【正文】 （ NAHSC） ，其目標(biāo)之一就是研究發(fā)展智能車輛的可能性，并促進(jìn)智能車輛技術(shù)進(jìn)入實(shí)用化。在亞洲，日本于 1996 年成立了高速公路先進(jìn)巡航 /輔助駕駛研究會(huì)，主要目的是研究自動(dòng)車輛導(dǎo)航的方法，促進(jìn)日本智能車輛技術(shù)的整體進(jìn)步。進(jìn)入 80 年代中期，設(shè)計(jì)和制造智能車輛的浪潮席卷全世界，一大批世界著名的公司開始研制智能車輛 平臺(tái)。 第三階段 從 90年代開始，智能車輛進(jìn)入了深入、系統(tǒng)、大規(guī)模研究階段。最為突出的是，美國(guó)卡內(nèi)基 .梅隆大學(xué)（ Carnegie Mellon University） 機(jī)器人研究所一共完成了 Navlab 系列的 10 臺(tái)自主車（ Navlab1— Navlab10）的研究，取得了顯著的成就。 目前，智能車輛的發(fā)展正處于第三階段。這一階段的研究成果代表了當(dāng)前國(guó)外智能車輛的主要發(fā)展方向。在世界科學(xué)界和工業(yè)設(shè)計(jì)界中，眾多的研究機(jī)構(gòu)研 第 3 頁 發(fā)的智能車輛具有代表性的有： 德意志聯(lián)邦大學(xué)的研究 1985 年，第一輛 VaMoRs 智能原型 車輛在戶外高速公路上以 100km/h 的速度進(jìn)行了測(cè)試，它使用了機(jī)器視覺來保證橫向和縱向的車輛控制。 1988 年，在都靈的 PROMRTHEUS 項(xiàng)目第一次委員會(huì)會(huì)議上，智能車輛維塔（ VITA,7t）進(jìn)行了展示，該車可以自動(dòng)停車、行進(jìn)，并可以向后車傳送相關(guān)駕駛信息。這兩種車輛都配備了 UBM 視覺系統(tǒng)。這是一個(gè)雙目視覺系統(tǒng)，具有極高的穩(wěn)定性。 荷蘭鹿特丹港口的研究 智能車輛的研究主要體現(xiàn)在工廠貨物的運(yùn)輸。荷蘭的 Combi road 系統(tǒng)，采用無人駕駛的車輛來往返運(yùn)輸貨物，它行駛的路面上采用了磁性導(dǎo)航參照物，并利用一個(gè)光 陣列傳感器去探測(cè)障礙。荷蘭南部目前正在討論工業(yè)上利用這種系統(tǒng)的問題，政府正考慮已有的高速公路新建一條專用的車道，采用這種系統(tǒng)將貨物從鹿特丹運(yùn)往各地。 日本大阪大學(xué)的研究 大阪大學(xué)的 Shirai 實(shí)驗(yàn)室所研制的智能小車，采用了航位推測(cè)系統(tǒng)（ Dead Reckoning System） ，分別利用旋轉(zhuǎn)編碼器和電位計(jì)來獲取智能小車的轉(zhuǎn)向角，從而完成了智能小車的定位。 另外，斯特拉斯堡實(shí)驗(yàn)中心、英國(guó)國(guó)防部門的研究、美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)、奔馳公司、美國(guó)麻省理工學(xué)院、韓國(guó)理工大學(xué)對(duì)智能車輛也有較多的研究。 國(guó) 內(nèi)智能車輛研究現(xiàn)狀 相比于國(guó)外，我國(guó)開展智能車輛技術(shù)方面的研究起步較晚，開始于 20 世紀(jì)80 年代。而且大多數(shù)研究處在于針對(duì)某個(gè)單項(xiàng)技術(shù)研究的階段。雖然我國(guó)在智能車輛技術(shù)方面的研究總體上落后于發(fā)達(dá)國(guó)家，并且存在一定得技術(shù)差距，但是我們也取得了一系列的成果，主要有： （ 1） 中國(guó)第一汽車集團(tuán)公司和國(guó)防科技大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院與 2021年研制成功我國(guó)第一輛自主駕駛轎車。該自主駕駛轎車在正常交通情況下的高速公路上，行駛的最高穩(wěn)定速度為 13km/h,最高峰值速度達(dá) 170km/h，并且具有超車功能，其總體技術(shù)性能和指標(biāo) 已經(jīng)達(dá)到世界先進(jìn)水平。 （ 2）南京理工大學(xué)、北京理工大學(xué)、浙江大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)、清華大學(xué)等多所院校聯(lián)合研制了 軍用室外自主車，該車裝有彩色攝像機(jī)、激光雷達(dá)、陀螺慣導(dǎo)定位等傳感器。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采用兩臺(tái) Sun10 完成信息融合、路徑規(guī)劃， 第 4 頁 兩臺(tái) PC486 完成路邊抽取識(shí)別和激光信息處理， 8098 單片機(jī)完成定位計(jì)算和車輛自動(dòng)駕駛。其體系結(jié)構(gòu)以水平式結(jié)構(gòu)為主，采用傳統(tǒng)的“感知 建模 規(guī)劃 執(zhí)行”算法，其直線跟蹤速度達(dá)到 20km/h，避障速度達(dá)到 510km/h。 智能車輛研究也是智能交通系統(tǒng) ITS 的關(guān)鍵技術(shù)。目前， 國(guó)內(nèi)的許多高校和科研院所都在進(jìn)行 ITS 關(guān)鍵技術(shù)、設(shè)備的研究。隨著 ITS 研究的興起，我國(guó)已形成一支 ITS 技術(shù)研究開發(fā)的技術(shù)專業(yè)隊(duì)伍。并且各交通、汽車企業(yè)越來越加大了對(duì) ITS 及智能車輛技術(shù)研發(fā)的投入，整個(gè)社會(huì)的關(guān)注程度在不斷提高。交通部已將 ITS 研究列入“十五”科技發(fā)展計(jì)劃和 2021 年長(zhǎng)期規(guī)劃。相信經(jīng)過相關(guān)領(lǐng)域的共同努力，我國(guó) ITS 及智能車輛的技術(shù)水平一定會(huì)得到很大提高。 可以預(yù)計(jì)，我國(guó)飛速發(fā)展的經(jīng)濟(jì)實(shí)力將為智能車輛的研究提供一個(gè)更加廣闊的前景。我們要結(jié)合我國(guó)國(guó)情，在某一方面或某些方面，對(duì)智能車進(jìn)行深入細(xì)致的研 究，為它今后的發(fā)展及實(shí)際應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 課題 主要內(nèi)容 本課題南京嵌入之夢(mèng)工作室的 fira 智能小車平臺(tái)，選擇通用、價(jià)廉的Arduino 單片機(jī)為控制平臺(tái)，通過細(xì)化設(shè)計(jì)要求，結(jié)合傳感器技術(shù)和電機(jī)控制技術(shù)相關(guān)知識(shí)實(shí)現(xiàn)小車的各種功能。設(shè)計(jì)完成以由超聲波測(cè)距、自動(dòng)避障組成的硬件模塊結(jié)合軟件設(shè)計(jì)組成多功能智能小車，共同實(shí)現(xiàn)小車的前進(jìn)倒退、轉(zhuǎn)向行駛，自動(dòng)根據(jù)超聲波檢測(cè)前方障礙物距離，進(jìn)行導(dǎo)航，檢測(cè)障礙物后停止等功能，實(shí)現(xiàn)智能控制，達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。 圖 小車外形圖 第 5 頁 第 二 章 智能小車總體結(jié)構(gòu) 方案綜述 本課題設(shè)計(jì)主要是制作一款能進(jìn)行智能判斷并能做出正確反應(yīng)的小車。小車具有以下幾個(gè)功能：自動(dòng)避障功能。作品既可以對(duì)高端智能化進(jìn)行剖析，也可以作為高級(jí)智能玩具發(fā)展對(duì)象，同時(shí)可成為大學(xué)生學(xué)習(xí)嵌入式控制系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例。 本設(shè)計(jì)以兩直流電動(dòng)機(jī)為主驅(qū)動(dòng)，通過各類傳感器件來采集各類信息，送入主控單元 Arduino 單片機(jī) 處理數(shù)據(jù)后完成相應(yīng)動(dòng)作，以達(dá)到自身控制。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用 H橋驅(qū)動(dòng)模塊 ， 驅(qū)動(dòng) 2 個(gè)直流電機(jī)； 測(cè)距、 避障采用 超聲波 傳感器 完成，最后 由控制單元處理數(shù)據(jù)后通過編程有序合理的將各模塊信號(hào)整合在一起并完成相 應(yīng)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)了智能控制，相當(dāng)于簡(jiǎn)易機(jī)器人。 根據(jù)設(shè)計(jì)的作品要達(dá)到的效果，本系統(tǒng)以 Arduino 單片機(jī) 為核心控制器，主要由電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、 測(cè)距、 避障模塊構(gòu)成。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如下圖 1所示。 圖 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 主控單元方案比較與選擇 按照題目要求，控制器主要用于控制電機(jī)，通過相關(guān)傳感器對(duì)路面的軌跡信 Arduino 單片機(jī) 驅(qū)動(dòng)電路 直流電動(dòng)機(jī) 輪子 超聲波傳感器 電源 第 6 頁 息進(jìn)行處理，并將處理信號(hào)傳輸給控制器，然后控制器做出相應(yīng)的處理，實(shí)現(xiàn)小車的自動(dòng)循跡和自動(dòng)避障。 方案一：可以采用 ARM 為系統(tǒng)的控制器 ，優(yōu)點(diǎn)是該系統(tǒng)功能強(qiáng)大，片上外設(shè)集成度搞密度高，提高了穩(wěn)定性，系統(tǒng)的處理速度也很高，適合作為大規(guī)模實(shí)時(shí)系統(tǒng)的控制核心。 方案二：采用 Arduino 單片機(jī) 作為系統(tǒng)控制的方案。 Arduino 單片機(jī) 算術(shù)運(yùn)算功能強(qiáng)，軟件編程靈活、自由度大，功耗低、體積小、技術(shù)成熟，成本也比ARM 低。 考慮到性價(jià)比問題，本設(shè)計(jì)選擇 用 Arduino 單片機(jī) 做控制器。 避障單元方案比較與選擇 方案一：用超聲波傳感器進(jìn)行避障。超聲波傳感器的原理是：超聲波由壓電陶瓷超聲波傳感器發(fā)出后，遇到障礙物便反射回來，再被超聲波傳感器接收。 但使用超聲波模塊的成本比較高。因此我們考慮其它的方案，超聲波傳感器實(shí)物圖如下圖 2 所示： 圖 超聲波傳感器 方案二：用漫反射式光電開關(guān)進(jìn)行避障。光電開關(guān)的工作原理是根據(jù)光線發(fā)射頭發(fā)出的光束，被物體反射，其接收電路據(jù)此做出判斷反應(yīng)，物體對(duì)紅外光由同步回路選通而檢測(cè)物體的有無。當(dāng)有光線反射回來時(shí)，輸出低電平。當(dāng)沒有光線反 第 7 頁 射回來時(shí)，輸出高電平。 考慮到在日常的家居生活中，只需要簡(jiǎn)單檢測(cè)障礙物，讓智能小車順利繞過障礙，回到預(yù)定的設(shè)定路徑便可，并沒有十分復(fù)雜的環(huán)境，為了使用方便，便于操作和調(diào)試，我們最終選擇 了方案 一 。 “ 小車”的必要的信息 電機(jī)參數(shù)： 額定電壓 —— 空載電流 —— 85 – 95 mA 空載轉(zhuǎn)速 —— 9800 rpm +/‐ 10% 堵轉(zhuǎn)電流 —— 1100mA 堵轉(zhuǎn)力矩 —— 50g/cm (最大 ) 減速箱： 1： 48 結(jié)構(gòu)參數(shù) 車輪直徑 —— 65mm 碼盤齒數(shù) —— 60 個(gè) 碼盤等效直徑 —— 42 mm 脈沖精度 —— （單邊沿采集，可用倍頻方式提高精度） 輪距 —— 約 外形尺寸 —— 約 75x 75 x 75 mm 重量 —— 約 240g （不含電池） 最快運(yùn)動(dòng)速度： 選用 1： 48減速箱 —— 約 695mm/s 最大力矩： 選用 1： 48減速箱 —— 約 第 8 頁 第三章 智能小車的 觸覺、 眼睛 智能小車內(nèi)部檢測(cè)原理 智能小車 驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電路：實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、碼盤采樣、電機(jī)電流檢測(cè)功能，兩側(cè)獨(dú)立設(shè)計(jì)，方便檢修。 輪速、車距檢測(cè) 小車采用 紅外光電耦合器 檢測(cè)輪子轉(zhuǎn)的圈數(shù)，即可算得小車行車距離；同 理，單位時(shí)間內(nèi)的計(jì)數(shù)值，即可求得輪子轉(zhuǎn)速。本車有兩只輪子，分別由兩只直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。 由于紅外檢測(cè)具有反應(yīng)速度快、定位精度高，可靠性強(qiáng)以及可見光傳感器所不能比擬的優(yōu)點(diǎn)，故采用紅外光電碼盤測(cè)速方案。 紅外光電耦合器 見圖 ，為直射式光電傳感器 。 圖 紅外光電耦合器 由測(cè)距輪，遮光盤，紅外光電耦合器及 凹槽型支架組成的。 利用開模的優(yōu)勢(shì)，在車輪上 的遮光盤 設(shè)計(jì)了 60 個(gè)齒，可以用 直 射式光電采樣器方便的得到脈沖信號(hào)，比反射式采樣更加可靠。 測(cè)距輪安裝在車輪上，這樣能使記數(shù)值準(zhǔn)確一些 （見圖 ） 。遮光盤有一缺口，盤下方的凹形物為槽型光電耦合器，其兩端高出部分的里面分別裝有紅外發(fā)射管和紅外接收管。 遮光盤在凹槽中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，缺口進(jìn)入凹槽時(shí)，紅外線可以通過，缺口離開凹槽紅外線被阻擋。由此可見，測(cè)距輪每轉(zhuǎn)一周，紅外光接收管均能接收到一個(gè)脈沖 第 9 頁 信號(hào)經(jīng)過整形器后送入計(jì)數(shù)器或直接送入單片機(jī)中。 單片機(jī)通過計(jì)數(shù)值，即可求得 小車的 大概行駛距離，根據(jù)單位時(shí)間內(nèi)的計(jì)數(shù)值，也可求得轉(zhuǎn)速。 單片機(jī)通過分別對(duì)兩個(gè)輪子的轉(zhuǎn)速值，進(jìn)行比較，即可判斷出左、右輪的轉(zhuǎn)速快慢程度。 圖 輪子結(jié)構(gòu) 為實(shí)現(xiàn)可逆記數(shù)功能，我們?cè)跍y(cè)距儀中并列放置了兩個(gè)槽型光電耦合器，遮光盤先后通過凹槽可產(chǎn)生兩個(gè)脈沖信號(hào)。根據(jù)兩個(gè)脈沖信號(hào)發(fā)生的先后順序與兩個(gè)光電耦合器的位置關(guān)系，即可計(jì)算出玩具車的行駛方向（前進(jìn)或后退）。 遮光盤及槽型光電耦合器均安裝在不透光的盒子里，以避免外界光線的干擾，使電路不能正常工作。 圖 實(shí)際電路板 遮光盤 正面 背面 直射型光電晶體管 第 10 頁 測(cè)距原理：將 遮光 碼 盤 安裝在電機(jī)軸上，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)， 遮光 碼盤 也隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)安裝在 碼盤 一側(cè)的紅外發(fā)光二極管點(diǎn)亮，在 碼盤 的另一側(cè)設(shè)有紅外三極管，用于接收紅外發(fā)光二極管發(fā)出的紅外線信號(hào)。由于光柵隨電機(jī)高速轉(zhuǎn)動(dòng)，則紅外線三極管接收到的就是一系列脈沖信號(hào)。將該信號(hào)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)的內(nèi)部計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，根據(jù)預(yù)先實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)換算關(guān)系即可計(jì)算出電動(dòng)機(jī)車的行車距離。 具體電路同