智能車仿真系統(tǒng)Plastid（以下簡稱Plastid）基于LabVIEW虛擬儀器技術(shù)開發(fā)完成用于智能車的算法仿真及分析。主要有以下幾大特點(diǎn)：
賽道與賽車環(huán)境模擬系統(tǒng)對賽道與賽車分別建立了模型，使用者可以按照指示方便地自行設(shè)計(jì)賽道以及賽車將賽道設(shè)計(jì)成各種各樣的直路、彎路、坡路將賽車設(shè)計(jì)成各種尺寸、形狀從而使得系統(tǒng)的適用性更廣泛。另一方面本軟件更適用于沒有條件制作試驗(yàn)賽道的參賽隊(duì)伍他們可以在該系統(tǒng)中檢測控制算法。
一、控制算法的仿真驗(yàn)證
系統(tǒng)可提供三種不同的控制算法仿真的方案：子VI（SubVI）算法仿真、C結(jié)點(diǎn)算法仿真以及單片機(jī)在線仿真。使用者可以選擇其中最適合自己的仿真方法對自己的控制算法在系統(tǒng)的環(huán)境中進(jìn)行驗(yàn)證。
二、路徑識別的方案分析
系統(tǒng)提供了采用光感電路來識別路徑的模型，使用者可以按照自己的想法設(shè)定傳感器的個數(shù)、排列的位置在Plastid上反復(fù)作仿真試驗(yàn)從而定性得出哪種光感電路的排列效果較好。由于實(shí)地試驗(yàn)時(shí)要更換傳感器排列較為耗時(shí)因此本系統(tǒng)給予了此種定性分析一個極其方便的試驗(yàn)平臺。
三、離線／在線仿真相結(jié)合
系統(tǒng)不僅可以離線仿真還可以通過CAN通訊與單片機(jī)系統(tǒng)相連對系統(tǒng)進(jìn)行虛擬賽道環(huán)境的在線仿真。
使用者通過該仿真系統(tǒng)可以反復(fù)對原始設(shè)計(jì)方案進(jìn)行研究得到近似最優(yōu)方案后再進(jìn)行實(shí)車設(shè)計(jì)和實(shí)際賽道試驗(yàn)卜從而減少了開發(fā)的費(fèi)用和時(shí)間成本大大提高智能車開發(fā)效率。
四、基本構(gòu)架
整個仿真系統(tǒng)的構(gòu)架圖主要分為基本模型層、控制算法層、通訊層以及仿真環(huán)境層。
基本模型層包括賽車模型與賽道模型使用者可根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定模型參數(shù)它為整個系統(tǒng)提供了底層的驅(qū)動了仿真結(jié)果都是在這兩個模型的基礎(chǔ)上計(jì)算得來的。
控制算法層為使用者提供了3種不同的仿真方案：SubVl、C結(jié)點(diǎn)以及單片機(jī)在線仿真具體在后文將會詳述。使用者可選擇其中一個方案輸入或移植自己的控制算法。
通訊層只用于單片機(jī)的在線仿真，使用CAN模塊可以使單片機(jī)與仿真系統(tǒng)進(jìn)行即時(shí)的數(shù)據(jù)交流從而實(shí)現(xiàn)動態(tài)仿真。
動態(tài)仿真環(huán)境基于賽車、賽道模型以及控制算法所輸出的控制信號（電機(jī)控制、轉(zhuǎn)向控制及車速信號等）計(jì)算出車的行走路線并即時(shí)地將數(shù)據(jù)傳回控制算法層（其計(jì)算周期可調(diào)）。憑借軟件仿真的優(yōu)勢在仿真過程中系統(tǒng)可以方便地將各種變量記錄下來特別是一些實(shí)際試驗(yàn)時(shí)無法測量的量（如賽車相對于賽道中心線的偏移量、前向角、加速度等）并保存于文件中。在回放模式中用戶可以調(diào)用這些文件對其仿真結(jié)果進(jìn)行后期分析和處理繼而改進(jìn)自己的賽車設(shè)置以及控制算法。費(fèi)道、賽李、路徑識別摸型。
我們知道一個具有高級控制策略的智能車應(yīng)該在不同的賽道上都具有穩(wěn)定的發(fā)揮，為了驗(yàn)證這一點(diǎn)就必須在不同的賽道上做試驗(yàn)。然而由于各方面的限制，我們不可能為賽車制作無數(shù)的賽道進(jìn)行側(cè)試。但這個問題卻可在Plastid中輕易地得到解決：我們可以設(shè)計(jì)出不同的賽道，并將其保存成文件在仿真時(shí)將其調(diào)用即可。
圖2是Plastid的賽道設(shè)計(jì)界面用戶可以使用“點(diǎn)”來精確設(shè)定賽道曲線的下一點(diǎn)位置，使用“弧”則可以以圓心坐標(biāo)、角度來繪制想要得到的弧線，更可以直接采用“手繪”用鼠標(biāo)在屏幕上繪制賽道或從數(shù)據(jù)文件中導(dǎo)入曲線。其操作界面友好修改方便且易于上手和操作。圖2中的賽道即根據(jù)韓國漢陽大學(xué)2004年智能車大賽采用的賽道設(shè)計(jì)而成。
為了仿真方便我們將賽車簡化為一個四輪剛體模型除了一些基本的尺寸參數(shù)之外在前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)根據(jù)賽車的實(shí)際情況我們用“轉(zhuǎn)向速度”與“最大轉(zhuǎn)向角”兩個參數(shù)來模擬。
對于路徑識別系統(tǒng)Plstid給予使用者至多3個的光感傳感器的坐標(biāo)設(shè)定，使用者可以任意地安排傳感器的個數(shù)和相對于車的排列坐標(biāo)（將傳感器安排成一條直線或者弧線等方一案）從而達(dá)到自己想要的識別效果。
對于加速的模擬目前系統(tǒng)暫時(shí)以直接加速度為控制量，在對實(shí)車進(jìn)行測試和分析后，將構(gòu)建相應(yīng)的模型。
圖3即賽車設(shè)計(jì)的操作界面，左邊為賽車的基本參數(shù)，右邊為傳感器坐標(biāo)設(shè)定、試驗(yàn)賽道生成以及傳感器值得即時(shí)顯示（試駕時(shí)用）。
使用者除了可以設(shè)定賽車參數(shù)外，還可以對所設(shè)定好的賽車進(jìn)行試駕，當(dāng)場檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)劣，并可將賽車信息保存于文件，供仿真時(shí)調(diào)入使用。
五、控制算法仿真
Plastid針對不同的使用者提供了三種不同的控制算法仿真方案子VI（SubVl）,C結(jié)點(diǎn)以及單片機(jī)的在線仿真。
首先最接近于LabVIEW編程環(huán)境的即為SubVI方案。用戶將自己的控制算法，移植為LabVIEW的d在仿真時(shí)即時(shí)地給該SubVI輸入變量（車速、傳感器值等）SubVI通過計(jì)算得出控制量并輸送給Plastid仿真循環(huán)。SubVI方案對于熟悉LabVIEWG語言編程方法的使用者來說非常簡單但它的缺點(diǎn)是移植性較差，由于C語言和G語言的差別較大因此將單片機(jī)的控制算法轉(zhuǎn)換為子VI的程序需要一定的工作量。
其次C結(jié)點(diǎn)方案則更適合于采用C語言編程的使用者們其原理與SubVI方案類似但是其程序則可直接用C語言編寫用VisualStudio舊任將其編譯為dll文件系統(tǒng)在仿真時(shí)會自動調(diào)用該dll，從而實(shí)現(xiàn)與SubVI一樣的控制和反饋。對于本方案使用者可以將其單片機(jī)的程序進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷暮蠹纯墒褂靡虼艘浦残暂^高。
最后利用CAN模塊系統(tǒng)可以直接與單片機(jī)進(jìn)行直接通訊并實(shí)現(xiàn)在線仿真。單片機(jī)方面只需要在其CAN接口即時(shí)地傳送其控－制量（這在程序中很容易添加相應(yīng)程序）而Plastid則通過CAN模塊得到這些量，并傳送反饋量給單片機(jī)。在這一方案單片機(jī)的程序修改不大但需要有CAN模塊等硬件支持。
圖4為系統(tǒng)動態(tài)仿真的界面使用者在加載完賽道與賽車文件后了即可進(jìn)行動態(tài)的仿真。其中仿真周期表示系統(tǒng)每一次計(jì)算的時(shí)間可以根據(jù)單片機(jī)的運(yùn)算周期進(jìn)行設(shè)定但值得一提的是在仿真過程中，其真實(shí)的仿真周期會根據(jù)計(jì)算機(jī)的性能等因素而不同但其仿真的結(jié)果可以保證確實(shí)根據(jù)該仿真周期計(jì)算而得，從而保證其仿真的可靠性。
六、不足與改進(jìn)
由于Plastid仿真系統(tǒng)還未與實(shí)車的仿真進(jìn)行過深入比較且開發(fā)周期也較短了因此必然留有一些不足之處。
該系統(tǒng)目前還只能用于采用光感傳感器路徑識別方案的智能車對于CCD攝像頭技術(shù)還不支持。
其次，在仿真過程中系統(tǒng)只是根據(jù)汽車的運(yùn)動學(xué)模型（將車簡化為一四輪剛體來處理）進(jìn)行計(jì)算，并未考慮其側(cè)滑以及路面摩擦力的影響。這將使其仿真結(jié)果與實(shí)際結(jié)果有一定差距，我們將在后續(xù)工作中根據(jù)實(shí)車的情況不斷進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)和對比從而提高其仿真真實(shí)度使其能盡可能地模擬出實(shí)際的情況。
最后計(jì)算速度也是系統(tǒng)必須面臨的一大問題。對此我們將優(yōu)化代碼，并裁剪不必要的程序，從而提高系統(tǒng)的仿真速度。
綜上所述本系統(tǒng)主要針對本次智能車大賽而開發(fā)將在這一屆邀請賽過程中進(jìn)行不斷的優(yōu)化和改進(jìn)爭取為廣大參賽隊(duì)伍更好地完成開發(fā)任務(wù)而服務(wù)。
（轉(zhuǎn)載）
