【正文】 ………………………………………………… 8 運(yùn)動(dòng)模型 …………………………………………………………………… 10 運(yùn)動(dòng)模型分析 ………………………………………………………………………11 運(yùn)動(dòng)控制量分析 …………………………………………………………… 11 運(yùn)動(dòng)模型數(shù)學(xué)分析 ………………………………………………………… 12 小結(jié) ………………………………………………………………………… 15 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) …………………………………………………………………15第 3 章 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) …………………………………………………………… 16 控制系統(tǒng)方案確定 …………………………………………………………………16 直流電機(jī)控制 ………………………………………………………………………17 直流電機(jī)基本概念 ………………………………………………………… 17 直流電機(jī)調(diào)速 ……………………………………………………………… 18 H 橋調(diào)速電路 ……………………………………………………………… 18 紅外反射傳感器 ……………………………………………………………………22 防撞傳感器選擇 …………………………………………………………… 22 反射式紅外傳感器的原理 ………………………………………………… 23 反射式紅外傳感器的參數(shù)及應(yīng)用 ………………………………………… 24西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 VII 頁(yè) 光電編碼器 …………………………………………………………………………25 光電編碼器原理 …………………………………………………………… 25 旋轉(zhuǎn)編碼器 ………………………………………………………………… 26 系統(tǒng)硬件配置 ………………………………………………………………………27第 4 章 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) …………………………………………………………… 29 PLC 及編程軟件概述 ………………………………………………………………29 PLC 概述 …………………………………………………………………… 29 FPWIN GR 編程軟件簡(jiǎn)介 ………………………………………………… 30 FPWIN GR 編程語(yǔ)言 ……………………………………………………… 31 控制系統(tǒng)流程 ………………………………………………………………………31 無(wú)線遙控 …………………………………………………………………… 31 串口控制 …………………………………………………………………… 32 程序總體流程圖 …………………………………………………………… 32 PLC 的 I/O 配置 …………………………………………………………… 33 無(wú)線遙控程序設(shè)計(jì) …………………………………………………………………34 串口控制程序設(shè)計(jì) …………………………………………………………………35 串口數(shù)據(jù)預(yù)處理 …………………………………………………………… 35 串口數(shù)據(jù)保存 ……………………………………………………………… 35 速度控制 …………………………………………………………………… 35 行程控制 …………………………………………………………………… 42第 5 章 智能小車操作 ………………………………………………………………… 46 無(wú)線遙控操作 ………………………………………………………………………46 串口控制操作與設(shè)置 ………………………………………………………………47 上位機(jī)串口通信軟件操作 ………………………………………………… 47 PLC 的串口設(shè)置 …………………………………………………………… 49 串口數(shù)據(jù)格式 ……………………………………………………………… 50 高速計(jì)數(shù)器設(shè)置 …………………………………………………………… 51結(jié)論 ……………………………………………………………………………………… 53西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 VIII 頁(yè)致謝 ……………………………………………………………………………………… 54參考文獻(xiàn) ………………………………………………………………………………… 55附錄 1 智能小車控制電路原理圖 …………………………………………………… 57附錄 2 PLC 程序圖……………………………………………………………………… 58附錄 3 智能小車實(shí)物外觀 …………………………………………………………… 63附錄 4 實(shí)習(xí)報(bào)告……………………………………………………………………… 65西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 1 頁(yè)第 1 章 緒論 問(wèn)題的提出自從 19 世紀(jì)汽車被發(fā)明出來(lái)以后,這個(gè)世界便開(kāi)始被它深刻地影響。從此汽車開(kāi)始走向平民百姓的生活，走向這個(gè)世界的每一個(gè)角落。但自從改革開(kāi)放以后，也取得了巨大的進(jìn)展。表 是八年前公布的我國(guó)居民汽車擁有量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。建設(shè)部提供的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)私人汽車擁有量年均增速在 20%左右，大大快于經(jīng)濟(jì)增速。截止到 2022 年 6 月，全國(guó)汽車保有量達(dá) 5356 萬(wàn)輛，其中，私人汽車達(dá) 3239 萬(wàn)輛。第一、交通事故頻繁發(fā)生。表 12 是 2022 年2022 年全國(guó)道路交通事故統(tǒng)計(jì)表。第二、交通的擁擠。就是交通網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)非常完善的美國(guó)，也面臨著越來(lái)越嚴(yán)重的交通堵塞問(wèn)題。截止 2022 年，美國(guó) 85 個(gè)主要城市因交通堵塞每年的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá) 630 億美元，間接經(jīng)濟(jì)損失更是接近 1000 億美元。交通堵塞造成汽車尾氣排放量增加，環(huán)境受到進(jìn)一步破壞。由此可見(jiàn)，交通堵塞不僅僅是經(jīng)濟(jì)問(wèn)題，還是個(gè)社會(huì)問(wèn)題。到目前為止，開(kāi)汽車還是一件非常辛苦勞累的事情。人還有很多情況是不宜或者是不能開(kāi)車的，比如：酒后、用藥后等。即使是健康的上了一定年齡的老人，駕車也是非常危險(xiǎn)的事情。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。智能交通系統(tǒng)是利用先進(jìn)的信息通訊技術(shù)，使人、車、路三者整體化，西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 3 頁(yè)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)。智能交通系統(tǒng)涉及的方面很多，其中實(shí)現(xiàn)車輛的自動(dòng)駕駛就是汽車智能化的一個(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]。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)化的車輛駕駛測(cè)試。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。（二）歐洲在智能交通系統(tǒng)研究的前期，歐洲就對(duì)汽車的自動(dòng)駕駛研究投入了較大的熱情和精力。其中奔馳公司的“維塔”型智能汽車以其無(wú)人駕駛 1 萬(wàn)多公里的成績(jī)讓人矚目。該車輛可以實(shí)現(xiàn)高速超車、規(guī)避障礙物等駕駛?cè)蝿?wù)。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(bào)西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 4 頁(yè)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。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） 。圖 11 清華 V 型智能車清華 V 型智能車是清華大學(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。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。設(shè)計(jì)車速高速公路為 80km/h，一般道路為 20 km/h。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。他們的系統(tǒng)主要是依靠車載雷達(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。吉林省北華大學(xué)研制的無(wú)人駕駛多功能智能汽車，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。這種無(wú)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。（2）根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)和要求，確定設(shè)計(jì)的智能小車的功能，并對(duì)其進(jìn)行分析，得出總體控制方案。（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。（6）完成智能小車的硬件電路的設(shè)計(jì)與制作。（8）小車的組裝與整車調(diào)試。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)。這主要取決于路徑。小車就是根據(jù)這三個(gè)控制信息來(lái)規(guī)劃自身的運(yùn)動(dòng)控制的。智能小車要求最多能保存 4 組運(yùn)動(dòng)軌跡的數(shù)據(jù)。（5）在運(yùn)動(dòng)的過(guò)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(kāi)后，接著原來(lái)的軌跡運(yùn)動(dòng)。將小車當(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)。對(duì)應(yīng)到小車的實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制時(shí)，就是“角度” 、和“行程”的控制。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)） 。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)。缺點(diǎn)：不夠靈活，在小范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)很困難。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。在小范圍內(nèi)的運(yùn)動(dòng)幾乎不受限制。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。當(dāng)速度大了以后，精確度就較差，而且安全可靠性不高。這種驅(qū)動(dòng)方法是比較新穎的。每個(gè)輪子都實(shí)現(xiàn)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)和方向控制。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)。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。控制也比較方便，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。小車的驅(qū)動(dòng)與方向控制采用后輪雙驅(qū)動(dòng)的方式。由于小車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。其尺寸如圖所示。L在實(shí)際的機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程中， ， 。即使在絕對(duì)直線的路徑中（實(shí)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。在智能小車的路徑模型建立過(guò)程中，為了方便我們對(duì)小車兩個(gè)輪子的控制，可以將左輪 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)小車的行走路線更加簡(jiǎn)化——簡(jiǎn)化成直線和圓弧。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。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。小車的運(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， N?（ ),0(? ） ；（3）原地轉(zhuǎn)動(dòng)， 0。R 運(yùn)動(dòng)模型小車行走模型建立的前提是：（1）小車在行走時(shí)無(wú)滑動(dòng)；（2）小車在平面上行走。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(gè)點(diǎn)，至少需要 2 個(gè)自由度。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)。如果小車的目的點(diǎn)是 A 點(diǎn)時(shí)，小車可以直線到到達(dá)；如果小車的目的點(diǎn)在 B 點(diǎn)時(shí)，小車可以直線后退的方式到達(dá)。西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 10 頁(yè)圖 24 智能小車原地轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)示意圖有些時(shí)候只需要對(duì)小車的方向進(jìn)行一定的調(diào)整，而不需要其進(jìn)行位移。（3）圓弧運(yùn)動(dòng)在小車行走的過(guò)程中，有很多時(shí)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。但為了控制的方便，也更適合實(shí)際的運(yùn)動(dòng)情況，可以將實(shí)際情況中遇到的所有二次及以上的曲線用圓弧來(lái)逼近。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(shí)，也就是說(shuō)小車不能通過(guò)直接走直線到達(dá)時(shí)，小車有兩種到達(dá) A 點(diǎn)、B 點(diǎn)的方法。行走的方法是：（1）先繞其初始的運(yùn)動(dòng)中心（亦即原點(diǎn)）O 點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)AB角度，使其行走方向與 B 點(diǎn)在一條直線上。如果對(duì)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(shí)，此時(shí)小車就需要做圓弧運(yùn)動(dòng)，亦即轉(zhuǎn)彎。西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 11 頁(yè) 運(yùn)動(dòng)模型分析 運(yùn)動(dòng)控制量分析根據(jù)前兩節(jié)小車運(yùn)動(dòng)功能及行走路徑的分析可以得出：小車要實(shí)現(xiàn)在平面上的移動(dòng)，共有兩個(gè)自由度需要控制。在行走平面上建立極坐標(biāo)系時(shí)，這兩個(gè)自由度分別為：半徑 、角度 。對(duì)應(yīng)的控制要求為：方向控制、速度控制、行程控制。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(shí)際的運(yùn)行中是有誤差的。2）當(dāng)小車的路況改變后，母機(jī)可能會(huì)通知子機(jī)速度的檔位進(jìn)行改變，此時(shí)要求小車能作出適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)。（2）方向控制1）原地轉(zhuǎn)彎時(shí)，只要求小車進(jìn)行方向角度上的調(diào)整，即進(jìn)行角位移。（3）行程控制由于整個(gè)行走過(guò)程中，行走的軌跡有可能是很不規(guī)則的。這些線段的方向和長(zhǎng)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(dòng)方向等，都是不同的。小車的運(yùn)動(dòng)模型如圖 26 所示。小車整體的運(yùn)動(dòng)幾何中心為 1O點(diǎn)， 1點(diǎn)為 A、B 的中心。無(wú)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。（3）一般的轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）