【文章內(nèi)容簡介】 輛車完成了車輛間的跟隨巡航駕駛，以及自動的加速和規(guī)避超車等試驗項目。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 或者自動駕駛的研究。從 1997 年開始，美國交通部對自動駕駛的研究方向有所轉(zhuǎn)變，開始較為重視駕駛員輔助系統(tǒng)以及車輛的創(chuàng)新研究。（二）歐洲在智能交通系統(tǒng)研究的前期，歐洲就對汽車的自動駕駛研究投入了較大的熱情和精力。經(jīng)過多年的實驗，歐洲也開發(fā)出了自動駕駛車輛，如菲亞特的 LAKE 型自動汽車和SAVE 自動車、法國斯特拉斯堡試驗中心進(jìn)行的自動車輛研究等。其中奔馳公司的“維塔”型智能汽車以其無人駕駛 1 萬多公里的成績讓人矚目。該車安裝有 18 臺袖珍電子攝像機(jī)，它們監(jiān)視汽車前后 100m 和兩側(cè) 7m 的環(huán)境，并將所得到的信息及時輸入由 12 個微處理組成的計算機(jī)中進(jìn)行處理和實施車輛控制。該車輛可以實現(xiàn)高速超車、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)控與智能交通信號控制、高速公路監(jiān)控系統(tǒng)、實用城市停車系統(tǒng)、出行信息系統(tǒng)、車輛導(dǎo)航系統(tǒng)、車輛定位系統(tǒng)、公共汽車定位與到站預(yù)報西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 4 頁系統(tǒng)、電子收費(fèi)系統(tǒng)、隧道監(jiān)視及事故檢測系統(tǒng)和數(shù)字地圖系統(tǒng)等等。日本對自動駕駛的研究較少，但目前其研究部門也開發(fā)出了自動駕駛汽車，并在試驗路段上進(jìn)行了試驗 國內(nèi)智能汽車的發(fā)展?fàn)顩r在國內(nèi)，近年來各高校及研究院，對智能汽車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機(jī)器人 THMR—V（TsingHua Mobile Robot V） 。如圖 11 所示。圖 11 清華 V 型智能車清華 V 型智能車是清華大學(xué)計算機(jī)系智能技術(shù)與系統(tǒng)國家重點(diǎn)實驗室在中國科學(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。車體采用道奇 7 座廂式車改裝，裝備有彩色攝像機(jī)和激光測距儀組成的道路與障礙物檢測系統(tǒng)；由差分 GPS、磁羅盤和光碼盤組成的組合定位導(dǎo)航系統(tǒng)等。兩套計算機(jī)系統(tǒng)分別進(jìn)行視覺住處處理，完成信息融合、路徑規(guī)劃、行為與決策控制等功能。四臺 IPC 工控機(jī)分別完成激光測距信息處理、定位信息處理、通訊管理、駕駛控制等功能。設(shè)計車速高速公路為 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。我國國防科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院一直在進(jìn)行汽車自動駕駛技術(shù)的研究，其與第一汽車集團(tuán)公司聯(lián)合研制的無人駕駛型“紅旗”CA7460 于 2022 年 6 月在湖南長沙試車成功，穩(wěn)定行駛時速達(dá) 130KM/h，具備安全超車能力。他們的系統(tǒng)主要是依靠車載雷達(dá)、紅外測距儀和圖像傳感器來識別測量路面環(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，無法西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 5 頁適應(yīng)道路環(huán)境惡劣的低級公路和城市公路。吉林省北華大學(xué)研制的無人駕駛多功能智能汽車，采用太陽能和油電混合動力技術(shù),可以通過指紋識別進(jìn)行開啟。開啟后,汽車具有無人駕駛功能、自動障礙識別功能、衛(wèi)星定位功能、自動導(dǎo)航功能,可以通過提前預(yù)置將人員運(yùn)送到目標(biāo)地點(diǎn)。這種無人駕駛的智能汽車可以用于景區(qū)觀光、盲人駕駛等領(lǐng)域。 論文主要工作 綜上所述，研究智能小車的運(yùn)動控制具有一定的社會應(yīng)用價值與意義，因此確定本論文的主要工作如下：（1）在查閱了大量國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)和實際調(diào)研的基礎(chǔ)上，對國內(nèi)外智能小車的發(fā)展概況、現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢作一定的分析。（2）根據(jù)設(shè)計任務(wù)和要求，確定設(shè)計的智能小車的功能，并對其進(jìn)行分析，得出總體控制方案。（3）建立智能小車的模型，對模型進(jìn)行分析與推導(dǎo)。（4）基于模型的分析與推導(dǎo)，設(shè)計速度、行程的控制算法。（5）完成 PLC 的控制程序設(shè)計與調(diào)試。（6）完成智能小車的硬件電路的設(shè)計與制作。（7）完成智能小車的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計與制作。（8）小車的組裝與整車調(diào)試。西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 6 頁第 2 章 智能小車總體設(shè)計 運(yùn)動功能 分析畢業(yè)設(shè)計要求完成的是智能小車的運(yùn)動控制。它根據(jù)關(guān)于速度和路徑的相關(guān)控制信息，實現(xiàn)自身的運(yùn)動。小車要求實現(xiàn)的運(yùn)動功能有：（1）勻速直線運(yùn)動（2）勻速直線后退（3）左轉(zhuǎn)彎運(yùn)動（4）右轉(zhuǎn)彎運(yùn)動（5）原地轉(zhuǎn)彎運(yùn)動（6）遇障礙物急停功能小車在進(jìn)行各種運(yùn)動時，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控制量：運(yùn)動速度 ，路徑半徑 ，VR路徑長度 。小車就是根據(jù)這三個控制信息來規(guī)劃自身的運(yùn)動控制的。S小車的一般運(yùn)行過程為：（1）小車接通電源，進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)；（2）接到母機(jī)控制信號時，立即進(jìn)入相應(yīng)的運(yùn)動狀態(tài)；（3）當(dāng)一段軌跡沒有運(yùn)行結(jié)束，但母機(jī)又傳送另一段軌跡運(yùn)動數(shù)據(jù)時，智能小車則將這一段數(shù)據(jù)保存起來，在小車完成正在運(yùn)行的軌跡后，再進(jìn)行下一段軌跡的運(yùn)動控制。智能小車要求最多能保存 4 組運(yùn)動軌跡的數(shù)據(jù)。（4）當(dāng)一段軌跡運(yùn)動結(jié)束后，母機(jī)仍然沒有發(fā)送下一段運(yùn)動軌跡的數(shù)據(jù)，智能小車則在完成后停止運(yùn)動并進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。（5）在運(yùn)動的過程中，如果智能小車遇到障礙物，則小車要求立刻停止；等障礙物移開后，接著原來的軌跡運(yùn)動。 模型建立 機(jī)械模型要實現(xiàn)小車在平面上的運(yùn)動，即要求能夠到達(dá)平面上的任何一個點(diǎn)。將小車當(dāng)作一個整體分析時，它需要兩個自由度，即 X、Y 方向上的運(yùn)動。用極坐標(biāo)，需要控制 R和?兩個量。對應(yīng)到小車的實現(xiàn)運(yùn)動控制時，就是“角度” 、和“行程”的控制。能夠?qū)崿F(xiàn)速度、方向、行程這三個個量的控制的小車車身驅(qū)動方法，有很多種。西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 7 頁（1）后輪單電機(jī)驅(qū)動+前輪方向控制（舵機(jī)） 。這是最典型的的一種驅(qū)動方法，現(xiàn)在大多數(shù)的汽車采用的就是這種方法。優(yōu)點(diǎn)：運(yùn)動可靠，適合低、中、高速等各種速度的運(yùn)動。方向控制有效可靠。缺點(diǎn)：不夠靈活，在小范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)動很困難。（2）后輪雙電機(jī)雙驅(qū)動+萬向前輪這種驅(qū)動方法也是比較常見的。各種機(jī)器人大賽、智能汽車大賽等，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)動等。在小范圍內(nèi)的運(yùn)動幾乎不受限制。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，高速情況下萬向輪轉(zhuǎn)向的阻力不能忽略。這種移動方法，其方向的控制，是通過兩個驅(qū)動后輪的速度差來實現(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+多輪舵機(jī)的方向控制。這種驅(qū)動方法是比較新穎的。就是在機(jī)子所有的輪子上都安裝驅(qū)動電機(jī)和方向控制舵機(jī)。每個輪子都實現(xiàn)單獨(dú)驅(qū)動和方向控制。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)動相當(dāng)靈活，能夠完成復(fù)雜的運(yùn)動。缺點(diǎn)：控制比較復(fù)雜，對于高速不合適。結(jié)論：最后采用了方法（2）——后輪雙電機(jī)雙驅(qū)動+萬向前輪。由于在模型的制作過程中，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)計時的使用。根據(jù)第二章得出的小車的功能和移動方案，可以建立小車的機(jī)械模型如圖 21 所示。小車的驅(qū)動與方向控制采用后輪雙驅(qū)動的方式。在機(jī)械部分制作過程中，小車為四輪，前兩輪為萬向輪，主要起支撐的作用。由于小車模型的速度就不是太高，因此萬向輪在轉(zhuǎn)向時存在的阻力以及由此帶來誤差可以忽略。在對車體模型進(jìn)行受力分析時，可以將兩個前輪簡化成為一個處于中間的輪，西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 8 頁圖 21 智能小車機(jī)械模型小車機(jī)械模型的尺寸與控制算法中的計算有直接的關(guān)系。其尺寸如圖所示。圖 22 智能小車的模型尺寸：驅(qū)動輪的直徑；d：兩驅(qū)動后輪的間距。L在實際的機(jī)械設(shè)計過程中， ， 。md120?L350 路徑模型在實際存在的路況中，路徑都是一次、二次或者更高次的曲線。即使在絕對直線的路徑中（實際上是不存在的） ，小車由于路面不平整、自身機(jī)械各部分的阻力的不同等多種原因，小車也不可能走直線。但對于我們?nèi)粘Ｉ钪兴筮_(dá)到的精度，大部分的情況是可以進(jìn)行簡化的，而由此帶來的誤差是可以忽略的。在智能小車的路徑模型建立過程中，為了方便我們對小車兩個輪子的控制，可以將左輪 右輪左電機(jī) 右電機(jī) 萬向前輪機(jī)架西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 9 頁小車的行走路線更加簡化——簡化成直線和圓弧。即我們可以近似地認(rèn)為，小車在行走的過程，要么走直線，要么走圓弧。實際存在的路徑可能是更高次的曲線，但都可以通過直線和圓弧來近似逼近，即所有的路徑中一條由很多條直線段與圓弧相切組成的。對小車的路徑進(jìn)行分析，小車要到達(dá)任何一點(diǎn)，要么走直線，要么走圓弧。通過直線、圓弧的幾何分析，可以知道，直線是半徑為無窮大的圓弧。因此可以將小車的運(yùn)動作統(tǒng)一分析。小車的運(yùn)動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， N?（ ),0(? ） ；（3）原地轉(zhuǎn)動， 0。——路徑的半徑。R 運(yùn)動模型小車行走模型建立的前提是：（1）小車在行走時無滑動；（2）小車在平面上行走。在到達(dá)平面上的任何一點(diǎn)，小車必須至少具備直線運(yùn)動和圓弧運(yùn)動（轉(zhuǎn)彎）兩種功能。智能小車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)某一個點(diǎn)，至少需要 2 個自由度。對應(yīng)到平面上的運(yùn)動可以簡化成三種運(yùn)動：（1）直線運(yùn)動（包括后退）這種運(yùn)動是小車只沿著某一個方向運(yùn)動，但車體相對于原來的位置沒有角度的轉(zhuǎn)動。這種情況是小車的目的地與小車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)。小車的初始位置為 O 點(diǎn)。如果小車的目的點(diǎn)是 A 點(diǎn)時，小車可以直線到到達(dá)；如果小車的目的點(diǎn)在 B 點(diǎn)時，小車可以直線后退的方式到達(dá)。圖 23 智能小車直線運(yùn)動示意圖（2）原地轉(zhuǎn)彎運(yùn)動。西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 10 頁圖 24 智能小車原地轉(zhuǎn)彎運(yùn)動示意圖有些時候只需要對小車的方向進(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。（3）圓弧運(yùn)動在小車行走的過程中，有很多時候小車不僅需要發(fā)生位移的變化，而且要求有方向角度上的變化，亦即行走軌跡是一條曲線。曲線的次數(shù)可能是二次的，或者是更高次的。但為了控制的方便，也更適合實際的運(yùn)動情況，可以將實際情況中遇到的所有二次及以上的曲線用圓弧來逼近。圖 25 智能小車轉(zhuǎn)彎運(yùn)動示意圖如圖中 A 點(diǎn)與 B 點(diǎn)所示。當(dāng)目的點(diǎn) A 點(diǎn)與 B 點(diǎn)不在小車初始的行駛方向（即圖中的Y 方向）時，也就是說小車不能通過直接走直線到達(dá)時，小車有兩種到達(dá) A 點(diǎn)、B 點(diǎn)的方法。如果對小車的行走路徑?jīng)]有嚴(yán)格的要求，只是要求其最終到達(dá) B 點(diǎn)上時，小車可以直接走直線 。行走的方法是：（1）先繞其初始的運(yùn)動中心（亦即原點(diǎn)）O 點(diǎn)轉(zhuǎn)動一個AB角度，使其行走方向與 B 點(diǎn)在一條直線上。 （2）直線運(yùn)動到 B 點(diǎn)。如果對路徑有嚴(yán)格的要求，如圖中要求從 O 點(diǎn)沿圓弧 到達(dá) B 點(diǎn)時，此時小車就需要做圓弧運(yùn)動，亦即轉(zhuǎn)彎。它需要一邊行走，一邊改變其方向角度。西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 11 頁 運(yùn)動模型分析 運(yùn)動控制量分析根據(jù)前兩節(jié)小車運(yùn)動功能及行走路徑的分析可以得出：小車要實現(xiàn)在平面上的移動，共有兩個自由度需要控制。在行走平面上建立直角坐標(biāo)系時，這兩個自由度分別為 X、Y方向的運(yùn)動。在行走平面上建立極坐標(biāo)系時，這兩個自由度分別為：半徑 、角度 。對??應(yīng)到小車的控制量中，它們分別是：位移、方向。對應(yīng)的控制要求為：方向控制、速度控制、行程控制。（1）速度控制1）實際運(yùn)行的速度是按一定的檔位進(jìn)行的。但是由于小車自身的阻力、環(huán)境的阻力等各方向的原因，原先設(shè)定好的速度檔次，在實際的運(yùn)行中是有誤差的。當(dāng)這個誤差超過了某個范圍時，要求對其進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。2）當(dāng)小車的路況改變后，母機(jī)可能會通知子機(jī)速度的檔位進(jìn)行改變，此時要求小車能作出適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)。3）當(dāng)遇到障礙物時，要求小車立刻停止，直到障礙物移走后，小車再恢復(fù)行走。（2）方向控制1）原地轉(zhuǎn)彎時，只要求小車進(jìn)行方向角度上的調(diào)整，即進(jìn)行角位移。2）小車進(jìn)行轉(zhuǎn)彎時，要求小車線位移、角位移同時進(jìn)行。（3）行程控制由于整個行走過程中，行走的軌跡有可能是很不規(guī)則的。在經(jīng)過處理簡化后，由很多相切的線段和圓弧組成。這些線段的方向和長度不同的，這些圓弧的半徑、起始點(diǎn)、終點(diǎn)以及小車在圓弧上的轉(zhuǎn)動方向等，都是不同的。要求小車能根據(jù)母機(jī)傳送的這些路徑的信息，實現(xiàn)自動的運(yùn)動控制。小車的運(yùn)動模型如圖 26 所示。小車的左輪運(yùn)動幾何中心點(diǎn)為 B點(diǎn)；右輪運(yùn)動幾何中心點(diǎn)為 A點(diǎn)。小車整體的運(yùn)動幾何中心為 1O點(diǎn)， 1點(diǎn)為 A、B 的中心。 1O不是小車的幾何中心，但在進(jìn)行運(yùn)動控制時，可控制的分別為左輪、右輪，可控制的點(diǎn)為 、 B，因此可以設(shè)A、 B的中點(diǎn) 1O為控制的中心。無論在（1） （2） （3）中的哪一種情況， 1的速度就是車體的速度， 1的行程就是車體的行程。（1）直線運(yùn)動在直線的運(yùn)動情況下， 右左車 V?（2）原地轉(zhuǎn)動原地轉(zhuǎn)動的情況下， 0車 ， 右左 ?；此處“”表示方向相反的意思。（3）一