新型車(chē)輛模擬駕駛訓(xùn)練系統(tǒng)動(dòng)感系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、    新型車(chē)輛模擬駕駛訓(xùn)練系統(tǒng)動(dòng)感系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要：動(dòng)感系統(tǒng)是新型車(chē)輛模擬駕駛訓(xùn)練系統(tǒng)的重要組成部分，它可以增強(qiáng)模擬駕駛訓(xùn)練的真實(shí)感，這是新型車(chē)輛模擬駕駛訓(xùn)練系統(tǒng)區(qū)別于現(xiàn)有車(chē)輛模擬駕駛訓(xùn)練系統(tǒng)的獨(dú)特之處。詳細(xì)介紹動(dòng)感系統(tǒng)的總體構(gòu)想及其軟硬件設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：HMR3000；數(shù)字羅盤(pán)；nRF905；無(wú)線(xiàn)收發(fā)；動(dòng)感系統(tǒng)；模擬駕駛1引言車(chē)輛模擬駕駛訓(xùn)練系統(tǒng)是一種利用現(xiàn)代技術(shù)手段模擬真車(chē)駕駛的仿真系統(tǒng)，它可以使汽車(chē)駕駛訓(xùn)練更加安全、經(jīng)濟(jì)、高效和逼真。與現(xiàn)有車(chē)輛模擬駕駛摘要：動(dòng)感系統(tǒng)是新型車(chē)輛模擬駕駛訓(xùn)練系統(tǒng)的重要組成部分，它可以增強(qiáng)模擬駕駛訓(xùn)練的真實(shí)感，這是新型車(chē)輛模

2、擬駕駛訓(xùn)練系統(tǒng)區(qū)別于現(xiàn)有車(chē)輛模擬駕駛訓(xùn)練系統(tǒng)的獨(dú)特之處。詳細(xì)介紹動(dòng)感系統(tǒng)的總體構(gòu)想及其軟硬件設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：HMR3000；數(shù)字羅盤(pán)；nRF905；無(wú)線(xiàn)收發(fā)；動(dòng)感系統(tǒng)；模擬駕駛1 引言    車(chē)輛模擬駕駛訓(xùn)練系統(tǒng)是一種利用現(xiàn)代技術(shù)手段模擬真車(chē)駕駛的仿真系統(tǒng)，它可以使汽車(chē)駕駛訓(xùn)練更加安全、經(jīng)濟(jì)、高效和逼真。與現(xiàn)有車(chē)輛模擬駕駛訓(xùn)練系統(tǒng)相比，新型車(chē)輛模擬駕駛訓(xùn)練系統(tǒng)的獨(dú)特之處是增加了動(dòng)感系統(tǒng)。該動(dòng)感系統(tǒng)可以使駕駛員在模擬駕駛室內(nèi)真實(shí)感受到模型車(chē)所行駛的沙盤(pán)路面的狀況，與實(shí)車(chē)在正常路面上行駛的感覺(jué)一樣，從而彌補(bǔ)現(xiàn)有車(chē)輛模擬駕駛訓(xùn)練系統(tǒng)的不足，提高駕駛訓(xùn)練的效果。2 系統(tǒng)的組

3、成及工作原理    新型車(chē)輛模擬駕駛訓(xùn)練系統(tǒng)中的動(dòng)感系統(tǒng)主要由動(dòng)感數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、動(dòng)感數(shù)據(jù)無(wú)線(xiàn)發(fā)收系統(tǒng)、動(dòng)感平臺(tái)及其控制系統(tǒng)組成。    工作原理是：安裝于模型車(chē)上的動(dòng)感數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集模型車(chē)行駛過(guò)程中姿態(tài)的動(dòng)感數(shù)據(jù)，通過(guò)無(wú)線(xiàn)收發(fā)系統(tǒng)將動(dòng)感數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到動(dòng)感平臺(tái)控制系統(tǒng)，進(jìn)而使動(dòng)感平臺(tái)產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)感。3 硬件設(shè)計(jì)3.1 動(dòng)感數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)    動(dòng)感系統(tǒng)的動(dòng)感數(shù)據(jù)采集使用HMR3000型數(shù)字羅盤(pán)模塊。HMR3000是Honeywell公司的產(chǎn)品，它不僅可以測(cè)量磁場(chǎng)，還可以測(cè)量物體的姿態(tài)，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地輸出被測(cè)

4、物體的俯仰角、橫滾角和航向角。用單片機(jī)和HMR3000組合構(gòu)建適用于機(jī)載或車(chē)載的測(cè)控系統(tǒng)，可廣泛應(yīng)用于航海、通信雷達(dá)、微波定向、海上平臺(tái)控制、天線(xiàn)安裝、無(wú)人機(jī)、機(jī)器人、運(yùn)動(dòng)定向、自動(dòng)控制等方面。HMR3000體積小、功耗低、精度高、價(jià)格便宜，是姿態(tài)測(cè)量用戶(hù)的理想選擇。3.1.1 HMR3000的數(shù)據(jù)輸出格式    HMR3000數(shù)字羅盤(pán)按照NMEA0183的格式，通過(guò)所帶的RS-232接口輸出數(shù)據(jù)。輸出6種格式：HDG格式、HDT格式、XDR格式、HPR格式、RCD格式和CCD格式。動(dòng)感系統(tǒng)采用的是如下所示的HPR格式：$PTNTHPR,x.x(航向)，a,x.x

5、(俯仰角)，a，x.x(橫滾角)，a*hh該數(shù)據(jù)輸出格式將HMR3000的3個(gè)重要測(cè)量結(jié)果和相應(yīng)的測(cè)量狀態(tài)結(jié)合在一起。數(shù)據(jù)中的x.x為所測(cè)的相應(yīng)航向角、俯仰角和橫滾角的值，形式為n位ASC碼，單位可以是“度”也可以是“mils”。數(shù)據(jù)中的“a”表示測(cè)量狀態(tài)。測(cè)量狀態(tài)有以下6種：    L=LOW ALARM(低級(jí)報(bào)警)；    M=LOW WARNING(低級(jí)警告)；    N=NORMAL(正常)；    O=HIGHWARNING(高級(jí)警告)；  &#

6、160; P=HIGH ALARM(高級(jí)報(bào)警)；    C=TUNING ANALOG CIRCUIT(調(diào)節(jié)模擬電路)。    如果1個(gè)輸出語(yǔ)句的3個(gè)狀態(tài)指示中有任何1個(gè)報(bào)警，航向位置將為空白。報(bào)警和警告的閾值可以在EEPROM中更改。3.1.2 HMR3000的控制指令    工作：羅盤(pán)啟動(dòng)，指令為#FAO.3=1*26&lt;CR><1f>；    停止：羅盤(pán)停止，指令為#FAO.3=0*27<CR><1f>； 

7、   詢(xún)問(wèn)：詢(xún)問(wèn)羅盤(pán)啟動(dòng)、停止?fàn)顟B(tài)，指令為#FA0.3？*15<CR><lf>；    響應(yīng)：有二種響應(yīng)，工作狀態(tài)響應(yīng)為#1*31<CR><lf>；停止?fàn)顟B(tài)響應(yīng)為#0*30<CR><1f>。3.1.3 HMR3000的數(shù)據(jù)單位和進(jìn)制的設(shè)定指令    數(shù)據(jù)單位可以分為“度”和“mils”二種。度=mils&#215;9/160，其中，度的數(shù)值是0.0359.9，而mils的數(shù)值是06 399。進(jìn)制分為十進(jìn)制和十六進(jìn)制二種。設(shè)定數(shù)據(jù)單位和進(jìn)

8、制的指令如下：    #FA0.4=1*21<CR><lf> 殳定羅盤(pán)數(shù)據(jù)單位為“度”    #FA0.4=0*20<CR><lf> 設(shè)定羅盤(pán)數(shù)據(jù)單位為“mils”    #FA0.5=1*20<CR><lf> 設(shè)定羅盤(pán)數(shù)據(jù)為十進(jìn)制    #FA0.5=0*21<CR><lf> 設(shè)定羅盤(pán)數(shù)據(jù)為十六進(jìn)制3.1.4 HMR3000數(shù)據(jù)采集速率的設(shè)定指令   

9、; HMR3000的數(shù)據(jù)輸出有6種格式，對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)采集速率格式也有6種，其中HPR格式更新速率指令為    #BAD=I*hh<CR><lf> 設(shè)定HPR的更新速率為“I”句/s    其中I的值可以設(shè)為0、l、2、3、6、12、20、30、60、120、180、300、413、600、825、1200。3.1.5 HMR3000姿態(tài)數(shù)據(jù)的查詢(xún)指令    HMR3000啟動(dòng)后會(huì)按照指定的工作模式發(fā)送數(shù)據(jù)，一般會(huì)選擇連續(xù)工作方式。需要查詢(xún)當(dāng)前的數(shù)據(jù)狀態(tài)和具體數(shù)值時(shí)需要使用查詢(xún)指令。H

10、PR格式的查詢(xún)指令為    $PTNT，HPR*78<CR><lf> 查詢(xún)HPR格式的數(shù)據(jù)狀態(tài)3.1.6 HMR3000與MCU的接口連接    由于HMR3000與外界的串行通信采用的是自身所帶的RS-232接口，與MCU串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)腡TL電平不匹配，所以需要MAX232型電平轉(zhuǎn)換器，如圖1所示。3.2 動(dòng)感數(shù)據(jù)無(wú)線(xiàn)收發(fā)系統(tǒng)    動(dòng)感數(shù)據(jù)無(wú)線(xiàn)收發(fā)系統(tǒng)采用nRF905型無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊，該模塊具有以下突出特點(diǎn)：    三頻段收發(fā)合一，工作頻率為國(guó)際通用

11、的ISM頻段433/868/915 MHz；    GMSK調(diào)制，抗干擾能力強(qiáng)，特別適合工業(yè)控制領(lǐng)域；    采用DSS+PLL頻率合成技術(shù)，頻率穩(wěn)定性極好；    靈敏度高，達(dá)到-100 dBm；    工作電壓低(2.7 V)，功耗小，待機(jī)狀態(tài)僅為1 A，可滿(mǎn)足低功耗設(shè)備的要求；    最大發(fā)射功率達(dá)+10 dBm；    具有多個(gè)頻道(最多170個(gè)以上)，能滿(mǎn)足需要多信道工作的特殊應(yīng)用；  

12、  工作速率最高可達(dá)76.8 kb/s；    外圍元件數(shù)目少(僅10個(gè))，基本上無(wú)需調(diào)試；    由于采用低發(fā)射功率、高接收靈敏度的設(shè)計(jì)，使用無(wú)需申請(qǐng)?jiān)S可證，使用距離最遠(yuǎn)可達(dá)l 000 m。    此外，由于nRF905是一款收發(fā)一體化的無(wú)線(xiàn)傳輸電路，帶有調(diào)制器和解調(diào)器，發(fā)送時(shí)可以自動(dòng)打包，接收時(shí)可以自動(dòng)進(jìn)行地址匹配、自動(dòng)CRC檢驗(yàn)，發(fā)送或接收完畢后，其DR引腳會(huì)自動(dòng)設(shè)置高電平，以示發(fā)送或接收完畢，并且采用SPI接口與MCU通信，因此編程非常方便。它可廣泛應(yīng)用于車(chē)輛監(jiān)控、遙控、遙測(cè)、工業(yè)數(shù)據(jù)采

13、集、水文氣象監(jiān)控、非接觸RF智能卡、機(jī)器人控制、數(shù)字音頻和數(shù)字圖像無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)阮I(lǐng)域。    nRF905除了負(fù)責(zé)動(dòng)感系統(tǒng)中動(dòng)感數(shù)據(jù)的無(wú)線(xiàn)傳輸外，還可傳輸新型車(chē)輛模擬駕駛訓(xùn)練系統(tǒng)中模擬駕駛室向模型車(chē)發(fā)送的油門(mén)、燈光、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向、分動(dòng)箱、離合等控制指令。nRF905與MCU的連接如圖2所示，引腳功能說(shuō)明見(jiàn)表1。3.3 動(dòng)感平臺(tái)及其控制系統(tǒng)    動(dòng)感平臺(tái)是動(dòng)感系統(tǒng)的執(zhí)行部分，它由6個(gè)液壓泵和模擬駕駛室的底板構(gòu)成。其工作原理是MCU根據(jù)傳來(lái)的動(dòng)感數(shù)據(jù)通過(guò)繼電器驅(qū)動(dòng)電路控制相應(yīng)繼電器，使相應(yīng)液壓泵的相應(yīng)電磁閥開(kāi)啟或閉合，進(jìn)而模擬駕駛室上下顛簸、

14、前后俯仰或左右搖擺，如圖3所示。4 軟件設(shè)計(jì)    由于HMR3000和nRF905分別通過(guò)RS-232接口和SPI接口與MCU進(jìn)行通信，故整個(gè)系統(tǒng)的硬件電路相對(duì)比較簡(jiǎn)單，但是，由于HMR3000采用NMEA0183協(xié)議格式輸出數(shù)據(jù)，nRF905收發(fā)數(shù)據(jù)又有嚴(yán)格的時(shí)序要求，因而軟件設(shè)計(jì)相對(duì)比較復(fù)雜。4.1 HMR3000與MCU的通信協(xié)議    HMR3000的串行通信是根據(jù)NMEA0183標(biāo)準(zhǔn)制定的簡(jiǎn)單的ASC協(xié)議，可以在單片機(jī)系統(tǒng)中使用RS-232或RS-485接口電路。ASC碼的傳輸和接收使用1位起始位、8位數(shù)據(jù)位、無(wú)奇偶校驗(yàn)位

15、和I位停止位，每個(gè)碼有10位。數(shù)據(jù)傳輸率可選擇l200bit/s、2 400 bit/s、4 800 bit/s、9 600 bit/s、19 200bit/s、38 400 bit/s。4.2 MCU接收HMR3000的數(shù)據(jù)    啟動(dòng)HMR3000后，設(shè)定好HMR3000的數(shù)據(jù)單位、進(jìn)制及其數(shù)據(jù)采集速率，每次數(shù)據(jù)采集后HMR3000自動(dòng)向MCU發(fā)送數(shù)據(jù)。由于它采用NMEA0183協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的HPR格式即“$PTNTHPR，x.x,a,x.x，a，x.x，a*hh”格式輸出，此格式中不僅含有效數(shù)據(jù)“x.x”和其狀態(tài)“a”，還包含有$、P、T、*、h等相關(guān)格式字符，

16、因此在程序中要加以區(qū)分。動(dòng)感系統(tǒng)中將字符$作為一組有效數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_(kāi)始，將字符*作為一組有效數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕Y(jié)束，并通過(guò)計(jì)算接收逗號(hào)，的個(gè)數(shù)判斷有效數(shù)據(jù)的開(kāi)始。MCU接收HMR3000的數(shù)據(jù)流程如圖4所示。4.3 nRF905與MCU的通信協(xié)議    nRF905與MCU之間的通信采用SPI通信協(xié)議，使用2條控制信號(hào)線(xiàn)CSN、SCK和2條數(shù)據(jù)信號(hào)線(xiàn)MOSI、MISO進(jìn)行通信。CSN用來(lái)控制外圍設(shè)備的選通(低電平有效)，SCK提供同步時(shí)鐘，MOSI、MISO分別為主從設(shè)備的輸入/輸出線(xiàn)。在SPI通信過(guò)程中，主從設(shè)備均在時(shí)鐘的下降沿從各自的輸出線(xiàn)輸出1位數(shù)據(jù)，在時(shí)鐘的上升沿從

17、各自的輸入線(xiàn)讀入l位數(shù)據(jù)。 4.4 nRF905發(fā)送和接收數(shù)據(jù)    nRF905發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時(shí)必須嚴(yán)格遵守發(fā)送或接收時(shí)序，否則將導(dǎo)致發(fā)送或接收失敗。4.4.1 發(fā)送數(shù)據(jù)    nRF905的發(fā)送時(shí)序如圖5所示，其中TA-TB是nRF905的命令字寄存器、匹配地址寄存器和發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器編程時(shí)間；TD-Tl是發(fā)送啟動(dòng)脈沖，至少為10s；T1-T2是nRF905的自動(dòng)編碼，至少為650 s；T2-T3是自動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)；T3是發(fā)送結(jié)束時(shí)DR置高電平，表示發(fā)送結(jié)束。具體步驟如下：    (1)給nRF9

18、05上電后，MCU將TX_EN置為高電平，將TRX_CE置為低電平,使nRF905進(jìn)入發(fā)送模式；    (2)MCU通過(guò)SPI接口按照SPI通信協(xié)議向nRF905寫(xiě)命令字、匹配地址和將要發(fā)送的數(shù)據(jù)；    (3)使TRX_CE產(chǎn)生1個(gè)至少10 s的發(fā)送脈沖；    (4)nRF905接到發(fā)送脈沖后自動(dòng)編碼、自動(dòng)發(fā)送。如果nRF905命令字寄存器中的AUTO_RE-TRAN位被設(shè)置為高電平，則nRF905不斷重發(fā)，直到TRX_CE被置高電平；    (5)nRF905發(fā)送數(shù)據(jù)后，DR自動(dòng)置高電平。MCU可以通過(guò)DR判斷發(fā)送完畢與否。以便發(fā)送下一組數(shù)據(jù)。4.4.2 接收數(shù)據(jù)    n