【文章內(nèi)容簡介】 景和意義，介紹了論文的主要研究內(nèi)容以及論文章節(jié)編排。第二章，ITS演示開發(fā)平臺及智能車輛系統(tǒng)方案研究。本章概述了智能交通開發(fā)平臺系統(tǒng)組成，對智能車輛系統(tǒng)進行了總體分析設計，最后給出了智能車輛系統(tǒng)設計方案和結構圖。第三章，車輛運動控制系統(tǒng)研究與實現(xiàn)。首先從設計車輛運動控制系統(tǒng)的結構入手，通過對不同運動控制方案進行比較，選擇了車輛控制方案，并分別對車速控制模塊和誘導控制模塊展開研究與實現(xiàn)。第四章，智能車輛跟馳系統(tǒng)研究與實現(xiàn)。針對智能車輛在單一車道上跟馳行駛的要求，本章對跟馳行為進行了分析，研究了跟馳控制算法，設計了車距檢測模塊，實現(xiàn)了車輛跟馳行駛，最后通過跑車實驗得到了驗證。第五章，智能車輛導航定位系統(tǒng)研究與實現(xiàn)。本章對智能車導航定位系統(tǒng)方案進行了分析，研究設計了基于路標/DR的車載導航定位系統(tǒng)，并通過跑車實驗對車輛導航定位的效果進行了驗證。第六章，總結與展望。本章對本文內(nèi)容和取得的進展進行了總結，并對進一步開展的研究提出了建議。 論文編排結構圖第二章 ITS演示開發(fā)平臺及智能車輛系統(tǒng)方案研究 引言智能交通系統(tǒng)中許多關鍵技術需要進行深入的理論研究和大量的科學實驗，現(xiàn)實的交通環(huán)境和配套設施是在現(xiàn)有技術的基礎上進行建設的，在進行新理論研究和新技術創(chuàng)新時，往往會受到一定的限制。通過搭建ITS智能交通演示開發(fā)平臺，可以通過模擬城市交通道路環(huán)境，創(chuàng)造一定的實驗條件，供ITS新理論和新技術進行科學研究，并為研究成果提供演示驗證平臺。本章將對智能交通演示開發(fā)平臺的要求及結構進行分析，對平臺的總體方案進行研究，并將對各個模塊的功能展開分析，針對模型車的控制，論文將給出車輛控制系統(tǒng)的結構框圖和控制方案。 ITS智能交通演示開發(fā)平臺總體方案本文中研究實現(xiàn)的ITS智能交通演示開發(fā)平臺系統(tǒng)，(485cm400cm)。通過在此平臺上修建道路、停車場、建筑物等來模擬現(xiàn)實城市的交通環(huán)境；通過研制智能車輛系統(tǒng)、智能交通信號燈系統(tǒng)、路燈控制系統(tǒng)、智能車庫管理系統(tǒng)等，以對城市中車輛的指揮與調(diào)度、交通信號燈的最優(yōu)控制、車庫的管理等問題展開研究，從而為現(xiàn)實社會交通中的一系列問題的解決提供一個研究和演示的平臺。，其中，十字路口4個，T型路口13個，Y型路口2個，中心環(huán)島1個。同時設計有兩座立交橋。 智能交通開發(fā)平臺道路模型效果圖平臺中，設計有一個平面車庫?？紤]到平臺的有限面積、車輛的占地面積、以及車輛的轉彎半徑等，該車庫一次可停車10輛。車庫入口處設計了收費站和電子顯示屏，用來顯示車庫當前狀態(tài)以及車庫內(nèi)的空閑車位號碼。 智能車庫實景圖除以上道路、高架橋以及停車場外，還將在平臺中建設一定的商業(yè)大廈、生活小區(qū)等，以增加城市的真實感。當外界光線暗下來后，大廈中的燈將自動打開。建筑物中的燈也可以通過主控中心進行開、關控制。 平臺局部效果圖。演示開發(fā)平臺包括以下幾個物理系統(tǒng)：（1）智能車輛控制系統(tǒng)（2）智能交通信號控制系統(tǒng)（3）牌照識別系統(tǒng)（4）城市亮化控制系統(tǒng)（5）智能化停車場管理系統(tǒng)（6）閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)(Closed Circuit Television,CCTV)（7）計算機監(jiān)控中心 智能交通演示開發(fā)平臺結構框圖平臺中的各個物理子系統(tǒng)可以分別開展獨立的研究工作，也可以通過各個子系統(tǒng)的配合開展智能交通領域更高層次的研究和開發(fā)工作。平臺中各物理子系統(tǒng)的功能如下：智能車輛系統(tǒng)由32輛改裝后的模型汽車構成，通過對模型車加裝尋磁模塊、速度控制模塊、車輛跟馳模塊、車輛導航定位模塊，實現(xiàn)智能車輛的自主行駛，避免碰撞。當車輛進入停車場時，在停車場管理系統(tǒng)的控制指揮下實現(xiàn)車輛的自動泊車、自動出庫；車輛在道路上行駛時，接收閉路電視的監(jiān)控，根據(jù)交通信號控制系統(tǒng)的指揮，按照交通信號自動行駛。圍繞車輛的控制開展的研究，是本論文的主要內(nèi)容。本項目中設計的停車場，共有10個停車位，通過安裝智能IC卡，進行車位的動態(tài)分配和入庫車輛的動態(tài)識別，通過研制停車位誘導系統(tǒng)，能夠實現(xiàn)智能車輛的自動入庫、指揮車輛倒車離開、駛離停車場。在停車場入口處設有電子顯示屏，能夠動態(tài)顯示停車場內(nèi)空閑車位的狀態(tài)。交通信號控制系統(tǒng)，主要對平臺中5個交通道口信號燈進行控制。每個道口由一個單片機控制，每個路口安裝有“紅綠黃”三色信號燈，并配有數(shù)碼管對剩余時間進行顯示。各個道口與計算機監(jiān)控中心之間通過無線通訊網(wǎng)絡進行連接，接收監(jiān)控中心的控制指令。該系統(tǒng)雖是論文研究期間完成的，但本文中沒有詳細介紹。香港理工大學電子計算學系課題組將在此基礎上開展交通信號配時方案、交通流量控制等研究。 交通信號控制系統(tǒng)實物圖計算機監(jiān)控與調(diào)度系統(tǒng)，主要負責整個ITS演示開發(fā)平臺的監(jiān)控與調(diào)度，系統(tǒng)主要由WebGIS軟件構成，通過建立基于WEBGIS的計算機監(jiān)控與調(diào)度軟件，實現(xiàn)對32輛模型車輛的實時顯示，通過軟件設置，也可以控制每輛車的行駛路徑、各個道口的通行時間等。該系統(tǒng)由課題組其他同學負責完成。 ITS監(jiān)控調(diào)度軟件界面閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)由四個CMOS攝像頭，一塊四通道視頻采集卡，一臺計算機及視頻監(jiān)控軟件構成，可以對四個路口的交通狀態(tài)進行實時監(jiān)測，以對交通流量加以進一步的研究。本系統(tǒng)由課題組其他同學負責完成。 閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)軟件界面本項目中在停車場入口處架設有一個攝像頭，可以對進入停車場的車輛進行監(jiān)控，同時自動識別車牌號碼。目前設計完成的車牌識別軟件，具有自學習功能，車輛識別率達到95%。該系統(tǒng)由課題組其他同學研制完成。該系統(tǒng)由路燈亮化系統(tǒng)和建筑物亮化系統(tǒng)構成，通過在道路上鋪設光敏傳感器，觸發(fā)相關路燈及建筑物燈進行自動亮滅控制。本系統(tǒng)由課題組其他同學研制完成。沙盤中各個物理子系統(tǒng)之間、物理系統(tǒng)與監(jiān)控與調(diào)度系統(tǒng)之間要進行大量的數(shù)據(jù)交換與數(shù)據(jù)通訊，因此需要建立良好的通訊網(wǎng)絡，香港理工大學電子計算學系在無線傳感器網(wǎng)絡領域已經(jīng)開展了大量豐富而卓有成效的研究，因此，整個平臺通訊系統(tǒng)的研制工作由香港方面協(xié)助完成。本文所研制的智能交通演示開發(fā)平臺，雖然是一個城市智能交通的模型，但充分模擬了現(xiàn)實城市交通狀況，研究覆蓋范圍廣泛，對現(xiàn)代城市交通的研究具有重要的作用。，該圖羅列了平臺中包含的各個物理子系統(tǒng)，以及各物理子系統(tǒng)可以開展的研究工作。 基于智能交通演示開發(fā)平臺可以開展的研究工作 智能車輛控制系統(tǒng)方案設計上一節(jié)對智能交通演示開發(fā)平臺進行了介紹，由此可以知道，本文所研究的智能交通演示開發(fā)平臺是一個高度智能化的控制系統(tǒng)，通過該物理平臺可以進行智能車輛調(diào)度、管理，智能信號燈配時方案等領域的研究。作為本文的主要研究工作，本節(jié)將對智能車輛控制系統(tǒng)進行分析，給出智能車輛控制系統(tǒng)的總體方案。 智能車輛控制系統(tǒng)功能要求在智能交通演示開發(fā)平臺中，智能車輛系統(tǒng)需要最大限度地模擬車輛的實際行駛狀態(tài)。而實際交通中，車輛的行駛行為包括：跟馳駕駛、對交通信號燈的識別、障礙物檢測及避免碰撞、車輛入庫、出庫等，由于本平臺中路面寬度的限制，車輛行駛時禁止超車。根據(jù)智能交通演示開發(fā)平臺的需要，結合真實車輛的駕駛行為，本文研究的智能車輛系統(tǒng)需要滿足以下要求：（1）當車輛距離較近時要能夠避免碰撞，尤其在單一車道行駛時要合理利用車道資源，實現(xiàn)車輛跟馳行駛；（2）車輛在經(jīng)過道路路口時，要求能自動識別紅綠燈信號，做到“紅燈停，綠燈行”；（3）車輛進入車庫時，根據(jù)車庫管理系統(tǒng)的指揮，能自主尋跡到指定車位并停車；（4）每輛車上路行駛之前，可以根據(jù)控制中心計算機設定的行車路徑進行行駛，到達終點后自動停車；（5）模型車在行駛過程中，要求具有較高的定位精度，定位誤差≤5cm，并將定位信息實時發(fā)送給計算機監(jiān)控與調(diào)度系統(tǒng)，以便在地圖上進行顯示。 智能車輛系統(tǒng)總體方案設計為了使研制的車輛達到所要求的功能，首先要建立良好的智能車輛控制系統(tǒng)主控模塊，根據(jù)各種傳感器反饋的信息，作出行駛決策；其次要搭建性能優(yōu)良的車輛運動控制系統(tǒng)，用來執(zhí)行智能車輛系統(tǒng)主控模塊作出的駕駛決策；最后，要設計好各種傳感器模塊，為智能車輛系統(tǒng)主控模塊提供良好的決策依據(jù)。智能車輛在工作過程中首先要與計算機監(jiān)控中心進行通訊，獲得行駛路徑；之后智能車輛根據(jù)行駛路徑信息自主行駛到目標位置，在行駛過程中，導航定位系統(tǒng)和跟馳系統(tǒng)傳感器不斷采集前方車輛信息和導航定位信息，供智能車輛主控模塊作出實時的駕駛決策，以應付突發(fā)交通狀況。 智能車輛控制系統(tǒng)結構圖，智能車輛控制系統(tǒng)的設計可以劃分為三個大的模塊，即：車輛運動控制模塊，車輛跟馳模塊，以及車輛導航定位模塊。本文將在第三章對車輛運動控制模塊開展研究，第四章中將對車輛跟馳控制開展研究，第五中將對車輛的定位導航開展研究。 本章小結本章根據(jù)智能交通開發(fā)平臺的結構和功能，針對智能車輛控制系統(tǒng)設計方案進行了分析和介紹，本章對智能交通演示開發(fā)平臺的要求及結構進行了分析，介紹了智能交通演示開發(fā)平臺的總體方案，并對平臺中的各個子系統(tǒng)的功能進行了分析；為了模擬真實車輛的駕駛行為，論文分析了車輛在平臺上的行為狀態(tài)，并據(jù)此分析研究了車輛控制系統(tǒng)的系統(tǒng)結構，設計了車輛控制系統(tǒng)方案。該方案的具體設計和實現(xiàn)過程將在后續(xù)章節(jié)中逐步展開。第三章 車輛運動控制系統(tǒng)研究與實現(xiàn) 引言通過本文所研制的ITS演示開發(fā)平臺，可以進行車輛的調(diào)度管理以及交通信號燈配時等方面的研究。其中，實現(xiàn)對車輛的運動控制，是智能交通演示開發(fā)平臺的關鍵，也是進一步開展其他領域研究的基礎和前提。為實現(xiàn)良好的車輛運動控制，本章對運動控制算法進行了研究和仿真分析，對車輛運動控制系統(tǒng)的軟硬件模塊進行了設計和實現(xiàn)。本章先從設計車輛運動控制系統(tǒng)方案入手，在對車輛速度控制算法進行研究的基礎上，設計實現(xiàn)了車輛速度控制系統(tǒng)。針對車輛誘導控制方式進行設計，重點對車輛誘導算法和控制策略展開研究。 車輛運動控制系統(tǒng)方案設計車輛運動控制系統(tǒng)是以智能車控制系統(tǒng)作出的駕駛行為決策為輸入，智能車的物理運動為輸出，其執(zhí)行機構為直流電機，反饋機構為傳感器模塊，控制器為車輛運動控制系統(tǒng)主控模塊。 車輛運動控制系統(tǒng)結構圖智能車運動控制系統(tǒng)的執(zhí)行部件為前后兩個直流電機，前置直流電機通過機械裝置實現(xiàn)智能車的轉向控制。后置直流電機通過齒輪嚙合，控制智能車行駛狀態(tài)以及行駛速度。作為智能交通系統(tǒng)開發(fā)平臺的關鍵部分，智能車需要具有自主行駛、識別交通信號燈、自主導航定位、自動泊車、避免碰撞、跟馳行駛以及無線通訊等功能，而智能車的運動控制系統(tǒng)是實現(xiàn)上述功能的基礎和保障。本章研究的智能車運動控制系統(tǒng)主要包括誘導控制模塊和速度控制模塊兩部分，實現(xiàn)車輛的速度控制和方向控制，在此基礎上實現(xiàn)車輛的自主行駛、識別交通信號燈、導航定位、自動泊車、避免碰撞、跟馳行駛等功能。本文采用以單片機為主控芯片，實現(xiàn)對車輛的控制。經(jīng)過對市場上各種型號MCU的篩選，本文最終選擇使用深圳宏晶科技生產(chǎn)的STC12系列STC12LE5412AD單片機為主控芯片。STC12系列單片機[[] STC12系列單片機數(shù)據(jù)手冊，宏晶科技，2004]是宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘周期、機器周期的單片機，具有高速、低功耗、超強抗干擾能力的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的8051，但速度快8～12倍，內(nèi)部集成MAX810專用復位電路。具有4路PWM (Pulse Width Modulation，PWM)模塊，8路高速10位ADC轉換模塊。由以上可以看出，該系列單片機硬件資源豐富，便于系統(tǒng)擴展；運算速度快，能夠滿足控制系統(tǒng)實時性的要求；指令兼容傳統(tǒng)8051單片機，通過串口進行在系統(tǒng)編程，降低開發(fā)難度，使用簡便；芯片功能強大，超強抗干擾，高可靠性，適用于電機控制系統(tǒng)。另外，芯片價格低廉。因此，選擇STC12LE5412AD為主控芯片的智能車運動控制系統(tǒng)方案能夠滿足系統(tǒng)中提出的設計要求。 車速控制模塊研究與實現(xiàn)車速控制模塊，是以智能車主控系統(tǒng)作出的車速決策為輸入，智能車的實際速度為輸出，執(zhí)行機構為后置直流電機，反饋機構為測速傳感器，單片機主控芯片作為控制器。本節(jié)將在對控制算法進行研究和仿真分析的基礎上，通過介紹直流電機驅動模塊和速度檢測模塊的設計與實現(xiàn)，搭建好完整的速度控制系統(tǒng)實現(xiàn)智能車車速的精確控制。 速度控制策略研究要實現(xiàn)車輛速度的精確控制，需要良好的控制算法和控制策略。此外，在智能車速度控制系統(tǒng)中，直流電機隨著負荷變化或干擾因素的影響，其特性參數(shù)或結構將發(fā)生改變[[] Cakir B，Yildiz ，Abut N，Inanc N.，DC motor control by using puter based fuzzy technique，Conference Proceedings－IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition，v1，1999：391395]。因此，必須對控制算法開展研究，采取合適的控制策略，從而提高速度控制性能，使車輛穩(wěn)定行駛。PID控制算法做為工業(yè)過程控制系統(tǒng)中廣泛采用的控制算法和控制策略，不僅具有提高系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能的優(yōu)點，還在提高系統(tǒng)動態(tài)性能方面，具有更大的優(yōu)越性[[] 胡壽松，自動控制原理第四版，北京，科學出版社，2003： 225~226]。PID控制器各部分參數(shù)的選擇，通過現(xiàn)場調(diào)試進行確定。模糊控制是一種基于規(guī)則的控制，它直接采用語言型控制規(guī)則，出發(fā)點是現(xiàn)場操作人員的控制經(jīng)驗或相關專家的知識，在設計中不需要建立被控對象的精確數(shù)學模型，因而使得控制機理和策略易于接受與理解，設計簡單，便于應用[[] 曾光奇，模糊控制原理與工程應用，武漢，華中科技大學出版社，2006 ：32~34]。目前模糊控制已經(jīng)作為智能控制的一個重要分支，發(fā)展成為具有一定系統(tǒng)理論與工程應用背景的新的研究領域。通過查閱文獻可知，小車速度控制系統(tǒng)的數(shù)學模型可視為是三階環(huán)節(jié)[[] 胡雙，馬志云，周理兵，永磁無刷直流電機系統(tǒng)建模研究，電工技術，2003，8：56~59]，本文選擇控制對象的表達式為，通過對控制對象分別進行PID控制器和模糊控制器的設計，從而對PID控制、模糊控制的控制性能進行比較和分析，以選擇車輛速度控制算法。，控制對象本身