双车协同模式下从电磁导引车控制系统硬件设计(2)
致谢 47
参考文献 48
附录 从电磁导引车整车实物图 50
1 引言1.1 课题研究背景自从汽车发明以来，智能与自动化一直是汽车工业发展与前进的方向。从自动启动系统到自动变速系统，再到自适应巡航控制、平行泊车系统和行人监测系统，从各种辅助驾驶系统到无人驾驶汽车，汽车被不断加入各种先进的传感器和控制器，功能不断完善。具有环境感知、路径规划决策和自动驾驶等丰富功能的智能汽车，始终是人类的努力方向和梦想[1]。20 世纪 50 年代左右控制论兴起，20 世纪末以来人工智能、计算机视觉和模式识别技术迅速发展方兴未艾，以及近几年大数据时代来临，都大大加速了汽车的智能化和自动化趋势，众多研发机构和汽车厂商都增加了对智能汽车技术研究与开发的投入。可以预见在未来数十年中，智能汽车将从实验室试验阶段不断走向实用成熟阶段，直至最终走进千家万户，为解决地面交通拥挤状况和减少交通事故等问题作出巨大贡献[2]。1.2 国内外智能汽车研究与发展现状1.2.1 国外现状近年来，欧美和日韩等发达国家开展了一系列智能汽车技术研究与开发项目，例如日本国土建设和交通部设立的AHS 项目、韩国的 SNUCLE 自主车辆项目、美国交通部的 VSC和VII 项目以及欧洲的 AIDE、AIDER 和ADOSE 等项目[3]。这些项目涵盖了智能汽车技术的各个方面，包括车载操控界面、行人识别和通信规范等，致力于治理地面交通和环境资源，改善道路安全与交通效率，以及降低驾驶者操作负担等等。国外厂商方面，奥迪、通用、奔驰等大型汽车厂商分别正在开发自己的无人驾驶智能汽车。奥迪公司开发的无人驾驶自动汽车TTS 于 2010 年进行试验，在洛基山上行驶十余公里。奔驰公司在2013 年运用长短雷达和摄像头，进行了近百公里真正意义的无人驾驶汽车测试，不同于以往的驾驶辅助系统。宝马公司于2014 年展出一辆无人驾驶汽车，使用了大量传感器阵列和高精度GPS， 使得车载电脑在替代人工决策方面取得了实质进步。 通用公司承诺在2018年前推出无人驾驶汽车Super Cruise，宝马公司也宣布将在2017 年对外发售无人驾驶版 A8。除了大型汽车厂商的稳步推进外， 美国 Google 公司已经研发吹冰年的无人驾驶汽车同样引人注目，该车十分迷你，有两个座位，如图 1.1 所示。考虑到实验时的安全，该车上临时安装了可拆卸的方向盘和刹车，以便驾驶者在面临危险时随时接管汽车。自实验以来，该型车已在公路上行驶超过 160 万千米。虽然一共发生过 11次轻微事故，不过其中超过90%是人为原因造成， 而并非汽车本身问题。 2015年 5 月， Google 无人驾驶汽车获政府批准， 开始在 Mountain 1.2.2 国内现状国内智能汽车研发相比国外起步较晚一些，水平较低。这主要是由于智能汽车技术含量较高，而国内缺乏相关的高端人才、技术和资金。不过在不断努力下，也有了长足的进步与发展。国防科技大学和一汽集团研发的无人驾驶汽车红旗HQ3 如图 1.2 所示，该车于 2011年从长沙开到武汉，全程286 公里，多次主动超车并且遭遇了雾霾和降雨等复杂天气。中国人民解放军军事交通学院的无人驾驶汽车已发展至第三代“猛狮 3 号” ，实现了北京到天津的道路实测。同时，广汽携手中科院，上汽联手中航科工，也在进行着无人驾驶相关实验。目前国内智能汽车相关技术仍属于追赶国外的阶段，虽然受到了重视和投入，但是仍有很长的路要走。1.3 智能汽车相关技术简介1.3.1 多传感器融合技术在正确感知并处理周围环境信息的基础上，智能汽车才能作出各种决策，并且稳定安全地运行。由于每种传感器都有自己的工作范围和使用限制，所以需要多个传感器共同工作，并将获取的环境情况信息进行合成[4]。通过充分利用多个传感器信息之间的冗余和互补特点，形成对智能汽车周边环境特征的综合持续描述， 连续不断为智能汽车提供尽可能可靠的信息。目前，常用的传感器有彩色摄像机和CCD摄像头、激光雷达和毫米波雷达、超声波测距传感器等等。1.3.2 车-车交互技术红外线、 无线电通信等技术支撑的车-车交互技术使得智能汽车可以与附近其他汽车进行信息交互。通过信息交互，汽车可以得到与之通信的车辆的各项信息如位置、速度等，以及一些自身无法直接获取的信息[5]。例如相同方向行进的车队中，前方车辆的紧急减速或刹车情况可以实时传输到后方车辆，方便后方车辆提前做出反应，从而尽量避免事故的发生。1.3.3 导航方式智能汽车导航一般分为有线和无线两种。 有线导航方式的例子有埋线电磁感应引导方式，“飞思卡尔”杯智能车竞赛电磁组使用的就是这种导航方式。 无线方式的例子有GPS导航系统、参考位置设定法和图像识别法等等[6]。1.4 全国大学生智能汽车竞赛简介“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛，是一项源自韩国的课外科技竞赛，到 2015 年已经举办至第十届。每届比赛规则都会有所变化，向参赛队伍提出更高的要求。参赛队伍需要在指定车模的基础上， 自行设计硬、 软件系统和运行算法， 争取以最短时间行驶完赛道一圈[7]。今年大赛组委会创造性地将电磁组比赛由单车模式改为双车模式，不仅要求双车尽快完成比赛，更要求从车和主车完成比赛时间差距越小越好。这意着主车不能只考虑自身如何最快到达终点，还要控制与从车的距离，因此对双车系统的协同性等方面提出了很高的要求。新规则为电磁组双车控制系统硬件、软件和算法的设计提供了诸多的选择，使设计方案拥有更多创新的可能性，也是对第十届电磁组各参赛队伍的挑战。1.5 本文主要研究内容本文以第十届“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛电磁组比赛为背景，以从电磁导引车稳定跟踪主车且双车模到达终点时间差较小为目标，进行了电磁双车模式中从电磁导引车控制系统硬件部分的设计。本文针对如下四个方面进行了详细的阐述和分析：（1）在仔细研究第十届比赛新规则的基础上，选择了飞思卡尔公司 Kinetis 系列的MK60DN512ZVLQ10 作为核心控制芯片。 运用模块化设计思想， 对核心控制模块、 电源管理，模块等十一个模块分别进行了设计和分析，并根据实际需求和元器件性能参数确定选型。（2） 确认电路原理图逻辑正确且不存在电气错误后， 绘制 PCB 电路板。 尽可能缩小 PCB电路板尺寸，板上元器件和接口的分布方便后期调试，电路板形状应该方便组装，并保证电路板上的过孔与车模上的固定安装孔相匹配[8]。（3）调整和优化智能车机械结构，例如去除不必要结构、调整转向机构和加固底盘等。（4）测试各模块性能指标是否达到预期的要求，然后组装系统进行联调。及时分析调试中出现的问题，并作出调整和改进。本文的结构安排如下：第一章，引言。介绍了课题研究背景、国内外智能汽车研究和发展状况，以及智能汽车相关技术，最后简明阐述了本文研究内容。第二章，控制系统硬件总体设计。介绍了跟踪方案的选择，确定了硬件总体构架和工作原理，并对各模块功能进行了说明。第三章，控制系统硬件电路原理图设计。对各个模块的设计需求进行了分析，并解释了主要器件和芯片的选型过程，绘制了相应的电路原理图。第四章，控制系统硬件电路 PCB 设计。对 PCB 设计的流程及部分规则进行了说明，介绍了各个电路板的 PCB设计，并进行了一定的解释。第五章，控制系统机械结构安装和调整。对选择C 型车模的原因进行了说明，同时介绍了一些组件的安装和机械结构的调整优化。第吹冰章，系统联调。介绍了各模块的测试情况，然后进行了系统联调。最后，分析了本次设计方案中不完善的地方，提出了相应的改进措施。