车载平台（共7篇）
车载平台 篇1
摘要：未来的车载信息平台是人、车、环境的充分交互, 集电子、通信、网络、嵌入式等技术为一体的高端车载综合信息显示平台。
关键词：车载信息平台,FPGA,车载网络
随着现代汽车工业和电子技术的发展, 车辆导航、通信、移动办公、多媒体娱乐、安防辅助驾驶和远程故障诊断等功能电子系统可以通过网络技术联网形成车载信息网络系统。未来的汽车仪表系统向着集成化、智能化、全图形化车载信息系统平台的方向发展。
车载信息系统平台综述
未来的车载信息系统平台将全面超越传统汽车仪表的现有功能, 系统主要功能包括:全图形化数字仪表、GPS导航、车载多媒体影音娱乐、整车状态显示、远程故障诊断、无线通信、网络办公、信息处理、智能交通辅助驾驶等等。未来的车载信息平台是人、车、环境的充分交互, 集电子、通信、网络、嵌入式等技术为一体的高端车载综合信息显示平台。
车载信息平台领域的技术发展
车载信息平台包括多方面技术, 下面仅将其中涉及到的几项关键技术简单介绍如下:
基于嵌入式技术的Telematics系统
Telamatics的技术特征充分表现了现代科技的大融合。它应用5种主要技术:卫星定位技术 (GPS) ;无线接入技术;蜂窝通信技术 (2G/3G) ;专用短程通信的窄带网络技术 (D S R C) ;数字广播和多媒体广播技术 (DMB) 。
Telematics装置通常是一种嵌入式系统, 它在软、硬件系统架构设计上与普通嵌入式系统并没有差异。在PC产业里, 运算平台的选择, 也就是处理器及其相关参考设计的选择, 是相当有限的, 不外乎Intel或是AMD的那几种, 然而嵌入式系统的硬件却需要面对各式各样不同的需求。正确的选型及架构设计必须能符合客户及产品需求, 这是一件相当重要的事情。目前比较流行的一种基于嵌入式技术的Telematics系统设计, 其硬件系统采用了高效、灵活的A R M+F P G A构架, 其中ARM主要完成外部数据采集、整理、分析、存储等功能, FPGA主要用于用户界面的显示。这种硬件架构一个比较典型的应用实例就是赛灵思与微软汽车业务部推出的智能车载信息平台, 它又被称为Microsoft Telematics Platform (微软车载信息处理平台) , 巧妙地通过语音命令结合互联网连接进行通信和控制, 是一种用于集成各种移动设备和通过互联网与无线网络传送信息的集线器。系统。鉴于此, 微软开发了一个真正可以定制和伸缩的汽车标准车载信息处理平台。
该平台整合了一个基于ARM 9的微控制器, 支持32MB闪存/32MB DRAM以上的内存, 并包含集成GPS蓝牙和一个GSM电话模块。外部车辆连接包括一个CAN网络接口以及有保护的模拟和数字I/O, 用于实现LED驱动和按钮输入等功能。该平台的基本架构如图1所示。
微软利用了FPGA技术的灵活性和高集成度能力。该平台使用了一个Spartan3XC3S400 FPGA, 用于实现多个独立的目的, 如GSM电话接口、车辆接口 (CAN控制器和K-线路) 以及复杂的音频信号调节和路由功能 (如图2所示) 。
FPGA提供的高集成度也具有在一个器件内包含多种总线、接口和时钟的优点, 从而使利用EMI的设计容易管理。此外, 减少组件数量和电路板空间将降低生产成本, 实现更高的制造质量, 在任何汽车设计中这些都是重要的因素。
在了解了车辆开发的实质和目前已有的众多不同的车辆接口, 微软有意设计了一个灵活的解决方案, 可允许对后端车辆接口进行快速修改而不影响下层架构和系统性能。例如, 未来将有可能调节FPGA解决方案, 使之能满足带有诸如MOST、IDB-1394或其它数字车辆网络等汽车总线的最终应用的需求。
基于车载网络技术的多媒体信息、娱乐系统
对于购买配有车载网络汽车的用户来说, 最大的受益是能在网络中共享信息。汽车可以通过车载网络, 将视频、音频和数据内容传给乘客, 用户可以通过这种网络, 用互联网或者预订服务访问家用网络上的内容。随着3G时代的到来, 迫切需要建立能够提供这些服务、传输这些内容的多媒体安全信息娱乐系统。
多媒体传输系统的设计方案
媒体和信息网络主要面向远程信息处理、多媒体、导航系统等, 网络协议的传输比特率在250kbit/s~400Mbit/s之间。要实现车载系统中多媒体数据传输的功能, 迫切需要解决以下4个问题。
·这些新的应用要求网络的频带比现有汽车上的网络频带宽一个数量级, 例如, 控制器局域网络 (C A N) 和局域互联网络 (LIN) 。
·视频和音频内容的性质决定了它们在发布内容时, 必须考虑到发布的方式能够为用户所接受。音频延迟或者是在显示屏上出现错误的显示像素, 是人们不能忍受的。
·由于内容是以数字形式向外发布的, 那么, 设计人员必须十分关心如何保证内容的安全。
·因为连接到客户的外设上时, 有可能会不经意地把病毒带进来, 所以必须确保网络的安全, 以防止病毒的入侵。
随着嵌入式产品市场的发展, 随之而来的是系统方面的一些难题, 许多新出现的技术竞相成为主流的解决方案。归纳起来, 共有4种主要的技术。
·CAN技术。CAN技术是目前正在使用的一种技术, 而且新版的CAN已经提高了带宽。但这个协议并不支持高质量的服务。
·Firewire接口 (IEEE1394) 。在汽车市场中, 从事消费产品的公司都推崇Firewire接口。
·面向多媒体的系统传输 (MOST) 。用塑料纤维实现这项技术, 重量轻、成本低, 深受供应商的欢迎, 而且在宝马、奔驰和奥迪的一些汽车上已经采用了这项技术。从技术的角度看, 这个协议在设计时从一开始就支持多媒体数据传输的需要, 由总线提供同步通道, 以确保足够的带宽。
·无线技术。由于众多原因, 汽车市场在采用新标准方面进展缓慢。尽管超宽频带技术 (UWB) 简化了安装和维修, 在价格方面还有优势, 而且在技术上它似乎更适合于噪声环境下的短距离高速数据传输, 但是由于缺乏一个明确的单一标准, 整机制造商不愿使用它, 也阻碍了它的推广。多个标准存在的时间越长, 安装MOST技术的数量就会越大。
在过去10年中, 为促进远程信息处理和车载多媒体系统的应用, 汽车行业制定了许多规范, IDB (Intelligent Data Bus) 是其中一个重要内容。它首次确定了汽车行业用于信息、通信和娱乐系统的接口标准。目前SAE已将各种IDB设备分为三类:低速设备 (IDB-C) 、高速设备 (IDB-M) 和无线通信设备
(IDB-Wireless) 。
IDB-C发展较快, 估计今后数年可在一些车辆中配置。由于它结合了CAN技术, 而目前许多汽车生产商已将CAN网络产品应用于多种车载平台, 因此IDB-C引起了汽车生产厂商的极大关注。IDB-C目前已成为SAE J2366标准。
IDB-M包括D2B、MOST (Media Oriented System Transport) 、IDB1394等传输速率较高的标准和协议, 其中D2B已在M ercedes1999S型轿车中得到应用。D2B技术于20世纪80年代后期由Philips、Sony、Matsushita等公司共同开发, 1992年, 被Honda、Alpine公司应用于汽车的多媒体控制系统中。D2B技术使汽车变成了一个流动的多媒体工具。但是D2B的速度还是太慢, 因而在1998年, Audi、BMW等公司又联合开发了MOST协议, 它是专门用于汽车工业的多媒体光纤网络标准, 速率可达50Mbit/s。BMW目前在业界率先采用了MOST协议, Daimler Chrysler等欧洲汽车制造商也计划采用该协议。
目前的IDB-Wireless主要是指“蓝牙”技术。
MOST网络的构建
MOST网络技术使得汽车制造商和供应商能够简便地在车内增加一系列多媒体设备, 进一步增强模块化功能。MOST网络的性能取决于光纤发射器和接收器 (用于传送数据, 以运行信息娱乐系统) 能否在各种温度下正常运行。
MOST光纤网络为在车内的娱乐和信息设备之间进行音频、视频、数据和控制信息的交换提供了基础设施, 而不再需要体积庞大的铜缆布线。MOST是支持车内信息娱乐系统的骨干技术。采用MOST网络技术的汽车在2001年首次问世, 如今, 已在23种车型中安装了超过1000万个节点。
要连接到MOST网络上, 一般需要通过智能网络接口控制器 (i NIC) , i NIC实现了PHY功能和MAC的大部分功能。车载信息平台系统是通过一个三引脚的串行总线——媒体本地总线 (Media LB) , 连接到i NIC上 (见图3) 。Media LB能够支持所有的MOST网络数据类型。
这个网络必须包含有连接点, 这样, 最终用户可以通过连接不包含在汽车之内、要单独购买的设备。最可能出现的情况是不只有一个专用网络。一个“可信的”网络将支持汽车出厂之前已经装上去的设备。用户可以通过第二个“不可信的”网络联接到用户设备上。我们可以通过一个网关来实现两个领域间的访问控制功能。
汽车远程故障诊断系统
目前, 在汽车工业发达的国家, 车载信息平台和导航服务项目已经逐渐成为标准配置。与此同时, 汽车制造商正规划着信息服务的下一个发展阶段:使每辆汽车能够通过Internet与特约汽车维修厂进行数据通讯。在不久的将来, 汽车制造商通过Internet或移动电话可以告知汽车驾驶员, 他所拥有汽车的下一次检测日期;当汽车“抛锚”时, 不管该车是处于什么地方, 他都能够获得在线快速服务, 并通过移动网络, 让特约汽车维修厂能够随时知道他的汽车的运行和技术状况。
·汽车远程故障诊断系统的结构
图4为汽车远程故障诊断系统的结构示意图。其工作过程为:用户通过车载信息平台对汽车上的控制模块进行数据采集和状态监测后向远程诊断服务中心发出远程诊断请求;服务中心经权限检验后, 对用户请求做出响应, 启动相应功能模块, 开始诊断工作, 并借助网络与用户进行实时的信息交互传递。
·车载信息平台的远程诊断功能
车载信息平台的工作过程是:用户通过键盘向车载信息平台发出进行远程诊断的指令, 嵌入式处理器通过与车内其它功能模块的进行通信, 获得车内各系统的工作状态, 将这些数据存储在存储器中;然后再通过无线传输模块向远程故障诊断服务中心的请求诊断服务, 请求得到允许后, 车载信息平台将存储在存储器中的车辆工作状态数据和故障代码信息发送到远端的诊断服务器;诊断服务器收到数据后进行诊断分析, 将诊断结果返回, 车载信息平台将接收到的诊断结果进行显示, 从而达到诊断的目的。
·车载信息平台与远程故障诊断中心的通信
要实现远程诊断, 必须要有远程通信技术的支持才有实现的可能。由于汽车的位置是不确定的, 所以不可能通过有线的方式联接到Internet, 这样要进行远距离数据传输就需要依靠无线通信。常用的无线通信实现方式有:
·利用现有的通信网络 (GSM/GPRS、CDMA移动网等) 和相应的无线通信产品;
·通过无线收发设备, 如无线Modem、无线网桥等专门的无线局域网;
·利用收发集成芯片在监测站端实现电路板级与监控中心的无线通信。
参考文献
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[7]韩建保, 陈厉兵, 王志刚.汽车制造商与汽车和维修厂联网提供远程诊断服务[J].汽车维护与修理, 2002 (6)
车载信息系统平台的核心技术研究 篇2
近些年来,在汽车制造业和电子科学技术的不断进步和应用中,可以将导航、通信、移动办公多媒体以及远程判断等多项功能借助互联网科技应用在车载信息系统中。车载信息系统平台的不断发展将会全方位地代替当前的汽车仪表功能,车载信息系统主要包括了数字化图形仪表、导航、多媒体、车辆状态信息、远程故障判定和智能化辅助驾驶等。这一系统将人、车和环境三者结合起来,实现了三者的完全互动,将电子技术、通信技术、互联网技术和嵌入式技术集于一体。
当前车载信息系统平台通常以液晶显示屏为显示设备,通过图形将大量繁琐的数据准确的在液晶显示屏中呈现出来。但是车载信息系统平台所要呈现的汽车相关信息较多,但是受到显示屏和车内空间设计的约束,通常采用一屏多显等技术在液晶显示屏上将汽车信息、导航、多媒体和倒车后视等信息呈现出现。车载信息系统包含了诸多领域的相关技术,本文对其中几项核心技术进行了详细的分析。
1 嵌入式技术的Telematics系统
所谓Telamatics系统就是借助无线互联网技术将车辆接入互联网,并为使用客户提供日常驾驶和生活所需求的各类信息技术。当前主要分为卫星定位、无线接入、蜂窝通信、窄带网络、数字广播以及多媒体五种技术。Telematics系统属于嵌入式,相比传统的嵌入式在软硬件系统上并无明显的差异。在当今电子计算机的不断发展中,在进行处理选择时,无外乎Intel和AMD等几种,具有极大的局限性,但是在嵌入式系统中对于硬件的要求却是多方面的,需要满足不同环境和人群的需求。在当前采用Telematics系统的主流设计中,硬件采用了具有高性能的ARM+FPGA结构,其中ARM的主要功能就是对数据进行统计、解析、处理和存储等,而FPGA主要是用于信息的显示。此外,微软还研发了一套微软车载信息系统,将语音和互联网进行了融合,属于通信和控制相结合的集线器。
2 车载网络多媒体系统
选配带有车载网络的汽车,对于使用客户来说最大的好处就是能够享受互联网中的信息。借助车载网络,能够将音频和视频等完美地呈现给乘客,并且使用客户借助互联网实现各种网络服务的需求。随着4G技术的不断深入,建立一套车载多媒体安全娱乐信息系统成为了迫在眉睫的事情。
当前的多媒体和信息网络技术在远程处理、多媒体和导航系统等中的网络协议需要保持在250kbit/s~400Mbit/s输出比特间。为了保证车载多媒体技术的正常使用,需要解决以下几个难题。(1)在汽车中若想使用较为先进的应用就需要比当前使用的网络频带在宽一个数量级。(2)在对视频和音频进行发布时,要充分考虑其内容性质,减少在使用过程中出现像素显示错误等问题。(3)当前数据和信息内容多以数字化的方式向外传播,所以其安全性成为了人们关注的问题。(4)在对汽车现有系统进行设备升级和更新时,连接外部设备时,要保证网络的安全性,避免病毒进入。
为了让客户体验到嵌入式产品所带来的更好的服务,针对以上问题,提出了CAN技术、Firewire接口技术、系统传输技术和无线技术四种技术解决方案。
3 汽车远程故障判断系统
在当前的一些汽车制造业比较先进的国家中,车载信息系统平台逐渐成为了汽车的标准配置。为了提高车载信息系统平台的实用性,汽车制造商正计划当汽车出现故障时,借助互联网使每一辆汽车都能够与汽车维修厂进行数据沟通。在今后,汽车制造商会借助互联网等移动方式告诉客户下一次维修保养时间;当汽车出现各种故障时,能够借助该系统获得快速的维修服务。该系统的主要工作过程如下:客户通过对车载信息平台进行设定,命令其进行远程诊断,车载信息系统平台内的嵌入式处理器与车内其他的功能模块进行交流,从而取得最新的汽车状态数据,然后对这些数据进行储存,并通过无线系统将该数据传送给远程故障诊断服务中心,远程诊断中心进行数据处理并将处理后的数据通过车载信息平台传递给用户,实现诊断的目的。在进行远程诊断服务中主要采用的传送方式是无线通信,其实现方法主要包括:(1)借助当前通用的通信网络和相关通信电子产品。(2)利用无线收发设施。(3)借助收发集成芯片实现无线通信。
4 结语
随着交通事业的发展,汽车网络信息平台也迎来了新的机遇。目前,我国车载信息系统平台的发展已经初见成效,但由于各类因素的限制,技术开发水平还有待提升。笔者深信,只要抓住这个良好的发展机遇,做好技术研发工作,必然可以利用后发优势进一步促进我国相关产业的发展。
参考文献
[1]马钧,胡晓佳.基于中国消费者使用需求的Telematics服务发展研究[J].农业装备与车辆工程,2012(1).
[2]农丽萍,王力虎,黄一平.Android在嵌入式车载导航系统的应用研究[J].计算机工程与设计,2010(11).
车载物料作业机器人工作平台研究 篇3
在工矿企业中,经常需要对车载物料进行取样检验。由于大多数取样作业现场环境恶劣,严重影响到人身的健康与安全,同时,取样中存在的人为干预现象,导致劣质原料进厂,提高了生产成本,降低了产品质量。中华人民共和国标准GB/T18666—2002《商品煤质量抽查和验收方法》[1]的颁布实施,对车载商品煤取样方法制定了严格规范。为此,市场盼望形成一种达到国家标准要求并满足企业取制样作业工艺要求的车载物料智能取样机设备。本项目研制的车载物料作业机器人工作平台正是针对该领域进行的基础性和应用性研究,是把机械取样机升级为智能化取样机的配套控制系统,主要针对钢铁、电力企业进厂原材料(铁粉、焦煤)通道上的汽车物料取样机。
1 技术方案
1.1 技术方案确定
经过对众多电力和钢铁企业汽车进厂原料取样状况的调查得知:几乎所有企业的汽车进厂原料通道形式都是道路缓冲带+通道式取样区域;运输车辆的型号多种多样;取样机械主要有桥式和悬臂式两种类型;当前的取样普遍存在人为干预的因素。
结合当前技术水平,经过反复论证后,确定了如下技术方案:1)采用双模式全自动汽车定位技术,适应多样性取样现场环境条件;2)采用双模式取样控制,适应桥式取样和悬臂式取样的不同要求;3)采用自动随机选择取样布点方案、强制性取样进程控制和客户信息保密的方法,最大限度降低样品取制验过程中的人为干预现象;4)采用远程网络取样控制并全程动态监控取样工程。
1.2 系统组成
车载物料作业机器人工作平台有三个主要部分:中央控制系统、自动汽车定位系统、取样控制系统,如图1所示。自动汽车定位系统用于实时扫描检测车箱的长度、宽度以及停放位置,形成包括全部车箱区域的取样区域。取样控制系统用于控制全部取样动作。中央控制系统作为控制核心,协调控制自动汽车定位系统和取样控制系统的工作,完成随机选择取样方案,以及处理客户信息加密、解密和化验报表生成,并作为远程终端的控制服务器。授权远程终端既可以全程监控取样进程,也可以通过现场的主机控制取样操作。而制样系统则是相对独立的设备,它通过接口与取样系统进行信息交换和联动控制。
1.3 工艺流程
车载物料作业机器人工作平台的工艺流程分为作业流程和信息流程。作业流程按顺序包括自动定位车箱区域、随机选择取样方案、自动完成取样进程三个环节。从选择取样方案到按所选方案完成取样为自动连续执行,具有强制不可逆性。信息流程按顺序包含客户信息输入、信息加密、化验结果输入、客户信息还原、产生报表等环节。客户信息以随机编号流转于取样、制样和化验环节,待编号化验结果输入系统后,再转换为客户信息化验结果,减少人为干预样品的可能性。
2 系统研制
2.1 自动汽车定位系统
平台系统兼容两种自动汽车定位系统:声光探测汽车定位系统[2]和双目视觉汽车定位系统。两种汽车定位系统分别需要配合不同的外部设备,能够各自独立完成汽车定位功能。实际工作时,由用户选择采用哪种定位系统。
2.1.1 声光探测汽车定位系统技术原理
以透射式红外光电传感器和超声波测距装置相结合可以实现对平面区域内物体的定位。透射式红外光电传感器由红外发射模块和红外接收模块组成,当收发模块之间有物体遮挡光路时,将改变接收模块的接收状态,据此可以非接触探测物体是否存在。如果把多个发射模块和多个接收模块按固定间隔平行排列成两排,让收发两侧对应位置上的红外模块一对一对地按顺序轮流接通工作,对其间区域进行逐行扫描探测,则依据扫描结果不但可以判断该区域是否有物体存在,还可以计算出物体的长度及其在该区域中的纵向相对位置。分别在物体两侧标定位置安装超声波测距装置,测出与物体的距离,就可以计算出物体的宽度及其在该区域中的横向相对位置。
基于声光探测的汽车定位系统中,由红外发射阵列、红外接收阵列和电子移位电路构成红外线电子移位逐行扫描电路,用于车箱长度和纵向停车位置的测量,由四个超声波测距装置构成的测距系统,用于车箱宽度和横向停车位置的测量。四个超声波测距装置安装在工作区域两侧,分成两组,分别测量前部车箱和后部车箱。
主控计算机对纵向检测和横向检测的数据进行综合处理和分析,判断出工作区是否有车、哪种车型,并计算出汽车在区域中的停车位置参数和车箱几何参数。
2.1.2 双目视觉汽车定位系统技术原理
双目视觉汽车定位系统[3]硬件主要由照明系统、摄像机、图像采集卡、计算机等构成。如图2所示,系统由两台摄像机固定于取样区域的正上部,两者之间有一定的间距,分别可以获得车辆及周围场景的俯视图,视频输出信号经图像采集卡输入到计算机。利用双目成像和视差理论的基本原理,软件系统对两台不同位置摄像机拍摄的同一幅场景进行分析、处理,通过计算两台摄像机公共视野中车厢边缘上任一空间点在两幅图像中视差,可以获取该空间点的三维坐标,从而可以准确实现汽车定位。
本系统中由于被测对象体积较大,且要求图像连续采集,重复性要好,照明系统必须保证长时间提供稳定的照明。同时为了提高系统的处理速度,摄像机需选用工业黑白大幅面CCD相机,选择的镜头要求畸变尽可能小,图像边缘失真度低。图像采集卡用于控制相机拍照,它的选择要求与相机相匹配。本系统软件部分模块多、计算量大,要求计算机采用高速CPU和大内存的硬件配置,从而提高系统的速度和效率。
软件部分主要由车辆检测、图像采集、图像拼接、图像预处理、摄像机标定、尺寸测量、数据统计和分析、帮助与异常处理几大模块构成,软件流程如图3所示。
2.2 取样控制系统
平台系统兼容两种取样控制模式:桥式取样控制模式和悬臂式取样控制模式。两种取样控制模式的硬件系统主体基本一致,但控制软件和算法不同,通过软件设置可以切换取样控制模式。取样控制软件集成于中央控制系统软件中。
桥式取样控制系统由主控计算机、控制板、驱动板和多种传感器组成,完成全部取样动作的执行控制和状态检测。取样动作可分为三类,第一类是大小行车走行动作,包括大行车前进、后退,小行车前进、后退;第二类是取样杆动作,包括取样杆上升、下降,螺旋杆上旋、下旋,缩分仓开门、关门;第三类是警示动作,包括栏杆升起、放下和响铃。在设计上有如下特点:1)所有动作控制都采用闭环结构;2)每组的两个动作继电器均采用互锁方式,确保不会同时动作;3)取样杆下探动作采用行程保护和遇阻保护两种保护模式,使取样杆既可以下探到最大行程返回,也可以遇到阻力返回。遇阻保护模式可以保证取样杆一直下探到车箱底面,达到全断层取样的目的,也可以在遇到异常情况时,达到保护取样机和汽车的目的。
悬臂式取样与桥式取样相比主要有两点不同:一是机械结构不同,主要是取样头移动方式的不同,它通过悬臂转动和小行车的运动实现取样头移动;二是软件算法不同,在桥式取样模式,软件中对取样头的移动控制采用直角坐标系,而在悬臂式取样模式时,软件中对取样头的移动控制采用极坐标系。
2.3 中央控制系统
中央控制系统是整个系统的核心控制软件和人机交流平台,安装于现场的主控计算机内。它集成了自动定位系统的核心软件、取样控制系统的核心软件以及智能取样工艺流程所需的全部功能。系统首先自动定位车箱区域,动态检测直至有汽车进入取样区域并完成汽车定位。接下来输入当前所定位汽车的客户信息(户名或单位名称),该客户信息将以随机加密的编号进入后面的工序。之后,启动取样进程,系统将在完全无人干预的状态下,连续完成从“随机选择取样方案”到“自动完成取样进程”的诸多环节。授权远程终端可以远程操作完成“自动定位车箱区域”环节,而对其后的环节只能远程监视,必须由现场主机来完成。
通过中央控制系统,可以选择定位工作模式,设置定位的速度、环境变量等参数,可以选择取样控制模式,设置取样速度、取样工艺,可以打印和上传取样信息报表,还可以采用错位扫描等多种算法,完成系统自检和故障诊断。
主机软件采用Delphi编写[4],视频采集采用微软公司关于数字视频的软件包VFW,视频的传输采用Delphi提供的id UDP控件,文字信息的传输采用Delphi提供的NMUDP控件。远程控制功能的实现使用了TCPserver和TCPclient控件。
3 结论
车载物料作业机器人工作平台集自动汽车定位、自动取样控制于一体,兼容声光探测汽车定位和双目视觉汽车定位两种汽车定位系统,适应桥式取样和悬臂式取样两种控制模式,采用随机布点方案,全面适配取制样工艺,满足了取样的客观性、公正性和真实代表性,达到了国标和取制样工艺的要求。系统经过了实际工作环境下的实验、调试和检测,进一步解决了设计和安装工艺的影响,主要技术参数优于预期性能指标。
摘要：本文在介绍智能取样控制系统构成和工艺流程的基础上,设计了基于自动汽车定位技术和智能取样技术的车载物料取样控制平台。该平台实现双模式自动汽车定位、随机选择取样方案、双模式取样控制、远程网络监控和客户信息保密的功能,既满足不同取样场地和不同取样机械的需求,也满足了取样的真实代表性,达到了国家标准和取制样工艺的要求。
关键词：机器人,自动定位,随机布点,自动取样
参考文献
[1]GB/T18666—2002,商品煤质量抽查和验收方法.
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车载平台 篇4
近年来, 在马拉松赛等长距离、大范围的体育赛事的电视直播中, 以及在电影宏大场景的拍摄中, 都需要对目标进行全方位多角度高清晰拍摄[1], 传统的车载移动拍摄会将车体运动干扰传递到摄像机上, 带来画面抖动和成像拖影等问题, 影响拍摄画面的质量。上世纪70年代, 国外开始使用陀螺稳定技术解决拍摄画面抖动的问题。国内直到上世纪90年代才开始引进和使用基于陀螺稳定技术的摄像平台。由于国外技术封锁, 国内在相关研究和应用方面与国外差距很大。目前国内有很多从事陀螺稳定技术研究的科研单位, 但很少有单位针对特种影视拍摄需要开展陀螺稳定摄像平台研制。
本文提出了一种基于陀螺稳定的车载摄像平台系统, 在有效隔离车体运动对摄像机的干扰、保证拍摄画面质量的同时, 克服了低精度陀螺零位不准造成的画面漂移现象, 因而在体育赛事直播等领域具有广阔的应用前景。
1 系统工作原理
1.1 系统组成
摄像稳定平台系统由平台本体 (机械框架、传感器和电机) 、电子箱和控制单元组成, 如图1所示。其中, 机械框架包括底座、方位和俯仰框架, 并预留用于摄像机安装的标准接口, 以适应不同类型的摄像机, 如肩扛式摄像机等。传感器安装在框架上, 主要包括敏感框架角速率的陀螺和测量框架角度的电位计。电机为执行机构, 主要作用是输出补偿力矩以克服外部干扰力矩。控制电路安装在电子箱中, 主要用于传感器信号的采集、控制计算和电机功率驱动信号输出。控制单元实现平台本体两框架的转动控制, 由二维摇杆 (控制框架转动角速度) 、转动角速度调节旋钮、平台工作状态指示灯等组成。平台本体、电子箱与控制单元之间通过电缆连接, 通信方式为RS-422串口通信。系统还可以外接球头码盘进行控制, 较好的实现了人机交互。
1.2 控制原理
稳定平台包括俯仰和方位两个控制通道, 均采用陀螺稳定回路加角度锁定回路的双回路复合控制模式。
陀螺稳定回路为内回路, 利用速率陀螺作为角速率敏感元件, 通过反馈控制直接驱动框架转动, 抵消干扰力矩引起的摄像机视轴晃动, 使视轴在惯性空间内长时间保持指向不变。
陀螺零漂越小精度越高, 只用陀螺稳定回路即可得到很好的稳定效果, 但高精度陀螺的成本也很高。本文采用较低精度的速率陀螺, 其零位稳定性较差, 零位不准给陀螺稳定回路造成的后果是使摄像视轴缓慢漂移运动, 难以满足在固定方向上连续拍摄的要求, 所以本文采用电位计作为角度传感器, 测量平台框架相对载体的角度, 通过反馈构成外部的角度锁定回路, 由于车辆在拍摄过程中基本处于匀速直线前进状态, 车体俯仰和方位姿态变化长周期趋于零, 从而抑制因陀螺漂移造成的视轴运动, 满足在指定方向上稳定拍摄的要求。
由于拍摄中感兴趣的拍摄对象会变化, 需要使摄像机视轴随控制单元的操控指令动。操控指令通常叠加在速率反馈信号上以保证框架快速转动到新的位置, 但在锁定回路存在的情况下, 角度锁定指令不变, 就会使框架姿态又锁回到操控之前的位置, 这是不可接收的。由于陀螺稳定回路的响应速度远高于角度锁定回路, 通常在锁定回路作用还不大时操控已经结束, 此时同步地向角度锁定回路设置相应角度锁定指令, 使锁定回路锁定在当前姿态, 即可满足在新的指定方向上稳定拍摄的要求。
以俯仰通道为例, 其控制原理如图2所示。图2中, 车体干扰力矩为Md, 平台及负载的等效转动惯量为J, 平台俯仰框架晃动角变化为Δθ, 车体俯仰姿态角变化为Δθb, 相对姿态变化为θa=Δθ-Δθb, 平台角速度为ω, 操控角速度指令为ωc, 锁定角度指令为θac。Kg为陀螺标度因子, Δω为陀螺零位漂移。Ka为角度传感器标度因子。Km为电机力矩系数。Gs (s) 为陀螺稳定回路校正网络, Ga (s) 为锁定回路校正网络, 均为比例-积分控制器。
1.3 控制仿真
1.陀螺稳定回路隔离车体扰动的效果
考虑车辆的悬挂谐振频率约1Hz～3Hz, 因此将有限带宽白噪声信号通过一个带宽为3Hz的低通滤波器后作为干扰力矩输入控制回路。令陀螺漂移为0。图3 (a) 为不加稳定回路时的摄像平台俯仰角变化曲线, 图3 (b) 为有陀螺稳定回路作用时的摄像平台俯仰角变化曲线。
仿真结果显示了陀螺稳定回路隔离车体扰动的效果。不加陀螺稳定时摄像平台俯仰角变化很大, 而加陀螺稳定以后摄像平台俯仰角变化始终在±2mrad以内。仿真结果同时说明在双回路控制中, 干扰力矩由陀螺稳定回路抑制, 角度锁定回路对抑制干扰力矩的贡献很小。
2.角度锁定回路抑制陀螺零位漂移的效果
将陀螺零位漂移设为1.25°/s的常值, 输入控制回路。令干扰力矩为0。图4 (a) 为只有稳定回路时的摄像平台俯仰角变化曲线, 图4 (b) 为陀螺稳定回路加角度锁定回路时的摄像平台俯仰角变化曲线。
仿真结果显示了角度锁定回路抑制陀螺零位漂移的效果。不加角度锁定回路的摄像平台俯仰角一直在缓慢增大, 加角度锁定回路的摄像稳定平台俯仰角经过一段时间调节以后趋于0, 调节时间的长短取决于角度锁定回路的控制参数设置。
3.有角度锁定回路的外部操控效果
外部操控指令为方波形式的角速度指令。令陀螺漂移为0。图5 (a) 为只有外部操控指令没有同步调节角度锁定信号时的摄像平台俯仰角变化曲线, 图5 (b) 为同步地向角度锁定回路设置相应角度锁定指令的摄像平台俯仰角变化曲线。
仿真结果显示:双回路摄像稳定平台的角速度操控信号会引起角度锁定回路的响应, 可能产生长达数分钟的调节后效, 而同步地调整角度锁定回路的角度锁定指令, 使角度锁定回路在运动中始终不偏离其收敛平衡状态, 消除了调节后效, 保障了摄像平台的操控性能。
2 系统硬件实现
摄像稳定平台的硬件系统由信号处理模块、控制模块以及驱动模块构成, 如图6所示。其中, 信号处理模块将陀螺敏感的平台角速率和电位计测量的平台角度进行低通滤波、模数转换后, 得到陀螺速率信号和电位计角度信号, 并将得到的信号输入给控制模块, 控制模块对输入的陀螺速率信号、电位计角度信号和待摄像目标的移动量进行处理, 给出加矩指令即角速度控制信号, 输出的数字量与反馈电流的数字量经过运算后得到控制信号送入功率模块, 驱动电机转动, 控制平台动作, 实现对待摄像目标的跟踪。下面分别介绍各模块的工作原理。
1.控制模块
信号处理模块以FPGA+DSP为核心处理器件, FPGA实现设备通信、设备同步等任务管理, DSP主要实现稳定控制算法。
DSP选用TMS320F2812, 主要控制管理电路三环控制算法的运算器和时序控制器, DSP首先进行模块的初始化、设定定时中断。定时中断周期为2ms, 在定时中断内循环执行各控制算法的流程。通过片选信号、地址线的逻辑组合, DSP从数据线上读取FPGA、A/D发出的各种数据。
FPGA执行逻辑运算、实现设备通信和设备同步等任务管理, 主要有A/D的逻辑控制、接收控制单元的串行数据、PWM产生等。
DSP与FPGA之间的数据是通过16位数据位传输的, FPGA作为DSP的外设进行访问, 所有的数据访问都由DSP发起。FPGA通过地址线和DSP外部存储器接口读写地址判断DSP读写的目标地址, 并将数据放在数据线上或把数据线上的数据读入FPGA。
2.信号处理模块
信号反馈模块包括二阶有源低通滤波模块和A/D转换模块, 二阶有源低通滤波模块主要对陀螺、电位计的模拟信号进行低通滤波, 在此采用巴特沃思滤波器。为提高陀螺和电位计的采样精度, AD采样芯片采用24位AD芯片AD7732。
3.驱动模块
系统将PWM信号和电机使能信号通过光耦隔离电路连接到功率驱动器上, 实现电机的PWM驱动。通过设定FPGA内寄存器的数值可改变PWM脉冲的频率, 通过电流环输出的值改变PWM脉冲的占空比, 从而调整加入电机绕组中的平均电压, 改变绕组中的电流, 实现各种控制。
3 系统应用
基于本文的车载摄像稳定平台实现了广播级摄像机在二维空间的稳定和操控, 已经成功应用于广州亚运会皮划艇比赛、北京国际马拉松、厦门国际马拉松等多项大型体育赛事直播中, 图7为系统在广州亚运会上的应用。
4 结语
实际应用表明本文研制的车载摄像稳定平台系统可以较好地满足影视特拍行业的使用要求。该系统的成功研制为国内开展影视特拍产品的研制提供了技术参考。
参考文献
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[2]中国惯性技术学会.惯性技术词典[M].北京:中国宇航出版社, 2009.504.
[3]秦永元.惯性导航[M].北京:科学出版社, 2006.93.
[4]丁楠, 蒋鸿翔等.车载摄像稳定平台控制系统:中国, CN101872196 A[P].2010-10-27.
车载平台 篇5
1、车载娱乐平台现状
近年来随着社会经济的飞速发展,公路交通的复杂性和拥挤度与日俱增,现有的交通运输管理与服务手段已不能适应交通运输的需求,这已成为长期以来困扰发展中国家和发达国家的问题。因此,车载导航应运而生,在一些发达国家,车载导航已成为大众生活的辅助品。但是在中国由于技术、资金以及成本等原因,我国的车载导航市场还是处于发展初期。车载导航系统是集中应用了自动定位技术、地理信息系统与数据库技术、计算机技术、多媒体技术、无线通信技术的高科技综合系统。目前国内市场上的车载终端技术不够完备,市场化程度低,功能单一,真正达到消费者要求的并不多见。
由嵌入式Linux和Java虚拟机构成的Android操作系统,为嵌入式移动设备带来全新的开放系统解决方案。本文在众多的操作系统中选择Android作为车载多媒体系统终端软件,因为Android是开源的操作系统,有利于开发人员理解平台框架,降低移动终端设备的价格,同时也便于软件的开发、维护和升级。
2、当前车载娱乐平台的类型
随着市场的发展与信息技术的革新,车载娱乐平台已经逐渐为车主所接受.当前车载娱乐平台主要有两种:
(1)车载内置的以GPS导航为主的信息中心.
(2)单独的GPS车载系统.
由于汽车产业作为传统的行业,其巨大,复杂以及相对封闭的产业模式导致了以上两种产品各有优缺点.
前者由于技术封闭的原因,产品的功能相对单一,用户体验较差.后者由于无法与车辆内置的传感器等信息元器件互联,虽然有部分娱乐功能,但是没有突出车载的特色。
两者共同的特点在于技术相对陈旧,大部分产品都是厂家使用WINCE系统或者其他嵌入式系统自行研发.由于各个品牌的车载系统的软件互不兼容,每个品牌都要自己研发导航软件或者委托导航软件厂商研发相应的软件.使得研发的成本直接扣在消费者头上,同时也增加了汽车厂商维护系统的开销。
二、Android操作系统介绍
Google公司于2007年11月发布的Android操作系统,是一款建立在Linux操作系统内核之上的手机操作系统平台。Google公司是这样定义Android操作系统的,它是首个专门为移动终端打造的真正意义上的开源且系统完整的移动平台,而且不存在不同设备上的兼容性问题。
Android平台由操作系统、中间件、用户界面和应用软件组成。Linux内核层用来提供系统的底层服务,位于硬件和其他软件层之间,采用YAFFS2文件系统。Android运行库包含一组核心库和Dalvik虚拟机,Android提供丰富的类库支持且大部分为开源代码,如采用嵌入式数据库SQLite。应用框架层为Android开发人员提供了访问框架应用程序接口的全部权限,采用结构化设计简化了组件之间的重用。在应用程序层,Android本身附带了一些核心的应用程序,大大简化了Android应用程序的开发。
因此,利用Android操作系统作为车载多媒体终端的应用平台,由于操作系统与软件免费,导航终端更便宜;同一平台克服格式问题,功能更多元化;使用者决定功能,比个人电脑更人性化、更贴近消费者。
三、Android在汽车行业的应用
1、Android操作系统在车载GPS系统中的典型应用
虽然Google并未推出车载系统的Android版本,但是由于开源系统的优势所在,已经有众多汽车生产厂商已经在尝试在车载GPS系统中使用Android操作系统.比较典型的有:
(1)荣威350轿车搭载android 1.5系统.
(2)Google于通用汽车合作将在Android上构建On Star服务。
(3)Saab已经在日内瓦车展上展示基于Android的车载信息娱乐平台IQon.。
2、使用Android作为车载娱乐信息平台的优势
(1)高度可定制化可以做出不同风格的人机界面,满足消费者的喜好.
(2)开源产品,易于与汽车本身的硬件系统与传感器系统结合.从而开发出丰富多彩的软件.
(3)作为成功的开源平台,Android提供了软件运行平台的标准,意味着软件厂商的软件几乎不用修改即可运行在各种Android平台上,有效降低了研发成本与维护成本.
(4)Android与传统的导航或者内置的车载信息娱乐信息相比,在用户体验上有着明显的优势.
(5)Android内置移动网络的支持,使得各厂家易于定制自己的服务.并且可以接入到互联网,充分利用互联网的内容资源.丰富车载信息娱乐平台的功能,使之更加实用。
四、Android车载娱乐信息平台的组成
1、Android车载娱乐信息平台的功能组成
Android车载娱乐信息平台的功能组成如图1所示:
Android是一个通用的互联网操作系统,除去通用的软件以外,结合车载系统的特点.车载平台应该具有以下特有的几个部分:
(1)汽车设备控制单元
主要用于监测和输出汽车各部件的信息,并具有故障监测与用户报警功能.该部分与汽车各个传感器部分硬件上相连.同时在操作系统内部定制特有的软件模块来实现信息的通信,显示与控制.
(2)GPS系统:
主要用于电子地图与导航.现在Android系统已经实现了这一部分功能.
(3)电子地图应用:电子地图软件.(4)厂商服务:
深入定制的厂商服务软件,通过无线模块与厂商的服务系统相连接,这一部分应该是汽车厂商的服务核心价值所在。
2、平台构架
Android车载娱乐信息平台的系统架构图如下
车载娱乐信息平台需要对Android进行拓展,基本架构如上图所示,其中汽车设备硬件和汽车功能模块需是本系统都有的。这种扩展的目的是提供一种允许可信任的应用程序访问汽车功能模块(车辆制动、转向或电力传动分配)的安全机制,而其他的程序被隔离并且不可以访问。应用程序之间的这种强制性的安全策略是源于可靠性要求的IVI系统。通过汽车管理类可信任应用程序有机会访问一些特性(CAN总线),但处理不当也可能危及车辆安全(例如通过连续发送无效的数据帧使得CAN总线带宽饱和)。这种方案的主要特点是使上层逻辑去耦合,那样就可以方便上层应用获取并处理来自底层数据。
五、汽车管理模块
汽车管理模块可以看成是负责车载应用程序与Android底层交互的一个中间类库,只有通过汽车管理模块,车载应用程序才可以获取相应底层数据。
汽车管理模块具有两个接口:
(1)一对应于一般应用程序。
(2)对应平台的组件,它是在Android SDK上面开发的并且拥有平台认证的一款应用程序。因为这个管理类不属于平台本身,所以用户在没有专业人员帮助时不允许自动更新。
六、应用程序之间的交互
Android是基于不透明的IPC之间的通信模型。应用程序将其功能交给操作系统,在运行时,其他的应用程序可以获得他们的功能。基本上,平台提供了后期管理和维护代码的能力,这种模型也可以用于在第三方应用程序和汽车管理类之间的交互。
汽车管理类处理汽车功能模块通过诸如“android.permission.car.speed.read”和“android.permission.car.speed.write”这样的属性来访问或者控制。对于每一个属性(例如汽车总线发送实时速度),Android提供两种权限,创建并且指派给管理类。
利用预先定义的安全级别,它可以指定不同安全级别拥有以下的权限:
1尧所有的。任何人可以访问应用程序;
2尧通常情况。访问是有权限决定的,但是一些应用程序的权限没有具体指出权限人;在程序安装后,权限会被手动设置;
3尧危险。访问时有权限限制的,用户在安装时必须有详尽的安全许可;
4尧签名。访问是有权限限制的,只要应用程序获得平台的认证,那么权限就会自动同意。
平台认证就是车载设计商在开发设计过程中使用的签署平台。它也用于签署汽车管理类。如果一个第三方申请了此证书,它就具有完整的控制汽车扩展(事实上汽车管理类只是一个签署应用平台证书的应用程序)。通过预定义的属性,能够通过高级别的接口去访问汽车模块的功能。
七、安全性
Android内部进程通信以及安全性主要指在安装第三方应用的情况下,尽可能保证系统的稳定性和汽车管理模块的稳定性。底层的许可机制是由Linux内核以及文件系统提供的,基本上可以满足基于要求。由于Android设备针对的是单用户,因此多用户服务的设备靠分配唯一的标识才能应用。
此外,Android在此之上增加了静态安全许可系统,它在程序安装时被强制使用。在第三方应用程序安装时,避免授权汽车管理模块的修改和控制操作的权限,即可保证第三方应用程序无法修改汽车模块所控制的汽车设备,从而达到汽车模块的安全。
七、综述
Android应用于车载信息娱乐平台是大势所趋.Saab基于Android平台的车载终端的推出,为小规模的汽车功能开发者打开了大门,对消费者和整个产业都是一个好消息。这在移动互联网上已经被证明了。
但是面对汽车产业这样一个传统的、巨大的和复杂的产业,转型面临的问题依然是很多的,是需要业界付出艰苦努力的。
参考文献
[1]帅石金.汽车文化(第2版)[M].清华大学出版社2010-9.
[2]陆静.中国汽车文化和中国的汽车民族之路[C].四川省第九届汽车学术交流年会.
车载平台 篇6
1 车载嵌入式平台的硬件
整个车载嵌入式平台的硬件可以包括几个部分: (1) 采集汽车6自由度运动数据的数据采集模块; (2) 车载嵌入式平台的主控制器; (3) 负责远程通信、汽车地理位置定位的GSM/GPRS/GPS模块。其硬件搭建的原理框图如图1所示。
1.1 Windows CE 6.0操作系统
Windows CE具有快速的开发能力, 与Linux等嵌入式系统相比, Windows CE系统具有开发周期短、开发人员上手快的特点。Windows CE具有强大的开发基础, 提供了众多的模块化组件, 为开发者开发性能可靠、功能各异的多样化、个性化产品提供了方便[2]。
1.2 主控制器S3C6410
基于嵌入式的车载通信系统需要存储大量汽车运行的数据, 实现GSM/GPRS通信、串口通信、界面显示等功能。本文选择三星公司的S3C6410芯片, 它是具有ARM1176JZF-S处理器一切特性的嵌入式处理器芯片, 为需要大量数据存储的嵌入式系统设计提供了众多选择。此外, 它还具有多媒体加速特性和USB特性。
1.3 车辆姿态测量模块设计
为了减轻嵌入式系统的负担, 这里专门开发了10自由度的运动参数测量和姿态解算模块 (IMU) 。该IMU模块上布置了3个MEMS传感器芯片:MPU6050 (测量汽车6个自由度的运动) 、HMC5883 (三轴地磁传感器) , BMP180 (气压高度传感器) , 均通过I2C与STM32F单片机相连, 同时传感器的数据中断引脚与STM32F的IO引脚相连。使得传感器完成一轮ADC轮换后, STM32F就读取最新采集到的测量数据, 快速响应姿态的变化。这样的连接使得控制器拥有最大的主动权, 可快速地获得各传感器的状态和转化结果。
1.4 SIM908
本文选择SIM Com公司的SIM908芯片作为GSM/GPRS通信模块以及GPS定位模块。此芯片融合了GSM/GPRS通信和GPS定位功能, 简化了硬件设计, 并节省了空间和功耗。
2 车载嵌入式平台的软件实现
在基于汽车主动安全的车载嵌入式平台硬件的设计基础上, 进行平台的程序设计。平台软件设计包括三方面: (1) 侧翻预警系统的软件设计; (2) 串口通信的设计; (3) GSM/GPRS/GPS通信设计。其程序的总体设计流程图如图2所示。
2.1 汽侧翻预警程序设计流程图
侧翻预警算法的软件实现主要包括两方面: (1) 利用汽车6自由度数据进行姿态结算, 得到汽车的实时侧倾角, 并计算出汽车侧翻预警危险判别指示; (2) 利用预测预报技术对侧翻危险判别指示进行预测预报, 从而实现汽车侧翻预警[3]。其软件实现流程图如图3所示。
预测预报算法的核心程序如下:
2.2 串口通信设计
数据采集模块以及无线通信、GPS定位模块之间的通信为串口通信。因此, 实现在Windows Embedded CE6.0系统下的串口通信至关重要。本文在Visual Studio2005中选择采用串口API函数进行Windows Embedded CE 6.0系统下的串口通信程序设计。在Windows Embedded CE 6.0中一般采用Close Handle来关闭串口, Create File函数来打开串口。对于串口数据的读取, 本文采用Read File函数, 并采用事件触发形式来触发数据读取。
2.3 GSM/GPRS/GPS通信设计
2.3.1 GSM通信
通过GSM模块进行短信息的发送与接收是利用AT指令来实现的。主控制器通过串口向GSM模块发生相应的AT命令[4], 就可操纵模块进行相应的功能实现。AT指令是以AT开头、以字符结束的字符串, AT指令的响应数据包在中间。每个指令执行成功与否都有相应的返回。AT命令需以AT开头, 加上相应命令, 并以回车符号结束。
GSM通信程序过程为:先进行GSM系统的初始化, 包括短信息格式、短信服务中心号码设置等;然后检测网络信号强度, 有信号时才进行短消息的发生和接收。GSM通信流程图如图4所示。
首先进行系统初始化, 首先是负责GSM通信的串口初始化, 即打开相应串口, 设置串口波特率、校验位、数据位、停止位, 这里设置成115 200 b/s, 无校验位, 8 bit数据位、1位停止位。然后是GSM芯片初始化, GSM初始化步骤为:首先通过串口发送"AT"字符, 确定模块是否存在, 如果GSM芯片返回OK则模块存在;接着发送字符"AT+CLIP=1", 此命令用来设置来电显示, 以方便驾驶员使用系统电话功能;然后发送"AT+CMGF=0", 此命令用来设置短信格式为PDU格式, 此格式短信字符为UNICODE格式字符, 可发送中文短信息;成功后, 紧接着依次发送命令"AT+CGPSPWR=1"以及命令"AT+CGP-SRST=1", 这两个命令用来打开GPS定位功能, 此命令发送后, GPS冷启动一般需要4~5 min时间。系统初始化后, 利用命令“AT+CSQ”检测GSM信号是否正常。信号正常则可使用短信功能和电话功能。
2.3.2 GPRS的数据传输设计
GPRS通用无线分组业务俗称2.5G业务, 是利用当前GSM网络进行数据无线分组传输处理。GPRS可实现无线设备通过GPRS网络与Internet网络进行IP连接, 利用GPRS无线网络实现车载终端与远程控制中心或服务中心的无线通信, 可将行车数据通过网络无线传输到中心, 以减少车载终端的存储压力。Internet网络通信一般有两种方式, 即UDP方式和TCP/IP方式。UDP方式通信不需对方回复确认, 因此实时性强, 但不能保证数据的完整性;TCP/IP方式通信时, 每次数据传输需对方确认接收完整后才进行下一次数据传输, 因此实时性较弱, 但其能保证数据的完整性。在控制中心或服务中心实现基于Internet网络的通信时, 为保证通信质量以及数据完整性, 一般采用TCP/IP方式通信。车载通信终端利用GPRS网络与Internet网络连接, 然后通过TCP/IP协议与控制中心或服务中心进行数据通信。本文所选的SIM908-C模块内置融合了TCP/IP协议[5]。所以, 利用SIM908-C模块进行GPRS数据传输设计, 同样也可以通过AT指令来实现。
2.3.3 GPS导航解析
SIM908中GPS模块输出的GPS定位信息符合NMEA通信标准, 其输出信号格式为ASCII格式的数据, 其中包含了时间、经度、纬度、数度、航向、高度和卫星数量等信息[6]。模块输出7种不同的定位信息, 包括:$GPGGA、$GPGLL、$GPGSA、$GPGSV、$GPRMC、$GPVTG和$GPZDA。可通过命令AT+CGPSINF来设置信息的输出类型。
本文单独开辟一个线程用作GPS信号接收和解析。SIM908中GPS信号同样是通过串口方式向外发送, 因此主控制器同样要利用串行端口接收GPS信号。在进行GPS信号解析之前, 也同样必须进行串口的一些操作, 这里串口波特率设置成115 200 b/s, 数据位设置为8 bit, 无校验位, 停止位设置为1。然后开始读串口中GPS信号并进行解析, 最终将所需的GPS信息保存并显示在GPS显示界面上供驾驶员查看参考。
本文自主开发的基于汽车主动安全的车载嵌入式系统运行良好, 侧翻预警、车载通信功能工作稳定。侧翻预警条、短信、电话、导航及Internet等功能稳定, 能够实现对外界的信息交流和传输。这套系统初步实现了人-车-路的全面感知, 为下一步实现智能汽车、智能交通打下基础, 有着很强的社会经济利益。在本车载通信系统的基础上可以继续对车辆监控调度中心的软件进行研究和开发, 以满足车联网 (智能交通) 进一步的需要。
摘要：防止汽车侧翻是研究汽车主动安全的重要范畴, 侧翻预警是有效防止汽车侧翻事故的重要手段。MEMS传感器的技术发展带动了汽车状态在线监预报测技术的发展。利用Windows CE 6.0嵌入式操作系统设计了汽车侧翻安全预警和车载通信平台。基于Visual Studio 2005中VC++语言设计了汽车主动安全应用软件, 在主控制器中实现汽车侧翻预警、GSM/GPRS通信、GPS解析等功能。这些技术也为车联网的进一步发展提供一定的基础。
关键词：侧翻预警,车联网,车载通信,嵌入式系统
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车载平台 篇7
传统车载仪表通常以机械式为主,由于线路集成度太低、电磁干扰较大、显示精度不高及显示内容有限等因素,严重制约了仪表辅助驾驶系统的发展。半机械式仪表在传统仪表盘之间嵌入一块小型LCD,即车载电脑,虽增加了仪表平台显示的信息量,但整体没有摆脱机械模式的缺陷,而且对仪表平台整体布局也有一定影响[2]。随着近年来图形硬件技术的飞速发展和嵌入式实时系统的广泛应用,车辆研究者提出了各种虚拟仪表组合平台以解决上述问题。2011年,随着Android系统风靡全球手机市场,蔡黎等提出了基于OBD协议的Android虚拟仪表组合平台[3],炫丽的图形界面效果给消费者带来了巨大的视觉冲击感,但由于系统本身要接收第三方厂商提供的代码,一旦出现问题很容易导致系统崩溃,可谓在提升效率的同时牺牲了系统的可靠性。2012年王润民等提出了Linux+QT+ARM虚拟仪表组合平台[4],基本实现了仪表的图形界面显示,但由于内核构架上的问题,其实时性很难满足高性能虚拟仪表的要求。可见,上述方案的共同缺点是:稳定性、实时性、安全性受系统本身架构制约,很难满足苛刻的车规测试要求和客户对于高性能的需求。
针对传统机械组合式仪表的缺陷和当前虚拟仪表平台的问题,本文提出一种新型的高性能车载全数字虚拟仪表方案,采用ARM处理器imx53为核心硬件平台,嵌入式硬实时操作系统QNX为核心软件平台,并在此基础上引入Altia快速原型界面设计和仿真测试工具,提出软控分层显示的逻辑界面控制方法,采用GPU硬加速图形渲染技术,开发全虚拟仪表终端应用程序。
1 全虚拟仪表平台系统介绍
虚拟仪表作为辅助驾驶系统的核心组成部分,对系统的实时性、稳定性和安全性均提出了极高的要求。而QNX作为微内核硬实时多任务的嵌入式操作系统,已成功应用于军工领域和汽车领域,是嵌入式系统市场上第一款达到稳定和安全双重认证的实时操作系统。
系统实时性主要取决于中断处理和任务调度。中断处理中影响实时性的因素主要是中断延迟和调度延迟,QNX的这两种延迟指标如表1所示。
任务调度过程中的上下文切换时间是衡量实时性的另一个关键指标,QNX默认采用高优先级抢占调度策略,保证任何时刻都是优先级最高的任务占用CPU。其上下文切换时间指标如表2所示。
由表1和表2可见,QNX对于影响系统实时性的两个关键指标都在微秒级,是目前实时性最强的系统之一[5]。另外,系统的稳定性和安全性主要取决于内核架构,QNX采用模块化的微内核系统架构,应用程序、设备驱动程序、文件系统和网络协议栈都独立运行在受内存保护的空间中,采用的安全技术主要包括:
(1)内存保护的安全内核:内核不能被绕过,强制执行存取权限;
(2)安全协议:包括IPSec、IKE、SSL、NAT等;
(3)硬件加速:网络协议栈下加密和认证算法,包括DES、3DES、AES等;
(4)自适应分区:防止恶意代码和拒绝服务攻击独占CPU。
QNX系统对每个任务进行全面地址保护,使每个任务(进程)独立运行于自己的虚拟地址空间,在任务中又可以创建无地址保护的任务(线程)。这样做的优点是当一个进程崩溃时不会影响到另一进程的存储空间[6]。
综上,QNX不仅以微秒级的延迟提高了系统的实时性,而且充分采用新型技术来保证其稳定性和安全性。因此,以QNX为系统平台开发全数字虚拟仪表,其性能足以满足仪表辅助驾驶平台对系统实时性和可靠性的苛刻要求。
2 全虚拟仪表HMI界面逻辑设计
为缩短全数字虚拟仪表图形用户界面开发周期,加快其产品化进程,引入快速HMI原型设计和逻辑仿真测试工具Altia。
2.1 Altia开发流程
Altia作为全数字虚拟仪表专业开发工具,主要包括3个模块:图形界面编辑器(Altia Design)、连接仿真接口(Altia Connection)和代码生成工具(Deep Screen)。整个开发流程见图1,其中包括以下关键步骤[7]:
(1)图形界面原型开发:将美工处理后的静态图片通过图层切换转变为可操作的控件原型,用于实现逼真的动态效果。图形界面的设计结果保存为计算机中的文件,可直接用于后续的仿真验证和代码实现、集成阶段。
(2)效果仿真验证:在控制逻辑开发环境中(如C C++、Simulink/Stateflow、Rhapsody)集成图形界面原型,在项目开发初期和中期就能由仿真测试来验证开发的图形界面的合理性。
(3)代码实现:通过自动代码生成工具将图形界面原型和控制逻辑直接转变为适合于嵌入式目标平台的程序,快速验证嵌入式HMI的图形效果及性能;判断现有硬件资源是否足以支撑HMI设计;在最短时间内找到图形界面显示效果与硬件资源的最佳平衡。
可见,Altia图形界面开发流程真正做到了所见即所得,可迅速将产品概念原型化,模拟真实工作场景,让用户能够通过仿真验证手段,在设计早期就充分论证设计方案的可行性,为快速开发高性能全数字虚拟仪表提供了先进的开发理念和有力的技术保障。
2.2 设计软控分层渲染模型
全数字虚拟仪表往往需要动态模拟显示大量的车况信息,并实时响应外界的触控指令。如何在有限区域内实时显示驾驶员所关注的信息,成为制约车载虚拟仪表发展的最大瓶颈。为此,在前人的工作基础上,设计了基于软控模式下的图形元素实时分层渲染模型,以缓解图形界面显示的压力。
软控图层组织结构的设计核心思想为:利用多线程模式对图形元素信息进行硬件图层分层控制显示,并根据驾驶员在不同时段的关注目标,动态绑定相关信息所在图层ID。其整体架构设计如图2所示。
(1)硬件支持显示的图层有限(≤3 layer),对虚拟仪表所有显示信息进行动态分类,根据信息的迫切度分为静态必显信息、可选显示信息及动态必显信息。
(2)对不同迫切度的信息进行相应图层和显示区域的绑定,原则上动态必显信息的优先级最高,静态必显信息的优先级最低,可选显示信息的优先级处于中间,属于驾驶员可控信息。信息所绑定的图层ID越大,则被显示的优先级也越高,高优先级的图层可以覆盖掉低优先级的图层。
(3)根据客户不同时间段的关注,动态调整软控区域相关信息绑定的图层ID,进行动态实时模拟显示。
以上设计思想的伪代码实现如下:
从软控架构模型可见,该设计理念对庞大车况信息进行动态分类、分层显示处理。静态必显信息处于虚拟仪表界面最底层,通常包括仪表盘背景、仪表logo及情景模式等静态图形元素;动态必显信息处于虚拟仪表界面的最高层,通常包括仪表盘虚拟指针;可选显示信息处于中间图层,主要包括各类报警图标、车辆状态模拟图标、远程服务信息状态及影音娱乐状态等。
综述,该设计模型在有限的显示区域对不同类型的信息进行动态分块显示,并对可选信息进行动态实时绑定硬件图层,有效解决了庞大信息动态实时显示的瓶颈。
3 引入GPU图形硬加速机制
随着硬件图形加速处理能力的不断发展,完全靠CPU进行图形处理的时代将逐渐消逝。车载全数字虚拟仪表作为一个图形界面高度集成、可实时显示庞大信息,且3D动画动态渲染的复杂系统,仅靠CPU完成其复杂图形处理过程显然很难满足实时性要求。因此,引入基于Open GLES2.0的GPU硬加速机制。
另外,由于该设计方案硬件上采用imx53处理器,提供了对Open GLES2.0、Open VG的2D、3D图形硬加速功能的支持。同时,QNX也提供了针对imx5X系列处理器的GPU硬加速驱动模块,使得软硬件平台图形加速功能得到了很好的兼容。QNX加载GPU的模块驱动配置如下:
(1)开启QNX图形驱动
(2)将相关GLES和GPU的动态库文件拷贝到目标系统路径下,默认路径。
/usr/lib/graphics/i MX5X
(3)设置环境变量,开启GPU驱动
GPU硬加速处理的主要流程如图3所示。在加入GPU图形硬加速处理机制后,不仅能增强图形界面的显示效果,有效降低CPU的使用率,而且能够更好地处理大量的车况信息。
4 实验结果及评价
全数字虚拟仪表硬件平台选用飞思卡尔提供的车规标准处理器imx536,其主要技术指标:1 GHz CPU主频,1 GB×32 DDR3(400 MHz),32 MB 16 bit并行NOR Flash,可扩充的NAND Flash接口,LVDS数字图形输出接口,并集成了基于Open GL ES2.0和Open VG1.1的GPU图形硬加速处理单元。软件平台采用加拿大哈曼公司开发的硬实时操作系统QNX,并引入美国Altia公司HMI快速原型设计和仿真测试工具套件。
采用奇瑞某车型的CAN网络系统和全数字虚拟仪表系统搭建整车测试平台。将全数字虚拟仪表系统作为汽车CAN总线上的一个节点,通过CAN控制器和收发器采集车况信息,经imx536处理器过滤、解码和组包等处理后,送到软控分层渲染模型中进行动态实时模拟显示,以此完成基于整车系统的全数字虚拟仪表单元测试[8]。测试的车况信息主要包括:发动机转速、车速、车灯转向、车门状态、远程监控状态及车内温度等,其界面显示效果如图4所示。
针对GPU对图形渲染的贡献度进行单元测试,其实验结果如表3所示。当图形界面复杂度相同,GPU模块开启时,整个图形界面的渲染帧率迅速提高约2倍,而CPU消耗率只有微小的提高。当其他测试环境相同,只改变图形界面的复杂度时,图形渲染的帧率会随着图形复杂度的增加呈比例提高。因此,GPU模块的开启与否、图形界面的复杂度高低是影响图形实时渲染帧率的两个关键因素。而本文方案不仅有效解决了锯齿和闪烁等影响图形界面稳定性的问题,而且增强了图像显示的平滑度和复杂度,并支持3D图形和特效动画的显示,为HMI动态实时模拟车况信息和人性化界面设计提供了强有力的平台支持。
以汽车辅助驾驶系统快速向数字化,集成化及智能化转型为背景,以探索虚拟仪表辅助驾驶系统的实时性、可靠性和人性化界面设计为研究目标,设计了一套高性能的全数字虚拟仪表系统。采用以实时性、稳定性和安全性著称的QNX为软件运行系统平台,引入的快速图形界面原型设计和仿真测试Altia技术开发HMI,提出一种基于软控模式分层显示的图形界面逻辑控制方法,最后引入了基于Open GLES2.0的GPU硬加速技术。最终有效解决了在有限资源下实时处理和大量信息的瓶颈,研究成果已用于国内某型号概念车,成为国内车载全数字虚拟仪表前装领域的先行者。进一步的工作将提高界面创意设计,融入GPS、On Star等信息模块。
参考文献
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