1、安徽大學(xué)江淮學(xué)院安徽大學(xué)江淮學(xué)院 本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） （內(nèi)封面）（內(nèi)封面） 題題 目：目： 基于虛擬儀器技術(shù)的智能小車仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于虛擬儀器技術(shù)的智能小車仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名：學(xué)生姓名： 謝玉興謝玉興 學(xué)號(hào)：學(xué)號(hào)： jk 系系 別：別：計(jì)算機(jī)科學(xué)與電子技術(shù)系計(jì)算機(jī)科學(xué)與電子技術(shù)系 專業(yè)：專業(yè)：電子信息工程電子信息工程 入學(xué)時(shí)間：入學(xué)時(shí)間： 2007 年年 9 月月 導(dǎo)師姓名：導(dǎo)師姓名： 廖素引廖素引 職稱職稱/ /學(xué)位：學(xué)位： 講師講師/ /碩士碩士 基于虛擬儀器技術(shù)智能車仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于虛擬儀器技術(shù)智能車仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘要摘要 全國(guó)大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽是教育部倡導(dǎo)的一

2、種具有探索性工程實(shí)踐活動(dòng)的大學(xué)生科技競(jìng)賽，要求 參賽者在飛思卡爾公司提供的模型車體及主控制器芯片基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)制作具有自主道路識(shí)別能力的智 能賽車，在賽道上以最快速度完成賽程者為優(yōu)勝。本課題以智能車比賽為背景，以縮短智能車開發(fā)周 期為目的，利用虛擬儀器開發(fā)了智能車仿真軟件，為智能車比賽提供可以離線驗(yàn)證控制算法的軟件平 臺(tái)，該智能車虛擬系統(tǒng)可針對(duì)不同的賽車、賽道、路徑識(shí)別方案、控制策略等內(nèi)容進(jìn)行相關(guān)分析和模 擬，為節(jié)約智能車開發(fā)制作成本和提高開發(fā)成效提供了新的途徑。 關(guān)鍵詞：虛擬儀器；仿真；關(guān)鍵詞：虛擬儀器；仿真；LabVIEW；智能車；智能車 Design of Intelligent Vehi

3、cle Simulation System Based on VI-Technolog Abstract Smart Car Competition National University Ministry of Education initiated an exploration project with the students practice science and technology competition, requires participants to provide a model of the Freescale body and main controller chip

4、 based on the design with independent road recognition into smart car on the track as quickly as those who complete the race for the winner. The topics to match the background of the smart car, smart car to shorten the development cycle for the purpose of using virtual instrumentation developed simu

5、lation software smart car, smart car competition for the provision of control algorithms can be verified off-line software platform, the virtual system for intelligent vehicle different cars, track, path identification scheme, control strategy and other content related to analysis and simulation, in

6、telligent vehicle development to conserve and enhance the development effectiveness of the production costs provides a new way. Key word: Intelligent vehicle; simulation; LabVIEW; Virtual instrument 目目 錄錄 第一章第一章 引引 言言.1 1. 1 課題研究的背景及意義課題研究的背景及意義.1 1. 2 本課題研究的內(nèi)容本課題研究的內(nèi)容.3 1. 3 論文章節(jié)安排論文章節(jié)安排.3 第二章第二章 智

7、能車仿真系統(tǒng)的介紹智能車仿真系統(tǒng)的介紹.4 2. 1 開發(fā)工具虛擬儀器簡(jiǎn)介開發(fā)工具虛擬儀器簡(jiǎn)介.4 2. 2 LABVIEW 的介紹的介紹.4 第三章第三章 智能車虛擬儀器仿真平臺(tái)基本模塊的設(shè)計(jì)智能車虛擬儀器仿真平臺(tái)基本模塊的設(shè)計(jì).7 3. 1 賽道功能模塊的建立賽道功能模塊的建立.7 3. 2 智能車功能模塊的建立智能車功能模塊的建立.9 3. 3 仿真程序設(shè)計(jì)仿真程序設(shè)計(jì).10 第四章第四章 利用虛擬儀器平臺(tái)進(jìn)行智能車仿真利用虛擬儀器平臺(tái)進(jìn)行智能車仿真.12 4. 1 初始化程序初始化程序.12 4. 2 賽道和賽車信息的加載賽道和賽車信息的加載.14 4. 3 發(fā)送命令發(fā)送命令.18 4

8、. 4 仿真結(jié)果仿真結(jié)果.20 結(jié)束語(yǔ)結(jié)束語(yǔ).20 主要參考文獻(xiàn)主要參考文獻(xiàn).22 致致 謝謝.23 基于虛擬儀器技術(shù)的智能車仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于虛擬儀器技術(shù)的智能車仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第一章第一章 引引 言言 1. 1 課題研究的背景及意義 智能車輛技術(shù)是涵蓋智能控制、模式識(shí)別等學(xué)科前沿的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域，其研究與 應(yīng)用具有巨大的理論和現(xiàn)實(shí)意義。在交通安全方面，由無(wú)人駕駛車輛研究形成的輔助 安全駕駛技術(shù)，可以通過(guò)傳感器準(zhǔn)確、可靠地感知車輛自身及周邊環(huán)境信息，及時(shí)向 駕駛員提供環(huán)境感知結(jié)果，從而有效地協(xié)助提高行車安全，同時(shí)也能降低駕駛員對(duì)車 輛駕駛管理的復(fù)雜度，提高單個(gè)車輛的運(yùn)行效率，可以緩解我國(guó)城市道路擁

9、堵、交通 系統(tǒng)運(yùn)行效率較低的現(xiàn)狀。在汽車產(chǎn)業(yè)自主創(chuàng)新方面，通過(guò)對(duì)無(wú)人駕駛車輛理論、技 術(shù)研究，突破國(guó)外汽車行業(yè)專利壁壘，掌握具有核心競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵技術(shù)，可以為我國(guó) 汽車產(chǎn)業(yè)自主創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供強(qiáng)有力的支撐。同時(shí)在國(guó)防科技方面，“快速、 精確、高效”的地面智能化作戰(zhàn)平臺(tái)是未來(lái)陸軍的重要力量，無(wú)人駕駛車輛將能代替 人在高危險(xiǎn)環(huán)境下完成各種任務(wù)，在保存有生力量、提高作戰(zhàn)效能方面具有重要意義， 也是無(wú)人作戰(zhàn)系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)。 美國(guó)在無(wú)人駕駛技術(shù)上應(yīng)該是全球走得最遠(yuǎn)的國(guó)家。他們?cè)?004 年、2005 年 就已經(jīng)舉辦過(guò)智能車挑戰(zhàn)賽。 2004 年，美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究項(xiàng)目局主辦首屆機(jī)器車挑戰(zhàn)大賽?！皺C(jī)器車挑

10、戰(zhàn) 大賽”（Grand Challenge）吸引了眾多民間機(jī)構(gòu)的興趣，冠軍獎(jiǎng)金100 萬(wàn)美元，全 程 142 英里（約合 227 公里），路程崎嶇，看哪一輛無(wú)人駕駛的汽車能夠最快地跑完 全程，關(guān)門時(shí)間是 10 個(gè)小時(shí)。那次大賽共有 105 支車隊(duì)報(bào)名， 15 支車隊(duì)參賽，但沒 有一輛車跑完 7 英里，也就是整個(gè)賽程的 5%。 2005 年 9 月，第 2 次比賽繼續(xù)進(jìn)行，冠軍獎(jiǎng)金也提高到了200 萬(wàn)美元。斯坦福 大學(xué)的“斯坦利”獲得了第 1 名，所用時(shí)間是 6 小時(shí) 53 分 58 秒，時(shí)速達(dá)到 19.1 英 里。參加挑戰(zhàn)賽的車隊(duì)，有幾個(gè)共同點(diǎn)，一是贊助商中都有英特爾的影子，他們的處 理器來(lái)應(yīng)

11、對(duì)各種傳感器上的數(shù)據(jù)；二是都用體量較大的SUV 車型進(jìn)行改裝，只有大 車才能在車頂、車輪上大動(dòng)手腳，后備箱里才放得下大個(gè)兒的電腦；三是車隊(duì)里的人 都不把這些車當(dāng)做汽車，而是叫機(jī)器人。 2006 年 5 月 15 日，德國(guó)舉辦了歐洲陸地機(jī)器人競(jìng)賽，這個(gè)比賽是由德國(guó)軍方組 織的。與美國(guó)的 “挑戰(zhàn)賽”不同，歐洲賽事更強(qiáng)調(diào)自主性。德國(guó)的比賽只有8 公里 賽程，但參賽車輛必須通過(guò)影像處理來(lái)尋找道路，周圍景物會(huì)被處理成3D 影像，由 光學(xué)定向與測(cè)距系統(tǒng)對(duì)所收集的信息進(jìn)行導(dǎo)航?jīng)Q策，分析哪里是行人哪里是樹木。據(jù) 介紹，其中一輛參賽車途銳在通過(guò)關(guān)鍵的十字路口時(shí)還是得靠手動(dòng)駕駛，它自主行駛 了 90%的賽程。 飛

12、思卡爾”智能車競(jìng)賽是由教育部高等學(xué)校自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委員會(huì)主辦，飛 思卡爾半導(dǎo)體 公司協(xié)辦的全國(guó)性的比賽。 比賽要求參賽隊(duì)伍研究并設(shè)計(jì)一款能夠自主 辨識(shí)路線并能夠自主行駛的智能車，在專門設(shè)計(jì)的封閉跑道上行駛，跑完整個(gè)賽程用 時(shí)越短的參賽隊(duì)伍成績(jī)?cè)胶谩Ｖ悄苘嚨脑O(shè)計(jì)要求參賽隊(duì)伍首先對(duì)汽車動(dòng)力學(xué)有一定的 研究和了解，從而設(shè)計(jì)合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)。同時(shí)要求參賽隊(duì)伍自行設(shè)計(jì)控制器系統(tǒng)電路、 圖像采集模塊電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、電源模塊電路等多個(gè)部分的電路。在硬件平臺(tái)搭 建完成后，參賽隊(duì)伍要對(duì)智能車系統(tǒng)的路線辨識(shí)以及控制算法進(jìn)行開發(fā)和調(diào)試，為 了后期的調(diào)試方便，很多隊(duì)伍還開發(fā)了用于調(diào)試的上位機(jī)監(jiān)控程序。 智能車

13、大賽以迅猛發(fā)展的汽車電子為背景，涵蓋了控制、模式識(shí)別、傳感技術(shù)、 電子、電氣、計(jì)算機(jī)、機(jī)械等多個(gè)學(xué)科交叉的科技創(chuàng)新比賽。隨著賽事的逐年開展， 不僅使參賽學(xué)生自主創(chuàng)新能力的提高，對(duì)于高校相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域的學(xué)術(shù)水平的提升也有 一定的幫助。目前，此項(xiàng)賽事己經(jīng)成為各高校展示科研成果和學(xué)生實(shí)踐能力的重要途 徑，同時(shí)也為社會(huì)選拔優(yōu)秀的創(chuàng)新人才提供了重要平臺(tái)。 “飛思卡爾”杯智能車競(jìng)賽于 2000 年在韓國(guó)首次舉辦，我國(guó)于 2006 年 8 月舉辦第一 屆“飛思卡爾”杯全國(guó)智能車競(jìng)賽，當(dāng)時(shí)吸引了來(lái)自全國(guó)50 所高校的 112 支代表隊(duì)的 參與。在 2007 年的第二屆智能車競(jìng)賽中，來(lái)自全國(guó)26 個(gè)省(自治區(qū))、

14、直轄市的 130 余所院校的 242 支隊(duì)伍分為 5 個(gè)賽區(qū)進(jìn)行角逐，比賽場(chǎng)面空前激烈 我國(guó)大學(xué)生設(shè)計(jì)的智能車如下圖 圖圖 1 1：智能車模型智能車模型 在智能車的實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，經(jīng)常面臨如下幾個(gè)問(wèn)題：第一，制作出各種形式的賽 道來(lái)測(cè)試賽車的性能，但是在實(shí)際中，很難為智能車的測(cè)試設(shè)計(jì)各種各樣的比賽賽道， 在經(jīng)濟(jì)上和效率上也是不能被接受的；第二，控制算法的實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證也需要一定時(shí)間， 在比賽設(shè)計(jì)的有限時(shí)間里，要選擇出合適的控制算法，并且試驗(yàn)它的有效性，也是一個(gè) 比較艱巨的任務(wù)，如何快速驗(yàn)證我們所設(shè)計(jì)的控制算法，縮短開發(fā)周期，在有限的時(shí)間 里盡可能開發(fā)出最好最優(yōu)的控制算法，對(duì)我們提出了挑戰(zhàn)；第三，分

15、析車的運(yùn)行過(guò)程進(jìn) 而分析車的控制方法是分析和優(yōu)化控制算法的一個(gè)有效途徑，實(shí)際上車的運(yùn)行是一個(gè)快 速的過(guò)程，是轉(zhuǎn)瞬即逝的，很難把車的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程復(fù)現(xiàn)出來(lái)的，這樣就缺失了有效的 分析方法。這些問(wèn)題都是能夠順利完成比賽的不可避免的障礙。 全國(guó)大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽是教育部為了加強(qiáng)大學(xué)生實(shí)踐、創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)精神的培 養(yǎng)，在己舉辦的全國(guó)數(shù)學(xué)建模、電子設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等 4 大專業(yè)競(jìng)賽的基礎(chǔ) 上而設(shè)立的第五項(xiàng)大學(xué)生設(shè)計(jì)競(jìng)賽。該競(jìng)賽與已舉辦的教育部 4 大專業(yè)競(jìng)賽不同，是以 迅猛發(fā)展的汽車電子為背景，涵蓋了控制、模式識(shí)別、傳感技術(shù)、電子、電氣、計(jì)算機(jī)、 機(jī)械等多個(gè)學(xué)科交叉的科技創(chuàng)意性比賽，這對(duì)進(jìn)一步深化

16、高等工程教育改革，培養(yǎng)本科 生獲取知識(shí)、應(yīng)用知識(shí)的能力及創(chuàng)新意識(shí)，培養(yǎng)碩士生從事科學(xué)、技術(shù)研究能力，培養(yǎng) 博士生知識(shí)、技術(shù)創(chuàng)新能力具有重要意義。 1. 2 本課題研究的內(nèi)容 基于以上的問(wèn)題，為了能夠快速的驗(yàn)證智能車的設(shè)計(jì)方案，縮短其開發(fā)周期，要求 在短時(shí)間內(nèi)開發(fā)出為團(tuán)隊(duì)提供可離線/在線智能車仿真及理論實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。 本文首先利用了虛擬儀器軟件 LabVIEW 為智能車比賽開發(fā)了一個(gè)比賽仿真以及理論 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以此實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)部分的功能： 1）賽道與賽車環(huán)境建模對(duì)比。 2）賽車設(shè)計(jì)。 3）控制算法的仿真驗(yàn)證。 4）后期分析，以及不足與改進(jìn)。 最后對(duì)賽車轉(zhuǎn)彎時(shí)間最優(yōu)問(wèn)題進(jìn)行了研究，提出三種轉(zhuǎn)彎策略，通

17、過(guò)仿真比較給出 了縮短比賽時(shí)間，提高比賽成績(jī)的較好的轉(zhuǎn)彎策略。 1.3 論文章節(jié)安排論文章節(jié)安排 第一章，引言部分。主要介紹了課題研究的背景、意義和內(nèi)容。 第二章，智能車仿真系統(tǒng)的介紹。這章介紹了虛擬儀器仿真工具LabVIEW。 第三章，智能車虛擬儀器仿真平臺(tái)基本模塊的設(shè)計(jì)。包括賽道功能模塊、賽車功能 模塊、仿真程序模塊的設(shè)計(jì) 第四章，仿真過(guò)程 第二章第二章 智能車仿真系統(tǒng)的介紹智能車仿真系統(tǒng)的介紹 2. 1 開發(fā)工具虛擬儀器簡(jiǎn)介開發(fā)工具虛擬儀器簡(jiǎn)介 虛擬儀器(Virtual Instrumentation)是基于計(jì)算機(jī)的儀器。計(jì)算機(jī)和儀器的密切結(jié)合是 目前儀器發(fā)展的一個(gè)重要方向。粗略地說(shuō)這種

18、結(jié)合有兩種方式，一種是將計(jì)算機(jī)裝入儀 器，其典型的例子就是所謂智能化的儀器。隨著計(jì)算機(jī)功能的日益強(qiáng)大以及其體積的日 趨縮小，這類儀器功能也越來(lái)越強(qiáng)大，目前已經(jīng)出現(xiàn)含嵌入式系統(tǒng)的儀器。另一種方式 是將儀器裝入計(jì)算機(jī)。以通用的計(jì)算機(jī)硬件及操作系統(tǒng)為依托，實(shí)現(xiàn)各種儀器功能。虛 擬儀器主要是指這種方式。 虛擬儀器實(shí)際上是一個(gè)按照儀器需求組織的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，虛擬儀器的研究中涉及 的基礎(chǔ)理論主要有計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集和數(shù)字信號(hào)處理。目前在這一領(lǐng)域內(nèi)，使用較為廣泛 的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言是美國(guó) NI 公司的 LabVIEW。 利用 LabVIEW，可產(chǎn)生獨(dú)立運(yùn)行的可執(zhí)行文件，它是一個(gè)真正的 32 位編譯器。像許多重 要的軟

19、件一樣，LabVIEW 提供了 Windows、UNIX、Linux、Macintosh 的多種版本4。 2. 2 2 LabVIEWLabVIEW 的介紹的介紹 LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是一種圖形化的程序 開發(fā)環(huán)境，由美國(guó)國(guó)家儀器(National Instrument)公司研制開發(fā)的，類似于 C 和 BASIC 開 發(fā)環(huán)境，但是 LabVIEW 與其他計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的顯著區(qū)別是:其他計(jì)算機(jī)語(yǔ)言都是采用基于文 本的語(yǔ)言產(chǎn)生代碼，而 LabVIEW 使用的是圖形化編輯語(yǔ)言來(lái)編寫程序，產(chǎn)生的程序是框 圖的

20、形式。在開發(fā)過(guò)程中，用圖標(biāo)就可以代替應(yīng)用系統(tǒng)的硬件部分，這樣就可以省去了 很多購(gòu)買硬件的資金，以節(jié)省大量的研發(fā)資金。LabVIEW 中盡可能的利用了工程師們所 熟知的術(shù)語(yǔ)、圖標(biāo)和概念，是一個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)環(huán)境。它結(jié)合了圖形化編程方式的高 性能和靈活性以及專為測(cè)試、測(cè)量與自動(dòng)化控制應(yīng)用設(shè)計(jì)的高端性能和配置，能為數(shù)據(jù) 采集、儀器控制、測(cè)量分析與數(shù)據(jù)顯示等各種應(yīng)用提供必要的開發(fā)工具，這能幫助工程 師們提高工作效率4。 圖形化的程序語(yǔ)言，又稱為“G”語(yǔ)言。使用這種語(yǔ)言編程時(shí)，基本上不寫程序代碼， 取而代之的是流程圖或框圖。它盡可能利用了技術(shù)人員、科學(xué)家、工程師所熟悉的術(shù)語(yǔ)、 圖標(biāo)和概念，因此，LabV

21、IEW 是一個(gè)面向最終用戶的工具。它可以增強(qiáng)你構(gòu)建自己的科 學(xué)和工程系統(tǒng)的能力，提供了實(shí)現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷途徑。使用它進(jìn)行原 理研究、設(shè)計(jì)、測(cè)試并實(shí)現(xiàn)儀器系統(tǒng)時(shí)，可以大大提高工作效率。 2.2.1 VI 的概念 用 LabVIEW 開發(fā)出的應(yīng)用程序被稱作 VI (Virtual Instrument 的英文簡(jiǎn)寫，即虛擬儀 器)，它的表現(xiàn)形式和功能類似于實(shí)際的儀器，也很容易改變?cè)O(shè)置和功能。VI 是由圖標(biāo)、 連線以及框圖構(gòu)成的應(yīng)用程序，有 Front Panel(前面板)、Block Diagram(后面板)以及圖標(biāo)/ 連結(jié)器(Icon Connector)三部分構(gòu)成。 前面板是應(yīng)用程

22、序的界面，是人機(jī)交互的窗口，主要由 Controls(控制量)和 Indicators(顯示量)構(gòu)成。當(dāng)程序運(yùn)行時(shí)，用戶通過(guò)控制量(例如用戶輸入數(shù)據(jù)的文本框以 及一些按鈕、開關(guān)燈)輸入數(shù)據(jù)和控制程序的運(yùn)行，而顯示量(例如顯示波形的示波器控件 燈)則主要用于顯示程序運(yùn)行的結(jié)果。如果將 VI 程序比作一臺(tái)儀器的話，那么，控制量就 是儀器的數(shù)據(jù)輸入端口和控制開關(guān)，用于給程序提供輸入數(shù)據(jù)和控制信號(hào)，而顯示量則 是儀器的顯示窗口，用于顯示經(jīng)過(guò)程序分析、處理后的結(jié)果，如圖 2.1 所示，顯然,并非 簡(jiǎn)單地畫兩個(gè)控件就可以運(yùn)行，在前面板后還有一個(gè)與之配套的流程圖。 圖圖 2 2：面板界面：面板界面 流程圖提

23、供 VI 的圖形化源程序，在流程圖中對(duì) VI 編程，以控制和操縱定義在前面 板上的輸入和輸出功能。流程圖中包括前面板上的控件的連線端子，還有一些前面板上 沒有，但編程必須有的東西，例如函數(shù)、結(jié)構(gòu)和連線等。圖 3 是一個(gè)隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器的 流程圖，從中可以看到流程圖中包括了前面板上的開關(guān)和隨機(jī)數(shù)顯示器的連線端子，還 有一個(gè)隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的函數(shù)及程序的循環(huán)結(jié)構(gòu)。隨機(jī)數(shù)發(fā)生器通過(guò)連線將產(chǎn)生的隨機(jī)信 號(hào)送到顯示控件，為了使它持續(xù)工作下去，設(shè)置了一個(gè) WhileLoop 循環(huán)，由開關(guān)控制這 一循環(huán)的結(jié)束。如果將 VI 與標(biāo)準(zhǔn)儀器相比較，那么前面板上的東西就是儀器面板上的東 西，而流程圖卜的東西相當(dāng)于儀器箱內(nèi)

24、的東西。在許多情況下，使用 VI 可以仿真標(biāo)準(zhǔn)儀 器，不僅在屏幕上出現(xiàn)一個(gè)惟妙惟肖的標(biāo)準(zhǔn)儀器面板，而且其功能也與標(biāo)準(zhǔn)儀器相差無(wú) 幾。 圖圖 3:3: 隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器的流程圖隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器的流程圖 2.2.2 子 VI 與子程序 和其他編程語(yǔ)言一樣，在 LabVIEW 中也存在子程序的概念，在 LabVIEW 中的子程 序被稱作子 VI。在程序中使用子 VI 有以下優(yōu)點(diǎn)： 1.將一些代碼封裝成為一個(gè)子 VI(即一個(gè)圖標(biāo))，可以使程序的結(jié)構(gòu)變得更加清晰、明 了。 2將整個(gè)程序劃分為若干模塊，每個(gè)模塊用一個(gè)或者幾個(gè)子 VI 實(shí)現(xiàn)，易于程序的編 寫和維護(hù)。 3.將一些常用的功能編制成一個(gè)子 VI，在需

25、要的時(shí)候可以直接調(diào)用，不用重新編寫這 部分程序，因而子 VI 有利于代碼復(fù)用。 2.2.3 Labview 平臺(tái)的特點(diǎn) LabVIEW 平臺(tái)的特點(diǎn)可歸結(jié)為以下幾個(gè)方面： 1.基于圖形化的編程方式，其編程十分簡(jiǎn)潔方便，是真正的工程師 的語(yǔ)言； 2.提供豐富的數(shù)據(jù)采集、分析及存儲(chǔ)的庫(kù)函數(shù)； 3.提供傳統(tǒng)的程序調(diào)試手段，如單步執(zhí)行、設(shè)置斷點(diǎn)，同時(shí)提供設(shè)置探針、顯示數(shù)據(jù) 流動(dòng)畫等獨(dú)具特色的調(diào)試方法； 4.繼承傳統(tǒng)編程語(yǔ)言結(jié)構(gòu)化和模塊化的優(yōu)點(diǎn)，這對(duì)于建立復(fù)雜應(yīng)用和代碼的可重用性 來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的； 5.囊括了 PCI, GPIB, PXI, VXI, RS232/485, USB 等各種儀器通信總線標(biāo)準(zhǔn)

26、的所有功 能函數(shù)，使不懂總線標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)者也能驅(qū)動(dòng)不同總線標(biāo)準(zhǔn)接口設(shè)備與儀器； 6.提供大量與外部代碼或軟件進(jìn)行鏈接的機(jī)制，諸如 DLL(動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù))、DDE(共享 庫(kù))、ActiveX 等； 7.具有強(qiáng)大的 Internet 功能，支持常用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，方便網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程測(cè)量?jī)x器的開發(fā)。 第三章第三章 智能車虛擬儀器仿真平臺(tái)基本模塊的設(shè)計(jì)智能車虛擬儀器仿真平臺(tái)基本模塊的設(shè)計(jì) 3.3. 1 1 賽道功能模塊的建立賽道功能模塊的建立 仿真系統(tǒng)提供賽道設(shè)計(jì)賽道功能模塊，可以快速地建立起賽道，很好地解決了實(shí)際 中設(shè)計(jì)不同賽道的經(jīng)濟(jì)性和效率性的問(wèn)題，賽道設(shè)計(jì)功能模塊就是為所要對(duì)智能車比賽 的真實(shí)賽道建模。用戶

27、可以在系統(tǒng)中自行設(shè)計(jì)不同的賽道，然后保存為文件，在仿真時(shí) 將其調(diào)用即可8。 在仿真軟件的設(shè)計(jì)過(guò)程中，賽道設(shè)計(jì)是以簡(jiǎn)化了的賽道為模型，即在軟件的制作過(guò) 程中，以點(diǎn)的形式存儲(chǔ)賽道，兩個(gè)相關(guān)聯(lián)的點(diǎn)之間的距離定義為分辨率，分辨率是連續(xù) 賽道的數(shù)字量化的量度，賽道的具體體現(xiàn)是認(rèn)為兩個(gè)相連的點(diǎn)之間是直線連接的，在分 辨率設(shè)置很低的情況下，軟件設(shè)計(jì)中限定了最大分辨率為 0.5 厘米，這樣，即使是曲線的 賽道也可以近似為直線，不會(huì)對(duì)仿真精度產(chǎn)生多大的影響10。 賽道的生成是以賽道段為單位的，所謂賽道段就是具有同種形狀的賽道，比如，只 是直線賽道，那就認(rèn)為為一個(gè)賽道段，一個(gè)直線末端連一個(gè)半徑為 0.5 米的角度

28、為 180 的 弧，則認(rèn)為為兩個(gè)賽道段，對(duì)于弧線，不同的半徑認(rèn)為是在不同的賽道段上。當(dāng)然也可 以把一個(gè)賽道段劃分為多個(gè)賽道段。賽道段總體上分為兩類，直線段和弧線段，直線段 信息為端點(diǎn)，弧線段信息為俯視旋轉(zhuǎn)方向、角度和半徑信息。 用戶首先要根據(jù)實(shí)際賽道的工程圖紙，在不同的賽道段連接點(diǎn)建立起平面直角坐標(biāo) 系下的坐標(biāo)，然后可以根據(jù)圖紙，從起點(diǎn)開始依次輸入各個(gè)賽道段信息，直到終點(diǎn)。這 樣就可以在仿真環(huán)境里建立起一個(gè)虛擬賽道 利用了 LabVIEW 可視化的優(yōu)勢(shì)，為用戶提供了友好的交互方式,方便了賽道設(shè)計(jì)，賽 道設(shè)計(jì)界面包括:起始設(shè)置、操作和賽道顯示三個(gè)部分： 1） 起始設(shè)置為設(shè)置生成賽道的分辨率，以及

29、賽道的起始坐標(biāo)點(diǎn)； 2） 操作部分的功能有賽道的生成方式、直線、弧線、撤銷、保存賽 道和停止； 3） 賽道的生成方式有兩種，分別為創(chuàng)建賽道和調(diào)入賽道，選擇調(diào)入 賽道是從磁盤文件中調(diào)入已經(jīng)保存好的賽道文件，用來(lái)查看已有的賽道。選擇創(chuàng)建賽道 就要求用戶自行定制新的賽道1。 圖 4 是 已完成的 Plastid 的賽道設(shè)計(jì)圖，用戶可以使用 “ 點(diǎn) ” 來(lái)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(lái)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 4 中的賽道即根據(jù)韓國(guó)漢陽(yáng)大

30、學(xué) 2004 年智能車大賽采用的賽道設(shè)計(jì)而成 圖圖 4:4:賽道界面圖賽道界面圖 3.3. 2 2 智能車功能模塊的建立智能車功能模塊的建立 智能車體也是整個(gè)仿真的基本要素之一。該模塊是對(duì)智能車的基本參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，在 軟件環(huán)境中建立起智能車的外觀模型，這些參數(shù)包括車的長(zhǎng)度，車的寬度，輪距，軸距， 轉(zhuǎn)向參數(shù)，對(duì)于給定的智能車，這些基本參數(shù)是相同且不可改變的，為了使軟件更通用， 軟件也對(duì)這些基本參數(shù)進(jìn)行了可寫操作，為了在更換了智能車的情況下也可以用它來(lái)仿。 下圖給出了賽車設(shè)計(jì)的界面。 圖圖 5 5：智能車參數(shù)設(shè)計(jì)圖：智能車參數(shù)設(shè)計(jì)圖 為了仿真方便，我們將賽車簡(jiǎn)化為一個(gè)四輪剛體模型，除了一些基本的尺

31、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(gè)參數(shù)來(lái)模擬。對(duì)于路徑識(shí)別系統(tǒng)， Plstid 給予使用者至多 8 個(gè)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(gè)數(shù)和相對(duì)于車的排列坐標(biāo)（將傳感器 安排成一條直線，或者弧線等方案），從而達(dá)到自己想要的識(shí)別效果。 圖 6 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 值的即時(shí)顯示（試駕時(shí)用） 圖圖 6 6：智能車設(shè)計(jì)操作界面：智能車設(shè)計(jì)操作界面 使用者除了可以設(shè)定賽車參數(shù)外，還可以對(duì)所設(shè)定好的賽車進(jìn)行 “ 試駕 ” ，當(dāng)場(chǎng)檢 驗(yàn)所設(shè)

32、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 3.3. 3 3 仿真程序設(shè)計(jì)仿真程序設(shè)計(jì) 仿真界面是軟件的核心部分，它是模擬智能車的真實(shí)賽道運(yùn)行的環(huán)境，包括控制臺(tái) 和顯示屏兩部分。 首先，賽道文件調(diào)入程序?qū)惖罃?shù)據(jù)文件的讀取，加載賽道數(shù)據(jù)到仿真環(huán)境，成為 智能車仿真運(yùn)行的基礎(chǔ)，然后調(diào)入智能車文件程序，程序會(huì)根據(jù)賽道的起始點(diǎn)自動(dòng)調(diào)整 智能車，使其以最佳的姿態(tài)停在賽道上2。 仿真程序是仿真軟件的核心，它主要為模擬傳感器檢測(cè)賽道功節(jié)點(diǎn)、控制算法功能 節(jié)點(diǎn)、智能車運(yùn)動(dòng)模型模擬節(jié)點(diǎn)和智能車的顯示功能節(jié)點(diǎn)。仿真程序的設(shè)計(jì)步驟如圖 7 所示。 圖圖 7 7：仿真程序設(shè)計(jì)步驟：仿真程序設(shè)計(jì)步驟 仿

33、真程序塊的運(yùn)行流程圖如圖，程序在賽道和智能車都調(diào)入仿真環(huán)境中后，主要在 賽道檢測(cè)，得到賽道信息，通過(guò)賽道信息和智能車當(dāng)前的狀態(tài)控制智能車的運(yùn)行，根據(jù) 運(yùn)動(dòng)模型的到下一個(gè)仿真周期智能車位置，輸出顯示智能車幾個(gè)環(huán)節(jié)中循環(huán)，直到完成 比賽。 數(shù)據(jù)分析模塊是用來(lái)完成對(duì)仿真數(shù)據(jù)的后期處理，在實(shí)際的仿真運(yùn)行過(guò)程中，雖然 可以看見智能車的仿真運(yùn)行狀態(tài)，但是，由于智能車的運(yùn)行速度很快，這些狀態(tài)在以相 當(dāng)高的頻率變化，特別是速度表所指示的速度，和實(shí)際測(cè)試一樣，也不能的對(duì)運(yùn)行過(guò)程 進(jìn)行分析，但是，在仿真的結(jié)束，可以把仿真數(shù)據(jù)存放在文件中，這里就是對(duì)仿真數(shù)據(jù) Y N 開始 調(diào)入賽道 調(diào)入賽車 界面顯示 運(yùn)動(dòng)模型 控

34、制 檢測(cè)賽道 停止 保存運(yùn)行數(shù)據(jù) 結(jié)束 的處理程序5。 在完成仿真程序的設(shè)計(jì)步驟后，剩下的就是利用程序進(jìn)行仿真，下面給簡(jiǎn)單介紹了 仿真流程。 進(jìn)入仿真 加載賽車信息 命令 設(shè)置賽道信息 初始化設(shè)置 顯示結(jié)果 發(fā)送命令 圖圖 8 8：仿真流程圖：仿真流程圖 第四章第四章 利用虛擬儀器平臺(tái)進(jìn)行智能車仿真利用虛擬儀器平臺(tái)進(jìn)行智能車仿真 智能車仿真系統(tǒng)的開發(fā)主要分為前面板設(shè)計(jì)和程序框圖設(shè)計(jì)。完成該系統(tǒng)的開發(fā)， 首先要對(duì)系統(tǒng)的功能進(jìn)行總體分析，羅列出該系統(tǒng)應(yīng)該具備的功能，然后進(jìn)行前面板設(shè) 計(jì)，進(jìn)而完成程序框圖設(shè)計(jì)，最后經(jīng)過(guò)反復(fù)的調(diào)試和不斷的完善，來(lái)最終實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)。 在智能車仿真系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中，仿真的大

35、體流程是：先完成初始化設(shè)置，然 后設(shè)置賽道信息，即黑線數(shù)據(jù)，加載賽車信息并發(fā)送命令，最終在黑線圖像上顯示結(jié)果6。 4.4. 1 1 初始化程序初始化程序 初始化設(shè)置主要包括開關(guān)串口，串口的選擇，波特率的設(shè)定，數(shù)據(jù)比特的設(shè)定，奇 偶位選擇，停止位的選擇。其前面板如圖 9 所示。 圖圖 9:9: 初始化設(shè)置前面板初始化設(shè)置前面板 1. 串口選擇是 VISA 資源的名稱指定要打開的資源，該控件也指定了會(huì)話句柄和類。 2. 波特率是指數(shù)據(jù)信號(hào)對(duì)載波的調(diào)制速率，它用單位時(shí)間內(nèi)載波調(diào) 3. 制狀態(tài)改變的次數(shù)來(lái)表示，其單位是波特（Baud） 。波特率與比特率的關(guān)系是比特 率=波特率*單個(gè)調(diào)制狀態(tài)對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制

36、位數(shù)。 4. 奇偶校驗(yàn)位是一種校驗(yàn)代碼傳輸正確性的方法。根據(jù)被傳輸?shù)囊唤M二進(jìn)制代碼的 數(shù)位中“1”的個(gè)數(shù)是奇數(shù)或偶數(shù)來(lái)進(jìn)行校驗(yàn)。通常專門設(shè)置一個(gè)奇偶校驗(yàn)位，用它使這組 代碼中“1”的個(gè)數(shù)為奇數(shù)或偶數(shù)。若用奇校驗(yàn)，則當(dāng)接收端收到這組代碼時(shí)，校驗(yàn)“1”的個(gè) 數(shù)是否為奇數(shù)，從而確定傳輸代碼的正確性。 初始化設(shè)置的程序框圖如圖 10 所示。 圖圖 10:10: 初始化設(shè)置程序框圖初始化設(shè)置程序框圖 4.4. 2 2 賽道和賽車信息的加載賽道和賽車信息的加載 賽道信息即黑線數(shù)據(jù)，賽道信息在系統(tǒng)顯示為黑線數(shù)據(jù)，這個(gè)需要根據(jù)自身需要進(jìn) 行設(shè)定。主要包括寬度，高度，放大倍數(shù)，黑線的掩碼和色碼。修改黑線的色碼后

37、黑線 將不再是黑色，而是自己設(shè)定的顏色。 4.2.1 利用前面板對(duì)基本參數(shù)的設(shè)置 賽道信息即黑線數(shù)據(jù)，賽道信息在系統(tǒng)顯示為黑線數(shù)據(jù)，這個(gè)需要根據(jù)自身需要進(jìn) 行設(shè)定。主要包括寬度，高度，放大倍數(shù)，黑線的掩碼和色碼。修改黑線的色碼后黑線 將不再是黑色，而是自己設(shè)定的顏色。 在前面板中可以設(shè)定賽道的高度，寬度及圖像放大倍數(shù)，色碼和掩碼。其前面板如 圖 11 所示。 圖圖 11:11: 黑線數(shù)據(jù)及黑線圖像顯示的前面板黑線數(shù)據(jù)及黑線圖像顯示的前面板 其中： 1. 掩碼是字節(jié)數(shù)組，其中的每一位都描述了一個(gè)像素的掩碼信息， 2. 色碼表是與數(shù)據(jù)數(shù)組映射的兩種顏色。 4.2.2 黑線數(shù)據(jù)及黑線圖像顯示程序設(shè)計(jì)

38、 黑線數(shù)據(jù)及黑線圖像顯示程序框圖如圖 12 所示。 圖圖 12:12: 黑線數(shù)據(jù)及黑線圖像顯示程序框圖黑線數(shù)據(jù)及黑線圖像顯示程序框圖 如下具體介紹了程序的設(shè)計(jì)步驟： 1. 截取字符串 圖圖 13:13: 截取字符串的圖標(biāo)截取字符串的圖標(biāo) 字符串是輸入字符串；偏移量是起始位置并且必須為數(shù)值， 字符串中第一個(gè)字符的 偏移量為 0，如沒有連線或小于 0，則默認(rèn)值為 0。長(zhǎng)度必須為數(shù)值。如長(zhǎng)度沒有連線， 則默認(rèn)值為字符串長(zhǎng)度減去偏移量。 2. 重排數(shù)組維數(shù) 圖圖 14:14: 重排數(shù)組維數(shù)圖標(biāo)重排數(shù)組維數(shù)圖標(biāo) n 維數(shù)組可以是任何類型的 n 維數(shù)組；維數(shù)大小 0.m-1 指定 m 維數(shù)組的維數(shù)，必須

39、為數(shù)字，如維數(shù)大小為 0，函數(shù)將創(chuàng)建空字符串；m 維數(shù)組的數(shù)組大小接線端必須為 m，m 維數(shù)組如維數(shù)大小的乘積大于輸入數(shù)組元素的數(shù)量，函數(shù)將用 n 維數(shù)組的默認(rèn)數(shù)據(jù) 類型填充新數(shù)組。如維數(shù)的乘積小于輸入數(shù)組元素的數(shù)量，函數(shù)將對(duì)數(shù)組進(jìn)行剪切。 3. 捆綁 圖圖 15:15: 捆綁圖標(biāo)捆綁圖標(biāo) 簇是要改變值的簇。如該輸入端沒有連線，函數(shù)將返回簇。連線簇接線端時(shí)，“捆綁”。 函數(shù)將用元素 0.n-1 替換簇。輸入接線端的數(shù)量必須匹配輸入簇中元素的數(shù)量。元素 0.n- 1 可接收任意類型的數(shù)據(jù)。 輸出簇是作為結(jié)果的簇。 4. 繪制平化像素圖 圖圖 16:16: 平化像素圖圖標(biāo)平化像素圖圖標(biāo) 左上角指定

40、圖像左上角在坐標(biāo)系中的位置。x 是右側(cè)增加的水平坐標(biāo)。y 是底部增加 的垂直坐標(biāo)。 24 位、8 位、4 位、1 位像素圖是要轉(zhuǎn)換為圖像數(shù)據(jù)的二維數(shù)據(jù)數(shù)組。圖像數(shù)據(jù)的維 數(shù)應(yīng)與數(shù)組的維數(shù)一致。VI 將該數(shù)據(jù)作為顏色數(shù)組的索引。 顏色是 RGB 顏色的數(shù)組，與連接至像素圖的值對(duì)應(yīng)。連接的像素圖可確定 LabVIEW 如何讀取輸入的值。掩碼該一維數(shù)組用于說(shuō)明每個(gè)像素的掩碼信息。 圖像數(shù)據(jù)返回像素圖的信息，可用繪制平化像素圖 VI 將其繪制為圖片，或用各種圖 形格式 VI 將圖像保存至文件。 圖圖 17:17: 添加數(shù)據(jù)數(shù)組的圖片添加數(shù)據(jù)數(shù)組的圖片 圖 17 是要添加數(shù)據(jù)數(shù)組的圖片，默認(rèn)值為空?qǐng)D片；

41、圖像數(shù)據(jù)表明要繪制或操作的圖 像，圖像類型保留以便今后使用；新圖片是包含新圖像的圖片。如將該輸出連線至其它 圖片輸入端，可為圖片添加更多的繪圖指令。 繪制平化像素圖的程序框圖如圖 19 所示。 圖圖 18:18: 繪制平化像素圖程序框圖繪制平化像素圖程序框圖 4.2.3 賽道信息的加載 這里的賽車信息必須是已經(jīng)存在的，在仿真時(shí)只需加載上即可。賽車信息加載模塊 前面板如圖 19 所示。 圖圖 19:19: 賽車信息加載前面板賽車信息加載前面板 加載對(duì)話框如圖 20 所示。 圖圖 20:20: 賽道加載對(duì)話框賽道加載對(duì)話框 賽道加載模塊的程序框圖如圖 21 所示。 圖圖 21:21: 賽道加載模塊

42、的程序框圖賽道加載模塊的程序框圖 4.34.3 發(fā)送命令發(fā)送命令 這是進(jìn)入仿真的命令，設(shè)定好之后即可按照已經(jīng)設(shè)定好的命令進(jìn)行仿真，并能夠在 黑線圖像上顯示出仿真結(jié)果。 加載完賽車信息后，就可以向系統(tǒng)發(fā)送命令以控制賽車在賽道上的運(yùn)行。其前面板 圖如 22 所示。 圖圖 22:22: 命令發(fā)送前面板命令發(fā)送前面板 發(fā)送命令的程序框圖如圖 23 所示。 圖圖 23:23: 發(fā)送命令的程序框圖發(fā)送命令的程序框圖 命令顯示的程序框圖如圖 24 所示。 圖圖 24:24: 命令顯示程序框圖命令顯示程序框圖 I 使用。連接其它數(shù)據(jù)類型作為輸入時(shí)，該節(jié)點(diǎn)將恢復(fù)為原來(lái)的函數(shù)。如數(shù)據(jù)類型連接到 函數(shù)后導(dǎo)致基本數(shù)學(xué)運(yùn)算的失敗，則該函數(shù)將返回空矩陣或 NaN。通過(guò)復(fù)合運(yùn)算函數(shù)可 添加兩個(gè)或多個(gè)值。 4.44.4 仿真結(jié)果仿真結(jié)果 圖 25 為系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真界面，使用者在加載玩賽道與賽車信息后，即可進(jìn)行智能車的 動(dòng)態(tài)仿真，其中仿真周期表示系統(tǒng)每次計(jì)算的時(shí)間，可以根據(jù)單