实验题目：基于虚拟仪器的模拟驾驶器设计

1. 课程简要信息

本实验可用于仪器仪表及相关专业本、硕学生的实践课程学习，从而对虚拟仪器、微控制器、通讯总线、传感器、电机等知识进行应用尝试，实现理论到实践的学习。针对研究生，可利用4学时讲授本实验项目的基本要求、教授演示相关软硬件的基本操作方法，然后学生利用 12学时（或课下 2 周）完成该实验项目的开发调试及报告撰写等工作；针对本科生，可将该实验拆分为多个子实验以开展针对不同主题的实践，例如，传感器测量、模拟采集、数字输出、串口通讯、网络通讯、电机控制等子实验，以实现低年级、短学时的实践学习。

2. 实验内容与任务（限 500 字）

本项目基于虚拟仪器技术，采用汽车模型、驾驶操控手柄、上位机PC 及相关传感器等来完成模拟驾驶器的软硬件设计，应用在我校仪器仪表学科实践创新课程中，该项目主要完成以下任务：

1）完成上位机PC 与驾驶操控手柄之间的通信，要求 PC 按照预定的协议格式解析出操控手柄总线传输数据中当前方向盘旋转方向和角度、油门踏板及刹车踏板的动作及踏踩幅度等参数，从而对汽车模型的运动状态进行相应控制；
2） 完成利用上位机PC 对汽车模型运动所需相关参数的配置，如前进、倒退、转向转角、汽车灯光等；
3） 控制器安装在汽车模型上，采用无线（WiFi）通讯的形式与上位机PC 实现交互，完成控制器与上位机PC 无线通讯链路的搭建；
4） 完成控制器对汽车模型前、后两台USB摄像头采集图像的获取，以及利用模拟输入通道（AI）对超声波传感器、利用计数器通道（Counter）对转速传感器测量参数的获取，并实时进行数据处理，将结果上传、显示到上位机 PC 中以方便用户进行观察；
5） 控制器接收上位机 PC 发出的指令后，能根据指令数据，利用数字输出通道（DIO）、可调制脉宽通道（PMW）控制汽车模型中驱动电机转向转速、舵机角度、灯光等相关物理量；
6） 将实验中所用的全部硬件进行良好的连接并完成系统安装和搭建；
7）为上位机PC设计友好的用户交互界面。

3. 实验过程及要求（限 300 字）

1）掌握操控手柄与上位机通讯协议，包括硬件原理、程序开发；
2） 学习驱动电机、转向舵机的原理和操控方法；
3） 根据测量精度、输出信号类型、范围等选择本项目所需的超声波、转速传感器，掌握电信号与待测物理量的换算关系；
4） 了解控制器硬件资源，如输入/输出通道类型、范围、精度等，学会传感器测量、电机和灯光控制；
5） 学习在搭建系统硬件时，整体布局、元器件焊接、紧固件使用、电缆敷设等基本操作；
6） 学习利用软件对控制器和上位机 PC 开发和调试的基本方法；
7） 完成系统运行调试，根据用户反馈意见完善操作体验及交互界面；
8） 以小组为单位撰写方案设计报告和实现总结报告，并通过总体介绍、现场演示、回答提问的方法完成验收。

4. 相关知识及背景（限 150 字）

本项目适用于仪器仪表及相关学科实践课程，兼具趣味性、实用性和创新性，能够激发学生动手实践，并具有良好的展示效果。该项目的搭建，需要运用传感器、A/D及D/A 转换、无线通讯、串口通讯和设备控制等相关知识，并涉及测量精度、换算关系、软件开发、硬件配置和系统调试、报告撰写等实际工程中强调的概念和流程。

5. 教学目标与目的（限 100 字）

1）利用选题的趣味性，调动学生学习热情和主动性；
2） 实现对虚拟仪器、微控制器、通讯总线、传感器、电机等理论知识的学习及实践；
3） 以小组为单位完成作品更能提高学生团队合作、沟通协调等综合素质。

6. 教学设计与引导

本项目涉及的专业知识较多，且所使用控制器集成了嵌入式控制器和 FPGA 双重功能，操作使用相对复杂，因此系统需要以控制器为中心进行外围电路的搭建和软件的开发。在实验教学中，应在以下几个方面加强对学生的引导：

1）学习超声波传感器、转速传感器的基本原理和使用方法，了解不同应用场合对精度、输出信号形式、输出范围等参数的选择，学习阅读传感器说明书、了解接线方法、换算公式等；
2） 将上位机PC串口与操纵手柄接口连接，通过“串口调试助手”对二者的通信进行操控，让学生充分了解串口通信原理及操作过程，从而为后期学生自学数据解析等内容做铺垫；
3） 演示控制器的配置、通信、软件开发等基本操作并解释原理，让学生掌握控制器使用的入门方法，并以此为基础开展深入开发调试工作；
4） 演示通过软件编程，实现控制器对传感器信号的采集和PWM电机控制信号的输出方法；
5） 讲解在控制器中获取 USB摄像头采集图像的方法，引导学生理解图像分辨率、帧率等概念，让学生思考控制器处理速度与帧率之间的关系；
6） 基于NI LabVIEW 软件，介绍状态机编程架构的适用场合、组成要素以及使用方法，从而在上位机PC 界面开发时基于该框架进行编程，避免架构选择失误，引起程序升级、扩展性差的问题；
7） 配置控制器以WiFi形式与上位机PC 进行通讯，并讲解二者基于WiFi通讯的编程方法；
8） 介绍整体调试的步骤及常用方法，启发学生灵活运用所学知识分析和解决问题，并引导学生思考相似设备的调试方法；
9） 项目完成后，学生需要以组为单位提交报告及答辩ppt，所有同学与教师作为评委共同参与作品验收，验收时学生需结合其 ppt 介绍原理方案、设计实现、开发调试及收获、建议等，并要求现场演示其作品，评委按照覆盖以上内容的评分表进行打分。所有作品验收结束后，需利用 1 课时左右的时间，由教师组织，让学生充分讨论，相互学习，从而提高学习效果。

7. 实验原理及方案

图 1 实验系统组成及工作原理图

本实验所完成项目的系统组成及工作原理如图 1 所示，操控手柄与上位机 PC 相连，通过串口进行通信，上位机对操作手柄当前的方向盘旋转方向和角度、油门踏板及刹车踏板的动作及踏踩幅度等参数进行解析，并通过 WiFi无线通讯实时传送到控制器中；控制器、超声波传感器、转速传感器、前、后视摄像头安装在车模上，传感器输出的数据直接连接到控制器上的输入端口，经实时控制器采集并换算后，通过WiFi上传给上位机进行显示，并根据当前上位机命令对车模的运动状态进行控制；USB 摄像头通过 USB 端口与控制器直接连接，控制器将两个摄像头采集的前、后视图像通过WiFi上传给上位机进行显示，供用户观察；控制器接收到上位机发送的操纵手柄当前的状态参数，利用其 PWM 通道控制车模驱动电机和转向电机的转向、转速与手柄状态一致。其中，上位机及控制器内程序的开发基于 NI LabVIEW 软件平台，主要的硬件产品如下：控制器采用 NI myRIO 实现，汽车底盘选用飞思卡尔智能车模型（含驱动电机及转向舵机），摄像头选用高清 USB 接口产品。

图 2 模拟驾驶汽车模型实物图举例

图 3 模拟驾驶用户界面举例

本实验搭建的模拟驾驶汽车模型实物图如图 2 所示，用户界面如图 3 所示（仅用于举例，不同学生搭建的模型、设计的用户界面各有差别）。最终完成的功能为：用户通过上位机用户界面显示的前、后视摄像头采集的图像及操纵手柄，可实时操控汽车模型的行进方向、速度等，同时，用户界面还将实时显示当前车速，并在距离障碍物一定距离时发出警报声，以提示用户执行刹车或转向等操作。

8. 教学实施进程

本实验的教学进程安排如表 1 所示，其中有一些环节需要学生利用课余时间学习，以补充实验中需要用到的相关知识。

9. 实验报告要求

实验报告需要反映以下工作：

1） 实验需求分析；
2） 实现方案论证；
3） 软、硬件平台介绍；
4） 软件开发流程及硬件搭建方法；
5） 调试流程、遇到的问题及解决方法；
6） 作品运行效果及待改进之处；
7）学习总结（收获及建议）。

10.考核要求与方法（限 300 字）

本实验主要从以下几个方面考核学生的能力培养：

1）知识掌握：对本实验中关键知识点的掌握情况，如串口通讯、网络通讯、电机控制等；
2） 实物验收：功能与性能指标的完成程度，人员及时间分配；
3） 运行效果：是否从用户的角度开展设计，实操体验是否良好；
4） 实验质量：硬件方案的合理性，焊接质量、组装、接线工艺；
5） 自主创新：功能构思、电路设计的创新性，自主思考与主动学习能力；
6） 分工协作：小组成员间是否分工明确，协调沟通是否高效；
7）实验报告：实验报告的规范性与完整性。

11.项目特色或创新（可空缺，限 150 字）

1） 提高学习主动性，新颖的选题有利于增强学习兴趣；
2） 打破常规实验固化的内容和步骤，提高学生独立思考和解决问题的能力；
3） 涉及知识面较广，实现多课程中理论到实践的尝试；
4） 覆盖面广。针对低年级，可拆分为多个子环节开展实验；
5）提高学生综合素质。学生需以组为单位完成，可培养其协调沟通、团队合作等能力。

实验案例信息表