一種優(yōu)化的基于STM32的汽車車身測量控制策略

杜 博，夏春蕾，戴曙光

（上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海 200093）

0 引 言

在汽車測控領(lǐng)域，由于傳統(tǒng)車身控制器主要通過微控制器處理數(shù)據(jù)采集開關(guān)信號，并以CAN或者LIN總線將指令傳送給相應(yīng)的節(jié)點和子節(jié)點，這種傳統(tǒng)控制方法繁雜且無節(jié)點反饋信息，如果節(jié)點失效則需要通過故障診斷來恢復(fù)系統(tǒng)。當前在汽車車身控制還存在一些不足：第一，控制方法諸多，但控制復(fù)雜，設(shè)計難度高，成本相對較高；第二，很多在理論上優(yōu)秀的控制算法，在工程應(yīng)用領(lǐng)域難以實現(xiàn)。

為了彌補傳統(tǒng)控制方法的魯棒性缺陷，可以從以下三個方面考慮；第一，采用高性能的單體鋰電池提高其單個硬件特性；第二，尋求最優(yōu)且在工程領(lǐng)域易實現(xiàn)的控制策略以提高軟件性能；第三，可對所在汽車車身控制管理系統(tǒng)參數(shù)進行定量誤差分析，結(jié)合最優(yōu)控制算法的實施，可應(yīng)用在車身測量控制系統(tǒng)中。文獻［1］采用傳統(tǒng)汽車電器系統(tǒng)點對點通信方式，對于電子程度越來越高的汽車而言，將使其線束十分復(fù)雜，不僅增加電器系統(tǒng)成本，而且會因為節(jié)點繁多使系統(tǒng)運行可靠性降低。文獻［2］和［3］分別提出快速原型驗證系統(tǒng)和參數(shù)標定V模型車身網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，這些方法雖然能夠提高系統(tǒng)開發(fā)效率和可靠性，但由于其系統(tǒng)為封閉式架構(gòu)，在可交換性和可復(fù)用性上存在一定缺陷。文獻［4］提出一種基于蟻群算法的車身主動控制方法，采用參數(shù)自適應(yīng)PID控制算法，雖在一定程度上可以抑制車身控制低頻區(qū)域振動幅度，但不適應(yīng)于車身振動幅度較大的高頻區(qū)域。因此，本文提出一種優(yōu)化的基于STM32的車身控制方法，以STM32為核心的嵌入式開發(fā)平臺，實時處理車身各關(guān)鍵件角度傳感器值，建立MDH測量機運動學模型，再通過溫度傳感器檢測因溫度導(dǎo)致的熱變形誤差，實時在線修正測量誤差，并引入嵌入式操作系統(tǒng)以應(yīng)用編程方式進行更新［5］。通過一系列測量實驗和數(shù)據(jù)分析，該系統(tǒng)的測量精度符合設(shè)計要求。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計方案

本文提出一種優(yōu)化的基于STM32的車身測量控制應(yīng)用系統(tǒng)，首先建立測量機MDH數(shù)學模型，獲取角度傳感器角度值和測量機機械結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用MDH模型得到空間坐標。系統(tǒng)硬件以ARM Cortex－M3為嵌入式開發(fā)平臺，軟件以嵌入式操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)，編寫車身測控外設(shè)驅(qū)動和任務(wù)處理程序，確保系統(tǒng)運行可靠，且數(shù)據(jù)存儲方式靈活，同時建立便捷直觀操作模式以及友好人機交互界面。系統(tǒng)整體方案框圖如圖1。

圖1 系統(tǒng)整體方案框圖

圖1中ARM Cortex－M3平臺連接LCD觸摸屏，可進行診斷控制。處理器接到總線信息后，通過標識符位區(qū)分診斷和操作指令。如果是診斷指令則將數(shù)據(jù)信息以LIN總線協(xié)議的格式，將數(shù)據(jù)通過標準的LIN接口發(fā)送給相應(yīng)的子節(jié)點；如果是操作指令，則根據(jù)具體的指令信息，將數(shù)據(jù)打包成CAN總線協(xié)議格式，將報文通過CAN收發(fā)器傳送給相應(yīng)的子節(jié)點。子節(jié)點在收到操作指令后作出相應(yīng)的功能操作，進而完成整個操作流程。另外，當子節(jié)點有消息或狀態(tài)需要反饋給主控節(jié)點的時候，子節(jié)點將指令或狀態(tài)信息以相應(yīng)的報文協(xié)議的格式發(fā)到處理器中。ARM根據(jù)提取的具體指令或信息，將子節(jié)點需要反映的狀態(tài)和操作顯示在觸摸屏上。

2 MDH數(shù)學模型和系統(tǒng)設(shè)計

2.1 MDH數(shù)學模型

如圖2所示，根據(jù)機身結(jié)構(gòu)模擬建立以基座為原點的機身初始姿態(tài)坐標，包括一個基座、四個連桿、五個關(guān)節(jié)和一個測頭，在每個關(guān)節(jié)裝有角度傳感器。運用MDH建模方法建立機身測量方程，數(shù)學模型建立的第一步是要確定測量機的初始姿態(tài)，因為不同的初始姿態(tài)所得到的數(shù)學模型是不同的。在初始姿態(tài)下，所有關(guān)節(jié)的角度變量都為零度。如圖2建立坐標系，O1為基座與桿件L1連接處，L1以角度θ1繞著O1點Z1坐標軸旋轉(zhuǎn)；O3與O2類似，關(guān)節(jié)角度θ3表示桿件L2與L3的相對位置；桿件3和4的偏置長度為d，相對轉(zhuǎn)角為θ4；O6為測頭。設(shè)定O1點為坐標系原點，根據(jù)坐標變換計算得到O6在O1點坐標系下相對于O1點的空間坐標值，即可完成對測量機結(jié)構(gòu)的數(shù)學建模。

圖2 機身初始姿態(tài)坐標

首先進行坐標矩陣變換，利用MDH建模方法進行旋轉(zhuǎn)β角度變換，當相鄰關(guān)節(jié)軸線平行時，將標準DH模型矩陣乘以一個旋轉(zhuǎn)項，得到MDH模型矩陣為

其中，

然后，從O3轉(zhuǎn)換到O5，各坐標系Z軸相互正交，MDH轉(zhuǎn)換矩陣為

最后推導(dǎo)O5到O6的轉(zhuǎn)換圓柱坐標的變換公式。圓柱坐標公式為

將以上坐標轉(zhuǎn)換進行整合得到測量車身運動學方程，設(shè)測頭相對于測量車身坐標系原點坐標為（Xk，Yk，Zk），得到測頭坐標值為

2.2 硬件驅(qū)動開發(fā)和軟件實現(xiàn)

本文設(shè)計的基于STM32的車身控制系統(tǒng)，其中ARM Cortex－M3與總線通信是系統(tǒng)的核心，其在通信速率、穩(wěn)定性、準確性上都有很高的要求。本文采用的是CAN和LIN總線通信，采用該總線原因如下：第一，在節(jié)點通信速率上能夠滿足ARM模塊的通信要求；第二，在功能和資源配置上，ARM模塊本身有很多外設(shè)接口資源被占用，其IO口配置不易滿足當前傳輸速率和功能配置。

總線通信采用的是主從工作模式，ARM主機控制數(shù)據(jù)傳輸。在硬件資源上，采用四線制雙向通信。在通信過程中，ARM通過片選信號CS發(fā)出啟動傳輸信號，將已裝入8位移位寄存器中的數(shù)據(jù)在8個時鐘信號的驅(qū)動下，一次通過移位寄存器中，整個通信過程中沒有指定數(shù)據(jù)流。考慮到總線通信存在的缺陷，當主機向從機發(fā)送數(shù)據(jù)時，從機接收到數(shù)據(jù)后會拉低中斷信號線提示主機數(shù)據(jù)已經(jīng)收到。

總線硬件驅(qū)動程序主要由以下函數(shù)組成：第一，字符設(shè)備驅(qū)動加載和卸載函數(shù)，第二，字符設(shè)備驅(qū)動的file＿operation結(jié)構(gòu)體和成員函數(shù)。下面簡單介紹加載和卸載函數(shù)驅(qū)動程序，定義代碼如下：

在加載和卸載函數(shù)中分配和釋放字符，主要是由register＿chrdev＿region（）和unregister＿chrdev＿region（）函數(shù)來實現(xiàn)，具體的加載和卸載函數(shù)如下：

2.3 測試驗證

分別隨機獲取車身關(guān)鍵件角度傳感器測量值，每個部位選擇不同的三種姿態(tài)，得到表1數(shù)據(jù)，傳感器實驗數(shù)據(jù)，實測值與理論偏差在1度范圍內(nèi)，系統(tǒng)精度較高，符合系統(tǒng)要求。系統(tǒng)實驗測試平臺如圖3所示。

3 結(jié) 論

本文對汽車車身測量控制系統(tǒng)實現(xiàn)了一種基于STM32的控制，彌補了傳統(tǒng)控制方法可靠性較弱的不足。采用一種優(yōu)化的車身測量控制策略，將車身控制的各項開關(guān)控制和系統(tǒng)診斷兩項功能集中到一個觸摸屏的控制界面中，實現(xiàn)了集中式的控制，提高了系統(tǒng)操作的快捷性、透明性和安全性。經(jīng)過多次實驗表明，該系統(tǒng)可以滿足實際應(yīng)用需要，具有較好的應(yīng)用前景。

表1 傳感器實驗數(shù)據(jù)

圖3 實驗平臺

［1］ Sun B，Hu Y L.Automatic Body Control Model Experimental Platform Design Based on CAN－Bus［J］.Advanced Materials Research，2012，383－390.

［2］ Junshan Gao，Yixiang Zhang，Bo Wun.The Design of a Vehicle Network CAN／LIN Gateway Based on ARM［J］.ICEEE，2010：2328－2331.

［3］ Fredriksson L B.CAN for Critical Embedded Automotive Networks［J］.Micro IEEE，2002，22（4）：28 －35.

［4］ 王金江，秦貴和，郭立書，李秋菊，等.支持多總線互連的車身控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.微計算機信息，2008，24（28）：26－28.

［5］ 韓江洪，魏振春，張本宏，等.總線式車身控制系統(tǒng)的規(guī)則化建模方法［J］.汽車工程，2006，28（12）：1121－1124.