汽車駕駛模擬器數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)設計實現(xiàn)

摘? 要：汽車駕駛模擬器能夠模擬汽車運動，使駕駛者獲得與真實車輛駕駛的相同感受，駕駛員通過模擬的真實駕駛訓練環(huán)境和外圍設備控制虛擬汽車進行駕駛，并借由顯示屏、音響設備、傳感器元件獲取感官信息反饋。該文主要采用STM32單片機、USB通信協(xié)議，設計汽車駕駛模擬器數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，進行汽車硬件設備的操作數(shù)據(jù)采集和處理，實時獲悉外圍設備的狀態(tài)，使駕駛員能夠根據(jù)虛擬場景實時路況，進行相應的駕駛操作，完成駕駛科目訓練和考試。

關鍵詞：汽車駕駛? 模擬器? 數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)? 設計

中圖分類號：TN919 ? ?文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2020）04（a）-0032-02

汽車駕駛模擬器模擬汽車的真實運動，實現(xiàn)多輸入、多輸出和快速響應，該文重點探討基于駕校實地場景的駕校學員訓練和考試系統(tǒng)，由駕駛學員在虛擬的駕駛場地環(huán)境下，通過實際操作硬件設備來控制三維駕駛汽車模型，預先獲悉和了解駕駛規(guī)則，實時采集方向盤、離合器、油門、剎車、擋位、手剎、轉(zhuǎn)向燈、雨刷、車鎖等數(shù)據(jù)，為實地考試做好準備。

1? 汽車駕駛模擬器數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)硬件設備分析

1.1 硬件設備

汽車駕駛模擬器設備主要包括有以下部分：（1）喇叭。通常將其設計于方向盤的中間，用于提醒路人或其他車輛，確保車輛通行順暢。（2）雨刷。通過控制開關的關閉、慢刷、快刷、噴水量等控制方式，確保汽車擋風玻璃的清潔。（3）車鎖開關。通過車鎖開關啟動汽車，控制車輛的啟動狀態(tài)。（4）檔位控制器。通常由1、2、3、4、5、R這6個檔位構(gòu)成，用于調(diào)節(jié)汽車的行駛速度，確保行車安全可控。（5）手剎控制器。利用該設備防止汽車停止時溜車及啟動時前沖。（6）方向盤。通過方向盤轉(zhuǎn)角控制汽車的拐彎，實現(xiàn)汽車在行駛過程中的轉(zhuǎn)向操作。（7）車燈。通常由小燈、大燈、近光燈和遠光燈組成，確保汽車在黑暗環(huán)境下安全行駛。轉(zhuǎn)向燈包括有左轉(zhuǎn)向、右轉(zhuǎn)向、雙閃，用于提醒他人汽車的轉(zhuǎn)彎。（8）離合。通過離合啟動汽車，避免換擋速度過快而導致汽車行駛不夠平穩(wěn)。（9）剎車與油門。前者用于控制汽車的減速及停止;后者用于控制汽車的加速及減速。

1.2 傳感器

可以采用霍爾傳感器的磁場及變化，檢測三踏板行程位移，獲悉位移、速度、轉(zhuǎn)角等相關參數(shù)，其應用原理為：在薄片的垂直方向施加強度為B的勻強磁場，薄片兩端接通電流，在電流與磁場垂直的方向上會產(chǎn)生電勢差為UH的霍爾電壓。在該系統(tǒng)設計中選用線性霍爾傳感器，利用霍爾效應測量制動踏板的位移，通過霍爾元件感應離合、剎車、油門底部永久磁場輸出的電壓信號，對其進行數(shù)模轉(zhuǎn)換和計算，獲悉制動踏板行程。而在測量方向盤的轉(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)角設計中，則選用光柵傳感器，利用檢測電路對光的遮擋輸出脈沖來測量轉(zhuǎn)角，由光柵傳感器輸出的有序脈沖判定方向盤的正反轉(zhuǎn)。

1.3 回正電機選擇

由于汽車駕駛模擬器對方向盤的靈活度要求較高，決定著汽車車身旋轉(zhuǎn)的速度，為此要注重對控制電機的選擇，該系統(tǒng)選取24V直流永磁電機，由直流電機的定子產(chǎn)生磁場，實現(xiàn)汽車駕駛模擬器方向盤對行駛方向的有效控制[1]。

2? 汽車駕駛模擬器數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)硬件電路設計與應用

汽車駕駛模擬器數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)主要采集駕駛員操作信號數(shù)據(jù)，例如：油三踏板行程信號，方向盤的轉(zhuǎn)角信號，檔位、雨刷、車燈、喇叭、車鎖燈等組合開關的信號，其硬件電路設計主要包括以下內(nèi)容。

2.1 CPU設計與應用

該系統(tǒng)采用一個32位STM32的芯片，型號為STM32F103XC8T6，涵蓋有18個開關量和3路模擬量，信號處理速度達到72MHz，內(nèi)置一個8MHz的晶振，可以放大鎖相環(huán)。并通過內(nèi)部數(shù)模轉(zhuǎn)換，進行模擬量的采集，體現(xiàn)電路設計的簡化特性。

2.2 外圍電路設計與應用

（1）電源系統(tǒng)。該部分為電機、芯片提供穩(wěn)定的電源，包括有AMS1117正向低壓穩(wěn)壓器、CON2直流電壓接口、基準電壓和地之間的小容量電容連接，有效實現(xiàn)穩(wěn)壓，避免輸出電壓受到輸入電壓的波動影響。（2）系統(tǒng)時鐘電路。采用外接晶體振蕩器的方式設置系統(tǒng)時鐘電路信號，通常來說，系統(tǒng)電路外接晶振為8MHz，并在芯片內(nèi)部鎖相環(huán)電路的作用下，可以對實時時鐘的基頻進行倍頻，使之達到72MHz，并將RCC時鐘、ADC時鐘、USB時鐘信號分頻提供給不同的模塊，確保晶振正常穩(wěn)定運行。（3）通信協(xié)議接口電路。USB通信協(xié)議快速便捷，支持熱插拔、即插即用，可以較好地應用于汽車駕駛模擬器的數(shù)據(jù)傳輸，體現(xiàn)出廣播方式傳輸報文的獨特優(yōu)勢，將采集數(shù)據(jù)實時傳送到三維汽車動力學模型中，其通信串口USB2.0能夠配置1～8個端點，最大速率為480MB/s，進行反向不歸零編碼/解碼的同步傳輸方式，并采用CRC（循環(huán)冗余校驗）方式進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)男ｒ?。同時，USB2.0協(xié)議支持批量/同步端點的雙緩沖區(qū)機制，支持掛起和喚醒，抗干擾能力強。

2.3 采集模塊電路設計與應用

（1）三踏板行程采集電路。采用霍爾傳感器采集離合、油門、剎車的位移。（2）開關量采集電路。車燈由不同的組合開關組成，包括大燈、小燈、遠光、左轉(zhuǎn)向、右轉(zhuǎn)向，用于轉(zhuǎn)向提示和夜間照亮。雨刷由不同的組合開關構(gòu)成，包括慢刷、快刷、雨刷清洗，用于陰雨天汽車擋風玻璃的清潔。喇叭由微動開關組成，用于提醒路人及其他車輛。檔位開關由開關線霍爾傳感器組成，用于汽車行駛過程的速度切換。車鎖開關包括有汽車啟動、關閉啟和上鎖，確保汽車的正常啟動。方向盤則是通過光柵尺的脈沖量判定其轉(zhuǎn)角[2]。

3? 汽車駕駛模擬器數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)模塊化設計與應用

3.1 開關量采集模塊設計與應用

（1）車燈及雨刷信號采集。在合理配置IO口的傳輸方式及速度的前提下，基于通訊協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸，如大/小燈、遠光、左轉(zhuǎn)向、右轉(zhuǎn)向的數(shù)據(jù);慢刷、快刷、快速噴水的數(shù)據(jù)。（2）車鎖及喇叭信號采集。要配置IO口的傳輸方式、傳輸速度，判斷并獲悉組合開關操作的狀態(tài)值，如：開鎖、打火啟動等車鎖狀態(tài)值。（3）檔位與駐車信號采集。配置IO口的傳輸方式、速度，判斷獲悉掛檔、拉動手剎等狀態(tài)。

3.2 三踏板行程采集模塊設計與應用

油門、剎車、離合通過芯片的ADC采集模擬量，并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，經(jīng)由DMA方式進行傳輸，完成外設地址與存儲器地址、存儲器地址之間的數(shù)據(jù)搬移，數(shù)據(jù)傳輸過程無須CPU的參與，僅依靠DMA的獨立通道配置方式進行數(shù)據(jù)的搬移，有效節(jié)約CPU資源。

3.3 方向盤信號采集模塊設計與應用

汽車駕駛模擬器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的方向盤正反轉(zhuǎn)主要是由電機正反轉(zhuǎn)控制，通過校準控制電機自動回正中心位置，當方向盤轉(zhuǎn)動時，電機會產(chǎn)生阻力，防止方向盤過于靈活而失控。并通過光柵尺采集方向盤的轉(zhuǎn)角信號[3]。

4? 結(jié)語

綜上所述，汽車駕駛模擬器數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)進行硬件電路、軟件模塊的設計和應用，較好地為汽車模型提供控制量。后續(xù)還要加強對系統(tǒng)核心部件的研究，要選擇具有更大功率的元器件，避免核心部件穩(wěn)壓電路長時間運行而發(fā)熱的現(xiàn)象。并要持續(xù)完善駕駛模擬器方向盤的控制，要添加方向盤的助力，由控制電機接收三維駕駛系統(tǒng)虛擬部分反饋的指令，并運用優(yōu)化的相關算法提升汽車模擬駕駛效果，提升系統(tǒng)整體的實時性。

參考文獻

[1] 唐向東，黃志永.汽車駕駛模擬器在駕駛培訓中的應用分析[J].汽車與駕駛維修：維修版，2017（12）：96.

[2] 郭敏，莊信武，任海波，等.基于USB2.0的多串口數(shù)據(jù)采集設計[J].國外電子測量技術(shù)，2017（36）：79.

[3] 張燚，邵建龍，陳廣，等.汽車駕駛模擬器數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的設計[J].微處理機，2017（1）：91-95.

作者簡介：姜楷（1982，10—），男，漢族，江蘇鹽城人，本科，中級工程師，目前從事駕考駕培相關設備以及交通信號的研發(fā)生產(chǎn)工作。