（通信与信息系统专业论文）汽车peps电磁场自动标定系统设计与实现.pdf

design and implementation on automatic calibration system of automotive peps electromagnetic field a thesis submitted to chongqing university in partial fulfillment of the requirement for the degree of master of engineering by wang xinglong supervised by prof zeng xiaoping major communication and information system college of communication engineering of chongqing university chongqing china april 2011 中文摘要 i 摘 要 随着汽车产业的发展 peps 系统应用越来越广泛 为解决 peps 在强电磁干 扰环境 如电视发射塔 变电站 下其低频发射场无法唤醒钥匙导致系统无法正 常工作 车门无法正常打开 无钥匙启动装置失效 的电磁兼容性问题 对 peps 系统的发射场进行电磁兼容仿真和实测分析是必不可少的 本文为了对 peps 系统 低频发射场的进行实测 研发了一套 peps 电磁场自动标定系统 测试系统实现 peps 低频场的自动标定 测试数据的存储 电磁场分布显示等功能要求 在系统设计和实现中 提出了一种三维机械臂自动行走测试机制 该机制通 过计算机程序控制三维机械臂实现自动行走将场强测试仪送到指定测试点并记录 场强值 实现了对 peps 系统低频发射场高效而精确的标定 而且 系统运用可视 化技术实现了 peps 系统电磁场的三维可视化显示 为深入研究 peps 系统电磁场 分布特征奠定了基础 论文的主要研究工作及成果包括以下几个方面 系统总体设计与方案可行性分析 明确了系统需要实现的功能包括行走路 径设计 自动行走控制 数据记录和保存 电磁场可视化和报告自动生成等 介 绍了系统硬件平台 分析了系统的软件设计流程 提出了软件系统的设计方案并 进行了可行性分析 关键技术研究 系统实现中涉及到的关键技术主要包括机械臂程序控制 opengl 可视化技术 数据库访问技术 报告生成技术等 分别对每个关键技术进 行了分析和研究并提出了解决这些关键问题的方法 测试系统的软件设计与实现 根据系统的功能需求将软件部分划分成五个 独立的子程序即数据管理 机械臂驱动 自动测量 电磁场可视化和报告生成 通过对每个子程序关键问题的分析提出了程序的设计思路和实现方法 界面设计与系统测试 为测试系统设计了友好的操作界面 对系统进行了测 试 测试结果表明测试系统在允许的测试精度内 良好的实现了电磁场的自动标 定 为 peps 系统的电磁兼容仿真 低频场发射场功率匹配 天线放置等问题提供 了实测依据 关键词 关键词 自动标定 机械臂 电磁场 可视化 重庆大学硕士学位论文 ii 英文摘要 iii abstract with the development of automobile industry the peps system is being applied more and more widely in order to address electromagnetic compatibility emc problem of peps system passive enter and passive start that the low frequency field of peps cannot wake up key causes the system failure to work normally such as cannot open doors keyless starting device invalid under the strong electromagnetic interference environment such as tv towers substations for researching the characteristics of peps low frequency field it is essential to implement emc simulation and experimental analysis for electromagnetic fields of peps to measure the electromagnetic field and research its characteristics this paper develops a peps electromagnetic field automatic calibration system that includes the following functions automatic calibration for peps low frequency field storing measured data showing distribution of electromagnetic field etc a three dimensional robot arm automatic walking and testing mechanism is proposed in the system design and implementation three dimensional robot arm controlled by computer programs can running automatically and carry field tester to the designated test points to record the field strength value the system achieves efficient and accurate calibration for peps low frequency electromagnetic field and the system using visualization technology to achieve the three dimensional visualization of the electromagnetic field the system laid the foundation for further researching electromagnetic field distribution the main research work and achievements include the following overall design and feasibility analysis of the system cleared the needs to achieve include designing walking path controlling robot arm running automatically recording measured data visualization of electromagnetic field generating reports automatically and so on described the system hardware platform analyzed system software process proposed software system design plan and conduct a feasibility analysis key technologies research the key technologies involved include controlling robot arm by programming opengl visualization technology database access technology report generating technology etc through analysis and research for each technologies 重庆大学硕士学位论文 iv methods were proposed to solve the key issues design and implementation for test system according to the requirements the software system was divided into five separate program modules include data management part robot arm driving part automatic measurement part electromagnetic field visualization part and report generating part design ideas and implementation methods are proposed by researching the key issues of each subroutine interface design and system testing we designed friendly user interface for the test system the test results showed that the test system achieved automatic calibration of the electromagnetic field well under permissible error range the test result provides a basis for emc simulation low frequency field power matching antenna placement etc keywords automatic calibration robot arm electromagnetic field visualization 目 录 v 目 录 中文摘要中文摘要 i 英文摘要英文摘要 iii 1 绪论绪论 1 1 1 引言引言 1 1 2 课题研究背景课题研究背景 1 1 3 课题研究意义课题研究意义 2 1 4 本文的研究内容和结构本文的研究内容和结构 3 2 系统总体设计与方案可行性分析系统总体设计与方案可行性分析 5 2 1 系统设计的原则系统设计的原则 5 2 2 系统设计需求分析系统设计需求分析 5 2 2 1 人机交互操作界面 6 2 2 2 数据记录和存储功能 6 2 2 3 自动测试功能 6 2 2 4 测试仪器跟踪功能 6 2 2 5 电磁场可视化功能 6 2 2 6 测试报告自动生成 7 2 3 系统总体设计系统总体设计 7 2 3 1 标定系统结构分析 7 2 3 2 标定系统工作流程分析 8 2 4 标定系统的硬件平台标定系统的硬件平台 10 2 4 1 自动行走设备 10 2 4 2 场强测试仪 12 2 4 3 计算机 13 2 4 4 标定系统硬件结构 13 2 5 标定系统的软件设计标定系统的软件设计 13 2 5 1 数据管理模块 13 2 5 2 自动标定模块 13 2 5 3 机械臂驱动模块 14 2 5 4 电磁场可视化模块 14 2 5 5 报告生成模块 14 2 5 6 软件组成结构图 14 重庆大学硕士学位论文 vi 2 6 方案可行性分析方案可行性分析 15 2 7 本章小结本章小结 15 3 标定系统关键技术研究标定系统关键技术研究 17 3 1 开发平台介绍开发平台介绍 17 3 2 基于基于 labview 的数据库访问技术的数据库访问技术 17 3 2 1 labsql 简介 18 3 2 2 测试点坐标的读取 19 3 2 3 场强数据的存储 21 3 3 基于基于 labview 的场强数据采集的场强数据采集 23 3 3 1 labview 的串口通信 23 3 3 2 基于 visa 的场强数据采集 24 3 4 基于基于 opengl 和和 activex 的可视化技术的可视化技术 24 3 4 1 opengl 简介 24 3 4 2 opengl 的模型显示流程 25 3 4 3 汽车模型的可视化 26 3 4 4 基于 labview 和 activex 的汽车模型显示 30 3 5 基于基于 labview 的报告生成技术的报告生成技术 31 3 6 本章小结本章小结 32 4 标定系统的软件实现标定系统的软件实现 33 4 1 数据管理模块数据管理模块 33 4 1 1 场强读取模块 33 4 1 2 测试路径的设计 34 4 1 3 块区域路径数据库的产生 40 4 1 4 测试结果记录模块 41 4 2 机械臂驱动模块机械臂驱动模块 42 4 3 自动标定模块自动标定模块 43 4 3 1 自动测量模块 43 4 3 2 手动测量模块 45 4 3 3 测试仪跟踪模块 45 4 4 电磁场可视化模块电磁场可视化模块 47 4 4 1 电磁场可视化设计 47 4 4 2 电磁场可视化实现 48 4 4 3 电磁场数据分析 49 4 5 报告生成模块报告生成模块 51 目 录 vii 4 6 错误处理机制错误处理机制 52 4 6 1 labview 的错误处理机制 52 4 6 2 标定系统的错误处理 53 4 7 系统实现系统实现 54 4 8 本章小结本章小结 55 5 界面设计和系统测试界面设计和系统测试 57 5 1 系统界面设计系统界面设计 57 5 2 系统测试系统测试 63 5 3 测试结果测试结果 63 5 4 本章小结本章小结 66 6 总结与展望总结与展望 67 6 1 本文工作总结本文工作总结 67 6 2 展望展望 67 致致 谢谢 69 参考文献参考文献 71 附附 录录 73 a 作者在攻读学位期间发表的论文目录 作者在攻读学位期间发表的论文目录 73 b 程序流程图中图形的意义 程序流程图中图形的意义 74 重庆大学硕士学位论文 viii 1 绪论 1 1 绪论 1 1 引言 随着我国汽车制造业的飞速发展和汽车电子技术的蓬勃兴起 汽车电子在汽 车整装中的比重越来越大 传感器几乎遍布于汽车任何可控位置 先进的电子设 备如 peps 系统 tpms 系统被越来越多的应用到汽车中 然而 电子设备的密集 应用势必带来了汽车电磁兼容性问题 电磁兼容性 emc 是指设备或系统在其 电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰的 能力 emc 包括两个方面的要求 一方面是指设备在正常运行过程中对所在环境 产生的电磁干扰不能超过一定的限值 另一方面是指器具对所在环境中存在的电 磁干扰具有一定程度的抗扰度 所以 emc 包括 emi 电磁干扰 及 ems 电磁抗扰 两部分 所谓 emi 电磁干扰 是指设备本身在执行应有功能的过程中所产生不利 于其它系统的电磁噪声 ems 指机器在执行应有功能的过程中不受周围电磁环境 影响的能力 1 由于国内尚无统一的 emc 标准 整车厂商与汽车电子制造商以自顶向下 根 据整车电子产品配置需求开展项目合作的商业模式没有完全建立起来 汽车整车 厂商将电子设备运用到汽车上时往往遇到设备不匹配而无法正常工作等问题 为 了解决此类电磁兼容问题 除了要进行 emi 测试和 ems 测试外 对电子设备的电 磁场进行研究也是至关重要的 2 研究电磁场必须从两个方面进行 即理论仿真和实测 3 理论仿真是指在理想 状态下研究电子设备发射场在车内和车周的分布情况 用电磁场仿真软件 如 hfss 建立汽车的仿真模型实现电磁场仿真 为设备的天线放置 辐射强度等参 数提供仿真依据 实测是指通过对电子设备的发射场进行场强标定获得电磁场数 据 并通过对电磁场数据的分析给出实际工作中电磁场分布的特征 最后将实测 结果与仿真结果进行比较 达到修正汽车仿真模型的目的 本文对汽车电磁场研究的实测部分进行了研究 提出了一种电磁场分布测试 方法 设计并实现了一套场强标定系统 该系统能够良好的完成电子设备发射场 的场强自动标定任务 为研究电磁场分布提供了重要依据 1 2 课题研究背景 无钥匙进入和启动系统 passive entry and passive start peps 由智能钥匙 kvm 主机 低频天线 4 6 个 门把感应开关 发动机启动旋钮 按钮 数字钥 匙天线和电子方向盘锁等组成 安装了 peps 系统的汽车 驾驶员无需将钥匙插入 重庆大学硕士学位论文 2 钥匙孔 只要驾驶员带着钥匙进入汽车周围一定的范围内汽车便会自动解锁 进 入汽车内后 按下启动按钮而无需将钥匙插入插孔即可启动汽车 peps 系统以其 智能性和安全性被越来越多的应用到了汽车中 国内有较强自主研发能力的某汽车公司尝试将 peps 系统应用到汽车上 整车 测试中 安装有 peps 系统的某车型汽车在常规电磁环境下能够正常运行 但将汽 车驾驶到有较强电磁干扰的发射塔下时遇到了这样的问题 peps 系统无法正常的 工作 导致了汽车无法正常解锁 车门无法正常打开等问题 这些问题暴露出了 peps 系统在整车应用中存在严重的电磁兼容性问题 为了解决 peps 系统在工程 应用中遇到的问题并提高系统的安全性和可靠性 对 peps 系统的电磁兼容性进行 研究是必不可少的 要进行 peps 系统电磁兼容性的研究 对已安装 peps 系统的车辆进行整车场 强的标定与测试是必须完成的任务之一 本文针对 peps 系统电磁场的实测 为了实现对安装有 peps 系统的车辆进行 场强标定并研究 peps 系统的电磁场分布特性 设计了一套 peps 系统电磁场自动 标定系统 根据课题需求该系统实现的功能包括 场强自动标定 数据存储 电 磁场可视化和报告生成等 1 3 课题研究意义 本文研究和完成的任务是以安装 peps 系统的车辆为基础进行整车场强的标 定和测试 设计并实现一套自动测试系统 完成场强的标定和测量并对 peps 系统 电磁场分布做出图形化显示 为研究 peps 系统的电磁兼容性提出实测依据 将本 文设计的场强标定系统称为 汽车 peps 电磁场自动标定系统 下文简称标定系 统 传统的场强测试方法主要是人工测试 测试员利用手持场强测试仪和标尺进 行测量 这种测试方法的缺点包括 费时费力 场强测试中 测试点数目往往数以千计 每个点都需要标定位置 人工读取 数据并记录 需要多名测试员 而且速度慢工作效率相当低 测试精度极差 由于测试点的坐标由人工标定 所以坐标本身就存在标定误差 人工将测试 仪器天线拿到测试点会引入测试偏离误差 而且 读取测试数据时往往又存在读 取误差 所以人工测试精度很难达到要求 测试结果往往不能与实际匹配 引入干扰 人工测量需要多人参与 静电干扰和测试仪器的相互干扰势必造成测试场的 1 绪论 3 污染 因此 传统测试方法已经不能达到电磁场标定和测试的要求 提出一种精度 高 自动化程度高的测试方法意义重大 本文提出的标定系统具有以下特点 标 定系统能够在少量人工参与的情况下自动生成测试路径 并通过计算机控制自动 行走设备对每个测试点进行测试和记录 不仅省时省力而且智能化 坐标的标定 场强的测试和记录均由计算机完成 速度快 而且运用了程控的自动行走设备 测试精度高 标定系统具有简单而易于操作的控制界面 操作简单 1 4 本文的研究内容和结构 本课题基于某汽车公司遇到的工程问题 对汽车 peps 系统电磁场分布及测试 方法进行研究 提出了一种高效 自动化的测试方法 设计实现了 peps 低频标定 系统 论文结构如下 第一章讨论了课题的研究背景和研究意义 引出了论文研究的主要内容即设 计 peps 低频标定系统 第二章分析了系统的功能需求 明确了系统需要实现的功能 提出了标定系 统的设计方案 明确了系统的工作流程 第三章对标定系统设计中涉及到的关键技术进行研究 详细阐述了每个关键 技术的实现思路和方法 第四章详细阐述了软件系统的实现 对每个程序模块的功能 设计思路和设 计方法做了详细的说明 第五章设计了良好的人机交互界面 并对操作界面进行了展示 对软件系统 进行了调试 第六章总结了论文得到的结论 介绍了论文的后期研究工作 重庆大学硕士学位论文 4 2 系统总体设计与方案可行性分析 5 2 系统总体设计与方案可行性分析 2 1 系统设计的原则 标定系统是硬件和软件的综合功能系统 必须遵循一定的设计原则 下面我 们将对系统设计的一些原则作简要的说明 系统设计的原则包括合适性 易操作 性 可靠性和可扩展性等 4 合适性 系统设计的源头是需求 评估体系结构好坏的第一个指标就是 合适性 即体 系结构是否符合系统的 功能性需求 和 非功能性需求 所以系统设计过程中要对 系统需求进行深入的分析以制定出适合于系统需求的体系结构 易操作性 对用户来讲 系统易于操作是最基本的要求之一 要求人机交互界面的直观 性 操作的方便性和功能的实用性 标定系统的界面设计应该充分考虑到易操作 性 技术人员能够花较少的时间掌握系统的操作步骤并能准确的完成测试工作 可靠性 系统的可靠性指系统硬件和软件在运行过程中抵抗异常情况的干扰及保证系 统正常工作的能力 可靠性是最重要的一个原则之一 没有可靠性 系统的存在 也就失去了保障 可靠性要求系统具有稳定可靠 权限控制 系统容错排错 系 统恢复的能力等 标定系统的设计过程中应该充分考虑到实测过程中会出现的异 常情况 设计一套完善的错误处理机制以保证系统的可靠运行 可扩展性 可扩展性原则是应用系统适应未来功能演变所必备的 关系到用户未来功能 的扩展和节约系统升级费用 一个灵活性好的系统 其各部分独立性强 容易进 行变动 从而适应不断深化的需求以适应不断变化的实测环境 这就要求标定系 统设计过程中要根据系统需求并将系统合理划分成若干相对独立的功能模块 以 方便系统的后期扩展和维护 2 2 系统设计需求分析 根据课题的要求 本文提出的标定系统要完成汽车 peps 系统低频发射场的场 强自动标定和电磁场分布可视化的任务 所以系统提供的基本功能包括人机交互 界面 数据记录和存储功能 自动测试功能 测试仪器的跟踪功能 电磁场可视 化功能 测试报告自动生成功能等 重庆大学硕士学位论文 6 2 2 1 人机交互操作界面 要实现场强的自动测试 系统运用了计算机智能控制 而简单 易操作 可 控性高的操作界面是必须具备的 首先 该操作界面应该有良好的可读性和可操 作性 测试人员能够很快掌握测试要领和方法 其次 操作界面上要提供测试设 备初始化 测试参数设定等交互接口 测试人员可通过参数的设置控制操作设备 并完成测试任务 2 2 2 数据记录和存储功能 数据记录和存储功能是标定系统的关键功能之一 标定系统的根本任务是将 peps 系统低频发射场的场强进行标定得到车内外关键区域的场强数据 场强数据 包括测试点坐标和该点处的场强值 因此测试过程中 场强数据需要被随时记录 并存储 另外 测试过程中 测试路径的产生与记录也是系统必须提供的功能 2 2 3 自动测试功能 由于标定系统具有智能化 自动化的特点 所以系统必须具备程序控制的行 走设备 而且行走设备能承载场强测试仪器 要求行走设备必须有足够高的测试 精度 并且能与计算机连接 行走设备通过接收计算机程序控制指令自动到达指 定测试点 场强数据的记录包括数据记录的时刻 数据信息的读取和存储都是由 计算机程序控制的 场强数据由特制的场强测试仪获得 并通过串口传输到计算 机中 计算机通过读取串口 解码实现场强的读取 2 2 4 测试仪器跟踪功能 由于行走设备和场强测试模块由计算机控制而不需要人工参与 而测试人员 往往需要了解当前的测试情况 所以为标定系统设计良好的可视化功能是必不可 少的 标定系统提供一个图形显示窗口 程序通过三维可视化技术将被测量的汽 车模型显示到界面中 并将当前测试仪的位置实时显示到界面中 这样就可以观 测到测试仪与汽车的相对位置 并能随时观测到测试仪的移动情况以判断测试进 程与实时状况 2 2 5 电磁场可视化功能 电磁场可视化功能是标定系统最重要的功能之一 标定系统的最终目标是分 析 peps 系统低频发射场的电磁场分布特征 所以 对电磁场分布进行可视化研究 是必要的 课题要求我们从两方面进行电磁场可视化 其一 电磁场三维可视化即在三 维空间中以颜色的形式反映电磁场的特征 将汽车模型和所有测试点共同显示在 可视化界面上 每个测试点通过颜色的变化反应场强的大小 并能够提供场强最 大 最小值显示和关键区域的显示 其二 平面电磁场分布显示即提取一个平面 的场强数据 通过插值 色温显示等技术反映电磁场在平面内的分布情况 平面 2 系统总体设计与方案可行性分析 7 电磁场分布显示能够更加直观而准确的判断电磁场的分布情况 是电磁场分布研 究的重要依据 本文主要研究电磁场的三维可视化 平面电磁场分布显示由课题 组其他成员实现 2 2 6 测试报告自动生成 工程应用中测试报告是非常重要的 用于对本次测试中涉及到的实验环境 测试参数和测试结果等信息进行总结 形成报告 而传统测试报告往往需要测试 人员手工完成 需要记录大量的测试数据和测试图表 工作十分繁琐 为了增加 报告生成的效率 标定系统应该提供测试报告自动生成功能 将测试时的环境参 数 设备参数及测试结果自动记录到 word 文档中 计算机自动生成测试报告只需 要测试员的少量参与即可快速而规范的产生测试报告 不仅解放了测试人员 提 高了工作效率 又能够增加报告的准确性和规范性 2 3 系统总体设计 2 3 1 标定系统结构分析 根据标定系统所需完成的任务 可将标定系统分成五个主要的功能部分 数 据管理 机械臂驱动 自动标定 电磁场可视化和报告生成 标定系统功能结构 图如图 2 1 所示 peps低频自动标定系统 数据 管理 自动 标定 电磁 场可 视化 报告 生成 机械 臂驱 动 图 2 1 标定系统的功能结构 fig 2 1 function structure of calibration system 数据管理部分主要负责数据库的管理 包括行走路径数据库和测试结果数据 库的管理 行走路径数据库是标定系统控制行走设备所遵循的测试路径 路径由 一个个的测试点组成 行走设备承载着场强测试仪走过这些测试点完成测试任务 行走路径数据库是标定系统实现自动测试的必要条件 由于汽车内外有许多感兴 趣的测试区域 测试点数以万计 如果不能规划出一条合理的测试路径 就无法 顺利完成的整车场强的标定 测试结果数据库是用来存储测试过程中测量的场强 重庆大学硕士学位论文 8 数据的 包括每个测试点坐标和该点处的场强值 机械臂驱动部分主要负责机械臂的程序控制 实现机械臂的自动行走 该部 分由应用程序控制机械臂来实现设备初始化 速度设置 行走等操作 自动标定部分主要负责场强数据的标定任务 包括行走设备的行走控制 管 理场强测试仪器 路径数据库的读取和测试数据的记录及存储 我们将自动标定 模块分成四个子功能模块包括设备初始化模块 自动行走控制模块 场强测试模 块和数据记录模块 设备初始化模块负责行走设备的初始化 包括设备的上电 原点的校准等 自动行走控制模块负责控制行走设备 从测试路径数据库中读取 测试点坐标并转换成驱动信号传给行走设备 使行走设备将测试仪器送到指定的 测试点 场强测试模块主要负责测试场强 测试仪通过串口将场强值传给计算机 该模块负责读取串口的数据并转换成有效的场强数据 数据记录模块负责测试数 据的记录和存储 将测试结果即测试点处的场强数据记录并存储到数据库中 电磁场可视化负责测试过程中的测试情况监测 电磁场分布的可视化显示 包括汽车模型的可视化 场强测试仪位置的可视化 电磁场的可视化 在测试过 程中和电磁场分布显示分析中都需要汽车模型的可视化 场强测试仪位置的可视 化将测试仪的位置标记到可视化界面中 测试员可以通过可视化界面观测到测试 仪与汽车的相对位置 电磁场的可视化主要负责对测试结果进行分析 给出空间 电磁场分布图 报告生成部分负责自动生成测试报告 2 3 2 标定系统工作流程分析 上一节我们按照功能将标定系统进行了划分 现在将对标定系统的总体工作 流程进行说明 标定系统总体工作流程图如图 2 2 所示 场 强 标 定 测试结果 数据库 电 磁 场 可 视 化 报 告 生 成 图 2 2 标定系统总体工作流程 fig 2 2 overall workflow of calibration system 我们将标定系统的总体工作流程分成三个部分 场强标定部分 电磁场可视 化部分和报告生成部分 这三个部分是相对独立的 场强标定部分主要完成测试 点的场强测量工作 形成一份测量结果数据库 而电磁场可视化部分将利用场强 2 系统总体设计与方案可行性分析 9 标定部分产生的数据库 将电磁场分布显示到可视化界面上 报告生成部分完成 测试报告的产生 场强标定 1 测试人员利用数据管理模块产生测量路径数据表 2 进入数据测量过程 一方面标定模块读取当前要到达的位置坐标并给出机 械臂驱动模块一个驱动信号 该信号通过机械臂驱动模块使机械臂到达指定位置 另一方面当机械臂到达指定位置后测量模块从串口接收模块提取当前场强数值 并将位置坐标和场强值一起存到测量结果数据库中 3 对于特殊的测试点 可以通过手动控制使机械臂到达 并记录数据 4 重复以上的步骤 最后生成测量结果数据库 场强标定的工作流程图如图 2 3 所示 自动行走控制 记录数据到测 试结果数据库 场强测试 从测试路径表中 读取坐标 否 结束 开始 是否读完路径表 是 图 2 3 场强标定的工作流程 fig 2 3 workflow of field strength calibration 电磁场可视化 电磁场可视化部分读取测量结果数据表 将每个点的坐标和场强值读取出来 将测试点标记在可视化界面上 测试点在界面上是一个个孤立的带有颜色的点 每个点的颜色随改点场强大小而变 重庆大学硕士学位论文 10 报告生成 报告生成部分将场强标定和电磁场可视化过程中涉及到的环境参数 测试数 据和图表记录到 word 文档中 自动生成测试报告 以上对系统的功能和功能结构作了简要的说明 下面将阐述系统的详细设计 方案 标定系统分为硬件部分和软件部分 硬件部分实现系统的行走和场强测试 功能 软件部分负责程序控制和图形显示 2 4 标定系统的硬件平台 由于标定系统的主要任务是完成场强的自动标定任务 所以需要的硬件设备 包括实现自动行走的程控行走设备 场强测试仪和计算机 程控行走设备负责将 场强测试仪送到指定的测试点 测试仪负责场强数据的获取 而计算机是自动标 定系统的控制和处理中心 2 4 1 自动行走设备 自动行走设备是自动标定系统实现自动场强测试的主要硬件设备 对自动行 走设备的要求主要包括 可在三维空间移动 自动行走设备应该能够实现立体空间内的移动 由于整车场强的标定区域被 划分成了若干分离的立体测试区域 行走设备必须遍历每个感兴趣测试区域内的 测试点 所以要求行走设备在三维空间中的三个轴上都能自由行走 而且每个轴 上都能够实现双向的行走 程序控制 为了实现场强标定的自动智能测试 标定系统必须为行走设备指定测试路径 设置行走设备的步进速度 行走距离 控制行走设备的启停等 这就要求行走设 备具备与计算机通信的程序接口 计算机通过调用这些程序接口实现对行走设备 的控制 一定的承载能力 由于行走设备只具备了空间行走功能 但是并不具备场强测试功能 所有要 实现系统的场强测试必须选用专门的测试仪器 而行走设备必须能够承载场强测 试仪 防碰撞功能 测试过程中往往由于测试路径的设计不够合理或者行走设备误操作等原因造 成行走设备触碰到汽车 如果行走设备仍然按照原来的路径行走 势必损坏汽车 或者造成行走设备自身的损伤 因此 行走设备必须具备触碰返回功能 遇到障 碍物时应能够自动返回到安全位置 2 系统总体设计与方案可行性分析 11 为满足以上的要求 我们选取了三维程控机械臂 以下简称机械臂 作为标 定系统的自动行走设备 机械臂由控制器 驱动器 三个伺服马达和三个移动杆 x y z 组成 机械臂硬件结构图如图 2 4 所示 机械臂通过电机控制卡与计 算机连接 计算机通过控制器管理三个伺服马达 控制器负责产生驱动信号给每 个轴的驱动器 最终 驱动器通过驱动相应轴的马达带动移动轴运动 机械臂实 物图如图 2 5 所示 工控机板卡控制器 伺服驱动器 伺服驱动器 伺服驱动器 x伺服马达 y伺服马达 z伺服马达 x移动杆 y移动杆 z移动杆 图 2 4 机械臂硬件结构图 fig 2 4 hardware structure of robot arm 图 2 5 三维程控机械臂实物图 fig 2 5 three dimensional program controlled robot arm 测试中机械臂实现自动行走的效果图如图 2 6 所示 机械臂的每个移动杆都能 重庆大学硕士学位论文 12 够双向行走 可在三维空间中遍历立体测试区域 机械臂的驱动程序集成在 pci 板卡中 以动态链接库的形式提供给用户供二次开发 我们只需利用动态库提供 的接口函数即可完成机械臂的设备初始化 参数的设置 速度设置 各轴的运动 控制等操作 为了避免机械臂触碰到汽车而损坏汽车 机械臂采用碰撞回退功能 当移动杆接触到汽车时会自动回退 这些特点就满足了标定系统对行走设备的要 求 图 2 6 机械臂自动行走效果图 fig 2 6 rendering of robot arm automatic walking 2 4 2 场强测试仪 由于机械臂载重能力有限 普通的手持式场强测试仪无法应用到标定系统中 我们选取了某厂商提供的场强测试模块 这种场强测试模块长宽不超过十厘米 质量非常轻 测试精度高 可以固定到机械臂上 通过串口与计算机连接 采用 单工通讯方式 场强测试仪输出到串口的场强数据帧格式如表 2 1 所示 一个数据帧共 8 个字 节 帧头和保留位各占一个字节 由于场强测试仪每次测量都包含了三个数据 x y z 轴场强 保留位后面紧跟的六个字节组成了三个场强值 每个场强值各占两 个字节 表 2 1 数据帧格式 table2 1 data frame format 帧头 保留 xh xl yf yl zh zl 0 xff 0 xff xx xx xx xx xx xx 2 系统总体设计与方案可行性分析 13 2 4 3 计算机 计算机采用工程上应用广泛的工控机 工控机详细配置 intel core 双核 2 66g 2gddr 160ghdd dvd 刻录 100m 网卡 512m 显存显卡 显示器 19 寸三 星液晶显示器 2 4 4 标定系统硬件结构 标定系统硬件结构图如图 2 7 所示 工控机 三维机械臂板卡 场强测试模块串口 图 2 7 标定系统硬件结构 fig 2 7 hardware structure of calibration system 2 5 标定系统的软件设计 软件部分是标定系统的主要部分 也是本文研究的重点内容 软件部分主要 功能包括产生测试路径 程序实现对机械臂的自动行走控制 记录测试数据并存 储 电磁场分布的可视化和生成测试报告等 我们将标定系统的软件部分划分成 五个子程序模块 数据管理模块 自动标定模块 机械臂驱动模块 电磁场可视 化模块和报告生成模块 2 5 1 数据管理模块 数据管理模块主要负责生成测试路径 读取场强和记录测试结果 将数据管 理模块细分为三个子模块 测试路径产生模块 场强读取模块 测试结果记录模 块 测试路径是机械臂自动行走所遵循的轨迹 是自动测试系统的重要组成部分 场强数据的读取由计算机读取场强测试模块的数据实现 记录测试过程中的数据 并存储到数据库中 数据管理模块中需要存储的数据由数据库统一管理 2 5 2 自动标定模块 自动标定模块主要负责场强的自动测试 首先 自动标定模块从行走路径数 据库中读取测试点坐标 将坐标值以参数的形式交给机械臂驱动模块 使机械臂 将场强测试模块送到测试点位置 到达测试点后 模块等待机械臂状态为停时 读取场强测试仪记录场强值 最后 将场强值和测试点坐标值存到测量结果数据 库中 这样就完成了一次测量 测试过程中难免遇到一些测试点位置比较偏僻 所以为标定系统设计了手控 重庆大学硕士学位论文 14 测量部分 与自动测量的区别就在于坐标值是手工输入到界面上 另外 自动标 定过程中 要求标定系统能够实时显示测试仪所在的位置 所以这里需要加入测 试仪跟踪功能 根据以上分析我们将自动标定模块分为三个子模块 自动测量模块 手动测 量模块和测试仪跟踪模块 2 5 3 机械臂驱动模块 机械臂驱动模块负责实现机械臂的行走控制 机械臂驱动程序由机械臂厂商 提供 我们只需要将机械臂驱动程序的动态链接库配置到程序中 通过调用相应 的接口函数即可实现对机械臂的控制 2 5 4 电磁场可视化模块 电磁场可视化模块主要负责对 peps 系统的场强测试数据的进行分析 研究 peps 系统的电磁场分布情况 空间电磁场可视化是指从测量结果数据库中读取每 个测试点的场强值和坐标 并将这些测试点显示到可视化界面上 每个点上的颜 色按场强大小而变化 另外 为了研究电磁场特征 该模块要提供数据分析功能 如 场强最值测试点的显示 关键区域测试点显示等功能 将电磁场可视化模块 分成两个子模块 空间电磁场可视化模块和数据分析模块 2 5 5 报告生成模块 报告生成模块负责自动生成测试报告 将测试过程中的环境参数 设备参数 测试结果等信息以图表和文字的形式反映到 word 文档中 2 5 6 软件组成结构图 标定系统软件部分的组成结构如图 2 8 所示 标定系统软件部分 数据 管理 模块 自动 标定 模块 电磁 场可 视化 模块 测试 路径 产生 模块 场强 读取 模块 测试 结果 记录 模块 自动 测量 模块 手动 测量 模块 测试 仪跟 踪模 块 空间 电磁 场可 视化 模块 数据 分析 模块 机械 臂驱 动模 块 报告 生成 模块 图 2 8 标定系统软件部分的组成结构 fig 2 8 structure of calibration system software 2 系统总体设计与方案可行性分析 15 2 6 方案可行性分析 系统测试环境 1 测试场地 高精度的电磁场测试一般要求在电磁屏蔽室里进行 而屏蔽室 室造价昂贵 成本过高 所以在误差允许的范围内 工程上往往选择开阔场作为 测试场地 2 电磁场是稳定场 标定系统电磁场整车标定过程中 机械臂的行走和场强 记录都要花费时间 所以场强标定过程需要很长的时间 这就要求 peps 系统低频 发射场是稳定的 保证测试的整车场强数据的有效性 机械臂自动行走机制 1 机械臂的步进量为 0 001mm 已经达到了课题的要求的 0 1mm 2 为标定系统设计合理的行走路径 保证机械臂能够实现测试区域的遍历 以 0 001mm 记的行走精度足以达到研究电磁场分布所需的测试点密度 场强值与坐标的匹配 获取与坐标匹配的场强数据是标定系统的根本任务 由于机械臂与场强测试 仪在软件上的独立性 如何实现设置数据记录的时机是系统必须着重考虑的 我们为标定系统设计了机械臂停止检测机制 从两个方面保证了数据记录时 机的选择 其一判断机械臂行走之后是否停止 通常给机械臂行走信号以后 当 机械臂到达位置时便会处于停止状态 所以机械臂停止状态是到达测试点的必要 条件之一 其二判断机械臂当前的准确位置 由于误差的存在机械臂停止后可能 并没有到达指定的位置 这时就要获取当前机械臂的实际坐标 将实际坐标与原 始坐标对比 误差范围内即可认为机械臂已经到达了原始坐标 可记录数据 如 果实际坐标与原始坐标相差甚远 可以再移动机械臂直至到达原始坐标位置 或 者直接记录实际坐标与场强值 综上所述 标定系统的设计方案在理论上具备了可行性 2 7 本章小结 本章首先讨论了系统设计应遵循的原则 分析了系统的设计需求 明确了系 统需要实现的功能 然后对系统进行了总体设计分析 划分出了几个功能部分并 对每个功能部分进行了细分 提出了标定系统的设计方案 介绍了标定系统的硬 件平台 并对软件部分进行了程序模块的划分 对系统的工作流程和软件体系结 构进行了分析和概括 在以下内容中 我们将对软件部分的设计做详细的说明 下面将对软件设计中涉及到的关键技术进行研究 重庆大学硕士学位论文 16 3 标定系统关键技术研究 17 3 标定系统关键技术研究 软件设计中涉及到的关键问题包括数据库访问 数据采集 汽车模型可视化 电磁场三维可视化和报告生成等 归纳起来要解决的关键技术主要包括 基于 labview 的数据库访问技术 基于 labview 的场强数据采集技术 基于 opengl 和 activex 的可视化技术 基于 labview 的报告生成技术 3 1 开发平台介绍 标定系统的软件部分是本文研究和设计的主要部分 软件设计中的用到的软 件主要有 labview visual c 6 0 labview 主要负责界面设计 数据采集 数 据库操作和报告生成等 visual c 6 0 主要负责机械臂的程控和电磁场的三维可 视化显示 labview 通过调用 visual c 6 0 实现程序的整合 labview 是一种图形化编程语言 作为数据采集和仪器控制软件的标准被广 泛应用于工业界 labview 是由美国国家仪器 ni 公司研制开发的 labview 使用的是图形化编辑语言 g 编写程序 labview 程序是以框图的形式存在的 labview 的程序编写是以 vi 虚拟仪器 为基础的 程序由一个或者多个 vi 组 成 之所以称之为虚拟仪器是因为它们的外观和操作常常是模拟了实际的物理仪 器 其实 vi 就是 labview 程序 5 labview 将程序 vi 分成前面板和程序框图两部分 前面板是 vi 的交互用户 界面 程序框图是 vi 的源代码 编程人员通过程序框图完成程序编写 可在前面 板中规划自己的显示界面 labview 不仅有强大的数据处理能力而且具有友好的 操作界面 本文中的操作界面就由 labview 实现 用 labview 集成标定系统的 所有功能 6 由 visual c 6 0 编写的内容主要包括机械臂驱动程序 汽车模型的可视化 电磁场分布的三维可视化等 机械臂驱动程序以动态链接的形式被调用 汽车模 型的可视化和电磁场分布的三维可视化是通过调用 opengl 类库实现 7 3 2