虛擬仿真無(wú)人駕駛汽車(chē)跨學(xué)科實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建

姜顯揚(yáng), 唐向宏

(杭州電子科技大學(xué) 通信工程學(xué)院, 浙江 杭州 310018)

?

虛擬仿真無(wú)人駕駛汽車(chē)跨學(xué)科實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建

姜顯揚(yáng), 唐向宏

(杭州電子科技大學(xué) 通信工程學(xué)院, 浙江 杭州 310018)

采用虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建了“無(wú)人駕駛汽車(chē)防撞預(yù)警技術(shù)”教學(xué)與研發(fā)用跨學(xué)科實(shí)驗(yàn)平臺(tái),利用Simulink和CarSim聯(lián)合完成平臺(tái)的構(gòu)建,進(jìn)行了汽車(chē)防撞預(yù)警模糊控制邏輯算法的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。該平臺(tái)的建設(shè)與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方法相比,具有成本低、建設(shè)周期短、趣味性和創(chuàng)新性強(qiáng)、更能夠滿足知識(shí)快速更新的需要等優(yōu)勢(shì),大大減少了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)成本和風(fēng)險(xiǎn),并實(shí)現(xiàn)綠色建設(shè)實(shí)驗(yàn)室的理念。

虛擬仿真； 無(wú)人駕駛汽車(chē)； 實(shí)驗(yàn)教學(xué)； 跨學(xué)科實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)向縱深發(fā)展,高校理工科教學(xué)與科研工作常常出現(xiàn)跨學(xué)科融合的情況,迫切要求實(shí)驗(yàn)中心能夠快速、經(jīng)濟(jì)地建立跨學(xué)科的實(shí)驗(yàn)研發(fā)與教學(xué)平臺(tái)[1]。但是,直接建立硬件實(shí)物跨學(xué)科實(shí)驗(yàn)平臺(tái)將面臨經(jīng)費(fèi)等多方面困難。采用虛擬仿真技術(shù)[2-9]構(gòu)建科研與教學(xué)跨學(xué)科實(shí)驗(yàn)平臺(tái),具有傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方法無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。杭州電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心在教學(xué)和科研實(shí)踐中,構(gòu)建了無(wú)人駕駛汽車(chē)與電子通信專(zhuān)業(yè)學(xué)科交叉的跨學(xué)科實(shí)驗(yàn)平臺(tái),促進(jìn)了教學(xué)科研的開(kāi)展。

1 無(wú)人駕駛汽車(chē)技術(shù)與電子通信技術(shù)的結(jié)合

無(wú)人駕駛汽車(chē)是近幾年國(guó)內(nèi)外加緊研發(fā)的國(guó)際前沿技術(shù),國(guó)內(nèi)有許多相關(guān)企業(yè)通過(guò)與高校、科研單位的合作,在無(wú)人駕駛汽車(chē)前沿技術(shù)的研發(fā)方面實(shí)現(xiàn)資源整合、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。

汽車(chē)是機(jī)電技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物,而無(wú)人駕駛汽車(chē)對(duì)信號(hào)采集與處理、信息傳輸交換和防撞預(yù)警算法等技術(shù)有更高的要求,汽車(chē)生產(chǎn)企業(yè)的研發(fā)人員迫切需要得到高校電子通信學(xué)科的專(zhuān)業(yè)人員的技術(shù)支持；而高校為完成無(wú)人駕駛汽車(chē)科研項(xiàng)目,也迫切需要快速、經(jīng)濟(jì)地構(gòu)建汽車(chē)項(xiàng)目的研發(fā)和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

無(wú)人駕駛汽車(chē)與電子通信專(zhuān)業(yè)的學(xué)科交叉,既是對(duì)通信學(xué)院現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件的考驗(yàn),又是一個(gè)促進(jìn)本校科研與教學(xué)發(fā)展和進(jìn)步的契機(jī)。由于杭州電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)室條件遠(yuǎn)不能涵蓋汽車(chē)專(zhuān)業(yè)的跨學(xué)科教學(xué)、科研的需要,于是采用虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建跨學(xué)科實(shí)驗(yàn)平臺(tái),圓滿解決了這一難題。

2 虛擬仿真技術(shù)跨學(xué)科實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建

傳統(tǒng)的電子通信專(zhuān)業(yè)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是基于OrCAD、PSPICE、PCAD、Altium Designer、Mutisim、Proteus、LabVIEW、LabWindows、CVI、Matlab/Simulink、ISE等軟件構(gòu)建的,而當(dāng)面對(duì)無(wú)人駕駛汽車(chē)技術(shù)的跨學(xué)科應(yīng)用時(shí),這些實(shí)驗(yàn)手段幾乎無(wú)用武之地。

汽車(chē)專(zhuān)業(yè)的仿真軟件主要有AutoForm、DynaForm、Star-CCM、GT-SUITE、AVL-Fire、CarSim、TruckSim、BikeSim、ADV ISOR、SimulationX、TESIS DYNAware、AUTOSEA、ADAMS、veDYNA 、AMESIM、LS-Dyna等。這些軟件往往不為電子通信專(zhuān)業(yè)的師生所熟悉。

鑒于Matlab/Simulink仿真軟件涵蓋的學(xué)科范圍非常廣泛,不僅在電子、電工、信息、通信、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域,而且在汽車(chē)、土木工程、數(shù)理、金融、醫(yī)學(xué)等很多學(xué)科、工程領(lǐng)域也有廣泛深入的應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)中心根據(jù)校企合作項(xiàng)目需求,經(jīng)過(guò)深入調(diào)查論證,制訂了以Matlab/Simulink仿真軟件為核心,整合電子通信專(zhuān)業(yè)仿真軟件OrCAD、PSPICE、Altium Designer、Proteus和汽車(chē)專(zhuān)業(yè)仿真軟件CarSim構(gòu)建聯(lián)合仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的方案。Matlab/Simulink既有針對(duì)汽車(chē)仿真軟件CarSim的接口,可以互相交換仿真數(shù)據(jù)，也有針對(duì)電子通信軟件的接口,可以互相交換仿真數(shù)據(jù)。Matlab/Simulink仿真軟件起到了一個(gè)橋梁的作用,在汽車(chē)仿真軟件和電子通信仿真軟件之間交換仿真數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通(見(jiàn)圖1)。

圖1 跨學(xué)科聯(lián)合仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

電路設(shè)計(jì)、嵌入式軟件仿真通過(guò)專(zhuān)業(yè)仿真軟件OrCAD、PSPICE、Altium Designer、Proteus等完成；信號(hào)處理算法通過(guò)Matlab/Simulink仿真軟件進(jìn)行驗(yàn)證,并與電路仿真軟件對(duì)照分析；汽車(chē)動(dòng)力學(xué)行為通過(guò)

CarSim仿真軟件模擬,并與Matlab/Simulink仿真軟件中的信號(hào)處理算法通過(guò)接口相連接。該仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建方案完全以虛擬環(huán)境的方式建立控制電路與無(wú)人駕駛汽車(chē)之間的連接,可以編寫(xiě)、分析、驗(yàn)證、修改核心信號(hào)處理算法,并設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、分析、修改電子電路硬件與嵌入式軟件,平臺(tái)搭建方便快捷,建設(shè)成本低廉,實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)方便有效,充分滿足了校企合作項(xiàng)目研發(fā)和大學(xué)生創(chuàng)新競(jìng)賽的需要。

CarSim 是一款汽車(chē)整車(chē)動(dòng)力學(xué)仿真軟件,模型準(zhǔn)確、建模快速、易于修改,駕駛員操縱轉(zhuǎn)向、剎車(chē)、油門(mén)等操作行為變量和路面、風(fēng)向等行車(chē)環(huán)境變量,均能實(shí)時(shí)地反映到車(chē)輛模型的動(dòng)態(tài)響應(yīng)之中,其輸出的狀態(tài)量也非常豐富,輸出數(shù)據(jù)以動(dòng)畫(huà)、曲線、表格等多種形式顯示，以供研究分析。

以Matlab/Simulink仿真軟件為核心,聯(lián)合CarSim建模進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),可以設(shè)置一些實(shí)物實(shí)驗(yàn)中很難實(shí)現(xiàn)的高成本或極端危險(xiǎn)的工況和行車(chē)條件,并對(duì)整車(chē)系統(tǒng)與環(huán)境因素進(jìn)行多角度、全方位的仿真實(shí)驗(yàn)研究。

3 無(wú)人駕駛汽車(chē)防撞預(yù)警虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

以校企合作項(xiàng)目“無(wú)人駕駛汽車(chē)防撞預(yù)警技術(shù)”為例,采用模糊控制邏輯實(shí)現(xiàn)防撞預(yù)警的判定,并以跨學(xué)科聯(lián)合仿真平臺(tái)作為項(xiàng)目研發(fā)的實(shí)驗(yàn)手段。

首先,通過(guò)Simulink和CarSim聯(lián)合仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)完成汽車(chē)防撞預(yù)警模糊控制邏輯算法的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。

CarSim提供聯(lián)合仿真所需的汽車(chē)動(dòng)力學(xué)模型,該模型能夠反映汽車(chē)各種運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性,并實(shí)時(shí)模擬車(chē)輛的行駛過(guò)程,然后輸出信號(hào)參量提供給Simulink仿真軟件,包括車(chē)輛的自車(chē)位置S、縱向速度V、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速ωe、加速度a等信息。

在Simulink中建立加速制動(dòng)切換邏輯模型、加速控制模型、制動(dòng)控制模型和模糊控制模型。其中,制動(dòng)控制模型如圖2所示,模糊控制部分的模型如圖3所示。

圖2 Simulink構(gòu)建制動(dòng)控制模塊模型

圖3 模糊控制邏輯模塊圖

將在Simulink仿真軟件中建立的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃驮贑arSim仿真軟件中建立的動(dòng)力學(xué)模型相連接,組成一個(gè)以期望加速度為輸入,以車(chē)輛速度、車(chē)輛位移為輸出的閉合的仿真系統(tǒng),如圖4所示。

圖4 CarSim與Simulink聯(lián)合仿真模型圖

在圖4中,前車(chē)(編碼“i_i”)和本車(chē)(編碼“i_i2”)在CarSim仿真軟件中設(shè)置各項(xiàng)環(huán)境條件和車(chē)輛動(dòng)力學(xué)參數(shù),輸出車(chē)輛速度參數(shù)V1、V2和車(chē)輛位置參數(shù)S1、S2給Simulink之中的模糊控制邏輯模塊。模糊控制邏輯根據(jù)算法運(yùn)算得到本車(chē)期望加速度參數(shù)并輸出給加速制動(dòng)控制模塊,包括加速制動(dòng)切換邏輯模塊、加速控制模塊和制動(dòng)控制模塊。然后,加速控制模塊和制動(dòng)控制模塊分別輸出油門(mén)量或剎車(chē)量給本車(chē),用于控制本車(chē)與前車(chē)之間的安全車(chē)距。

根據(jù)兩車(chē)距離和相對(duì)速度大小的不同組合,設(shè)置了4種有代表性的仿真工況:

(1) 大間距高速接近:兩車(chē)間距500 m，前車(chē)初速度80 km/h并以1 MPa壓力剎車(chē)，后車(chē)初速度120 km/h，仿真時(shí)長(zhǎng)30 s；

(2) 大間距低速接近:兩車(chē)間距500 m；前車(chē)初速度80 km/h,無(wú)剎車(chē)，后車(chē)初速度120 km/h，仿真時(shí)長(zhǎng)30 s；

(3) 小間距高速接近:兩車(chē)間距100 m，前車(chē)初速度80 km/h并以1 MPa壓力剎車(chē)，后車(chē)初速度120 km/h，仿真時(shí)長(zhǎng)30 s；

(4) 小間距低速接近:兩車(chē)間距100 m；前車(chē)初速度80 km/h,無(wú)剎車(chē)，后車(chē)初速度120 km/h，仿真時(shí)長(zhǎng)30 s。

仿真結(jié)果如圖5所示。圖中,橫坐標(biāo)是仿真時(shí)間t,即車(chē)輛運(yùn)行時(shí)間；縱坐標(biāo)是車(chē)輛的位置坐標(biāo)，前車(chē)與后車(chē)在道路上的間距s可以從中相減得出。從圖5可以看出,在4種工況下模糊控制算法均能有效保持后車(chē)與前車(chē)的安全距離,從而達(dá)到防撞預(yù)警并自動(dòng)制動(dòng)的目的。仿真結(jié)果表明,跨學(xué)科實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是有效的。

圖5 不同仿真工況下前車(chē)與后車(chē)的車(chē)間距離變化圖

另外,防撞預(yù)警控制電路硬件和嵌入式軟件的設(shè)計(jì)仿真,是在Matlab/Simulink驗(yàn)證了模糊控制邏輯模塊的算法之后,進(jìn)一步通過(guò)專(zhuān)業(yè)仿真軟件OrCAD、PSPICE、Altium Designer、Proteus等所做的實(shí)驗(yàn),信號(hào)處理算法通過(guò)Matlab/Simulink仿真軟件進(jìn)行驗(yàn)證,并與電路仿真軟件對(duì)照分析。這些步驟與一般電子電路虛擬仿真實(shí)驗(yàn)方法相同,很多文獻(xiàn)已經(jīng)有所論述[10-13],在此不再贅述。

4 結(jié)語(yǔ)

基于虛擬仿真技術(shù)的無(wú)人駕駛汽車(chē)跨學(xué)科實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建,促進(jìn)了教學(xué)、科研的發(fā)展。汽車(chē)防撞預(yù)警虛擬仿真實(shí)驗(yàn)案例表明,跨學(xué)科實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)是合理有效的,它成功解決了科研教學(xué)中的設(shè)備問(wèn)題。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)也為電子通信專(zhuān)業(yè)的本科學(xué)生和研究生參加“挑戰(zhàn)杯”、各類(lèi)電子競(jìng)賽和創(chuàng)新性大學(xué)生實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽等大型賽事提供了一個(gè)良好的汽車(chē)項(xiàng)目教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

References)

[1] 安建強(qiáng).基于虛擬仿真技術(shù)的創(chuàng)新訓(xùn)練研究與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2015,32(12):179-182.

[2] 張敬南,張镠鐘.實(shí)驗(yàn)教學(xué)中虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用的研究[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2013,30(12):101-104.

[3] 胡曉輝,萬(wàn)嵩.計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)在高教中的應(yīng)用研究[J].高教學(xué)刊,2015(24):81-82.

[4] 魏宏波.基于虛擬儀器技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探討[J].中國(guó)現(xiàn)代教育裝備,2009(11):92-94.

[5] 李奇.桌面虛擬現(xiàn)實(shí)及其在網(wǎng)絡(luò)教育中的應(yīng)用研究[D].上海:華東師范大學(xué),2004.

[6] 劉承波.信息時(shí)代高等學(xué)校教學(xué)過(guò)程的變革及其運(yùn)行機(jī)制[D].廈門(mén):廈門(mén)大學(xué),2002.

[7] 邵鵬.網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)體系結(jié)構(gòu)研究[D].武漢:華中師范大學(xué),2003.

[8] 鐘秉林.國(guó)際視野中的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)[J].中國(guó)高等教育,2007(增刊1):37-40.

[9] 鐘秉林.中國(guó)大學(xué)改革與創(chuàng)新人才教育[M].北京:北京師范大學(xué)出版社,2010:45-46.

[10] 陳恒.虛擬仿真技術(shù)在電子類(lèi)實(shí)驗(yàn)課程中的應(yīng)用研究[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué),2015,18(3):59-61.

[11] 陳麗霞,范士勇,劉鑫.虛擬仿真技術(shù)在現(xiàn)代通信網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2015,32(4):133-135.

[12] 林若波,彭燕標(biāo),陳炳文,等.虛擬仿真技術(shù)在“電力電子技術(shù)”課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].云南民族大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2013,22(5):378-381.

[13] 李娜.虛擬仿真技術(shù)在數(shù)字電路課程改革實(shí)踐中的應(yīng)用研究[J].現(xiàn)代教育技術(shù),2010,20(7):147-150.

Construction of interdisciplinary experimental platform for virtual simulation of pilotless automobile

Jiang Xianyang, Tang Xianghong

(School of Communication Engineering, Hangzhou University of Electronic Science and Technology，Hangzhou 310018, China)

By using the virtual simulation technology, an interdisciplinary experimental platform of “Pilotless automobile collision warning technology” for research and teaching is constructed, and based on the combination of Simulink and CarSim, this platform is jointly completed to carry out the design and verification of the logic algorithm of the fuzzy control for automobile collision avoidance warning. Compared with the traditional methods of laboratory construction, this platform construction has the advantages such as lower cost, shorter construction period, more interesting and innovation, and being more able to meet the needs of the rapid updating of knowledge. In addition, it can greatly reduce unnecessary construction cost, and realize the idea of green laboratory construction.

virtual simulation; pilotless automobile; experimental teaching; interdisciplinary experimental platform

10.16791/j.cnki.sjg.2016.11.029

虛擬仿真技術(shù)探索與實(shí)踐

2016-05-12

浙江省高等教育學(xué)會(huì)高校實(shí)驗(yàn)室工作研究重點(diǎn)項(xiàng)目(ZD201601)；杭州電子科技大學(xué)2016年高等教育研究資助項(xiàng)目(XNFZ201610)

姜顯揚(yáng)(1971—),男,湖北大冶,博士,講師,主要從事信息與通信專(zhuān)業(yè)科研與教學(xué)研究.

E-mail：jiangxy@hdu.edu.cn

G642.0；TP391.9

A

1002-4956(2016)11-0117-04