三維虛擬汽車網絡仿真實驗平臺的設計與實現

李亞南, 王伊瑾

(河北農業大學 信息科學與技術學院, 河北 保定 071001)

CAN(controller area network)總線技術是工業自動控制領域應用最廣的一種控制網絡技術[1],是工業控制實現網絡化、信息化的關鍵技術。CAN總線廣泛應用于汽車網絡,簡化了車內布線,便于檢查維修,增強了汽車的安全性、可靠性,節約了制造成本。本課程的學習不僅要讓學生掌握CAN總線技術的原理與應用,而且要提高學生對網絡通信協議的理解和工程實踐開發應用能力。

課程涉及大量通信概念、協議,學習內容抽象、晦澀,單純的理論教學難以讓學生理解和掌握,實踐教學是學生學好CAN總線技術的有效方法。傳統的實踐方法存在以下不足：(1)汽車臺架投入大、場地受限、維護困難；(2)實驗板對網絡控制和設計的體現不夠；(3)對課程涉及的知識點的體現和輔助力度不夠。

針對以上問題,本文提出一套基于CAN總線的汽車網絡實驗系統,采用現代化的軟、硬件技術構建3D虛擬仿真實驗平臺,最終效果將在一輛虛擬汽車上進行全視角立體仿真展示。

1 仿真實驗平臺相關技術

1.1 系統

本實驗項目所在的“三維實驗平臺”,以計算機仿真技術和網絡技術為依托,采用面向對象的軟件架構,集實物仿真、智能指導、虛擬實驗結果自動批改和教學管理于一體,具有良好的自主性、交互性和可擴展性。如圖1所示,本項目將教學平臺及資源分為5層,直到完成虛擬實驗教學環境的構建。下面將按照從上至下的順序分別闡述各層的任務與內容。

圖1 系統總體架構圖

(1) 用戶層。本設計中用戶分為高級管理員、管理員以及普通用戶,不同級別對應用系統層的可操作內容不同,主要區別在于系統管理應用。超級管理員可以對虛擬實驗部分、數據展示、數據查詢和系統管理進行全部操作,管理員則只可操作部分系統管理內容,普通用戶只能對虛擬實驗進行操作。

(2) 應用系統層。應用系統層不僅包括數據展示、數據查詢及系統管理,還根據課程實驗需要,利用業務支撐層和數據資源層提供的各種工具,創建虛擬實驗教學實例,主要包括汽車CAN通信系統狀態模擬、汽車CAN通信故障檢修、汽車網絡節點通信設計等。

(3) 業務支撐層。業務支撐層包含業務服務支撐、網絡傳輸服務支撐、數據傳輸服務支撐和安全服務支撐,負責支撐應用系統層各功能之間的協調工作。

(4) 數據資源層。數據資源層包括空間數據庫、業務數據庫和設備狀態庫,負責應用系統層及業務支撐層的數據運用。

(5) 基礎平臺層。基礎平臺層硬件部分包括高性能服務器、數據采集設備、海量存儲和網絡,軟件部分包括操作系統、三維仿真系統和數據庫管理系統。基礎平臺層主要負責前面四層的運行。

1.2 開發技術

本設計通過虛擬現實、跨平臺應用程序開發引擎Unity3D,采用編程語言C#,對整個系統場景進行搭建,在場景搭建完成基礎上對三維建筑、模型等元素進行可視化操作,實現了三維仿真技術、三維動畫仿真技術、人機交互技術、光照模擬技術、三維漫游技術等。

(1) 三維仿真技術。三維仿真技術是利用計算機技術創建逼真的、具有多種感知的虛擬環境,用戶可通過使用各種傳感設備同虛擬環境中的實體相互作用的一種技術[2]。在該項目中,參與者可以通過數據手套、數據衣、鼠標、鍵盤與汽車和場景進行交互。通過使用3D Studio Max構建汽車和修車廠等真實比例為1∶1的模型,再通過Unity3D調整材質、效果等,從而實現三維仿真功能。

(2) 三維動畫仿真技術。三維動畫仿真技術能夠將真實物體的動作模擬成一個虛擬的動畫,三維動畫具有真實、精確、可操作性強等優點[3]。本仿真平臺中,汽車在接收到指令時的運動模擬、汽車與人交互時的動作模擬、泊車和駕駛中的運動狀態模擬等,所用到的就是三維動畫仿真技術。

(3) 人機交互技術。人機交互技術是指通過計算機輸入、輸出設備,以有效的方式實現人與計算機對話的技術[4]。除了常規的鼠標、鍵盤的傳統交互方式,本仿真平臺還利用數據手套、數據衣捕獲參與者的“姿勢信息”對手和身體的運動進行跟蹤,完成自然的人機交互。

(4) 光照模擬技術。本平臺中所有場景的燈光烘焙都使用了光照模擬技術,例如修理廠場景屋頂上的燈光以及物體影子的模擬、戶外行駛中汽車的光照和陰影效果等。系統將不同的光照信息,如戶外的陽光、修理廠室內的燈光保存在光照貼圖的不同通道里,通過Shader將這些信息進行處理,動態地為場景調整不同的光照風格。

(5) 三維漫游技術。本仿真平臺中,在對汽車的觀測和與汽車的互動操作中都廣泛使用了三維漫游技術。參與者可從任意角度和距離并選擇任意精細程度,對仿真場景和汽車模型進行身臨其境的全方位審視。例如在對汽車的駕駛操作過程中,參與者可以在“操作者”和“旁觀者”模式中選擇并自由切換。

2 實驗內容設計

以汽車網絡節點和通信設計中的“車窗控制單元設計與仿真運行”實驗為例。實驗的主要任務是設計一個基于CAN總線的汽車車窗通信網絡,該實驗包括智能節點硬件的設計及通信協議的設計和仿真。實驗采用闖關式任務法,把一個整體的設計項目細化成6個層層遞進的任務,實驗任務主要界面如圖2所示。每個任務目標明確,內容完整,讓學生能有的放矢地去把握。實驗任務涉及盡可能多的知識點,考慮單個任務與整個教學內容之間的聯系,涵蓋了課程的多項知識與技能。

圖2 車窗控制單元設計與仿真運行實驗任務主要界面

2.1 搭建汽車的CAN數據總線網絡

此為第1項任務,即搭建汽車CAN網絡中的各個控制單元,宏觀地認識汽車CAN通信系統的主要控制單元及整體體系結構。

汽車網絡中,根據各控制單元對通信速度的不同需求,通常設置成兩種不同通信速度的CAN總線,即汽車的CAN總線分成低速網和高速網兩個通信網絡,由網關控制器(gateway controller)協調高、低速網絡之間的數據通信[5]。

(1) 低速網。通信速度不大于125 kbps,目前常用的為100 kbps,主要用于中央門鎖、自動門窗、自動空調、汽車定位等舒適系統[5]。

(2) 高速網。通信速度可達1 Mbps,目前常用的為500 kbps,主要用于汽車動力控制系統,如發動機管理系統、自動變速箱、制動防抱死裝置等[5]。

2.2 車窗控制節點的硬件結構設計

此為第2項任務,即完成車窗控制單元的CAN通信智能節點的硬件結構設計。該實驗以四窗車型為例進行硬件結構布置,以駕駛側為主節點,副駕駛側、左后側、右后側為從節點。主節點負責主駕駛側的車窗控制和向CAN總線發送對其他車窗的控制報文,各個從節點通過按鍵控制各自車窗,發送相應報文,并接收總線上相應報文,做出相應動作。

CAN總線智能節點由6部分組成：微處理器STC89C51、CAN控制器SJA1000、光電耦合器6N137、CAN收發器89C250、車窗控制電路和按鍵模塊電路。微處理器STC89C51負責SJA1000的初始化,通過對SJA1000的寄存器進行配置,使各節點按照CAN總線的協議進行數據傳送。CAN收發器89C250主要用作信號電平轉換,產生CAN總線要求的差分信號電平,是CAN控制器和物理總線之間的接口[6]。高速光耦6N137實現了總線上各節點間的電氣隔離。

2.3 車窗控制節點的應用層協議設計

CAN應用協議主要規定以下三方面內容：信息標識符的分配、報文濾波機制的設定和報文數據幀含義的設定。實驗通過以下三個步驟指導參與者實現一個CAN網絡應用協議的設計。

(1) 信息標識符的分配。CAN為多主機工作方式,所有節點都可發送報文,發送報文的ID是節點的標識符,體現了該節點的優先級。系統采用的SJA1000是一款獨立的CAN控制器,支持CAN2.0A和CAN2.0B協議[6]。本設計信息標識符采用靜態分配策略及BasicCAN模式,需要對11位標識符進行分配[6]。

此為第3項任務,即由參與者根據優先級的要求進行信息標識符分配,并觀測到不同優先級報文的ID仲裁過程。標識符(11位)分配策略：信息功能碼(2位)+節點號(4位)+單元號(5位)。信息功能碼考慮了通信中的三種通信形式：報警、控制、信息幀；節點號分配給四個車窗控制節點；車窗控制單元的單元號由系統給定。

在這個過程中,參與者可通過設置四個車窗動作節點發送報文ID的方式,來控制不同功能幀、不同節點的優先級,并觀測到不同優先級報文的仲裁過程。CAN總線采用“載波監測、多主掌控/沖突避免”(CSMA/CA)的仲裁機制[7]。在這種機制下,汽車總線上的四個車窗節點平等地申請總線的控制權,當某一時刻,總線上有多個節點要求發送數據時,總線根據標識符按位仲裁,使具有高優先級的數據不受任何損壞地傳輸。

(2) 報文濾波機制的設定。報文濾波是CAN總線技術最有用的特色之一,通過報文濾波,可以很容易地實現點對點、一點對多點的通信。各個節點的濾波參數如何設置,是系統組網的關鍵之一。CAN網絡的報文濾波由驗收屏蔽寄存器AMR和驗收碼寄存器ACR控制。在BasicCAN模式下,只有當驗收代碼寄存器的位(ACR.7—ACR.0)與信息標識符的高8位(ID.10—ID.3)相等,或與驗收屏蔽寄存器的相應位(AMR.7—AMR.0)相“或”為1,信息才被接收[6]。

在任務4中,參與者通過設置控制節點驗收濾波器ACR和AMR寄存器對報文ID進行過濾,并觀測到驗收濾波器對ID的濾波過程。

(3) 報文數據幀含義的設定。此為第5項任務,即參與者定義特定數據幀對應的動作,完成自定義CAN應用層協議。在BasicCAN模式下,有8個字節的數據幀,參與者設定某一個ID可能的動作和狀態對應的數據幀。仿真過程中汽車會根據該協議做出相應的動作,并發送相應數據到CAN總線網絡。

2.4 三維仿真運行顯示

此為第6項任務,即綜合應用三維虛擬仿真技術、三維動畫仿真技術、人機交互技術、光照模擬技術、三維漫游技術和XML數據解析技術等,實現與汽車的三維立體交互。參與者可通過兩種方式觀測自定義應用協議對汽車的作用,一是通過控制窗口向汽車輸入自定義的CAN應用層協議數據幀后,汽車有相應的反應；二是操作汽車,會看到相應的數據幀出現在汽車總線中。參與者既可利用VR頭盔、數據衣、數據手套,感受到VR的全視角立體感和全新的、智能的感知體驗,也可通過鼠標交互,以三維立體模型的形式展示。

3 結語

教育部《關于開展虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知》中提出,“虛擬仿真實驗教學建設工作是高等教育信息化的組成部分,是學科專業與信息技術深度融合的產物”。本文構建的基于CAN總線技術的汽車網絡仿真實驗平臺,利用最新虛擬現實產品和最新三維仿真技術,致力于降低實踐教學成本,打造多樣化的教學環境,突破時間和空間的限制,增強實踐教學的互動性。實驗平臺全面展示了CAN總線技術的關鍵知識,能夠系統地考查參與者應用設計能力,增強教學的直觀性和認知性,是一種有著強大活力的現代教學平臺。