【畢業(yè)學(xué)位論文】（Word原稿）智能車的控制技術(shù)智能交通系統(tǒng)（ITS）的研究-以Matiz仿真車模為平臺

智能汽車 技 術(shù) 報 告 目 錄 摘 要 . I . V 引言 . - 1 - 1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計及車模各項參數(shù) . - 1 - 統(tǒng)總體框圖 . - 2 - 統(tǒng)的硬件參數(shù) . - 2 - 模外觀 . - 4 - 2 機械結(jié)構(gòu)部份的設(shè)計及調(diào)整 . - 5 - 體機械建模 . - 5 - 模轉(zhuǎn)向舵機機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計 . - 5 - 模后輪制動機械結(jié)構(gòu)的改進 . - 6 - 3 硬件電路設(shè)計 . - 8 - 控板的設(shè)計 . - 8 - 源管理模塊 . - 8 - 控模塊 . - 10 - 塊 . - 10 - 振及鎖相環(huán)模塊 . - 11 - 口模塊 . - 11 - 機驅(qū)動模塊 . - 12 - 感器部份電路 . - 13 - 控板的 計 . - 14 - 路板的防靜電措施 . - 14 - 4 總體理論分析及算法實現(xiàn) . - 16 - 徑識別算法分析及選定 . - 16 - 于光電傳感器排布理論分析 . - 17 - 字傳感器接收防干擾算法 . - 19 - 然光干擾的消減 : . - 20 - 感器之間的干擾的消減 . - 21 - 機控制算法 . - 21 - 體與舵機轉(zhuǎn)角方向測定 . - 21 - 機轉(zhuǎn)向角度分配 . - 22 - 機 定 . - 22 - 機 度控制算法 . - 22 - 試開環(huán)與閉環(huán)控制響應(yīng)曲線 . - 23 - 試開環(huán)控制下 空比與電機轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系 . - 23 - 制 . - 25 - 制 . - 26 - 數(shù)整定 . - 26 - 度分配 . - 27 - 道記憶算法的分析 . - 27 - 統(tǒng)控制總體流程圖 . - 31 - 5 仿真與調(diào)試 . - 33 - 真系統(tǒng) . - 33 - 能 車實時監(jiān)控系統(tǒng) . - 33 - 結(jié) 論 . - 35 - 參 考 文 獻 . - 36 - 附錄 A.錄 B.二屆全國大學(xué)生智能汽車競賽技術(shù)報告 摘 要 隨著智能交通系統(tǒng)（ 研究在各國越來越被重視，智能車的控制技術(shù)也成為一項新興技術(shù)，教育部決定舉辦基于高速發(fā)展的智能車技術(shù)為背景的“飛思卡爾杯”全國大學(xué)生智能車大賽。 本設(shè)計以第二屆飛思卡爾杯全國智能車大賽為背景，以 真車模為平臺，搭建了一個基于 片機的智能車控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)綜合了傳感器技術(shù)，自動控制技術(shù)，信號處理技術(shù)，單片機技術(shù)，使車模能夠以最合適的速度自主循線 ,在碰到傳感器盲點時能主動找正， 實時判斷車體是否處正常狀態(tài)并及時修正。 系統(tǒng)以一塊飛思卡爾公司的 為核心處理器，采用調(diào)制后的光電傳感器以分時工作的方式對賽道進行識別，極大的提高了模型車的抗干擾性與前瞻性。采用法穩(wěn)定電機轉(zhuǎn)速，使車具有更強的穩(wěn)定性與瞬時提速性能。在智能車的調(diào)試過程中，使用上位機利用無線通信技術(shù)對智能車的狀態(tài)進行實時監(jiān)視，有效提高了調(diào)試的效率。 本系統(tǒng)顯示了高度的智能化、人性化，并且具備良好的安全性、穩(wěn)定性，可以為無人駕駛汽車的后續(xù)研究提供經(jīng)驗。 關(guān)鍵字： 智能車， 感器， 道記憶算法 第二屆全國大學(xué)生智能汽車競賽技術(shù)報告 A of on of in an of an on by as It it it to It s as by a s of of ID as to of of of BS PS to of of in 二屆全國大學(xué)生智能汽車競賽技術(shù)報告 - 1 - 引言 智能運輸系統(tǒng)作為未來交通發(fā)展趨勢之一，為解決城市交通擁擠和堵塞問題提供了有效途徑。從八十年代以來，美國、日本、歐洲等發(fā)達國家和地區(qū)競相投入巨額資金和大量人力，開始大規(guī)模的進行交通運輸智能化的研究，取得了許多重要成果。而作為智能車 路系統(tǒng)（ 稱 重要一部份，智能車在世 界 各國的研究也隨著計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通訊技術(shù) 的飛速發(fā)展而不斷深入。 本文以第二屆“飛思卡爾”杯全國大學(xué)生智能汽車競賽為背景，對智能車控制系統(tǒng)進行了深入的討論， 以作者參與制作的智能模型車為例簡要介紹了智能模型車的設(shè)計制作全過程 ,主要涉及到機械電子、傳感器技術(shù)、驅(qū)動控制技術(shù)、自動控制、人工智能等多個領(lǐng)域的研究及技術(shù)融合。本系統(tǒng)雖然只是一個模型，但具有充份的科學(xué)性，實用性和先進性，對真實智能車控制系統(tǒng)所遇到的問題，都有所研究。 本文分為六章，第一章為緒論，介紹了課題研究的背景、目的及意義；闡明了本文的研究內(nèi)容。第二章為系統(tǒng)的總體方案的介紹，之后將會分為三個 部份：機械結(jié)構(gòu)部份，硬件電路設(shè)計，軟件算法分析設(shè)計來詳細的介紹智能車的各個模塊及在調(diào)試過程遇到的問題及解決方法。第六章簡要的介紹了調(diào)試與仿真環(huán)境。 - 2 - 1系統(tǒng)總體方案設(shè)計及車模各項參數(shù) 本章主要簡要的介紹智能車的總體設(shè)計思路與各個模塊的分配，在后面的章節(jié)中將分為機械結(jié)構(gòu)部份，硬件電路設(shè)部份，軟件算法分析部份對智能車做再更一步的簡介，各模塊將會在分別在各章節(jié)中詳細論述。 統(tǒng)總體框國 如圖所示，車模的系統(tǒng)框圖及各模塊關(guān)系如圖所示： 圖 智能車 系統(tǒng)由車前橋的傳感器模塊，舵機模塊，轉(zhuǎn)向機構(gòu)，后橋的光電編碼器，電機，制動裝置，以及 控模塊構(gòu)成。前橋模塊負責(zé)路徑檢測以及轉(zhuǎn)向工作，后橋模塊負責(zé)電機速度控制， 控模塊負責(zé)賽道數(shù)據(jù)處理以及控制策略的實施。 統(tǒng)的硬件參數(shù) 智能車外形參數(shù) - 3 - 車長： 39 車寬： 17 車高： 13 車重：約 路部分 所改造的智能車均采用一塊比賽標(biāo)準(zhǔn) 池供電，電路中共有 16 個電容，容量總計約 1200 F。當(dāng)模型車全功率開動時，功耗約為 15W 。 電機數(shù)量及個數(shù)： 除了車模原有的驅(qū)動電機、舵機之外伺服電機數(shù)量除了車模原有的驅(qū)動電機、舵機之外使用了 1 個伺服電機。 傳感器種類及個數(shù) . 一號車使用一排 14 路數(shù)字光電傳感器。中間為間隔為 1較密排布，兩邊為間隔 較疏排布。 - 4 - 圖 模外觀 最終智能車完成圖如圖所示： 圖 - 5 - 2 機械結(jié)構(gòu)部份的設(shè)計及調(diào)整 任何的控制算法和軟件程序都是需要一定的機械結(jié)構(gòu)來執(zhí)行和實現(xiàn)的，因此在設(shè)計整個軟件架構(gòu)和算法之前一定要對整個車 模的機械結(jié)構(gòu)有一個感性的認識，然后建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。從而再針對具體的設(shè)計方案來調(diào)整賽車的機械結(jié)構(gòu) 7。本章將主要介紹賽車車模的機械特點和調(diào)整方案。 體機械建模 此次比賽選用的賽車車模采用 1/10 的 真車模。賽車機械結(jié)構(gòu)只使用競賽提供車模的底盤部分及轉(zhuǎn)向和驅(qū)動部分?？刂撇捎们拜嗈D(zhuǎn)向，后輪驅(qū)動方案。 如圖 圖 模轉(zhuǎn)向舵機機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在車輛運行過程中有著非常重要的作用，合適的前橋調(diào)整參數(shù)可以保證在車輛直線行駛過程中不會跑偏，即保證 車輛行駛的方向穩(wěn)定性；而在車輛轉(zhuǎn)向后，合適的前橋可以使得車輛自行回到直線行駛狀態(tài)，即具有好的回正性 9?；谶@個原因，前橋參數(shù)調(diào)整及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計必然會成為智能車設(shè)計中機械結(jié)構(gòu)部分的重點，在實第二屆全國大學(xué)生智能汽車競賽技術(shù)報告 - 6 - 際操作中，我們通過理論預(yù)測進行方案的可行性分析，然后做出實際結(jié)構(gòu)以驗證理論數(shù)據(jù)。 另外，在模型車制作過程中，除了遇到“如何得到良好的方向穩(wěn)定性”的問題外，還要考慮如何盡快實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。而由于功率是速度與力矩乘積的函數(shù)，追求速度，必然會使力矩減小，因此設(shè)計時就要考慮到舵機的動力與來自地面的摩擦阻力間的關(guān)系，避免因舵機力 量太小使得車輛無法轉(zhuǎn)向的情況發(fā)生。經(jīng)過最后的參數(shù)比較，為了解決以上問題，我們希望通過設(shè)計一些可調(diào)整的機構(gòu)，加上實際測算，最后得出一套可以穩(wěn)定、高效工作的參數(shù)及機構(gòu)。 圖 進后的舵機轉(zhuǎn)向機構(gòu)及安裝圖 在最終設(shè)計的這套機構(gòu)中，我們綜合考慮了速度與扭矩間的關(guān)系，并根據(jù)模型車底盤的具體結(jié)構(gòu)，簡化了安裝方式，實現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)，不過該機構(gòu)仍存在自身重量太大的問題，我們將在以后的調(diào)試過程中逐漸改進。 模后輪制動機械結(jié)構(gòu)的改進 智能車主要以競速為比賽目標(biāo)。隨著車速的提升，車輛行駛的穩(wěn)定性必將經(jīng)受考驗。 如何讓車跑得又快又穩(wěn)，將車輛的行駛狀態(tài)控制在人們期望的狀態(tài)之下，成為需要研究的課題。 眾所周知，車輛最基本的安全保障系統(tǒng)是制動系統(tǒng)。汽車制動系歷經(jīng)百年的發(fā)展，已經(jīng)形成了鼓式制動、盤式制動、電力緩行制動、液力緩行制動等多種經(jīng)典的形式。智能車雖然不是真正的汽車，但它完全具備汽車的基本結(jié)構(gòu)與特點，其研究與改進也完全可以借鑒汽車領(lǐng)域的既有技術(shù)。 第二屆全國大學(xué)生智能汽車競賽技術(shù)報告 - 7 - 圖 式制動原理示意圖 盤式制動器以其優(yōu)良的抗熱衰退性和環(huán)保特性成為當(dāng)今汽車制動器的主流技術(shù)。智能車上空間狹小，且制動力只能由舵機提供，迫使設(shè)計必須簡單、緊湊 11。盤式制動器恰好符合這樣的要求。設(shè)計初期，為避免復(fù)雜的硬件結(jié)構(gòu)，我們制作了固定舵機的單向盤式制動。試驗結(jié)果表明，該機構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)減速的制動效果，但是由于用作制動盤的主減速齒輪單向受力，車輛的穩(wěn)定性受到威脅，后橋差速效果衰退。改進后的方案借鑒了汽車領(lǐng)域的先進技術(shù) 浮動鉗式盤式制動。簡單的講，就是讓提供制動力的舵機“浮”起來，這樣，施加在制動盤上的力理論上能維持絕對平衡，實現(xiàn)了穩(wěn)定的制動效果。我們借簽了這種盤式制動的方式，制作了以下制動裝置，如圖 示 : 圖 進后的制動裝制結(jié)構(gòu)圖 - 8 - 3硬件電路設(shè)計 控板的設(shè)計 源管理模塊 圖 源管理模塊 電源模塊用以為單片機，傳感器等除電機驅(qū)動模塊的所有元器件供電，該部份主要由兩個穩(wěn)壓芯片構(gòu)成，分別為 由于 穩(wěn)壓的線性度非常好，但是帶載能力偏弱。 開關(guān)電源，具有轉(zhuǎn)換效率高，帶載能力大等特點，但是缺點是其紋波電壓大，噪聲比較嚴重。對于單片機，需要提供穩(wěn)定的5V 電源，否則易造成單片機工作不正常，不太適合選用 電，所以選用其進行供電 ,而對于傳感器等器件，對紋波電壓并不敏感，而且需要通過大電流，所以選用 其供電。這樣選擇分開供電，有利用防止各器件之間發(fā)生串?dāng)_，使得某些部份工作不穩(wěn)定。 - 9 - - 10 - 圖 控模塊 主控模塊是控制的中心，主要由 片機構(gòu)成，從中引出 為數(shù)字型傳感器輸入口， 為 引入作為紅外模擬傳感器輸入口， 與 復(fù)用作為 16 路 發(fā)器輸出口，控制制動舵機。與 復(fù)用，控制電 機， 與 復(fù)用，控制轉(zhuǎn)向舵機。 為光電編碼器輸入口以測量車速。 圖 第二屆全國大學(xué)生智能汽車競賽技術(shù)報告 - 11 - 塊用以單片機與 試工具的互連，以方便單片機的在線調(diào)試，需要注意的是，必須在各線上加上濾波電容以濾除雜波。 圖 振及鎖相環(huán) 由于需要超頻的原因，所以必須外接 16M 晶振和鎖相環(huán)電路，同時需要注意的是，在接外接晶振時， 必須接地置低。 圖 該模塊作 用主要是將單片機的各輸出口做成各種接口形式，方便和外設(shè)相連，主要的接口有傳感器接口，轉(zhuǎn)向舵機接口，制動舵機接口，光電編碼器接口，以及監(jiān)控系統(tǒng)接口。 第二屆全國大學(xué)生智能汽車競賽技術(shù)報告 - 12 - 機驅(qū)動模塊 圖 機驅(qū)動模塊 電機驅(qū)動模塊由一塊 成 ,有工作電壓范圍大，導(dǎo)通電阻小，并且具有短路保護，欠壓保護，過溫保護等功能從其內(nèi)部電路圖我們可以看出，它具有兩個半橋構(gòu)成： 圖 3886內(nèi)部原理圖 由于在實際的比賽過程中，我們已經(jīng)利用剎車裝置進行減速，并不需要通過給電機加反向電壓來減速 (在調(diào)試過程中，曾經(jīng)試過用這種的方法進行減速，但是弊大于利，有時會由于電機反轉(zhuǎn)，出現(xiàn)倒車現(xiàn)象 )因此，可以只使用其半橋，并將兩個半橋并聯(lián)，以增大其驅(qū)動能力。 第二屆全國大學(xué)生智能汽車競賽技術(shù)報告 - 13 - 在去年的參賽隊中，也有使并聯(lián)多個 33886 的方法來增大驅(qū)動，同時減少發(fā)熱量的方法，但我們認為這樣反而增大了無用功的損耗，因此我們并沒有采用這種方法。 感器部份電路 接收發(fā)射部份 圖 字傳感器發(fā)射接收電路 傳感器由兩部份構(gòu)成，一部份為發(fā)射部份，一部分為接收部份。發(fā)射部份由一個振蕩管 (出 180率的振蕩波后，經(jīng)三 級管 (大，激光管 (射。接收部份由一個相匹配 180接收管 (收返回的光強，經(jīng)過電容 (波后直接接入單片機用以判別電壓高低。由于接收的波屬于較高頻段的波，因此電容(必須的，否則的話電磁干擾會非常的嚴重，指示燈（ 常亮，實際過程中要不斷試電容（ 的大小，選擇合適的值以使接收管正常工作。 控制部份 圖 制部份 74由于采用了數(shù)字傳感器的防干擾算法，因此必須分時控制傳感器的開斷，實際中我們使用 74為控制器，由主控模塊的 3 根線來控制 7*2 路傳感器的開斷。 第二屆全國大學(xué)生智能汽車競賽技術(shù)報告 - 14 - 最終的 如圖所示 圖 感器 控板的 由于車模的重心越低，越有利于車的穩(wěn)定性，因此，將主控板設(shè)計的形狀和大小直接安裝在車模的底盤上是最好的也是最經(jīng)濟的方法，經(jīng)過多次的整合，最終成型的電路板如圖所示： 圖 路板的防靜電措施 由于賽車在與賽道摩擦?xí)r，會產(chǎn)生大量靜電，特別在彎道時，賽車各輪的摩擦由滾動摩擦變?yōu)榛瑒幽Σ?，靜電的積累量會變的大大增加。由于我們的主控板是直接安 裝在賽車的底盤上的，與賽道十分接近，在實際的調(diào)試過程，發(fā)現(xiàn)賽道的靜電干擾甚至影第二屆全國大學(xué)生智能汽車競賽技術(shù)報告 - 15 - 響到了單片機，使單片機不停的重起的現(xiàn)象，在彎道上尢為突出。對此，基于靜電屏蔽的理論，我們提出了下以防靜電措施： 在電路板之下，鋪一層由鋁箔組成的靜電屏弊層。但是由于鋁箔是導(dǎo)電的，為了防止電路板短路，在鋁箔與電路板之間再添加一層絕緣膠帶。這樣，即可以防短路，又可以利用絕緣膠帶作為鋁箔的襯子，防止鋁箔破損。如圖所示： 圖 靜電的鋁箔 經(jīng)過防靜電措施之后，電路板的穩(wěn)定性得到了大大的加強。 - 16 - 4 總體理論分析及算法實現(xiàn) 由于 術(shù)我們尚未開發(fā)完全，因此實際中我們選用的是光電傳感器。 徑識別算法分析及選定 智能模型車的路徑搜索算法（ 智能車設(shè)計的關(guān)鍵部分，智能車設(shè)計的大部分工作都是圍繞它來展開的。 經(jīng)過分析，一般有三種不同的路徑搜索方法。 圖 圖 (1) 利用多對（通常多于 8 對）數(shù)字型光電傳感器，將整個賽分為多個區(qū)域，直接以傳感器組反饋回來的一組二進制數(shù)組值，來判斷黑線的位置。這 種查詢方式的優(yōu)勢在于算法簡單，易于實現(xiàn)。在實際中，我們使用的也是這種算法，但是有了一定的改進，我們不直接以傳感器反饋回來的值，而是通過這組值來計算黑線的重心的方法，這樣，可以使反應(yīng)黑線位置的值變的平滑連續(xù)，這樣對有利于舵機的 置調(diào)節(jié)。 (2) 使用多對（通常在 610）對模擬型光電傳感器，進行賽道的精確定位，該算法在下文中有專門論述，這里不再贅述，在實際中，我們的曾使用的模擬 +光電傳感器的路徑搜索方式。該方式可以達到賽道精確定位的目的，但是由于每支光電發(fā)射管的特性不同，并且易受自然光與其它光電發(fā)射管的 干擾，這種方法的特點是用了較少個數(shù)的傳感器進行，道路識別，而且充分利用 的 能。但由于硬件上的調(diào)試比較困難，因此，最終我們沒有采用這種方法。 (3) 主動尋線算法，從資料上看，韓國的主動尋線的車在車頭安裝了兩個舵機，一個舵機專門用于尋線（尋線舵機），一個舵機專門進行前輪的轉(zhuǎn)向（轉(zhuǎn)向舵機），而在第二屆全國大學(xué)生智能汽車競賽技術(shù)報告 - 17 - 尋線舵機上安裝了三個傳感器。他們的思路我們認為是這樣的，左中右三個傳感器分別被賦與了左加，停留，右加三個意義，我們暫且分別命名其為左加傳感器，停留傳感器，右加傳感器。尋線舵機在不停的進行左右擺動進行尋線，同時尋線舵機的轉(zhuǎn)角可通過不停的 換得到，當(dāng)中間的停留傳感器感受到黑線時，單片機向轉(zhuǎn)向舵機發(fā)出停留信號，此時轉(zhuǎn)向舵機就會停止，當(dāng)出現(xiàn)彎道時且拐角較大時，必定會觸發(fā)到左加或右加傳感器，此時，單片機就向?qū)ぞ€舵機發(fā)出向左轉(zhuǎn)一定角度或向右轉(zhuǎn)一定角度的命令，這個轉(zhuǎn)角并不需要一次性轉(zhuǎn)過很大，可能是比轉(zhuǎn)小的角度，程序中寫的應(yīng)該是只要停留傳感器沒有碰到黑線，轉(zhuǎn)向舵機都會在當(dāng)前角度上轉(zhuǎn)過一定的角度，直到再次碰到停留傳感器。這樣就看起來就是舵機在牽著車在找線，也就是所 謂的主動尋線。 我們認為，其實理論上單舵機就可以實現(xiàn)這個目的，只需要將傳感器直接安裝在轉(zhuǎn)向舵機上，那么，就不需要尋線舵機了，同樣可以實現(xiàn)主動尋線。 但這種方式經(jīng)過我們調(diào)試發(fā)現(xiàn)，由于在主辦方提供的轉(zhuǎn)向舵機原本就存在響應(yīng)不及時的原因，如果再加上一個舵機的話，必然會造成這種現(xiàn)象更加嚴重，因此我們放棄了這種方法。 于光電傳感器排布理論分析 數(shù)字型光電傳感器只有 0 與 1 兩種狀態(tài)，因此各個傳感器的布局間隔將影響車對路徑的識別精度以及對舵機的控制算法的優(yōu)劣。 我們將傳感器由一種狀