到單片機(jī)中,，實(shí)現(xiàn)實(shí)車的開發(fā),。

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圖4 數(shù)據(jù)分析界面

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（圖解）實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)，用調(diào)試軟件的數(shù)據(jù)分析模塊可以精細(xì)觀察任何時(shí)刻的目標(biāo)參量和實(shí)際狀態(tài)參量,，這樣就為優(yōu)化控制算法提供了便利,。如上圖中，上兩幅波形圖中的紅色曲線為目標(biāo)參量,，黃色曲線為實(shí)際參量,。并且可以通過設(shè)定時(shí)間軸的坐標(biāo)起始點(diǎn)和終止點(diǎn)來詳細(xì)觀察很短的時(shí)間段內(nèi)的參量變化情況。

結(jié)論

??? 我們采用了NI公司 CompactRIO作為控制核心搭建了嵌入式控制系統(tǒng),，實(shí)現(xiàn)了智能車的快速原形,。用LabVIEW編寫了控制算法，對智能車自動控制算法進(jìn)行了設(shè)計(jì)和優(yōu)化,，極大提高智能車的開發(fā)效率,。在2006年的全國大學(xué)生智能汽車邀請賽中，我們團(tuán)隊(duì)在112支參賽隊(duì)中獲得全國第一名的好成績,，2007年的此比賽中,，我們在全國300多支參賽隊(duì)中獲得第六名的好成績。這些成績的取得,，和我們采用了快速原形開發(fā)平臺是密不可分的,。