汽车驾驶模拟器数据采集处理系统设计实现
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摘 要：汽车驾驶模拟器能够模拟汽车运动，使驾驶者获得与真实车辆驾驶的相同感受，驾驶员通过模拟的真实驾驶训练环境和外围设备控制虚拟汽车进行驾驶，并借由显示屏、音响设备、传感器元件获取感官信息反馈。该文主要采用STM32单片机、USB通信协议，设计汽车驾驶模拟器数据采集处理系统，进行汽车硬件设备的操作数据采集和处理，实时获悉外围设备的状态，使驾驶员能够根据虚拟场景实时路况，进行相应的驾驶操作，完成驾驶科目训练和考试。
关键词：汽车驾驶 模拟器 数据采集处理系统 设计
中图分类号：TN919 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2020）04（a）-0032-02
汽车驾驶模拟器模拟汽车的真实运动，实现多输入、多输出和快速响应，该文重点探讨基于驾校实地场景的驾校学员训练和考试系统，由驾驶学员在虚拟的驾驶场地环境下，通过实际操作硬件设备来控制三维驾驶汽车模型，预先获悉和了解驾驶规则，实时采集方向盘、离合器、油门、刹车、挡位、手刹、转向灯、雨刷、车锁等数据，为实地考试做好准备。
1 汽车驾驶模拟器数据采集处理系统硬件设备分析
1.1 硬件设备
汽车驾驶模拟器设备主要包括有以下部分：（1）喇叭。通常将其设计于方向盘的中间，用于提醒路人或其他车辆，确保车辆通行顺畅。（2）雨刷。通过控制开关的关闭、慢刷、快刷、喷水量等控制方式，确保汽车挡风玻璃的清洁。（3）车锁开关。通过车锁开关启动汽车，控制车辆的启动状态。（4）档位控制器。通常由1、2、3、4、5、R这6个档位构成，用于调节汽车的行驶速度，确保行车安全可控。（5）手刹控制器。利用该设备防止汽车停止时溜车及启动时前冲。（6）方向盘。通过方向盘转角控制汽车的拐弯，实现汽车在行驶过程中的转向操作。（7）车灯。通常由小灯、大灯、近光灯和远光灯组成，确保汽车在黑暗环境下安全行驶。转向灯包括有左转向、右转向、双闪，用于提醒他人汽车的转弯。（8）离合。通过离合启动汽车，避免换挡速度过快而导致汽车行驶不够平稳。（9）刹车与油门。前者用于控制汽车的减速及停止;后者用于控制汽车的加速及减速。
1.2 传感器
可以采用霍尔传感器的磁场及变化，检测三踏板行程位移，获悉位移、速度、转角等相关参数，其应用原理为：在薄片的垂直方向施加强度为B的匀强磁场，薄片两端接通电流，在电流与磁场垂直的方向上会产生电势差为UH的霍尔电压。在该系统设计中选用线性霍尔传感器，利用霍尔效应测量制动踏板的位移，通过霍尔元件感应离合、刹车、油门底部永久磁场输出的电压信号，对其进行数模转换和计算，获悉制动踏板行程。而在测量方向盘的转向及转角设计中，则选用光栅传感器，利用检测电路对光的遮挡输出脉冲来测量转角，由光栅传感器输出的有序脉冲判定方向盘的正反转。
1.3 回正电机选择
由于汽车驾驶模拟器对方向盘的灵活度要求较高，决定着汽车车身旋转的速度，为此要注重对控制电机的选择，该系统选取24V直流永磁电机，由直流电机的定子产生磁场，实现汽车驾驶模拟器方向盘对行驶方向的有效控制[1]。
2 汽车驾驶模拟器数据采集处理系统硬件电路设计与应用
汽车驾驶模拟器数据采集处理系统主要采集驾驶员操作信号数据，例如：油三踏板行程信号，方向盘的转角信号，档位、雨刷、车灯、喇叭、车锁灯等组合开关的信号，其硬件电路设计主要包括以下内容。
2.1 CPU设计与应用
该系统采用一个32位STM32的芯片，型号为STM32F103XC8T6，涵盖有18个开关量和3路模拟量，信号处理速度达到72MHz，内置一个8MHz的晶振，可以放大锁相环。并通过内部数模转换，进行模拟量的采集，体现电路设计的简化特性。
2.2 外圍电路设计与应用
（1）电源系统。该部分为电机、芯片提供稳定的电源，包括有AMS1117正向低压稳压器、CON2直流电压接口、基准电压和地之间的小容量电容连接，有效实现稳压，避免输出电压受到输入电压的波动影响。（2）系统时钟电路。采用外接晶体振荡器的方式设置系统时钟电路信号，通常来说，系统电路外接晶振为8MHz，并在芯片内部锁相环电路的作用下，可以对实时时钟的基频进行倍频，使之达到72MHz，并将RCC时钟、ADC时钟、USB时钟信号分频提供给不同的模块，确保晶振正常稳定运行。（3）通信协议接口电路。USB通信协议快速便捷，支持热插拔、即插即用，可以较好地应用于汽车驾驶模拟器的数据传输，体现出广播方式传输报文的独特优势，将采集数据实时传送到三维汽车动力学模型中，其通信串口USB2.0能够配置1～8个端点，最大速率为480MB/s，进行反向不归零编码/解码的同步传输方式，并采用CRC（循环冗余校验）方式进行数据传输的校验。同时，USB2.0协议支持批量/同步端点的双缓冲区机制，支持挂起和唤醒，抗干扰能力强。
2.3 采集模块电路设计与应用
（1）三踏板行程采集电路。采用霍尔传感器采集离合、油门、刹车的位移。（2）开关量采集电路。车灯由不同的组合开关组成，包括大灯、小灯、远光、左转向、右转向，用于转向提示和夜间照亮。雨刷由不同的组合开关构成，包括慢刷、快刷、雨刷清洗，用于阴雨天汽车挡风玻璃的清洁。喇叭由微动开关组成，用于提醒路人及其他车辆。档位开关由开关线霍尔传感器组成，用于汽车行驶过程的速度切换。车锁开关包括有汽车启动、关闭启和上锁，确保汽车的正常启动。方向盘则是通过光栅尺的脉冲量判定其转角[2]。
3 汽车驾驶模拟器数据采集处理系统模块化设计与应用
3.1 开关量采集模块设计与应用
（1）车灯及雨刷信号采集。在合理配置IO口的传输方式及速度的前提下，基于通讯协议进行数据传输，如大/小灯、远光、左转向、右转向的数据;慢刷、快刷、快速喷水的数据。（2）车锁及喇叭信号采集。要配置IO口的传输方式、传输速度，判断并获悉组合开关操作的状态值，如：开锁、打火启动等车锁状态值。（3）档位与驻车信号采集。配置IO口的传输方式、速度，判断获悉挂档、拉动手刹等状态。
3.2 三踏板行程采集模块设计与应用
油门、刹车、离合通过芯片的ADC采集模拟量，并将其转化为数字量，经由DMA方式进行传输，完成外设地址与存储器地址、存储器地址之间的数据搬移，数据传输过程无须CPU的参与，仅依靠DMA的独立通道配置方式进行数据的搬移，有效节约CPU资源。
3.3 方向盘信号采集模块设计与应用
汽车驾驶模拟器数据采集系统的方向盘正反转主要是由电机正反转控制，通过校准控制电机自动回正中心位置，当方向盘转动时，电机会产生阻力，防止方向盘过于灵活而失控。并通过光栅尺采集方向盘的转角信号[3]。
4 结语
综上所述，汽车驾驶模拟器数据采集处理系统进行硬件电路、软件模块的设计和应用，较好地为汽车模型提供控制量。后续还要加强对系统核心部件的研究，要选择具有更大功率的元器件，避免核心部件稳压电路长时间运行而发热的现象。并要持续完善驾驶模拟器方向盘的控制，要添加方向盘的助力，由控制电机接收三维驾驶系统虚拟部分反馈的指令，并运用优化的相关算法提升汽车模拟驾驶效果，提升系统整体的实时性。
参考文献
[1] 唐向东，黄志永.汽车驾驶模拟器在驾驶培训中的应用分析[J].汽车与驾驶维修：维修版，2017（12）：96.
[2] 郭敏，庄信武，任海波，等.基于USB2.0的多串口数据采集设计[J].国外电子测量技术，2017（36）：79.
[3] 张燚，邵建龙，陈广，等.汽车驾驶模拟器数据采集控制系统的设计[J].微处理机，2017（1）：91-95.
作者简介：姜楷（1982，10—），男，汉族，江苏盐城人，本科，中级工程师，目前从事驾考驾培相关设备以及交通信号的研发生产工作。
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