汽車駕駛模擬器數據采集處理系統設計實現

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通信協議，設計汽車駕駛模擬器數據采集處理系統，進行汽車硬件設備的操作數據采集和處理，實時獲悉外圍設備的狀態，使駕駛員能夠根據虛擬場景實時路況，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? 數據采集處理系統? 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，由駕駛學員在虛擬的駕駛場地環境下，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則，實時采集方向盤、離合器、油門、剎車、擋位、手剎、轉向燈、雨刷、車鎖等數據，為實地考試做好準備。

1? 汽車駕駛模擬器數據采集處理系統硬件設備分析

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。（4）檔位控制器。通常由1、2、3、4、5、R這6個檔位構成，用于調節汽車的行駛速度，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。通過方向盤轉角控制汽車的拐彎，實現汽車在行駛過程中的轉向操作。（7）車燈。通常由小燈、大燈、近光燈和遠光燈組成，確保汽車在黑暗環境下安全行駛。轉向燈包括有左轉向、右轉向、雙閃，用于提醒他人汽車的轉彎。（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。（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、轉角等相關參數，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生電勢差為UH的霍爾電壓。在該系統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，對其進行數模轉換和計算，獲悉制動踏板行程。而在測量方向盤的轉向及轉角設計中，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角，由光柵傳感器輸出的有序脈沖判定方向盤的正反轉。

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的速度，為此要注重對控制電機的選擇，該系統選取24V直流永磁電機，由直流電機的定子產生磁場，實現汽車駕駛模擬器方向盤對行駛方向的有效控制[1]。

2? 汽車駕駛模擬器數據采集處理系統硬件電路設計與應用

汽車駕駛模擬器數據采集處理系統主要采集駕駛員操作信號數據，例如：油三踏板行程信號，方向盤的轉角信號，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容。

2.1 CPU設計與應用

該系統采用一個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，內置一個8MHz的晶振，可以放大鎖相環。并通過內部數模轉換，進行模擬量的采集，體現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。該部分為電機、芯片提供穩定的電源，包括有AMS1117正向低壓穩壓器、CON2直流電壓接口、基準電壓和地之間的小容量電容連接，有效實現穩壓，避免輸出電壓受到輸入電壓的波動影響。（2）系統時鐘電路。采用外接晶體振蕩器的方式設置系統時鐘電路信號，通常來說，系統電路外接晶振為8MHz，并在芯片內部鎖相環電路的作用下，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，確保晶振正常穩定運行。（3）通信協議接口電路。USB通信協議快速便捷，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據傳輸，體現出廣播方式傳輸報文的獨特優勢，將采集數據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（循環冗余校驗）方式進行數據傳輸的校驗。同時，USB2.0協議支持批量/同步端點的雙緩沖區機制，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、左轉向、右轉向，用于轉向提示和夜間照亮。雨刷由不同的組合開關構成，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角[2]。

3? 汽車駕駛模擬器數據采集處理系統模塊化設計與應用

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，基于通訊協議進行數據傳輸，如大/小燈、遠光、左轉向、右轉向的數據;慢刷、快刷、快速噴水的數據。（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值，如：開鎖、打火啟動等車鎖狀態值。（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。

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，并將其轉化為數字量，經由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據搬移，數據傳輸過程無須CPU的參與，僅依靠DMA的獨立通道配置方式進行數據的搬移，有效節約CPU資源。

3.3 方向盤信號采集模塊設計與應用

汽車駕駛模擬器數據采集系統的方向盤正反轉主要是由電機正反轉控制，通過校準控制電機自動回正中心位置，當方向盤轉動時，電機會產生阻力，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角信號[3]。

4? 結語

綜上所述，汽車駕駛模擬器數據采集處理系統進行硬件電路、軟件模塊的設計和應用，較好地為汽車模型提供控制量。后續還要加強對系統核心部件的研究，要選擇具有更大功率的元器件，避免核心部件穩壓電路長時間運行而發熱的現象。并要持續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虛擬部分反饋的指令，并運用優化的相關算法提升汽車模擬駕駛效果，提升系統整體的實時性。

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的多串口數據采集設計[J].國外電子測量技術，2017（36）：79.

[3] 張燚，邵建龍，陳廣，等.汽車駕駛模擬器數據采集控制系統的設計[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生產工作。