基于LabVIEW的电动车智能控制创新教学实验平台

张 硕， 刘进一， 朱忠祥， 杜岳峰， 谢 斌， 李 伟

(中国农业大学 工学院 车辆与交通工程系， 北京 100083)

基于LabVIEW的电动车智能控制创新教学实验平台

张 硕， 刘进一， 朱忠祥， 杜岳峰， 谢 斌， 李 伟

(中国农业大学 工学院 车辆与交通工程系， 北京 100083)

基于虚拟仪器软件LabVIEW，以电动高尔夫球车为载体，在完成对现有机械结构和电控系统改造的基础上，建立了一套电动车智能控制创新教学实验平台。基于NI myRIO控制器，开发了车速与制动控制、自动转向控制和避障预警控制等车辆智能控制算法；通过室内台架实验和道路实车实验，验证了电动车智能控制创新教学实验平台的功能，电动车智能控制创新教学实验平台的建立完善了课程教学内容，丰富了学生的专业技能，提高了学生的实际动手能力，有效提高了实践教学水平。

电动车； 教学实验平台； 虚拟仪器； 智能控制； LabVIEW

随着人们对能源可持续发展要求的不断提高，电动车逐渐得到人们的认可与重视，而自动控制技术的广泛应用，极大地促进了电动车智能化水平的提升[1-2]。车辆的电子控制技术作为车辆工程专业本科生必修的专业课之一，其传统的教学实验与实践环节不足，不能很好地培养学生的动手能力和创新意识。

虚拟仪器及其测试技术的发展，使得虚拟仪器在信号测试和智能控制领域的应用也日趋成熟，在实践创新课程教育中得到了广大师生的欢迎[3-4]。因此，本文在北京农业大学教学质量工程项目课改专项的支持下，以电动高尔夫球车为研究对象，结合现有实验室资源，融合多种传感器，采用虚拟仪器技术，基于LabVIEW开发平台和NI myRIO控制器，搭建了电动车智能控制创新教学实验平台[5]。基于该平台，开展了车速与制动控制、自动转向控制和避障预警控制等多个测试技术和自动控制实验，取得了良好的实践教学效果。

1 实验平台硬件系统设计

开发的电动车智能控制教学实验平台采用Maeshell系列DG-2型电动高尔夫球车，在电动高尔夫球车原有机械结构的基础上加装传感器，基于NI myRIO控制器实现电动高尔夫球车的车速调节与制动、转向和避障预警等自动控制[6]。该实验平台主要包括：基于电动推杆的车速调节与制动控制系统、基于转角传感器的自动转向控制系统和基于激光扫描仪的避障预警系统，平台建设方案见图1。

图1 电动车智能控制创新教学实验平台建设方案

1.1 车速调节与制动系统

车速调节与制动系统主要由地面低速雷达测速传感器、速度与制动控制装置构成。速度与制动控制装置主要由安装于脚踏板下方电动推杆构成，采用铰接和U型槽的安装方式，通过电动推杆伸出位移的不同，带动制动踏板的提升和下降来控制速度[7]。当电动推杆完全伸出时，实现制动。

1.2 自动转向系统

自动转向系统主要由RE-38绝对值型角度传感器和自动转向操纵装置构成。自动转向操纵装置取代原有方向盘及其传动机构，由步进电机驱动器、57 mm步进电机、PF60-5-T行星减速器、双膜片弹簧联轴器和TL12A-1磁粉离合器等组成。通过步进电机驱动器不同的输出频率和输出电压调节、控制步进电机转速，经行星减速器减速增矩，并通过联轴器与磁粉离合器与方向盘连接，实现转向的自动控制[8]。其中，通过磁粉离合器的离合来实现自动操纵模式与手动操纵模式的切换。

1.3 避障预警机构

避障预警系统主要由2个TIM561型激光扫描仪构成，最大扫描角度为270°，分辨率为0.33°，扫描频率为15 Hz，通过以太网线与NI myRIO控制器连接。将2个激光扫描仪安装在电动高尔夫球车的对角线位置，每个激光扫描仪与电动车前进方向偏差45°，设置激光扫描仪扫描角度为270°。从而实现汽车周围环境360°无死角的平面扫描，达到准确检测障碍物的目的[9-10]。

电动车智能控制创新教学实验平台见图2。

图2 电动车智能控制创新教学实验平台

2 实验平台的软件系统设计

所建设的电动车智能控制创新教学实验平台必须满足不同的教学内容和实践教学要求，尤其是让学生自己动手开发不同的自动控制模式。虚拟仪器在实验平台软件设计与测试控制中的应用，极大地提高了实验平台的适用性和可操作性，充分发挥了学生的积极性和创造性。因此，本实验平台基于LabVIEW2012开发平台，开发了针对电动车车速调节与制动控制、自动转向控制和避障预警控制的相关程序，主要包括用于显示和人机交互的前面板和用于测试、自动程序运行的后面板(即程序结构框图)[11-12]，如图3所示。

图3 实验平台软件系统前面板与程序框图

在所开发的电动车智能控制创新教学实验平台软件系统中，NI myRIO控制器不断接受来自于传感器的反馈信号，对比不同工况下的控制需求，控制器根据不同的控制算法，给出控制量，输入执行机构，执行相应动作，完成闭环控制循环[13-14]。其中，NI myRIO控制器接收来自于地面低速雷达测速传感器的车速，根据反馈信号输出电压信号，控制电动推杆的直线伸缩量，从而实现车速调节和制动的自动控制；接收来自于RE-38绝对值型角度传感器将采集的前轮转角，根据反馈信号输出电压信号，控制步进电机驱动器的输出频率和输出电压，进而控制步进电机，经行星减速器减速增矩，并通过联轴器与磁粉离合器带动方向盘转动，实现自动转向；接收来自于TIM561型激光扫描仪的障碍物距离和轮廓信息，通过做出无障碍、预警或者报警信息，提示驾驶员做出减速、转向或制动等动作。

3 实验平台应用

已搭建的电动车智能控制创新教学实验平台，可以满足不同的教学内容和实践教学要求，完成基于LabVIEW开发平台和NI myRIO控制器的各种自动控制实验。在完成硬件系统搭建和软件开发的基础上，分别开展了电动车速度与制动控制实验、自动转向控制实验和避障预警控制实验。

3.1 速度与制动控制实验

为了检验电动高尔夫球车车速与制动控制系统的实际性能，分别开展了基于PID算法的车速闭环控制实验和制动实验。

3.1.1 闭环PID速度控制实验

闭环PID速度控制实验是基于电动车平地起步，达到设定速度并保持匀速行驶为控制目标的闭环速度控制。采用PID算法，通过多次测试标定，确定PID控制参数为Kp=1.2，Ki=0.8，Kd=0.22[15]。分别以4、5、6 km/h 3种不同速度为控制目标，开展速度控制实验，实验结果如图4所示。

图4 闭环PID速度控制实验曲线

表1 闭环PID速度控制实验结果 km·h-1

由1表可知，采用基于PID算法的闭环控制方式，在3种不同的设定速度下，平均误差均小于等于0.03 km/h，标准差均小于0.17 km/h，实际响应时间均小于1 s。速度控制较为平稳，精度较高，可以很好地保证电动高尔夫球车行驶速度稳定在驾驶者所设定的速度上。

3.1.2 制动实验

电动车的制动控制部分通过控制对电动推杆的伸出、缩回的时间来完成。在程序开始后的每一循环检测是否需要制动，如果检测到制动信号，则立刻控制电动推杆动作，实现制动；完成制动后，终止程序，等待下次启动。

经过多次对电动推杆运动时间的标定，当电动推杆通电5 s时，可以完成电动推杆伸出和缩回的一次完整循环，并且实现制动踏板完全踩死至完全松开的动作，实现一次完整制动。为了保证制动的彻底性，在制动时设置电动推杆伸出后驻停2 s，保证电动高尔夫球车完全停车；完全停车以后，再控制电动推杆缩回。实际行驶过程中，当速度达到6 km/h时，制动时间可以达到3 s左右，平均制动减速度可达到0.56 m/s2，满足制动要求。

3.2 自动转向控制实验

为了检验电动高尔夫球车自动转向控制系统的实际性能，首先开展了室内台架实验，标定了PID控制参数；其次，基于实际道路环境，完成实车实验，检测自动转向系统在行走过程中对目标信号的跟随性和控制精度。

3.2.1 室内台架实验

在电动车自动转向控制台架实验中，首先通过多次实验，标定得到PID控制参数为Kp=12，Ki=240，Kd=144；通过天车让电动高尔夫球车前轮离地，避免原地转向对车的前轮造成的阻力；在前轮无负荷工况下，对给定的正弦信号进行转向跟踪控制[16]。

台架实验中，输入的跟踪信号为幅值10°的正弦信号，其表达式为

金石学可以说是朱熹的家学。朱熹之父朱松喜欢收藏石刻拓本，这对朱熹产生了直接的影响，使他从少年时代开始就养成了对“古金石文字”的爱好。

f(t)=10°sint

式中，t代表时间。

自动转向台架实验结果如图5所示。

图5 转向控制台架实验曲线

由图5可知，对于给定的正弦信号，自动转向跟踪过程中，电动车实际转角和给定信号曲线吻合较好，平均偏差为0.612°，标准差为0.83°，自动转向系统具有良好的跟随特性，响应时间较小，可以完成电动高尔夫球车自动转向的精度要求。

3.2.2 实车实验

台架实验不同于实际的工作环境，比如，在电动车行走过程中存在台架无法模拟的轮胎滚动摩擦等。因此，在台架实验完成后，还需进行转向系统实车行走实验。本次实验在工学院地下实验室进行，对幅值15°的正弦波进行跟踪，实验结果如图6示。

图6 转向控制实车实验曲线

由图6可知，跟踪过程中的平均偏差为0.673°，标准差为0.901°,最大偏差为0.861°，因此电动车自动转向系统在行走过程中也能具有良好的跟随性，控制精度满足电动车自动转向系统的要求。

3.3 避障预警控制实验

开发的避障预警系统能够在车辆行驶过程中，对路径前方的障碍物进行成像、筛选、识别；当障碍物距离达到设定的预警距离时发生预警，提示危险可能存在；当障碍物距离进一步减小时发出报警和鸣笛，提示驾驶员制动[17]。

实验之前，设置激光扫描仪发射命令为150 ms，根据激光扫描仪的实际安装位置，对避障预警控制系统参数进行标定。考虑到电动高尔夫球车行驶的实际路况和低速工况，通过多次实验得出：将车宽设置为1.1 m，障碍物识别最小轮廓为10 mm，预警距离设置为3 m，报警距离设置为1.5 m。模拟路况环境如图7所示。

图7 模拟路况环境

在模拟路况环境下，分别进行无障碍物、预警距离(距离车头1.5～3 m以内)和报警距离(距离车头1.5 m以内)3种距离信息的障碍物检测和避障预警控制实验。实验结果见图8—10。

图8 无障碍物静态检测结果

由图8可知，在极坐标系下，原点为激光扫描仪的安装位置，区域A处-30°～85°的轮廓线表示停在路边的车辆、灌木丛以及树木；区域B处直至原点的细长轮廓线，是由激光束与安装支架干涉引起，利用图像采集程序中所设计的等价模块排出这一信号的干扰。检测结果表明，在实际道路前方没有障碍物的情况下，检测系统未显示有障碍，没有出现误报。

由图9可知，将路障置于预警距离区间(距离车头1.5～3 m以内)时，系统发出预警，预警标志为黄色，提示驾驶员减速；且显示障碍物轮廓和方位信息，区域C轮廓线表示障碍物轮廓。

图9 预警距离障碍物静态检测结果

由图10可知，当路障置于报警距离区间(距离车头1.5 m以内)时，系统发出报警，报警标志为红色，提示驾驶员制动或者转向，且显示出2个障碍物轮廓和方位信息，区域C轮廓线表示2个障碍物的轮廓。

图10 报警距离静态障碍物检测结果

4 结语

基于LabVIEW的电动车智能控制创新教学实验平台已搭建完成，基于此平台开展了不同的实践教学实验。在这个过程中，不仅加深了学生对课程教学中理论知识的理解，提高了学生在测控系统整体设计、硬件平台搭建和软件系统开发等方面的实际动手能力，为车辆电子控制技术课程改革与创新提供了崭新的途径。将虚拟仪器技术、车辆仿真技术和测控技术有效结合起来，是丰富教学实践内容、创新教学实践方法和提高教学实践模式多样性的有效手段，具有十分重要的实际应用价值。

References)

[1] 张伟.无人操作智能车的运动控制系统研究[D].西安:西安工业大学，2012.

[2] 周淑辉，李幼德，李静，等. 汽车电子控制转向技术的发展趋势[J]. 汽车电器，2006(11):1-3.

[3] 傅晓程. 虚拟技术在电工电子实验中的应用[D].杭州：浙江大学,2007.

[4] 赵志刚.虚拟现实技术对实验教学的影响[J]. 中国电化教育，2007(12):81-83．

[5] 席军强，宗莹，王文硕. 车辆电子控制虚拟实验教学平台研究[J]. 实验室研究与探索，2015, 34(1):79-83.

[6] 刘皓春，全书海.电动汽车驱动控制系统研究[J].汽车电器,1999(2)：6-8.

[7] 曾兀彧.光电耦合器典型应用电路剖析[J].井冈山学院学报，2008(6)：18-20，24.

[8] 王仲生.智能检测与控制技术[M].西安：西北工业大学出版社，2002.

[9] 谭福生,杨军,申纯太. 基于TCP/IP协议激光测距仪数据读取及在Labview的实现[J]. 上海电气技术,2010(1):1-4.

[10] 房泽平,段建民. 基于LabVIEW和激光雷达的智能车辆障碍物检测[J]. 公路交通科技(应用技术版),2014(3):246-249.

[11] 杨乐平.LABVIEW高级程序设计[M].北京：清华大学出版社，2003.

[12] 陈树学.LabVIEW宝典[M].北京：电子工业出版社，2011.

[13] 侯国屏，王珅，叶齐鑫．LabVIEW7.1编程与虚拟仪器设计[M]. 北京：清华大学出版社，2004.

[14] 谢斌，张超，毛恩荣，陈燕呢.基于myRIO的电动拖拉机驱动控制器设计与室内试验[J].农业工程学报，2015,31(18):55-62.

[15] 刘金锟.先进PID控制MATLAB仿真[M].北京：电子工业出版社，2011.

[16] 连世江，陈军．基于PID控制的拖拉机自动转向系统[J]．农机化研究，2009，6(6)：211-213．

[17] 周荷. 基于激光测距器的汽车安全辅助驾驶技术[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学, 2007.

Innovative teaching experimental platform for intelligent control of electric vehicles based on LabVIEW

Zhang Shuo, Liu Jinyi, Zhu Zhongxiang, Du Yuefeng, Xie Bin, Li Wei

(Department of Vehicle and Traffic Engineering, School of Engineering,China Agricultural University, Beijing 100083, China)

Based on the LabVIEW of the virtual instrument software，and by taking an electric golf cart as a carrier, an innovative teaching experimental platform for the intelligent control of electric vehicles is set up on the basis of reforming the existing mechanical structure and electronic control system. Base on NI myRIO controller, the intelligent control algorithms for the vehicle speed and braking control, automatic steering control and obstacle avoidance warning control are developed. Through the indoor bench experiment and the road real vehicle experiment, the functions of the innovative teaching experimental platform for the intelligent control of electric vehicles are validated. The establishment of such platform improves the content of the course teaching, enriches the students’ professional skills, enhances the students’ practical ability, and raises the level of the practical teaching effectively.

electric vehicle；teaching experimental platform； virtual instrument； intelligent control； LabVIEW

10.16791/j.cnki.sjg.2017.07.024

2017-01-10

2017-03-02

中国农业大学2015年教改专项项目

张硕(1989—)，男，山东滕州，博士研究生，主要从事车辆智能控制领域的研究

E-mail：shuo891001@163.com

朱忠祥(1976—)，男，浙江台州，博士，副教授，博士生导师，主要从事农业机械的设计、仿真以及自动控制研究.

E-mail：zhuzhonxiang@cau.edu.cn

U469.72；G484

A

1002-4956(2017)07-0089-06