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32系统整体设计 73软件设计 、转向和路径形状判断 134编程与调试 18基于磁导航路径识别的智能车设计—— 19结束语 20参考文献 21附录 22致谢 ,随着内燃机的诞生,人们发明了最现代化的交通工具——汽车。经过一个多世纪的发展,汽车技术、性能有了很大的提高,人们充分享受到了汽车带来的巨大便利。但是,在享受汽车带来便利的同时,人们也发现汽车也给社会的发展带来了不少的损失,甚至危害到了人们的人身安全。由于公路客、货运输量的迅速增长,人们深受交通拥挤、堵塞严重、事故频繁和环境污染等公害的困挠。尤其是随着高速公路发展,汽车速度的提高,各类恶性交通事故的发生呈不断上升趋势,给人们的生命财产造成了巨大的损失。这迫使人们采用高新技术以提高车辆的安全性、可靠性,以解决道路交通的公害问题。智能车辆的研究发展正是在这种背景下诞生的。:“20世纪的核心武器是坦克,21世纪的核心武器是无人作战系统,其中2000年以后遥控地面无人作战系统将连续装备部队,并走向战场。”为此,从80年代开始美国国防高级研究计划局(DARPA)专门立项,制定了地面无人作战平台的战略计划,目标是研制出满足战场需要的智能车辆,可以在崎岖的地形上沿规划的路线自主导航及躲避障碍,必要时重新规划其路线。从此,在全世界掀开了全面研究智能车辆的序幕,如DARPA的“战略计算机”、计划中的自主地面车辆(ALV)计划(1983-1990)、能源部制订的为期10年的机器人和智能系统计划(RIPS)(1986-1995)、以及后来的空间机器人计划等等,另外,日本通产省组织的极限环境下作业的机器人计划、欧洲尤里卡中的移动机器人计划等。虽然智能车辆的研究起源于军事的要求,但是在其他领域的应用也有极大的价值,并且在研究上也取得了一定的成果。在太空探索方面,美国NASA研制的火星探测机器人索杰那于1997年成功登上火星,这是一个具有六个轮子的自主移动机器人。为了在火星上进行长距离探险,NASA又开始了新一代样机的研制,命名为Rocky7,并在Lavic湖的岩溶流上和干枯的湖床上进行了成功的实验。在民用方面,智能车辆也有许多成功的例子。如日本的VERTIS智能汽车系统,该智能汽车主要有23个ITSZ子系统,主要用于实现车载通讯、信息加工处理、环境探测、辅助控制(自动驾驶)等四项功能。法国公路技术研究所技术顾问克洛德·科贝表示,开展自动行驶控制系统研究是迈向公路交通无人驾驶的第一步,这一系统研制成功后,可以首先实现有人自动行驶。如在超车时,驾驶员只需根据计算机所提示的前方车辆行驶速度,输入有关最高限速等简单命令,计算机便会根据公路上的具体情况,自动调整速度和方向,并在绝对安全的情况下,实现超车。这将大大减少由驾驶员的判断和操作失误导致的交通事故。基于磁导航路径识别的智能车设计——,但是发展较快。1986年开始的高技术研究发展计划(863计划)制定了智能机器人主题的总体战略目标。1994年10月清华大学研制成我国第一台室外智能移动机器人THMR-III。之后,国防科技大学,北京理工大学,南京理工大学陆续开展了智能车辆的研究。我国清华大学计算机科学与技术系的人工智能与智能控制实验室已进行了多年的研究,并且取得了很大的成果。目前,他们研制的自主移动机器人实验车THMR-V已经能够在较复杂的环境自行行驶,他们在这个系统中采用激光雷达和摄像机来做视觉系统,并采用自己已有的先进的图像处理技术,进行信息识别和处理,再进行智能控制实现汽车的运动。这就是我国目前最先进的智能自动驾驶汽车系统。为了更好的实现各项功能,他们正在进行进一步的研究和完善,使其在实际生活中得以应用。。然而,目前世界上许多大城市都面临着由私人汽车过度使用而带来的诸多问题,例如道路堵塞、停车困难、能源消耗、噪声污染和环境污染等,这些问题严重降低了城市生活的质量。优先发展城市公共交通是提高交通资源利用效率,缓解交通拥堵的重要手段。大容量城市公共交通,如地铁、轻轨等,其最大优点是空间利用率和能源利用率较高。然而,由于缺乏足够的时间、空间、运力灵活性,在客流量不足的情况下,系统效率将大大降低,运营成本过高,难以大力推广和应用。回顾汽车发展的百年历史,不难发现其控制方式从未发生过根本性改变,即由人观察道路并驾驶车辆,形成“路-人-车”的闭环交通系统。随着交通需求的增加,这种传统车辆控制方式的局限性日益明显,例如安全性低(交通事故)和效率低(交通堵塞)。最新调查表明,95%的交通事故是由人为因素造成,交通堵塞也大都与驾驶员不严格遵守交通规则有关。如果要从根本上解决这一问题,就需要将“人”从交通控制系统中请出来,形成“车-路”闭环交通系统,从而提高安全性和系统效率。这种新型车辆控制方法的核心,就是实现车辆的智能化。智能车有极为广泛的应用前景。结合传感器技术和自动驾驶技术可以实现汽车的自适应巡航并把车开得又快又稳、安全可靠;汽车夜间行驶时,如果装上红外摄像头,就能实现夜晚汽车的安全辅助驾驶;也可以工作在仓库、码头、工厂或危险、有毒、有害的工作环境里,此外它还能担当起无人值守的巡逻监视、物料的运输、消防灭火等任务。在普通家庭轿车消费中,智能车的研发也是很有价值的,比如雾天能见度差,人工驾驶经常发生碰撞,如果用上这种设备,激光雷达会自动探测前方的障碍物,电脑会控制车辆自动停下来,撞车就不会发生基于磁导航路径识别的智能车设计——软件设计3[1]。,是基于嵌入式单片机技术和传感器技术的自动寻迹智能车。其基本功能是通过检测电磁信号来判断路径形状如直道、弯道、十字路口等,并进行相应的动作如拐弯、加速、减速等。本文对磁导航的原理进行了详细分析,简单的介绍了硬件部分,重点分析和设计了路径识别算法、角度控制算法、速度控制算法,编写了控制程序[2]。2系统整体设计基于磁导航路径识别的智能车控制系统要求智能车能够通过感应道路中心导线流过的交变电流产生的磁场进行路径检测,识别智能车的运行状态和路径形状。智能车用电磁传感器来采集磁场信号并将之转化为电压信号,然后将电压信号传送给单片机,经过单片机分析、处理后,实现智能车位置的判别,并控制电机和舵机采取相应的动作,实现智能车的自动循迹行驶。本章详细介绍了智能车系统的整体结构及相应的设计分析。,交变电流会在周围产生交变的电磁场,导线周围的电场和磁场,按照一定规律分布,如图1所示。图1通电导线周围磁场分布图基于磁导航路径识别的智能车设计——软件设计5通电导线周围感应磁场的分布是以导线为轴的一系列的同心圆。圆上的磁场强度大小相同,并随着距离导线的半径r增加成反比下降。由毕奥-萨伐尔定律知,距离导线距离为r处P点的磁感应强度如公式1所示:B=μ0I4πr(1)通电导线周围的磁场是一个矢量场,场的分布如图四所示。如果在通电直导线两边的周围竖直放置两个轴线相互垂直并位于与导线相垂直平面内的线圈,则可以感应磁场向量的两个垂直分量,进而可以获得磁场的强度和方向,如图2所示。图2线圈感应磁场图导线中的电流按一定规律变化时,导线周围的磁场也将发生变化,则线圈中将感应出一定的电动势。根据法拉第定律,线圈磁场传感器的内部感应电压E与磁场B、电磁线圈的圈数N、截面积A的关系如公式2所示:E=NA*μ0μrdBdt=-dΦdt(2)感应电动势的方向可以用楞次定律来确定。由于本设计中导线中通过的电流频率较低,为20kHz,且线圈较小,令线圈中心到导线的距离为r,认为小范围内磁场分布是均匀的。再根据图3所示的导线周围磁场分布规律,则线圈中感应电动势如公式3所示:E=-dΦdt=KrdIdt=Kr(3)即线圈中感应电动势的大小正比于电流的变化率,反比于线圈中心到导线的距离,其中常量K为与线圈摆放方法、线圈面积和一些物理常量有关的一个量[3]。根据上述原理,在智能车上适当位置安装若干个线圈,通过检测固定于智能车上确定位置的若干个线圈产生的感应电动势,将这些模拟值放大、滤波后交给单片机以进行转化、处理、比较,就可以确定基于磁导航路径识别的智能车设计——软件设计5智能车相对于道路中心的偏移、正在进行的转向和路径形状,以决定采取何种控制策略来使智能车自动循迹行驶。,在专门设计的跑道上自动识别路径行驶,并且最快跑完全程而没有冲出跑道。智能车要求跑的又快又稳,所以对于智能车的控制系统来说稳定性和快速性是控制系统设计的两个重要指标。智能车所需要的电磁信号由道路中心线处通以100mA交变电流的导线产生,智能车通过设置在前端的6个线圈感应磁场来获取位置信息,通过安装在后轮上的测速编码器获取速度信息。位置信息和速度信息送入MCU进行处理和运算,然后由MCU输出信号控制舵机的偏转和电机的转速,以实现小车的转向和速度控制[4]。智能车控制系统的整体结构如图3所示。、电机驱动模块、舵机驱动模块和单片机模块等。(1)传感器模块本智能车控制系统主要由传感器进行导航,因此传感器的灵敏度对智能车的稳定、快速行驶非常重要[5]。传感器电路如图4所示。基于磁导航路径识别的智能车设计——软件设计