周蘇 許科榮 支雪磊

（同濟(jì)大學(xué)，上海 201804）

主題詞：無(wú)線控制 四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng) ZigBee

1 前言

輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、體積小、傳動(dòng)效率高，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步引入四輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向技術(shù)，就形成了四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)/轉(zhuǎn)向電動(dòng)汽車[1-3]。通常，車型開發(fā)過程中的初期測(cè)試不要求高速、遠(yuǎn)距離，但考慮到安全問題（尤其是在無(wú)人駕駛控制策略的樣本學(xué)習(xí)期間），不適合由測(cè)試人員在測(cè)試底盤上直接進(jìn)行實(shí)車操作。因此，有必要設(shè)計(jì)一套無(wú)線控制系統(tǒng)，使四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)/轉(zhuǎn)向電動(dòng)汽車在無(wú)線控制下完成相應(yīng)的行駛?cè)蝿?wù)。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究人員開發(fā)了各種無(wú)線控制系統(tǒng)解決方案。晁楠[4]和喻濤[5]利用ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)各自實(shí)現(xiàn)了對(duì)小車的控制；Saputra H M等[6]采用2.4 GHz頻段通信方式實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)械車的無(wú)線控制；Barankova I等[7]利用ZigBee通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)了鐵路運(yùn)輸車輛的自動(dòng)控制；魯哲等[8]利用ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)為自動(dòng)導(dǎo)引車（Automated Guided Vehicle，AGV）設(shè)計(jì)了無(wú)線通信系統(tǒng)。

本文根據(jù)四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)/轉(zhuǎn)向電動(dòng)汽車開發(fā)階段的實(shí)車測(cè)試需求，選用ZigBee作為無(wú)線通信模塊，設(shè)計(jì)上位機(jī)控制軟件，用Python編程語(yǔ)言編寫車載信息處理單元的主程序，開發(fā)無(wú)線控制系統(tǒng)，并進(jìn)行臺(tái)架和實(shí)車測(cè)試。

2 系統(tǒng)方案

系統(tǒng)主要由通信模塊（無(wú)線通信模塊和CAN通信模塊）、信息處理單元和上位機(jī)控制軟件構(gòu)成，如圖1所示。信息處理單元將接收到的上位機(jī)控制信息轉(zhuǎn)成對(duì)應(yīng)的CAN控制指令發(fā)送至整車控制器（Vehicle Controller Unit，VCU），完成整車控制。同時(shí)，VCU的狀態(tài)消息也可以通過CAN總線，經(jīng)信息處理單元轉(zhuǎn)換后，由無(wú)線模塊發(fā)送到上位機(jī)。

圖1 系統(tǒng)模塊框圖

上位機(jī)控制軟件和信息處理單元的核心邏輯是支撐整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。為滿足快速開發(fā)、便捷調(diào)試的需求，采用Raspberry Pi作為信息處理單元的硬件平臺(tái)，采用Python編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)無(wú)線模塊和CAN模塊的基本配置，并根據(jù)無(wú)線通信協(xié)議和CAN模塊手冊(cè)編寫了相應(yīng)的通信代碼。同時(shí)，信息處理單元的主程序用于實(shí)現(xiàn)無(wú)線消息與CAN消息之間的互相轉(zhuǎn)換與收發(fā)。上位機(jī)的控制軟件采用LabVIEW設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了控制消息（模式、加速、轉(zhuǎn)向、制動(dòng)等）的輸入與發(fā)送和狀態(tài)消息（速度、電量、電流等）的接收與顯示。為保證系統(tǒng)信息傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，在收發(fā)數(shù)據(jù)的過程中加入了循環(huán)冗余碼校驗(yàn)機(jī)制。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 通信模塊選型

ZigBee技術(shù)具有數(shù)據(jù)通信可靠性高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、同步性好和控制網(wǎng)絡(luò)范圍可擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，其無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)新增節(jié)點(diǎn)的典型網(wǎng)絡(luò)參與時(shí)間為30 ms，節(jié)點(diǎn)從休眠狀態(tài)激活進(jìn)入工作狀態(tài)的典型時(shí)延為15 ms，處于工作狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)的典型存取時(shí)間為15 ms[9]。本文涉及的系統(tǒng)控制對(duì)報(bào)文收發(fā)時(shí)間間隔的要求為50 ms，因此，Zig?Bee技術(shù)可以滿足實(shí)時(shí)性的要求。此外，本文所涉及車輛無(wú)線控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)200 m以內(nèi)的無(wú)線雙向通信（控制數(shù)據(jù)發(fā)送以及狀態(tài)數(shù)據(jù)接收）和快速組網(wǎng)等。綜合以上考慮，選擇ZigBee作為系統(tǒng)的無(wú)線通信方式。

CAN總線控制器采用MCP2515，收發(fā)器采用TJA1050。選用的模塊支持CAN V2.0B技術(shù)規(guī)范，通信速率為1 Mb/s，還支持標(biāo)準(zhǔn)和擴(kuò)展數(shù)據(jù)幀及遠(yuǎn)程幀、0～8字節(jié)長(zhǎng)的數(shù)據(jù)字段，可以滿足系統(tǒng)需求。

3.2 信息處理單元

采用Python編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)信息處理單元的主要邏輯，包括主要通信模塊的初始化、ZigBee消息收發(fā)循環(huán)和CAN消息收發(fā)循環(huán)。

3.2.1 主程序邏輯

信息處理單元需要同時(shí)收發(fā)ZigBee消息和CAN消息。主程序利用Threading模塊多線程控制消息收發(fā)，其中主線程在通信模塊初始化完成后進(jìn)行ZigBee消息收發(fā)，子線程進(jìn)行CAN消息收發(fā)，2個(gè)線程間通過全局變量進(jìn)行互通。工作流程如圖2所示。

圖2 信息處理單元主程序工作流程

3.2.2 ZigBee消息收發(fā)循環(huán)

ZigBee模塊采用串口控制，因此，ZigBee無(wú)線消息收發(fā)等效于讀寫串口消息。其基本思路是輪詢，即先判斷處理來(lái)自串口的數(shù)據(jù)，再判斷處理需要發(fā)到串口的數(shù)據(jù)，通過這兩個(gè)過程形成大循環(huán)，實(shí)現(xiàn)ZigBee無(wú)線消息收發(fā)。代碼邏輯如圖3所示。

圖3 ZigBee無(wú)線消息處理邏輯

3.2.3 CAN消息收發(fā)循環(huán)

CAN消息收發(fā)循環(huán)中存在2個(gè)判斷，分別用于判斷是否收到新的CAN消息和是否存在待發(fā)送的CAN消息，如圖4所示。

處理CAN消息發(fā)送的子函數(shù)時(shí)，首先需判斷待發(fā)送的數(shù)據(jù)是否合法，本文選用G(X)=X8+X5+X3+X2+X+1作為循環(huán)冗余碼校驗(yàn)多項(xiàng)式。驗(yàn)證通過則將數(shù)據(jù)通過CAN發(fā)送出去，否則不執(zhí)行CAN發(fā)送。

圖4 CAN消息處理邏輯

3.3 上位機(jī)控制軟件

上位機(jī)通過LabVIEW編寫，利用其VISA串口通信工具對(duì)ZigBee模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫。VISA本身不具備編程能力，它是一個(gè)高層應(yīng)用程序編程接口（Application Programming Interface，API），通過調(diào)用底層驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)模塊的編程[10]。特殊點(diǎn)在于VISA串口讀寫均以字符串形式進(jìn)行，因此，需要將控制量和狀態(tài)量定義為單字節(jié)或多字節(jié)數(shù)據(jù)，通過字符數(shù)組的方式將這些數(shù)據(jù)串連起來(lái)，再通過控件將其轉(zhuǎn)為字符串類型。

3.3.1 上位機(jī)的控制邏輯

上位機(jī)需要實(shí)現(xiàn)對(duì)ZigBee模塊無(wú)線消息的收發(fā)，處理用戶輸入的控制數(shù)據(jù)，處理并顯示通過ZigBee傳送的來(lái)自CAN總線的狀態(tài)數(shù)據(jù)。上位機(jī)基本工作流程如圖5所示。首先初始化串口通信，為處理無(wú)線消息做準(zhǔn)備，同時(shí)進(jìn)行前面板及全局變量的初始化。隨后進(jìn)行大循環(huán)，其主要實(shí)現(xiàn)前面板的操作響應(yīng)和內(nèi)容顯示，終止條件是用戶給出終止信號(hào)。對(duì)前面板響應(yīng)的同時(shí)，另有2個(gè)支路進(jìn)行串口數(shù)據(jù)的收發(fā)，與前面板進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，分別進(jìn)行各自的數(shù)據(jù)處理。

圖5 上位機(jī)的基本工作流程

3.3.2 上位機(jī)的控制界面及程序框圖

用LabVIEW搭建的上位機(jī)通常由前面板和程序框圖構(gòu)成，一般為多線程并行。根據(jù)程序框圖的構(gòu)建情況，程序運(yùn)作流程可以是串行、并行或者用戶事件觸發(fā)、時(shí)間觸發(fā)等。根據(jù)上位機(jī)的基本工作流程繪制上位機(jī)控制界面，如圖6所示。

該控制界面主要實(shí)現(xiàn)控制數(shù)據(jù)輸入和狀態(tài)數(shù)據(jù)顯示功能。輸入的控制數(shù)據(jù)包括啟動(dòng)、停止按鈕，模式選擇框和加速（Acceleration）、轉(zhuǎn)向（Steering）、制動(dòng)（Breaking）3個(gè)滑動(dòng)軸。所有控制模式包括上電、驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)、倒車、停車（Park）、原地轉(zhuǎn)向（順時(shí)針、逆時(shí)針）、側(cè)行、緊急關(guān)機(jī)（ERROR）。顯示的狀態(tài)數(shù)據(jù)包括車速（Speed）、電池電量、電流以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)狀態(tài)反饋和轉(zhuǎn)向電機(jī)狀態(tài)反饋。

依照上位機(jī)的控制邏輯對(duì)該界面編程后得到對(duì)應(yīng)的上位機(jī)程序框圖，如圖7所示。

4 系統(tǒng)測(cè)試

4.1 基本運(yùn)行測(cè)試

將信息處理單元及相關(guān)通信模塊安裝在四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)/轉(zhuǎn)向電動(dòng)汽車上，如圖8所示。通電后，該系統(tǒng)能正常工作。利用車載VCU的在線測(cè)試工具M(jìn)otoHawk可以便捷地進(jìn)行CAN報(bào)文的實(shí)時(shí)收發(fā)測(cè)試。經(jīng)測(cè)試，上位機(jī)和信息處理單元的收發(fā)功能均正常工作，未經(jīng)正確循環(huán)冗余碼校驗(yàn)處理的數(shù)據(jù)無(wú)法通過信息處理單元傳送到CAN總線或上位機(jī)。

4.2 轉(zhuǎn)向標(biāo)定測(cè)試

由于轉(zhuǎn)向舵機(jī)與車輪均存在安裝誤差，在測(cè)試整體功能前需要對(duì)車輪進(jìn)行標(biāo)定。與此同時(shí)，通過轉(zhuǎn)向標(biāo)定還可以測(cè)試上位機(jī)對(duì)車輪控制的準(zhǔn)確性。轉(zhuǎn)向舵機(jī)控制脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輪轉(zhuǎn)角的控制。車輪安裝后，左前輪和右后輪的轉(zhuǎn)向范圍為-45°～90°，右前輪和左后輪的轉(zhuǎn)向范圍為-90°～45°。通過上位機(jī)界面的轉(zhuǎn)向滑動(dòng)軸對(duì)車輪進(jìn)行控制，每次標(biāo)定都針對(duì)單一車輪進(jìn)行，其他輪被設(shè)置屏蔽。標(biāo)定結(jié)果如表1所示。

4.3 臺(tái)架和實(shí)車測(cè)試

臺(tái)架測(cè)試主要測(cè)試模式切換、轉(zhuǎn)向角度變化、驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)等功能能否正常實(shí)現(xiàn)。經(jīng)測(cè)試，所有功能均能正常工作，符合預(yù)期。其中原地轉(zhuǎn)向模式的臺(tái)架測(cè)試如圖9所示。

在四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)/轉(zhuǎn)向電動(dòng)汽車其他相關(guān)設(shè)備安裝就緒后，對(duì)該無(wú)線控制系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)車測(cè)試，如圖10所示。

圖7 上位機(jī)的程序框圖

圖8 信息處理單元及相關(guān)通信模塊

表1 車輪轉(zhuǎn)向角標(biāo)定結(jié)果 %

圖9 臺(tái)架測(cè)試（原地轉(zhuǎn)向模式）

上位機(jī)通過無(wú)線控制系統(tǒng)給出的控制指令數(shù)據(jù)與GPS實(shí)際測(cè)得的車速數(shù)據(jù)存在一定差異，因此在實(shí)車測(cè)試過程中進(jìn)行了車速測(cè)量和標(biāo)定的工作。測(cè)試時(shí)，分別設(shè)定目標(biāo)車速為1 km/h、2 km/h、3 km/h、4 km/h、5 km/h、6 km/h，采集控制器獲得的無(wú)線指令數(shù)據(jù)和GPS測(cè)速儀數(shù)據(jù)。其中2 km/h和4 km/h目標(biāo)下的測(cè)試數(shù)據(jù)如圖11所示。

圖10 實(shí)車測(cè)試

根據(jù)測(cè)試的數(shù)據(jù)，在不同的速度下，取相同時(shí)間點(diǎn)的GPS測(cè)量速度均值，以此對(duì)應(yīng)關(guān)系作為待標(biāo)定的數(shù)據(jù)，如表2所示。

根據(jù)表2所示的數(shù)據(jù)，進(jìn)行多項(xiàng)式曲線擬合，結(jié)果為F(X)=0.159 6X2+0.893 5X+0.126 4。對(duì)該多項(xiàng)式進(jìn)行驗(yàn)證，以無(wú)線控制系統(tǒng)給出的控制指令數(shù)據(jù)作為輸入，得出擬合標(biāo)定后的結(jié)果，與GPS的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。其中2 km/h和4 km/h目標(biāo)下的標(biāo)定結(jié)果對(duì)比如圖12所示。

根據(jù)上述數(shù)據(jù)，可得擬合多項(xiàng)式計(jì)算后的數(shù)據(jù)誤差率。以不同目標(biāo)速度下的均值計(jì)算得到的結(jié)果如表3所示。結(jié)果顯示，同組別內(nèi)，速度較低時(shí)（1 km/h、2 km/h）未經(jīng)標(biāo)定的數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，速度較高時(shí)標(biāo)定后的數(shù)據(jù)誤差率更低。

圖11 不同目標(biāo)車速下的測(cè)試數(shù)據(jù)

表2 待標(biāo)定的數(shù)據(jù) km/h

圖12 不同目標(biāo)車速下的標(biāo)定結(jié)果對(duì)比

表3 擬合標(biāo)定后的結(jié)果對(duì)比

由實(shí)車測(cè)試結(jié)果可知，無(wú)線控制系統(tǒng)能夠?qū)⒖刂浦噶顪?zhǔn)確地發(fā)送給VCU。通過監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的對(duì)比可知，車輛能夠較好地跟隨由無(wú)線控制系統(tǒng)給定的車速。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了用于四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)/轉(zhuǎn)向電動(dòng)汽車的無(wú)線控制系統(tǒng)，包括上位機(jī)控制軟件、信息處理單元和通信模塊，實(shí)現(xiàn)了ZigBee無(wú)線消息和CAN消息的互相轉(zhuǎn)換，并加入了循環(huán)冗余碼檢驗(yàn)保證了通信安全性。經(jīng)轉(zhuǎn)向標(biāo)定、臺(tái)架測(cè)試和實(shí)車測(cè)試，該無(wú)線控制系統(tǒng)可以正常工作，可用于智能駕駛或無(wú)人駕駛車載環(huán)境典型樣本的收集和控制策略學(xué)習(xí)。