【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 個(gè)社會(huì)的生活及相關(guān)的服務(wù)提出了更高的要求。到目前為止，開(kāi)汽車(chē)還是一件非常辛苦勞累的事情。很多交通事故就是由于駕駛員過(guò)度的疲勞引起的。人還有很多情況是不宜或者是不能開(kāi)車(chē)的，比如：酒后、用藥后等。對(duì)于一些殘疾人，比如盲人等，到目前為止是不可能駕車(chē)的。即使是健康的上了一定年齡的 老人，駕車(chē)也是非常危險(xiǎn)的事情。這就給人們的生活帶來(lái)了極大的不便。 如何較好地解決世界各國(guó)現(xiàn)在的交通問(wèn)題，已經(jīng)成為諸多專家關(guān)注的問(wèn)題。目前，越來(lái)越多的國(guó)家求助于智能交通系統(tǒng)（ ITS），希望通過(guò)對(duì)汽車(chē)、道路以及管理手段等涉及人、車(chē)、路各個(gè)方面的智能化來(lái)構(gòu)建安全、高效、現(xiàn)代化的交通系統(tǒng)，以滿足人們的出行和安全要求。智能交通系統(tǒng)是利用先進(jìn)的信息通訊技術(shù)，使人、車(chē)、路三者整體化，在輔以先進(jìn)的管理手段，從而大大改善交通安全性，提高行車(chē)舒適性，加快運(yùn)輸效率以及兼顧環(huán)境保護(hù)的道路交通綜合系統(tǒng)。一般可以劃分為如下 6 大子系統(tǒng)： 先進(jìn)的交通管理系統(tǒng)（ ATMS）、西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 3 頁(yè) 先進(jìn)的交通信息系統(tǒng)（ A T I S）、先進(jìn)的車(chē)輛控制系統(tǒng)（ AVCS）、商用車(chē)輛系統(tǒng)（ CVO）、先進(jìn)的公交系統(tǒng)（ APTS）、農(nóng)區(qū)交通系統(tǒng) (RTS)。 智能交通系統(tǒng)涉及的方面很多，其中實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的自動(dòng)駕駛就是汽車(chē)智能化的一個(gè)重要標(biāo)志，因此這一問(wèn)題一直是各國(guó)專家研究的重點(diǎn)問(wèn)題 [14]。 國(guó)內(nèi)外研究狀況 國(guó)外智能汽車(chē)的發(fā)展?fàn)顩r （一） 美國(guó) 美國(guó)在智能交通研究的前期，主要是各州政府聯(lián)合汽車(chē)制造商、道路提供商等對(duì)研究進(jìn)行資助，對(duì)自動(dòng)駕駛研究較少、較分散，而且成果不 是很顯著。到 20 世紀(jì) 90 年代中后期，美國(guó)的智能交通系統(tǒng)研究采取了聯(lián)邦政府宏觀指導(dǎo)、共同投資的方式，同時(shí)美國(guó)交通部還聯(lián)合了通用汽車(chē)公司、加州大學(xué)以及部分 學(xué)院共同成立了協(xié)作組織，該組織在加州的高速公路上進(jìn)行了完全自動(dòng)化的車(chē)輛駕駛測(cè)試。在試驗(yàn)路段中，數(shù)輛車(chē)完成了車(chē)輛間的跟隨巡航駕駛，以及自動(dòng)的加速和規(guī)避超車(chē)等試驗(yàn)項(xiàng)目。這期間，包括俄亥俄州立大學(xué)、馬里蘭大學(xué)、密西根大學(xué)和麻省理工學(xué)院等在內(nèi)的學(xué)院和一些科研院所也在積極從事 ITS 或者自動(dòng)駕駛的研究。從 1997 年開(kāi)始，美國(guó)交通部對(duì)自動(dòng)駕駛的研究方向有所轉(zhuǎn)變，開(kāi)始較為重 視駕駛員輔助系統(tǒng)以及車(chē)輛的創(chuàng)新研究。 （二） 歐洲 在智能交通系統(tǒng)研究的前期，歐洲就對(duì)汽車(chē)的自動(dòng)駕駛研究投入了較大的熱情和精力。經(jīng)過(guò)多年的實(shí)驗(yàn)，歐洲也開(kāi)發(fā)出了自動(dòng)駕駛車(chē)輛，如菲亞特的 LAKE 型自動(dòng)汽車(chē)和 SAVE自動(dòng)車(chē)、法國(guó)斯特拉斯堡試驗(yàn)中心進(jìn)行的自動(dòng)車(chē)輛研究等。 其中奔馳公司的“維塔”型智能汽車(chē)以其無(wú)人駕駛 1 萬(wàn)多公里的成績(jī)讓人矚目。該車(chē)安裝有 18 臺(tái)袖珍電子攝像機(jī)，它們監(jiān)視汽車(chē)前后 100m 和兩側(cè) 7m 的環(huán)境，并將所得到的信息及時(shí)輸入由 12 個(gè)微處理組成的計(jì)算機(jī)中進(jìn)行處理和實(shí)施車(chē)輛控制。該車(chē)輛可以實(shí)現(xiàn)高速超車(chē)、規(guī)避障 礙物等駕駛?cè)蝿?wù)。 （三） 日本 日本智能交通的研究較美國(guó)更加側(cè)重于都市交通管理和交通信息系統(tǒng)。其重要成就有都市交通監(jiān)控與智能交通信號(hào)控制、高速公路監(jiān)控系統(tǒng)、實(shí)用城市停車(chē)系統(tǒng)、出行信息系統(tǒng)、車(chē)輛導(dǎo)航系統(tǒng)、車(chē)輛定位系統(tǒng)、公共汽車(chē)定位與到站預(yù)報(bào) 系統(tǒng)、電子收費(fèi)系統(tǒng)、隧道監(jiān)視及事故檢測(cè)系統(tǒng)和數(shù)字地圖系統(tǒng)等等。日本對(duì)自動(dòng)駕駛的研究較少，但目前其研究部門(mén)也開(kāi)發(fā)出了自動(dòng)駕駛汽車(chē)，并在試驗(yàn)路段上進(jìn)行了試驗(yàn) 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 4 頁(yè) 國(guó)內(nèi)智能汽車(chē)的發(fā)展?fàn)顩r 在國(guó)內(nèi)，近年來(lái)各高校及研究院，對(duì)智能汽車(chē)的研究都作了很大的努力，并且取得了一定的成 果。 清華大學(xué)研制成功了 新一代智能移動(dòng)機(jī)器人 THMR— V（ TsingHua Mobile Robot V） 。如圖 11 所示。 圖 11 清華 V 型智能車(chē) 清華 V 型智能車(chē)是清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系智能技術(shù)與系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在中國(guó)科學(xué)院院士張鈸主持下研制的，兼有面向高速公路和一般道路的功能。車(chē)體采用道奇 7 座廂式車(chē)改裝，裝備有彩色攝像機(jī)和激光測(cè)距儀組成的道路與障礙物檢測(cè)系統(tǒng)；由差分 GPS、磁羅盤(pán)和光碼盤(pán)組成的組合定位導(dǎo)航系統(tǒng)等。兩套計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分別進(jìn)行視覺(jué)住處處理，完成信息融合、路徑規(guī)劃、行為與 決策控制等功能。四臺(tái) IPC 工控機(jī)分別完成激光測(cè)距信息處理、定位信息處理、通訊管理、駕駛控制等功能。設(shè)計(jì)車(chē)速高速公路為 80km/h，一般道路為20 km/h。目前已能夠在校園的非結(jié)構(gòu)化道路環(huán)境下，進(jìn)行道路跟蹤和避障自主行駛。汽車(chē)的智能化可以減輕駕駛員的疲勞，適應(yīng)復(fù)雜的天氣條件，減少交通事故的發(fā)生。 我國(guó)國(guó)防科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院一直在進(jìn)行汽車(chē)自動(dòng)駕駛技術(shù)的研究，其與第一汽車(chē)集團(tuán)公司聯(lián)合研制的無(wú) 人 駕駛型“紅旗” CA7460 于 2020 年 6 月在湖南長(zhǎng)沙試車(chē)成功，穩(wěn)定行駛時(shí)速達(dá) 130KM/h，具備安全超車(chē)能力。他們的系 統(tǒng)主要是依靠車(chē)載雷達(dá)、紅外測(cè)距儀和圖像傳感器來(lái)識(shí)別測(cè)量路面環(huán)境狀況。由于所得到的路面環(huán)境信息不豐富，不能滿足汽車(chē)智能駕駛的要求，所以這些系統(tǒng)都還只能在路況良好的高速公路上應(yīng)用，無(wú)法適應(yīng)道路環(huán)境惡劣的低級(jí)公路和城市公路。 吉林省北華大學(xué)研制的無(wú)人駕駛多功能智能汽車(chē)，采用太陽(yáng)能和油電混合動(dòng)力技術(shù) ,可以通過(guò)指紋識(shí)別進(jìn)行開(kāi)啟。開(kāi)啟后 ,汽車(chē)具有無(wú)人駕駛功能、自動(dòng)障礙識(shí)別功能、衛(wèi)星定位功能、自動(dòng)導(dǎo)航功能 ,可以通過(guò)提前預(yù)置將人員運(yùn)送到目標(biāo)地點(diǎn)。這種無(wú)人駕駛的智西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 5 頁(yè) 能汽車(chē)可以用于景區(qū)觀光、盲人駕駛等領(lǐng)域。 論文主要工 作 綜上所述，研究智能小車(chē)的運(yùn)動(dòng)控制具有一定的社會(huì)應(yīng)用價(jià)值與意義，因此確定本論文的主要 工作 如下 ： （ 1） 在查閱了大量 國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)和 實(shí)際調(diào)研的基礎(chǔ)上，對(duì)國(guó)內(nèi)外智能小車(chē)的發(fā)展概況、現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)作 一定的分析。 （ 2）根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)和要求，確定設(shè)計(jì)的智能小車(chē)的功能，并對(duì)其進(jìn)行分析 ， 得出總體 控制方案。 （ 3）建立智能小車(chē)的模型， 對(duì)模型進(jìn)行分析與推導(dǎo)。 （ 4）基于模型的分析與推導(dǎo)，設(shè)計(jì)速度、行程的控制算法 。 （ 5） 完成 PLC 的控制程序設(shè)計(jì)與調(diào)試。 （ 6）完成智能小車(chē)的硬件電路的設(shè)計(jì)與制作。 （ 7）完成智能小車(chē)的機(jī) 械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與 制作 。 （ 8）小車(chē)的組裝與整車(chē)調(diào)試。 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 6 頁(yè) 第 2 章 智能小車(chē)總體設(shè)計(jì) 運(yùn)動(dòng) 功能 分析 畢業(yè)設(shè)計(jì) 要求 完成的 是 智能小車(chē) 的運(yùn)動(dòng)控制。它根據(jù)關(guān)于 速度和路徑的 相關(guān) 控制信息 ，實(shí)現(xiàn) 自身的 運(yùn)動(dòng)。 小車(chē)要求實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)功能有： （ 1） 勻速直線運(yùn)動(dòng) （ 2） 勻速直線后退 （ 3） 左轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng) （ 4） 右轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng) （ 5） 原地轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng) （ 6） 遇障礙物急停功能 小車(chē)在進(jìn)行各種運(yùn)動(dòng)時(shí)，其速度可以不同， 轉(zhuǎn)彎的半徑也可以不同。這 主要取決于 路徑 。 根據(jù)路徑的狀態(tài)不同，控制信息中包括三個(gè)控制量：運(yùn)動(dòng)速度 V ，路徑半徑 R ，路徑長(zhǎng)度 S 。小車(chē)就是根據(jù)這三個(gè)控制信息來(lái)規(guī)劃自身的運(yùn)動(dòng)控制的。 小車(chē)的一般運(yùn)行過(guò)程為： （ 1） 小車(chē)接通電源，進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)； （ 2） 接到母機(jī)控制信號(hào)時(shí)，立即進(jìn)入相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)； （ 3） 當(dāng)一段軌跡沒(méi)有運(yùn)行結(jié)束，但母機(jī)又傳送另一段軌跡運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)時(shí)，智能小車(chē)則將這一段數(shù)據(jù)保存起來(lái)，在小車(chē)完成正在運(yùn)行的軌跡后，再進(jìn)行下一段軌跡的運(yùn)動(dòng)控制。智能小車(chē)要求最多能保存 4 組運(yùn)動(dòng)軌跡的數(shù)據(jù)。 （ 4） 當(dāng)一段軌跡運(yùn)動(dòng)結(jié)束 后，母機(jī)仍然沒(méi)有發(fā)送下一段運(yùn)動(dòng)軌跡的數(shù)據(jù)，智能小車(chē)則在完成后停止運(yùn)動(dòng)并進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。 （ 5） 在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，如果智能小車(chē)遇到障礙物，則小車(chē)要求立刻停止；等障礙物移開(kāi)后，接著原來(lái)的軌跡運(yùn)動(dòng)。 模型建立 機(jī)械模型 要實(shí)現(xiàn)小車(chē)在平面上的運(yùn)動(dòng)，即要求能夠到達(dá)平面上的任何一個(gè)點(diǎn)。將小車(chē)當(dāng)作一個(gè)整體分析時(shí)，它需要兩個(gè)自由度，即 X、 Y 方向上的運(yùn)動(dòng)。用極坐標(biāo)，需要控制 R 和 ? 兩個(gè)量。對(duì)應(yīng)到小車(chē)的實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制時(shí)，就是 “角度”、和“行程”的控制。 能夠?qū)崿F(xiàn)速度、方向、行程 這 三個(gè) 個(gè)量的控制的 小車(chē)車(chē)身驅(qū)動(dòng) 方法，有很多種。 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 7 頁(yè) （ 1） 后輪單電機(jī)驅(qū)動(dòng) +前輪方向控制（舵機(jī)）。 這是最典型的的一種驅(qū)動(dòng)方法，現(xiàn)在大多數(shù)的汽車(chē)采用的就是這種方法。 優(yōu)點(diǎn)： 運(yùn)動(dòng)可靠，適合低、中、高速等各種速度的運(yùn)動(dòng)。方向控制有效可靠。 缺點(diǎn)： 不夠靈活，在小范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)很困難。 （ 2） 后輪雙電機(jī)雙驅(qū)動(dòng) +萬(wàn)向前輪 這種驅(qū)動(dòng)方法也是比較常見(jiàn)的。各種機(jī)器人大賽、智能汽車(chē)大賽等，很多作品采用的就是這種方式。 優(yōu)點(diǎn)： 靈活，能夠?qū)崿F(xiàn)原地轉(zhuǎn)動(dòng)等。在小范圍內(nèi)的運(yùn)動(dòng)幾乎不受限制。在 低速情況下，其位移、速度、方向的控制都比較容易實(shí)現(xiàn)，而且能夠達(dá)到理想的精度。 缺點(diǎn)：只適合低速情況下運(yùn)行，高速 情況下 萬(wàn)向輪轉(zhuǎn)向的阻力不能忽略 。這種移動(dòng)方法，其方向的控制，是通過(guò)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)后輪的速度差來(lái)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)速度大了以后，精確度就較差，而且安全可靠性不高。 （ 3） 多輪驅(qū)動(dòng) +多輪舵機(jī)的方向控制。 這種驅(qū)動(dòng)方法是比較新穎的。就是在機(jī)子所有的輪子上都安裝驅(qū)動(dòng)電機(jī)和方向控制舵機(jī)。每個(gè)輪子都實(shí)現(xiàn)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)和方向控制。這種方法在并行機(jī)器人、仿生機(jī)器人等領(lǐng)域得到了很好的應(yīng)用。 優(yōu)點(diǎn)： 運(yùn)動(dòng)相當(dāng) 靈活 ，能夠完成復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)。 缺點(diǎn) ：控制比較復(fù)雜，對(duì)于高速不合適。 結(jié)論 ： 最后采用了方法（ 2） —— 后輪雙電機(jī)雙驅(qū)動(dòng) +萬(wàn)向前輪。由于在模型的制作過(guò)程中，速度不可能很高?？刂埔脖容^方 便 ，相應(yīng)的資料也更多一些，比較適合做為畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)的使用。 根據(jù) 第二章得出的小車(chē)的功能和移動(dòng)方案，可以建立小車(chē)的機(jī)械模型如圖 21 所示。 小車(chē)的驅(qū)動(dòng)與方向控制采用后輪雙驅(qū)動(dòng)的方式 。 在機(jī)械部分制作過(guò)程中，小車(chē)為四輪，前兩輪為萬(wàn)向輪，主要起支撐的作用。由于小車(chē)模型的速度就不是太高，因此萬(wàn)向輪在轉(zhuǎn)向時(shí)存在的阻力以及由此帶來(lái)誤差可以忽略。在對(duì)車(chē)體模型進(jìn)行受力分析時(shí)，可以將兩個(gè)前輪簡(jiǎn)化成為一個(gè)處于中間的輪， 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 8 頁(yè) 圖 21 智能小車(chē)機(jī)械模型 小車(chē)機(jī)械模型的尺寸與控制算法 中的 計(jì)算有直接的關(guān)系。其尺寸如圖所示。 圖 22 智能小車(chē)的模型尺寸 d ： 驅(qū)動(dòng)輪的直徑； L ： 兩驅(qū)動(dòng)后輪的間距。 在實(shí)際的機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程中， mmd 120? ， mmL 350? 。 路徑模型 在實(shí)際存在的路況中，路徑都是一次、二 次或者更高次的曲線。即使在絕對(duì)直線的路徑中（實(shí)際上是不存在的），小車(chē)由于路面不平整、自身機(jī)械各部分的阻力的不同等多種原因，小車(chē)也不可能走直線。但對(duì)于我們?nèi)粘Ｉ钪兴筮_(dá)到的精度，大部 分 的情況是可以進(jìn)行簡(jiǎn)化的，而由此帶來(lái)的誤差是可以忽略的。 在智能小車(chē)的 路徑 模型建立過(guò)程中，為了方便我們對(duì)小車(chē)兩個(gè)輪子的控制，可以將小左輪 右輪 左電機(jī) 右電機(jī) 萬(wàn)向前輪 機(jī)架 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 9 頁(yè) 車(chē)的行走路線更加簡(jiǎn)化 —— 簡(jiǎn)化成直線和圓弧。即我們可以近似地認(rèn)為，小車(chē)在行走的過(guò)程，要么走直線，要么走圓弧。實(shí)際存在的路徑可能是更高次的曲線，但都可以通過(guò)直線和圓弧來(lái)近似逼近 ，即所有的路徑中一條由很 多條直線段與圓弧相切組成的 。 對(duì)小車(chē)的路徑進(jìn)行分析，小車(chē)要到達(dá)任何一點(diǎn)，要么走直線，要么走圓弧。通過(guò)直線、圓弧的幾何分析，可以知道，直線是半徑為無(wú)窮大的圓弧。因此可以將小車(chē)的 運(yùn)動(dòng) 作統(tǒng)一分析 。 小車(chē)的 運(yùn)動(dòng)路徑 可以 歸納為 以下三種情況： （ 1） 直線情況， ??R ； （ 2） 一般的轉(zhuǎn)彎， NR? （ ),0( ??N ）； （ 3） 原地轉(zhuǎn)動(dòng)， 0?R 。 R —— 路徑的半徑。 運(yùn)動(dòng)模型 小車(chē)行走模型建立的前提是：（ 1） 小車(chē)在行走時(shí)無(wú)滑動(dòng) ；（ 2） 小車(chē)在平面上行走 。 在到達(dá)平面上的任何一點(diǎn)，小車(chē)必須至少具備直線運(yùn)動(dòng)和圓弧運(yùn)動(dòng)（轉(zhuǎn)彎）兩種功能。 智能小車(chē)要求 能 在平面上精確地到達(dá)一點(diǎn)或者沿著要求的某條路徑到達(dá)某一個(gè)點(diǎn)，至少需要 2 個(gè)自由度。對(duì)應(yīng)到平面上的運(yùn)動(dòng)可以簡(jiǎn)化成三種運(yùn)動(dòng)： （ 1） 直線運(yùn)動(dòng)（包括后退） 這種運(yùn)動(dòng)是小車(chē)只沿著某一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，但車(chē)體相對(duì)于原來(lái)的位置沒(méi)有角度的轉(zhuǎn)動(dòng)。 這種情況是小車(chē)的目的地與小車(chē)的行駛 方向剛好是在一條直線上的 ，如圖 21 的 A點(diǎn)與 B 點(diǎn) 。小車(chē)的初始位置為 O 點(diǎn)。如果小車(chē)的目的點(diǎn)是 A 點(diǎn)時(shí)，小車(chē)可以直線到到達(dá)；如果小車(chē)的目的點(diǎn)在 B 點(diǎn)時(shí)，小車(chē)可以直線后退的方式到達(dá)。 圖 23 智能小車(chē)直線運(yùn)動(dòng)示意圖 （ 2） 原地轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)。 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 10 頁(yè) 圖 24 智能小車(chē)原地轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)示意圖 有些時(shí)候只需要對(duì)小車(chē)的方向進(jìn)行一定的調(diào)整，而不需要其進(jìn)行位移。于是就需要原地轉(zhuǎn)動(dòng)。 （ 3） 圓弧運(yùn)動(dòng) 在小車(chē)行走的過(guò)程中，有很多 時(shí)候小車(chē)不僅需要發(fā)生位移