人—車—路虛擬仿真中駕駛數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開發(fā)

摘要：為了實現(xiàn)人—車—路系統(tǒng)虛擬仿真中的人機交互，從軟/硬件兩個方面研究了半實物模型中加速踏板、制動踏板、離合器、變速器、方向盤等駕駛操作信號的數(shù)據(jù)采集技術(shù)。利用數(shù)據(jù)擬合技術(shù)，獲得了駕駛操作參數(shù)的計算模型。硬件系統(tǒng)采用分布式上下位機結(jié)構(gòu)，上下位機之間采用點對點方式進行RS－232接口通信。上位機以視景主控工作站作為硬件環(huán)境，利用多線程技術(shù)、計算機串行通信技術(shù)開發(fā)了模擬駕駛操作數(shù)據(jù)采集軟件模塊。下位機由89S52單片機控制，采用C語言進行程序設(shè)計。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真；人—車—路；數(shù)據(jù)采集；串行通信

中圖分類號：TP391.9文獻標志碼：A

文章編號：1001－3695(2007)07－0229－03

人—車—路（環(huán)境）虛擬仿真是將虛擬現(xiàn)實技術(shù)用于公路線形、交通工程設(shè)施等道路安全評價、設(shè)計優(yōu)化研究的一門綜合性技術(shù)。通過建立設(shè)計公路、設(shè)施的虛擬三維模型，在具有高度沉浸感的環(huán)境中進行虛擬仿真試驗，把數(shù)字信息變?yōu)橐詧D形圖像形式表示、隨時間和空間變化而變化的直觀仿真過程呈現(xiàn)在人們面前。通過人—車—路（環(huán)境）虛擬仿真系統(tǒng)，可以獲得各種定量指標，對公路的使用效果、安全性進行科學評價，為設(shè)計提供科學依據(jù)。

為了實現(xiàn)人—車—路（環(huán)境）虛擬仿真中駕駛?cè)伺c視景的交互，需要利用模擬駕駛設(shè)備對虛擬場景中的車輛進行實時操縱。因此，人—車—路（環(huán)境）虛擬仿真系統(tǒng)研究中的一項關(guān)鍵技術(shù)是基于半實物模型的駕駛操作信號數(shù)據(jù)采集技術(shù)，即利用單片機技術(shù)、計算機串行通信技術(shù)完成對模擬駕駛操作（加速踏板、制動踏板、離合器、變速器、方向盤）等信號的數(shù)據(jù)采集工作，其開發(fā)工作包括硬件和軟件兩方面內(nèi)容。

1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件開發(fā)

1．1硬件系統(tǒng)概述

人—車—路（環(huán)境）虛擬仿真是利用模擬駕駛操作臺作為輸入設(shè)備，并結(jié)合三通道柱面投影顯示系統(tǒng)進行的虛擬試驗。硬件系統(tǒng)采用了分布式上下位機結(jié)構(gòu)，上下位機之間采用RS－232接口、點對點方式進行通信。上位機以視景主控計算機作為硬件環(huán)境，下位機由89S52單片機控制[1]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。下位機系統(tǒng)布局如圖2所示。下位機系統(tǒng)的通信模塊采用了Maxim公司的MAX202作為TTL電平到RS－232電平的轉(zhuǎn)換器件。智能測控單元采用89S52單片機作為控制核心，由于該芯片內(nèi)置了8 KB的Flash ROM，無須再擴展程序存儲器。系統(tǒng)擴展了32 KB RAM，用做數(shù)據(jù)存儲區(qū)和采集信號的存儲緩沖區(qū)[2]。

模擬駕駛實驗臺中的方向盤轉(zhuǎn)角、加速踏板、制動踏板、離合器踏板位移等信號均采用精密電位器作為傳感器來進行數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)中傳感器激勵電壓為10 V，由模擬量信號調(diào)理電路產(chǎn)生并供給。上述傳感器的輸出信號經(jīng)過放大，轉(zhuǎn)換成0~10 V的標準電壓信號后，送到模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換電路中進行A/D轉(zhuǎn)換。

對于變速桿，由于其只在換擋過程中的某一時刻產(chǎn)生突變，大多數(shù)時間保持不變，并且對于某一擋位而言，其狀態(tài)只有兩種，在變速桿上安裝了六個開關(guān)作為其傳感器，分別表示1、2、3、4、5、R擋位的狀態(tài)，通過光電隔離的開關(guān)量輸入信號調(diào)理模塊，進行驅(qū)動和調(diào)理。

1．2駕駛操作計算模型

在人—車—路（環(huán)境）虛擬仿真系統(tǒng)中，車輛的運動是根據(jù)動力學計算模型來實現(xiàn)的。車輛動力學計算模型的輸入是駕駛?cè)说膶崟r操縱。因此，為了能夠獲得操作信號的數(shù)值，需要獲得操作參數(shù)數(shù)值和輸出電壓間的關(guān)系，即駕駛操作計算模型。通過數(shù)據(jù)擬合技術(shù)，得到的計算模型如下：

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計

2．1通信協(xié)議

為了保證上下位機通信的可靠性，必須設(shè)計完善的通信協(xié)議[3]。本系統(tǒng)采用的通信方式定義如表1所示[4]。命令幀格式說明如表2所示。數(shù)據(jù)幀格式說明如表3所示。數(shù)據(jù)區(qū)格式說明如表4所示。

2．2下位機通信

下位機與上位機的通信采用RS－232通信標準。89S52單片機內(nèi)置了一個UART（通用異步接收/發(fā)送）用于串行通信；TXD引腳用于數(shù)據(jù)發(fā)送；RXD引腳用于接收數(shù)據(jù)。TXD和RXD引腳使用的是TTL電平，不能直接用于RS－232的通信，因此系統(tǒng)選用了Maxim公司的MAX232芯片作為TTL電平與RS－232電平之間的電平轉(zhuǎn)換器件[5]。智能測控單元（下位機）的程序采用C語言進行設(shè)計，利用中斷服務(wù)子程序來完成串行通信數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。下位機主控程序流程如圖3所示。串行中斷服務(wù)子程序流程如圖4所示。

2．3上位機通信

上位機的通信程序是虛擬仿真系統(tǒng)的一部分，它是在Windows環(huán)境下利用Visual C++6.0平臺開發(fā)的，而視景仿真則是在Vega API的基礎(chǔ)上啟動渲染線程實現(xiàn)的。上位機的通信程序采用了Windows API實現(xiàn)。

在Windows系統(tǒng)中，串行通信有查詢和事件驅(qū)動兩種工作方式。兩種工作方式各有優(yōu)缺點：查詢方式占用部分CPU時間，但數(shù)據(jù)不易丟失；事件驅(qū)動方式雖然占用極少的CPU時間，但數(shù)據(jù)容易丟失，且難以進行采集頻率的控制。本系統(tǒng)中上位機的通信模塊設(shè)計采用了查詢方式。

計算機所接收的通信請求往往是異步的、突發(fā)性的。而系統(tǒng)接收串口通信請求后，只與通信緩沖區(qū)進行數(shù)據(jù)交換，并不產(chǎn)生相應(yīng)消息通知用戶進程[6]。因此，用戶進程必須定時查詢通信狀態(tài)并自覺對通信緩沖區(qū)進行訪問，否則會造成對串口通信請求反應(yīng)不及時，使緩沖區(qū)發(fā)生溢出，通信出錯。此外，若通信過程出現(xiàn)錯誤而不能及時被發(fā)覺，將造成通信過程長時間停滯。為解決上述問題并滿足系統(tǒng)對實時性的要求，在通信模塊的開發(fā)中使用了多線程技術(shù)，即啟動了另外一個輔助線程來利用循環(huán)查詢方式讀取串口數(shù)據(jù)。當輔助通信線程監(jiān)測到有通信請求時，發(fā)送自定義消息，調(diào)用相應(yīng)的消息處理函數(shù)與下位機建立通信，讀取駕駛操作數(shù)據(jù)。基于多線程的上位機串行通信流程如圖5所示。

上位機的串行通信過程如下：

（1）打開串行口。用CreateFile函數(shù)打開串行口，創(chuàng)建通信資源的句柄。

（2）初始化串行通信資源。串行口打開成功后，進行串行口的初始化工作，配置串行口的通信參數(shù)，如波特率、數(shù)據(jù)位數(shù)、停止位、校驗位等。使用設(shè)備控制塊DCB修改這些參數(shù)；使用CreateEvent為讀/寫、自定義消息創(chuàng)建通信事件。

（3）超時設(shè)置。編寫通信應(yīng)用程序的一個關(guān)鍵問題是如何處理通信中的不可預(yù)知事件，如接收數(shù)據(jù)過程突然被中斷，或者發(fā)送數(shù)據(jù)突然停止等。如果處理不當，可能會引起I/O線程掛起或者線程被無限阻塞。因此在系統(tǒng)中使用了Set－CommTimeouts函數(shù)來設(shè)置通信異常的相應(yīng)處理規(guī)則。

（4）創(chuàng)建輔助通信線程。

（5）向下位機發(fā)送讀數(shù)據(jù)命令。使用WriteFile()函數(shù)向串口寫數(shù)據(jù)。

（6）通過RS－232讀取操作數(shù)據(jù)。使用ReadFile()讀串口數(shù)據(jù)。

（7）數(shù)據(jù)分析。如有駕駛操作信號產(chǎn)生，則向主線程發(fā)送數(shù)據(jù)。

（8）關(guān)閉串口。使用CloseHandle()函數(shù)關(guān)閉串口通信資源。

3 結(jié)束語

本文利用單片機技術(shù)、計算機串行通信技術(shù)，實現(xiàn)了基于半實物模型的人—車—路虛擬仿真中加速踏板、制動踏板、離合器、變速器、方向盤等駕駛操作信號的數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)采用分布式上下位機結(jié)構(gòu)，上下位機之間采用了點對點方式進行RS－232接口通信。由于采用了基于多線程和查詢方式的模塊開發(fā)技術(shù)，系統(tǒng)具有很好的實時性和魯棒性。利用該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，成功地進行了駕駛?cè)税踩刂栖囁俚奶摂M仿真試驗。試驗畫面如圖6所示。該系統(tǒng)的開發(fā)方法，同樣適用于其他類型的人機交互環(huán)境。

參考文獻：

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注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文”