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机械工程论文

基于单片机的智能小车——路径寻迹无线遥控

时间:2013/3/25 10:42:18  作者:60论文网  来源:www.60lw.com  查看:391  评论:0

设计(论文)题目: 基于单片机的智能小车

——路径寻迹无线遥控

 

毕 业 设 计(论 文)开 题 报 告

1.结合毕业设计(论文)课题情况,根据所查阅的文献资料,每人撰写

2000字左右的文献综述:

文 献 综 述

一、引言

随着电子技术、计算机技术和制造技术的飞速发展,数码相机、DVD、洗衣机、汽车等消费类产品越来越呈现光机电一体化、智能化、小型化等趋势。各种智能化小车在市场玩具中也占一个很大的比例。根据美国玩具协会的调查统计, 近年来全球玩具销量增幅与全球平均GDP 增幅大致相当。而全球玩具市场的内在结构比重却发生了重大变化: 传统玩具的市场比重正在逐步缩水, 高科技含量的电子玩具则蒸蒸日上。美国玩具市场的高科技电子玩具的年销售额2004年较2003 年增长52%,而传统玩具的年销售额仅增长3%。英国玩具零售商协会选出的2001圣诞最受欢迎的十大玩具中, 有七款玩具配有电子元件。从这些数字可以看出,高科技含量的电子互动式玩具已经成为玩具行业发展的主流。因此,遥控加智能的技术研究、应用都是非常有意义而且有很高的市场价值的。

智能小车,也称轮式机器人,是一种以汽车电子为背景,涵盖控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械等多学科的科技创意性设计 ,一般主要由路径识别、速度采集、角度控制及车速控制等模块组成。本次课题准备设计一种能够实时采集传感器信号、智能分析外部环境以及路径信息、自动实现方向控制等功能的智能小车。

二、智能技术的发展历史及现状

 在80年代中期,设计和制造机器人的浪潮已席卷全球,世界上一些著名的公司开始研制移动机器人(此时的移动机器人的主要用作大学实验室及研究机构的实验平台),并促进了移动机器人学多种研究方向的出现。90年代以来,以研制高水平的环境信息传感器和信息处理技术、高适应性的移动机器人控制技术和真实环境下的规划技术为标志,开展了移动机器人的更高层次的研究。现在机器人的应用越来越广,种类也越来越多,但大体上可分为轮式机器人和足式机器人。智能小车就是轮式机器人中的一种,虽然是最基本的机器人雏形,但其中已包含了大部分功能, 综合国内外专家解释,可普遍认为机器人一般是具有如下功能的机器:

(1)动作机构具有类似于人或其他生物体某些器官(肢体、感官等)的功能; 

(2)有通用性,工作种类多样,动作程序灵活易变;

(3)有一定程度的智能,如记忆、感知、推测、决策和学习等; 

(4)有独立性,完整的机器人系统在工作时不依赖于人的操纵。

三、智能技术的应用及发展趋势

如今知识工程、计算机科学、机电一体化和工业一体化等许多领域都在讨论智能系统,人们要求系统变得越来越智能化。显然传统的控制观念是无法满足人们的需求,而智能控制能与这些传统的控制有机的结合起来取长补短,提高整体的优势更好的满足人们的需求。随着人工智能技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展,智能控制必将迎来它的发展新时代。机器人领域近几年有如下几个发展趋势:

(1)性价比逐步提高,性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修),而单价不断下降。

(2)工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展,便于标准化、网络化。同时,器件集成度提高。从而,大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维护性。

(3)传感器的作用日益重要,除传统的位置、速度、加速度等传感器外,视觉、声觉、力觉、触觉等多种传感器的融合技术已用来进行环境建模及决策控制。

(4)虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制,如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操作机器人。

(5)当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统,而是致力于操作者与机器人的人机交互控制,即遥控加局部自主系统构成完整的操作系统,使智能机器人走出实验室走入实用化阶段。

四、研究课题的启示

随着汽车工业的迅速发展,关于汽车的研究也是越来越受到人们的关注。全国电子大赛和省内电子大赛几乎每次都有只能小车这方面的题目,全国各高校也都很重视该题目的研究。可见其研究意义很大,本设计就是在这样的背景下提出的。

本设计采用MCS-51系列中的80C51单片机。以80C51控制核心,传感器控制电动小车的快慢速行驶,以及自动寻迹、自动停车,并可以自动记录时间、里程和速度。80C51单片机是一款八位单片机,它的易用性和多功能性受到了广大使用者的好评。它是第三代单片机的代表。

第三代单片机包括了Intel公司发展MCS-51系列的第一代产品,如8xC152、80C51FA/FB、80C51GA/GB、8Xc451、8Xc452,还包括了Philips、Siemens、ADM、Fujutsu、OKI、Harria-Metra、ATMEL等公司以80C51为核心推出的大量各具特色、与80C51兼容的单片机。新一代的单片机的做主要的技术特点是向外部接口电路扩展,以实现Microcomputer完善的控制功能为己任,将一些外部接口功能单元如A/D、PWM、PCA(可编程计数器阵列)、WDT(监视定时器)、告诉I/O口、计数器的捕获/比较逻辑等。这一代单片机中,在总线方面最重要的进展是为单片机配置了芯片间的串行总线,为单片机应用系统设计提供了更加灵活的方式。Philips公司还为这一代单片机80C51系列8xC592单片机引入了具有较强功能的设备间网络系统总线——CAN(Controller Area Network BUS)。

新一代单片机为外部提供了相当完善的总线结构,为系统的扩展与配置打下了良好的基础。

所以本设计与实际相结合,现实意义很强。

参考文献

【1】 朱海星,方小坤,刘铮.两种基于单片机的自动小车设计,微型机与应用,2010.11

【2】 罗志增.《机器人感觉与多信息融合》,机械工业出版社,2002.6

【3】 贾伯年,俞朴,宋爱国.传感器技术.南京:东南大学出版社,2007

【4】 张毅坤 著,《单片微型计算机原理及应用》,西安电子科技大学出版社,1998

【5】 刘光斌 著,《单片机系统实用抗干扰技术》,人民邮电出版社,2003.10

【6】 黄智伟.全国大学生电子设计竞赛系统设计.北京:北京航空航天大学出版社,2007

【7】 李维諟,郭强.液晶显示器应用技术.北京:电子工业出版社,2003

【8】 沙占友,孟志强,王彦朋.单片机外围电路设计.北京:电子工业出版社,2006 

【9】 李东生,张勇,许四毛.Protel 99SE电路设计技术入门于应用.北京:电子工业出版社,2006

【10】高国富,谢少荣,罗均.机器人传感器及其应用.北京:化学工业出版社,2005

【11】(美)丹尼斯•克拉克(Dennis Clark),(美)迈克尔•欧文斯(Michael Owings).机器人设计与控制.北京:科学出版社,2004

【12】梅丽凤.单片机原理及接口技术.北京:清华大学出版社,2005

【13】(日)铃木泰博.机器人竞赛指南.北京:科学出版社,2002 

【14】彭为,黄科.单片机典型系统设计实例精讲.北京:电子工业出版社,2006

【15】Myke Predko.精通8051程序设计.北京:人民邮电出版社,2006

【16】李广弟,朱月秀,王秀山.单片机基础.北京:北京航空航天大学出版社.2001

 

毕 业 设 计(论 文)开 题 报 告

2.本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段(途径):

一、主控单元方案比较与选择

方案1:

采用各类数字电路来组成小车的控制系统,对外围避障信号,自动寻迹信号,无线遥控信号,语音控制信号进行处理。本方案电路复杂,灵活性不高,效率低,不利于小车智能化的扩展,对各路信号处理比较困难。

方案2:

采用AT89S51单片机来作为整机的控制单元。红外线探头采用市面上通用的发射管与及接收头,经过比较芯片调制处理后由控制系统接收。路线寻找采用红外线管对路面信号采集,送到单片机系统处理,同样包括无线遥控信号和语音控制信号。此系统比较灵活,采用软件方法来解决复杂的硬件电路部分,使系统硬件简洁化,各类功能易于实现,能很好地满足题目的要求。

比较以上两种方案的优缺点,方案2简洁、灵活、可扩展性好,更能达到题目的设计要求,因此采用方案2来实现。

二、小车驱动方式方案比较与选择

方案1:玩具小车上的两个电机均为一般的玩具直流电动机,前轮用一个电机控制方向,后轮的电机用来驱动小车,这就是传统的控制小车方向的方式,缺点是转向过于灵敏。

方案2:另外一种常见驱动方式为两电机四驱,差速转向,其优点是转向性能好,能实现原地360度转向,且在循迹行走的时候能比较稳定的行驶,但是这种驱动方式的硬件制作比较有难度。

方案3: 还有一种驱动方案是采用三轮方案,即前面或后而安装一个万向轮,然后两电机分别控制两驱动轮,这种驱动方式典有两电机四驱的优点,而且硬件制作简单多了。

比较上面三种方案,首先排除了第三种方案,因为一开始的定位是要做四轮车。对于第二种驱动方式虽然有制作的经验,但是制作过于麻烦,而且由于小车采用单片机控,可以通过单片机自动校正来克服第一种转向过于灵敏的缺点,能达到运行平稳、安全高效的要求;所以,本设计亦采用此种驱动方式。

三、避障单元方案比较与选择

方案1:采用超声波避障,超声波受环境影响较大,电路复杂,而且地面对超声波的反射,会影响系统对障碍物的判断。

方案2:采用红外线避障,利用单片机来产生38KHz信号对红外线发射管进行调制发射,发射山去的红外线遇到避障物的时候反射回来,红外线接收管对反射回来信号进行解调,输出比较电平。外界对红外信号的干扰比较小,且易于实现,价格也比较便宜,故采用方案2。

红外线避障方法,利用一管发射另一管接收,接收管对外界红外线的接收强弱来判断障碍物的远近,由于红外线受外界可见光的影响较大,冈此通过调制信号产生38KHz的载波来减少外界的一些干扰。只要障碍物在限定范围内就会产生相对的电平供单片机控制,实现避障功能。

四、循迹单元方案比较与选择

 所谓循线,就是通过一定的传感器探测地面色调迥异的两种色彩从而获得引导线位置,修正机器人运动路径的一种技术。

循迹功能的实现通过光电检测,这里的循迹是指小车能在白色地板上循黑线行走,通常采取的方法便是红外探测法。

方案1:采用发光二极管发光,用光敏二极管接收。由于光敏二极管受可见光的影响较大,稳定性差。

方案2:利用集成型红外对管作为寻迹单元的传感器,其中红外线发射管发射红外线,红外线二极管进行接收。采用红外线发射,外面可见光对接收信号的影响较小,再用射极输出器对信号进行隔离。本方案也易于实现,比较可靠,因此采用方案二。

五、遥控单元方案比较与选择

方案1:由发射和接收两大部分组成红外遥控系统,应用编/解码专用集成电路芯片来进行控制操作,发射部分包括键盘矩阵、编码调制、LED红外发送器;接收部分包括光、电转换放大器、解调、解码电路等。相对结构比较复杂,而且使用的时候必须将遥控器前的红外发射孔对准接收管才可以。

方案2:无线电遥控也由发射和接收两大部分组成,由于无线电遥控模块在市场上非常普及,加上无线电遥控有传输距离远、抗干扰能力强、无方向性等优点,对于小车的控制是一个不错的选择。

方案3:超声波遥控是利用超声波来传送指令的遥控,可以应用于需要遥控、遥测的场合。采用AX5326与AX5327等构成的遥控系统具有体积小、功耗低、功能强大、抗干扰能力强等优点。但由于超声波遥控价格相对上面两种价格较贵,而且对于小车的遥控也太过于夸大化。

结合三种方案,最终选择用电量、发射、接受功率都不大,一般的小障碍也可以穿越,而且遥控无方向性的无线电遥控。采用带有PT2272解码的TDL一9915接收模块和带有PT2262编码的TDL9988-4发送模块完成。

六、语音控制单元方案比较与选择

方案一:采用柱极式话筒产生不同的频率信号来完成声音提示,经放大整形后产生一个脉冲电平输入给单片机完成声音提示功能。但方案给人以提示的可懂性比较差,但在一定程度上能满足要求,而且易于实现,成小也不高。

方案二:采用DSl420可分段录放音模块,能够给人以直观的提示,也可以实现更多电平转换以让单片机控制,但DSl420录放音模块价格比较高,程序编制过程过于复杂,所以方案二性价比不如方案一。

柱极式话筒接收声波信号,通过三极管放大信号,使信号通过整流的二极管得到一个脉冲信号,并经过74HC04取反后供单片机控制,实现语音控制。

 

 毕 业 设 计(论 文)开 题 报 告

指导教师意见:

1.对“文献综述”的评语:

(1)文献综述与毕业论文选题一致;

(2)所阅读的文献数量能够满足本课题设计的要求;

(3)所作综述思路比较清淅,结构基本合理,观点基本明确;

2.对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计(论文)结果的预测:

(1)本课题需要完成智能小车软硬件的设计,设计一种能够实时采集传感器信号、智能分析外部环境以及路径信息、自动实现方向控制等功能的智能小车,具有一定的深度和广度,适合本科生的设计;

(2)设计的工作量比较大,由于准备充分细致(包括设计材料),预计能够按时完成;

(3)预计能够在计划的时间内设计制作出实物,完成程序编写和调试。

                                     

              

开发一个自动化测试车载信息娱乐系统

摘要:保险费是目前实施行之有效的车辆种类的资讯,娱乐和交际功能,一般称为一个娱乐系统。在整车开发期,娱乐系统测试的整体水平是传统地由可以看到客户的水平专家手动推出。由于该系统的功能和人类的能力的复杂性有很大的局限,这种做法具有测试覆盖率和有效性。因此,它是汽车制造商所高度要求的测试自动化信息娱乐系统,它仿照人类专家包括有关感官控制(即触摸)和观察被测系统(即视觉和声音)。本文介绍了设计,开发,和评价等制度,该系统的汽车网络,基于视觉的检验,具备自动导航,随机起动波形产生,完善的检测和测试自动化模拟相互评价。本系统开发了能够激发跨越各种各样的初始化条件的车辆系统,运动后测试各项功能,检查系统的反应,并记录故障情况分析。 

关键词:自动测试;信息娱乐;图像工序建模;模拟

1引言

信息娱乐系统为车辆的司机和乘客提供了一个信息,娱乐和多种通信功能。典型的路线指导功能,如收音机和CD播放,TV接口,移动电话,以及相关的用户控制系统接口功能的音频视频娱乐娱乐。由于消费电子产品和客户的期望迅速,他们的车辆功能也在这一领域大幅度增长。这方面的例子是环绕声,DVD娱乐系统,iPod连接,数字广播和电视,语音激活。

由于这个功能出现了增长,系统的技术复杂性也相应增加。在目前的溢价汽车中,信息娱乐系统通常实现为一个分布式系统模块组成OFA的数量通过一个高速光纤网络,如媒体导向系统传输(MOST)。在这个实施中,信息娱乐系统实际上是一个系统(SOS)的个别 系统,具有自主性,以实现其功能,如人机界面(HMI),扬声器和通信信道共享资源[1]。这些典型的问题是紧急求救行为,特别是在一些初始化条件下有可能得到拖延和各个系统的故障。这些可能不容易观察到系统的特定部分。在整车开发期间,信息娱乐系统是非常重要的,它的整体水平是传统地由可以看到客户的水平专家手动推出。由于该系统的功能和人类的能力的复杂性有很大的局限,这种做法具有测试覆盖率和有效性。第一个限制是可用的时间做手工测试,这是由开发时间,规模和工程师的工作时间限制。第二个是在测试的,这是受人为错误的重复性。因此,有一个用于自动信息娱乐测试的功能,其中包括复制人类专家与相关的控制(即触摸和声音)和观察所测试系统(即,视觉和声音)感觉模式的要求。这个测试能力必须能够刺激横跨初始化条件,包括手摇下看见的,电池电压低或多种故障条件的系统,行使各项功能,检查系统的反应,并记录相关数据,例如,MOST总线跟踪。本文介绍了作为英国的学术界和工业界复杂的系统验证项目的一部分。 在该系统的硬件的模拟中, HIL由基于模型的方法支持的平台的车载网络的实时,动态地提供各种必要的被测信号信息娱乐系统。由于该系统的响应大部分在触摸屏显示反映,机器视觉系统是用来监测对它们的图案,文字的正确性检查的画面,警示灯/告诉-故事。大多数的信息娱乐功能是用户通过访问一个集成触摸屏。为了实现完全自动化测试,一种新型的抗仿真技术设计了模拟触摸屏操作。据了解,电压瞬变过程,如发动机启动瞬时电流浪涌凡能达到800A,可能会导致对系统的一些故障。为了测试对低电压瞬态工况系统的可靠性,瞬态波形发生器模拟发展到三个具体的瞬态过程。一个测试自动化软件集成和控制所有设备,形成一个完全自动化的测试过程,它可以连续运行数天或数周。所开发的测试系统不仅使各种检测可能的,可重复和可靠,而且大大提高了测试效率和简化了繁琐的验证测试工作。 基于模型的一个电子控制单元(ECU)的硬件,HIL使用的汽车制造商已实施了近几年功能测试[2-5]。目前, JLR已经通过了测试和自动变速箱体系统验证,动力总成,底盘控制系统[6,7]。这种技术的优点包括自动测试,早期物理样机测试,能够进行可靠性和动态测试,以及软件机器视觉系统供应商减少已在很多地方应用如汽车[8-10],机器人指导[11],和追踪焊接缺陷[ 12,13]。笔者还采用先进的障碍物检测驾驶员辅助系统[14,15]机器视觉技术。但是,没有研究报告使用了用于设计验证测试机器视觉系统。在设计验证阶段的测试是非常不同的从制造测试。首先,设计验证测试需要不同的测试案例来证明,而不是设置适当的设计限制。只有这样,才能产生测试案例,汽车在早期开发阶段使用的是基于模型的测试技术,这在实时模拟车辆运行条件。其次,设计验证测试需要反复的可靠性评估和反复试验,尽管它并不需要大批量的零件进行测试。第三,设计验证测试需要频繁的不同类型的汽车或为同车的不同发展阶段的测试系统的适应。本文的一个新奇是复杂的设计验证测试,机器视觉和HIL技术集成。此外,提出了一种生成三个电压瞬态波形,它允许以模拟的随机过程进行测试,因为在现实情况下出现的新伪随机的概念,也将要作进一步调查再生测试。此外,一个共同的方法来模拟人类的触摸屏操作是通过使用机器人手臂。在这个设计中,灵巧的阻力模拟方法取代了机器人手臂实现的目标。该方法可以完全用软件实现了硬件在环仿真,因此消除了这种武器的机器人,气动/液压和电磁执行器的复杂的机械设备的需求。 

2系统配置 

该系统的配置信息娱乐系统开发测试,如图1所示。该系统有六个,包括被测单元,硬件HIL测试仪,机器视觉(相机),触摸屏操作,瞬态波形发生器和测试自动化的重要因素。被测信息娱乐系统由一个包括收音机/ CD播放器,放大器(AMP)的,导航系统,蓝牙,电话模块的数量, USB接口,车辆安装,辅助音频接口,以及气候控制功能。这个HMI主要是根据TFT,其额外的硬盘上一个综合控制面板(ICP)的键在中控台和方向盘上的遥控器电阻触摸屏。音频输出是通过DSP的放大器。模块之间的通信是通过大部分的光学携带控制,数据和音频信息总线。信息娱乐系统连接到车辆的通过一个叫ICM的模块作为科技部与车辆之间的控制器区域网络(CAN)总线网关的角色。值得指出的是,ICP和方向盘上的遥控器驻留在汽车CAN总线。此外,分析仪连接在测试过程中最响应。分析仪控制的硬件在环测试仪通过数字输出触发社会变革的痕迹记录在发生故障时。 在测试系统中,硬件在环测试仪模拟车辆网络和动态提供各种必要的被测信号信息娱乐系统。它也作为一个控制中心来控制其它设备。例如,它通过串口发送触发相机和接收来自摄像机的检查结果的命令。这台机器视觉系统(摄像机)检查,监测,如图案和文字的触摸屏显示系统的反应。在触摸屏操作是通过使用一个电阻模拟方法,这是硬件在环测试仪来实现。通过使用这种方法,测试系统可以访问的信息娱乐功能的多数。波形发生器产生的瞬态电压信号,并通过了一个可编程的电源供应商信息娱乐系统的权力。波形发生器,模拟三个电压暂态过程,用于测试对低电压事件系统的鲁棒性。测试自动化是运行在主机电脑整合和控制所有设备,形成一个完全自动化的测试过程。此外,个人电脑主机相连,已通过TCP / IP以太网通讯机器视觉系统。此链接将允许在PC主机上的时间标记图像的存储,使该单位的测试行为,可以根据审查的测试结果来看脱机。以下各节描述了自动测试系统,包括硬件在环测试仪,基于视觉检测,自动触摸屏操作,瞬态波形发生器和测试实验的各个元素。

3硬件HIL测试仪

dSPACE的模拟器[16]用来形成一个硬件HIL仿真测试系统。 HIL测试系统的汽车CAN总线的模拟提供通过网关电源模式最大的网络信号。它还模拟ICP经营信息娱乐系统。此外,硬件HIL测试仪还提供RS 232串行接口与相机和瞬态波形发生器,电阻模拟操作触摸屏,和A / D的检测声音的声频接口和测量。 扩建框包括一个处理器和一个接口板DS1006 DS2211板。 DSP板运行仿真模型,而介面板提供各种接口链接 与其他设备,如CAN,输出电阻和A / D转换器,模拟/数字输入和输出和RS 232串行通信控制机器视觉系统。在HIL系统,模拟模式,并在MATLAB /Stateflows /Simulink和编译使用利用Matlab的实时车间自动C代码生成功能为实时执行。 

3.1模拟电源模式 

该信息娱乐系统的组件被称为电源模式,这表明该车辆的运行状态,例如一个CAN信号,着火了,点火,发动机启动的引擎等为测试信息娱乐系统条件下的起动性能,在测试车必须在发动机起动,起动状态时的瞬态电压应用到汽车。此外,任何其后的功能进行测试必须在发动机运行状态后起动。在一个真正的汽车中,动力模式信息传输由ECU连接到CAN。由于我们的测试有时代表了真正的汽车信息娱乐系统平台,以便生成正确的电源模式的行为,我们利用CAN总线测试仪的硬件HIL仿真模拟人体的ECU发射功率模式信息到MOST网关。 

3.2 ICP模拟 

综合控制面板信息娱乐系统为用户提供了硬键操作的系统的号码。ICP控制功能包括音频源选择,载入和弹出光盘,寻求电台和CD音轨,音量高/低 控制等等。为使这些功能的自动化测试,比较方案必须得到控制检测中心,dSPACE实时仿真。 

电子控制单元的ICP通过CAN与车辆接口。因此,ICP是通过使用在dSPACE仿真器可以仿真模拟。 ICP的仿真模型如图所示。 

3.3完善的检测 

完善的检测包含两个方面,即检测或关闭声音和检测声音的频率。声音信号进行采样,如图所示,从扬声器结束,由一个A / D转换器转换成数字信号dSPACE的模拟器。开/关通过检查信号的幅度确定的声音。声音的频率检测模拟器的具体电路。声频的检测的目的是确定声源和活动CD曲目。

3.4模拟串行通信 

RS232串行通信是用来建立,以便能够进行闭环测试与相机之间的瞬态波形发生器和硬件HIL测试环节。在测试过程中,HIL测试仪是控制中心指挥摄像机和瞬态波形发生器并获得他们的检查结果。例如,需要将相机选择特定的测试特定图像处理工作的文件。该相机所生成的检查结果需要返回给硬件HIL测试仪。瞬态波形发生器必须生成一个特定的测试起动波形。把一个失败的需要产生的波形的参数返回给硬件HIL测试仪,使这一特殊的测试,可以在以后的分析阶段重复。  

附件2:外文原文(复印件)

Development of an automated testing system for vehicle infotainment system

Abstract A current premium vehicle is implemented with a variety of information, entertainment, and communication functions, which are generally referred as an infotainment system. During vehicle development, testing of the infoainment system at an overall level is conventionally carried out manually by an expert who can observe at a customer level. This approach has significant limitations with regard to test coverage and effectiveness due to the complexity of the system functions and human’s capability. Hence, it is highly demanded by car manufacturers for an automated infotainment testing system, which replicates a human expert encompassing relevant sensory modalities relating to control (i.e., touch) and observation (i.e., sight and sound) of the system under test. This paper describes the design, development, and evaluation of such a system that consists of simulation of vehicle network, vision-based inspection, auto-mated navigation of features, random cranking waveform generation, sound detection, and test automation. The system developed is able to: stimulate a vehicle system across a wide variety of initialization conditions, exercise each function, check for system responses, and record failure situations for post-testing

analysis.

Keywords: Automatic testing. Infotainment. Image processing. Modeling and simulation.

1 Introduction

An infotainment system provides a variety of information, entertainment, and communication functions to a vehicle’s driver and passengers. Typical functions are route guidance, audio entertainment such as radio and CD playback, video entertainment such as TV and interface to mobile phones, as well as the related interface functions for the users to control the system. There has been a large growth in this area driven by rapid developments in consumer electronics and the customer expectations to have these functions in their vehicles. Examples of this are surround sound, DVD entertainment systems, iPod connectivity, digital radio and television, and voice activation. 

With this growth in features there has been a corresponding increase in the technical complexity of systems. In a current premium vehicle, the infotainment system is typically implemented as a distributed system consisting of a number of modules communicating via a high speed fiber optic network such as Media Orientated Systems Transport (MOST). In this implementation the infotainment system is in fact a System of Systems (SOS) with individual

systems having autonomy to achieve their function, but sharing resources such as the Human–Machine Interface (HMI), speakers, and communication channel [1]. Typical issues with such SOS are emergent behavior as systems interact in an unanticipated manner particularly during some conditions where it may be possible to get delays and failures in individual systems. These may not be readily observable until the particular part of the system is exercised. During vehicle development, validation of the infotainment system is extremely important and is conventionally carried out manually by engineers who can observe at a customer level but this has limitations with regard to test coverage and effectiveness. The first limitation is the time available to do manual tests, which is constrained by the development time scale and engineer’s working hours. The second is in the repeatability of the test, which is subject to human error. Hence, there is a requirement for an automated infotainment test capability, which replicates a human expert encompassing relevant sensory modalities relating to control (i.e., touch and voice) and observation (i.e., sight and sound) of the system under test. This test capability must be able to stimulate the system across a wide variety of conditions including those seen under cranking, low battery or fault conditions, exercise each function, check for system responses, and record related data, e.g., MOST bus trace, in the case of a malfunction for subsequent analysis. This paper describes the design and development of such a system as part of a UK academic and industrial collaborative project into the validation of complex systems. 

In the system, a Hardware-in-the-Loop (HIL) platform supported by a model-based approach simulates the vehicle network in real time and dynamically provides various essential signals to the infotainment system under test. Since the responses of the system are majorly reflected in the display of the touch screen, a machine vision system is employed to monitor the screen for inspection of the correctness of the patterns, text, and warning lights/tell-tales. The majority of infotainment functions are accessed by the user through an integrated touch screen. In order to achieve a fully automated testing, a novel resistance simulation technique is designed to simulate the operation of the touch screen. It is known that voltage transient processes, such as engine start where an instantaneous current inrush can reach 800 A, may result in some failures on the system. To test the system robustness against low voltage transient conditions, a transient waveform generator is developed to mimic three specific transient processes. A testing automation software integrates and controls all devices to form a fully automated test process, which can be run continuously over days or even weeks. The developed testing system not only makes various testing possible, repeatable, and robust, but also greatly improves testing efficiency and eases the task of tedious validation testing. 

Model-based testing of functionality of an Electronic Control Unit (ECU) using HIL has been implemented by automotive manufacturers over the last few years [2–5]. Currently, Jaguar Land Rover (JLR) has adopted the HIL technology for automated testing and validation of electronic body systems, power train, and chassis control systems [6, 7]. The benefits of this technology include automated testing, earlier testing before physical prototype vehicle build, ability to perform robustness and dynamic testing, and reduction of supplier software iterations. Machine vision systems have been used in many manufacturing applications such as automotive [8–10], robotic guidance [11], and tracing soldering defects [12, 13]. The author also employed machine vision technology for obstacle detection in advanced driver assistant systems [14, 15]. However, no research has been reported using a machine vision system for design validation testing. Validation testing in the design stage is very much different from testing in manufacturing. Firstly, design validation testing requires diverse test cases covering a large number of, rather than a restricted, set to prove proper design. The only way to generate the test cases when the car is in the early development phases is using model-based testing techniques, which simulate vehicle-operating conditions in real time. Secondly, design validation testing requires iterative and repeated tests for robustness evaluation, although it does not require a high volume of parts to be tested. Thirdly, design validation testing needs frequent adaptation of the testing system for different types of cars or for different development stages of the same car. One novelty of this paper is the integration of the machine vision and HIL techniques for complex design validation testing. In addition, the paper proposes a novel pseudo- random concept for generating three voltage transient waveforms, which allows the testing to mimic the random process as seen in real cases, and also enables the testing to be regenerated for further investigations. Furthermore, a common approach to mimic the operation of the touch screen by a human is by using robot arms. In this design, a crafty resistance simulation approach replaces the robot arms to achieve the goal. The approach can be completely implemented in software by using the HIL simulator, therefore eliminating the need of complicated mechanical devices such as robot arms, pneumatic/hydraulic, and solenoid actuators.

2 System configurations

The configuration of the system developed for testing the infotainment system is shown in Fig. 1. The system consists of six vital elements including the unit under test, HIL tester, machine vision (camera), operation of the touch screen, transient waveform generator, and test automation. The infotainment system under test consists of a number of modules including the radio/CD player, amplifier (AMP), navigation system, blue tooth/telephone/USB, vehicle setup, auxiliary audio interface, and climate control functions. The HMI is based primarily on a 7″ TFT resistive touch screen with additional hard keys on an Integrated Control Panel (ICP) in the center console and remote controls on the steering wheel. Audio output is via a DSP amplifier. Communication between the modules is through a MOST optical bus carrying control, data, and audio information. The infotainment system is connected to the rest of the vehicle via a module called ICM acting as a gateway between MOST and a vehicle Controller Area Network (CAN) bus. It is worth noting that the ICP and the remote controls on the steering wheel reside in the vehicle CAN bus. In addition, a MOST analyzer was connected in the MOST ring during the testing. The MOST analyzer was controlled by the HIL tester via digital outputs to trigger the logging of the MOST traces when a failure occurs.

Within the testing system, the HIL tester simulates the vehicle network and dynamically provides various essential signals to the infotainment system under test. It also acts as a control center to control other devices. For example, it sends commands via a serial port to trigger the camera and receive the inspection results from the camera. The machine vision system (camera) checks the responses of the system by monitoring the display of the touch screen such as patterns and text. The operation of the touch screen is achieved by using a resistance simulation approach, which is implemented in the HIL tester. By using this approach, the testing system can get access to the majority of infotainment functions. The transient waveform generator produces voltage signals and powers up the infotainment system via a programmable power supplier. The waveform generator, mimicking three voltage transient processes, is used for testing system robustness against low voltage events. The test automation is running in the host computer to integrate and control all devices to form a fully automated test process. In addition, the host PC has been linked with the machine vision system via a TCP/IP Ethernet communication. This link allows the storage of time-stamped images in the host PC so that the behavior of the unit under test can be reviewed offline in terms of the test results. The following sections describe the individual elements of the automated testing system including the HIL tester, vision-based inspection, automated touch screen operation, transient waveform generator, and test experiments.

3 HIL tester

A dSPACE simulator [16] was used to form a hardware-in- the-loop simulation test system. The HIL test system simulates the vehicle CAN bus to provide power mode signals to the MOST Network via the MOST gateway. It also simulates the ICP to operate the infotainment system. In addition, the HIL tester also provides RS 232 serial interfaces to communicate with the camera and transient waveform generator, resistance simulation to operate the touch screen, and an A/D interface for detecting sound and measuring sound frequency.

The dSPACE Simulator consists of simulation models and expansion hardware as shown in Fig. 2. The expansion box includes one processor board DS1006 and one interface board DS2211. The DSP board runs the simulation models, while the interface board provides various interface links with other devices, such as CAN, resistance outputs, A/D converters, analog/digital input and output, and RS 232 serial communication to control the machine vision system. In the HIL system, simulation models are implemented in MATLAB/Simulink/Stateflows and compiled using the

autocode generation functions of Matlabs Real-Time Workshop for real-time execution.

3.1 Simulation of power mode

The behavior of the components of the Infotainment system is determined by a CAN signal known as ‘Power mode,’ which indicates the operational state of the vehicle e.g., ‘ignition off,’ ‘ignition on,’ ‘engine cranking,’ ‘engine running,’ etc. To test the performance of the infotainment system under cranking conditions, the car under test must be in the ‘engine-cranking’ state when applying cranking transient voltages to the car. Moreover, any subsequent functional tests must be conducted in the ‘engine-running’ state after the cranking. In a real car, power mode messages are transmitted by the body ECU connected to the CAN. Since we were testing the infotainment system on a test platform representing a real car sometimes, in order to generate the correct power mode behavior, we utilized CAN simulation of the HIL tester to simulate the body ECU to transmit power mode messages to the MOST gate way.

3.2 ICP simulation

The Integrated Control Panel of the infotainment system provides users with a number of hard keys for operating the system. The functions controlled by the ICP include selection of the audio sources, loading and ejecting CDs, seeking up/down for radio stations and CD tracks, volume

controls, and so on. To enable an automated testing of these functions, the ICP must be controlled by the test center, the dSPACE real-time simulator.

The ICP electronic control unit interfaces with a vehicle via the vehicle CAN. Therefore, the ICP unit was simulated by using the CAN simulation of the dSPACE simulator. The models of ICP simulation are shown in Fig. 3.

3.3 Sound detection

Sound detection contains two aspects i.e., detecting sound on or off and detecting the frequency (dominant) of the sound. The sound signal is sampled from the speaker end as shown in Fig. 1, and converted into digital signal by an A/D converter within the dSPACE simulator. The sound on/off is determined by checking the amplitude of the signal. The frequency of the sound is detected by the specific circuit of the simulator. The purpose of detecting sound frequency is to identify a sound source and active CD track. The model is shown in Fig. 4.

3.4 Simulation of serial communications

The RS232 serial communication is used to establish the link between the HIL tester with the camera and the transient waveform generator so that closed loop testing can be performed. During the test, the HIL tester is the control center to command the camera and the transient waveform generator and to obtain the inspection results from them. For example, the camera needs to be commanded to select a specific image processing job file for specific testing. The checking results generated by the camera need to be returned to the HIL tester. The transient waveform generator needs to be commanded to generate a specific cranking waveform for specific testing. The parameters of the waveform resulting in a failure need to be returned to the HIL tester so that this specific testing can be duplicated in the later analysis stages.



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