【正文】 智能小車系統(tǒng)項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案第一章 引 言 智能車研究背景 智能小車系統(tǒng)是迷你版的智能汽車，二者在信息提取，信息處理，控制策略及系統(tǒng)搭建上有很多相似之處，可以說智能小車系統(tǒng)將為智能汽車提供很好的試驗(yàn)和技術(shù)平臺(tái)，從而推動(dòng)智能汽車的發(fā)展。智能汽車是未來汽車的發(fā)展方向，將在減少交通事故、發(fā)展自動(dòng)化技術(shù)、提高舒適性等許多方面發(fā)揮很重要的作用；同時(shí)智能汽車是一個(gè)集通信技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)，自動(dòng)控制，信息融合技術(shù)，傳感器技術(shù)等于一身的行業(yè)，它的發(fā)展勢必促進(jìn)其他行業(yè)的發(fā)展，在一定程度上代表一個(gè)國家在自動(dòng)化智能方面的水平[1]。汽車在走過的100多年的歷史中，從沒停止過智能化的步伐，進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來，隨著汽車市場競爭激烈程度的日益加劇和智能運(yùn)輸系統(tǒng)（ITS）的興起，國際上對于智能汽車及其相關(guān)技術(shù)的研究成為熱門，一大批有實(shí)力有遠(yuǎn)見的大公司、大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)開展了這方面的研究。很多美國、日本和歐洲等國家都十分重視并積極發(fā)展智能車系統(tǒng)，并進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，取得了很多成就。我國的相關(guān)研究也已經(jīng)開展，清華大學(xué)成立了國內(nèi)最早的研究智能汽車和智能交通的汽車研究所，在汽車導(dǎo)航、主動(dòng)避撞、車載微機(jī)等方面進(jìn)行了廣泛而深入的研究，2000年上海智能交通系統(tǒng)進(jìn)入實(shí)質(zhì)性實(shí)施階段，國防科大研制出第四代無人駕駛汽車，西北工業(yè)大學(xué)、吉林交通大學(xué)、重慶大學(xué)等也展開了相關(guān)研究。這一新興學(xué)科正在吸引越來越多的研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者投入其中。 智能車的應(yīng)用前景 智能車系統(tǒng)有著極為廣泛的應(yīng)用前景。結(jié)合傳感器技術(shù)和自動(dòng)駕駛技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)汽車的自適應(yīng)巡航并把車開得又快又穩(wěn)、安全可靠；汽車夜間行駛時(shí)，如果裝上紅外攝像頭，就能實(shí)現(xiàn)夜晚汽車的安全輔助駕駛；此外，智能車系統(tǒng)還可以工作在倉庫、碼頭、工廠或危險(xiǎn)、有毒、有害的工作環(huán)境里，并能擔(dān)當(dāng)起無人值守的巡邏監(jiān)視、物料的運(yùn)輸、消防滅火等任務(wù)。在普通家庭轎車消費(fèi)中，智能車的研發(fā)也是很有價(jià)值的，比如霧天能見度差，人工駕駛經(jīng)常發(fā)生碰撞，如果用上這種設(shè)備，激光雷達(dá)會(huì)自動(dòng)探測前方的障礙物，電腦會(huì)控制車輛自動(dòng)停下來，撞車就不會(huì)發(fā)生了。公司開發(fā)嵌入式解決方案的歷史可追溯到50多年前，現(xiàn)在，已發(fā)展成為在20多個(gè)國家設(shè)有業(yè)務(wù)機(jī)構(gòu)，擁有 20,000多名員工的實(shí)力強(qiáng)大的獨(dú)立企業(yè)。公司專門為汽車、消費(fèi)電子、工業(yè)品、網(wǎng)絡(luò)和無線應(yīng)用提供“大腦”。他們無比豐富的電源管理解決方案、微處理器、微控制器、傳感器、射頻半導(dǎo)體、模塊與混合信號(hào)電路及軟件技術(shù)已嵌入在全球使用的各種產(chǎn)品中。并擁有雄厚的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，其中包括6,200 多項(xiàng)專利。為加強(qiáng)大學(xué)生實(shí)踐、創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)精神的培養(yǎng)，促進(jìn)高等教育教學(xué)改革，受教育部高等教育司委托(教高司函[2005]201號(hào)文，附件1)，由教育部高等自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委員會(huì)（以下簡稱自動(dòng)化分教指委）主辦全國大學(xué)生智能汽車競賽。該競賽以智能汽車為研究對象的創(chuàng)意性科技競賽，是面向全國大學(xué)生的一種具有探索性工程實(shí)踐活動(dòng)，是教育部倡導(dǎo)的大學(xué)生科技競賽之一。該競賽以“立足培養(yǎng)，重在參與，鼓勵(lì)探索，追求卓越”為指導(dǎo)思想，旨在促進(jìn)高等學(xué)校素質(zhì)教育，培養(yǎng)大學(xué)生 的綜合知識(shí)運(yùn)用能力、基本工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)，激發(fā)大學(xué)生從事科學(xué)研究與探索的興趣和潛能，倡導(dǎo)理論聯(lián)系實(shí)際、求真務(wù)實(shí)的學(xué)風(fēng)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作的人文精神， 為優(yōu)秀人才的脫穎而出創(chuàng)造條件。該競賽由競賽秘書處為各參賽隊(duì)提供/購置規(guī)定范圍內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)硬軟件技術(shù)平臺(tái)，競賽過程包括理論設(shè)計(jì)、實(shí)際制 作、整車調(diào)試、現(xiàn)場比賽等環(huán)節(jié)，要求學(xué)生組成團(tuán)隊(duì)，協(xié)同工作，初步體會(huì)一個(gè)工程性的研究開發(fā)項(xiàng)目從設(shè)計(jì)到實(shí)現(xiàn)的全過程。該競賽融科學(xué)性、趣味性和觀賞性為一體，是以迅猛發(fā)展、前景廣闊的汽車電子為背景，涵蓋自動(dòng)控制、模式識(shí)別、傳感技術(shù)、電子、電氣、計(jì)算機(jī)、機(jī)械與汽車等多學(xué)科專業(yè)的創(chuàng)意性比賽。該競賽規(guī)則透明，評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)客觀，堅(jiān)持公開、公平、公正的原則，保證競賽向健康、普及，持續(xù)的方向發(fā)展。該競賽以半導(dǎo)體公司為協(xié)辦方，得到了教育部相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)、飛思卡爾公司領(lǐng)導(dǎo)與各高校師生的高度評價(jià)，已發(fā)展成全國30個(gè)省市自治區(qū)近300所高校廣泛參與的全國大學(xué)生智能汽車競賽。2008年起被教育部批準(zhǔn)列入國家教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程資助項(xiàng)目中科技人文競賽之一（教高函[2007]30號(hào)文）。 全國大學(xué)生智能汽車競賽原則上由全國有自動(dòng)化專業(yè)的高等學(xué)校（包括港、澳地區(qū)的高校）參賽。競賽首先在各個(gè)分賽區(qū)進(jìn)行報(bào)名、預(yù)賽，各分賽區(qū)的優(yōu)勝隊(duì)將參加全國總決賽。每屆比賽根據(jù)參賽隊(duì)伍和隊(duì)員情況，分別設(shè)立光電組、攝像頭組、電磁組等多個(gè)賽題組別。每個(gè)學(xué)?？梢愿鶕?jù)競賽規(guī)則選報(bào)不同組別的參賽隊(duì)伍。全國大學(xué)生智能汽車競賽組織運(yùn)行模式貫徹“政府倡導(dǎo)、專家主辦、學(xué)生主體、社會(huì)參與”的16字方針，充分調(diào)動(dòng)各方面參與的積極性。 全國大學(xué)生智能汽車競賽一般在每年的10月份公布競賽的題目和組織方式，并開始接受報(bào)名，次年的3月份進(jìn)行相關(guān)技術(shù)培訓(xùn)，7月份進(jìn)行分賽區(qū)競賽，8月份進(jìn)行全國總決賽。 31第二章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)第二章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 本智能車系統(tǒng)主要有幾大部分組成，包括電源模塊，驅(qū)動(dòng)模塊，采集模塊，信息處理模塊，測速模塊等組成。利用線性CCD對賽道信息進(jìn)行采集，通過飛思卡爾MX9S12XS128單片機(jī)進(jìn)行處理使小車按照要求的路線行駛；編碼器采集當(dāng)前速度，實(shí)現(xiàn)智能車的閉環(huán)控制；方向控制上我們采用PD控制算法，速度上采用PID和BANGBANG控制相結(jié)合的思想。根據(jù)智能車系統(tǒng)的基本要求，我們設(shè)計(jì)了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。在滿足比賽要求的情況下，力求系統(tǒng)簡單高效，因而在設(shè)計(jì)過程中盡量簡化硬件結(jié)構(gòu)，減少硬件故障。Mc9s12xs128線性CCD舵機(jī)轉(zhuǎn)向液晶按鍵測速編碼器電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電源模塊圖2─1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖（1）車模底盤降低，主板低放，以降低重心。（2）舵機(jī)放于車體前方，節(jié)省空間。（3）用輕便堅(jiān)固的碳纖桿作為線性CCD桿的材料。（4）電池放于車體前方，使重心落在車體中心。第三章 智能車機(jī)械設(shè)計(jì)及安裝圖2─2 智能車實(shí)物圖第三章 智能車機(jī)械設(shè)計(jì)及安裝 根據(jù)組委會(huì)的相關(guān)規(guī)定，今年光電組比賽車模更換為B型車模。針對不同的車模，必然會(huì)有不同的調(diào)整方案。在比賽備戰(zhàn)之初，我們就對該車模進(jìn)行了詳細(xì)的系統(tǒng)分析。B型車模精度不是很高，因此在規(guī)則允許范圍內(nèi)盡量改造車模，提高車模整體精度是很必要的。本章將介紹我們在由組委會(huì)提供的B 車模的基礎(chǔ)上對車模進(jìn)行機(jī)械分析與改裝，以達(dá)到使智能車機(jī)械性能最佳的目的。 此次競賽的賽車車模選用由北京科宇通博科技有限公司提供的B型車模。圖3─1 車模外形在保證順利通過坡道的前提下，底盤盡量降低，從整體上降低模型車的重心，使模型車轉(zhuǎn)彎時(shí)更加穩(wěn)定、高速。于是我們增加前輪墊片，協(xié)調(diào)后輪的墊片，使車模重心達(dá)到了允許范圍內(nèi)的最低，防止了允許過程中翻車的發(fā)生。使車模更加穩(wěn)定，有利于速度的提升 此外我們參照組委會(huì)的相關(guān)規(guī)定，用廢棄的PCB板對底盤與后輪電機(jī)連接部分進(jìn)行了固定，這樣使底盤與后輪電機(jī)連接部分連接成為一個(gè)鋼性結(jié)構(gòu)，從而大大地減小了車模行駛過程中CCD的抖動(dòng)，提高了車模的整體穩(wěn)定性。根據(jù)汽車?yán)碚?，對前輪的調(diào)整主要包括主銷后傾，主銷內(nèi)傾，前輪外傾，前輪前束幾個(gè)方面。 主銷后傾 從側(cè)面看車輪，轉(zhuǎn)向主銷(車輪轉(zhuǎn)向時(shí)的旋轉(zhuǎn)中心)向后傾倒，稱為主銷后傾角。設(shè)置主銷后傾角后，主銷中心線的接地點(diǎn)與車輪中心的地面投影點(diǎn)之間產(chǎn)生距離(稱作主銷縱傾移距，與自行車的前輪叉梁向后傾斜的原理相同)，使車輪的接地點(diǎn)位于轉(zhuǎn)向主銷延長線的后端，車輪就靠行駛中的滾動(dòng)阻力被向后拉，使車輪的方向自然朝向行駛方向。設(shè)定很大的主銷后傾角可提高直線行駛性能，同時(shí)主銷縱傾移距也增大。主銷縱傾移距過大，會(huì)使舵機(jī)沉重，而且由于路面干擾而加劇車輪的前后顛簸。 圖3─2 主銷后傾示意圖 從車前后方向看輪胎時(shí)，主銷軸向車身內(nèi)側(cè)傾斜，該角度稱為主銷內(nèi)傾角。當(dāng)車輪以主銷為中心回轉(zhuǎn)時(shí)，車輪的最低點(diǎn)將陷入路面以下，但實(shí)際上車輪下邊緣不可能陷入路面以下，而是將轉(zhuǎn)向車輪連同整個(gè)汽車前部向上抬起一個(gè)相應(yīng)的高度，這樣汽車本身的重力有使轉(zhuǎn)向車輪回復(fù)到原來中間位置的效應(yīng)，因而舵機(jī)復(fù)位容易。 此外，主銷內(nèi)傾角還使得主銷軸線與路面交點(diǎn)到車輪中心平面與地面交線的距離減小，從而減小轉(zhuǎn)向時(shí)舵機(jī)的拉力，使轉(zhuǎn)向操縱輕便，同時(shí)也可減少從轉(zhuǎn)向輪傳到舵機(jī)上的沖擊力。但主銷內(nèi)傾角也不宜過大，否則加速了輪胎的磨損。 前輪外傾 前輪外傾角是指通過車輪中心的汽車橫向平面與車輪平面的交線與地面垂 線之間的夾角，對汽車的轉(zhuǎn)向性能有直接影響，它的作用是提高前輪的轉(zhuǎn)向安 全性和轉(zhuǎn)向操縱的輕便性。在汽車的橫向平面內(nèi)，輪胎呈“八”字型時(shí)稱為“負(fù)外傾”，而呈現(xiàn)“V”字形張開時(shí)稱為正外傾。如果車輪垂直地面一旦滿載就易產(chǎn)生變形，可能引起車輪上部向內(nèi)傾側(cè)，導(dǎo)致車輪聯(lián)接件損壞。所以事先將車輪校偏一個(gè)正外傾角度，一般這個(gè)角度約在 1176。 左右，以減少承載軸承負(fù)荷，增加零件使用壽命，提高汽車的安全性能。模型車提供了專門的外傾角調(diào)整配件，近似調(diào)節(jié)其外傾角。由于競賽中模型主要用于競速，所以要求盡量減輕重量，其底盤和前橋上承受的載荷不大，所以外傾角調(diào)整為 0176。 即可，并且要與前輪前束匹配。 前輪前束 所謂前束是指兩輪之間的后距離數(shù)值與前距離數(shù)值之差，也指前輪中心線與縱向中心線的夾角。前輪前束的作用是保證汽車的行駛性能，減少輪胎的磨 損。前輪在滾動(dòng)時(shí)，其慣性力自然將輪胎向內(nèi)偏斜，如果前束適當(dāng)，輪胎滾動(dòng) 時(shí)的偏斜方向就會(huì)抵消，輪胎內(nèi)外側(cè)磨損的現(xiàn)象會(huì)減少。像內(nèi)八