道路自动识别与控制的智能车系统的研究

论文摘要

智能车辆的研究涉及到电机及其控制、测量与计算机控制、计算机视觉、传感器、数据融合、车辆工程等诸多领域。本文所研究的智能车是智能汽车的模型,通过对车模的研究进行智能汽车技术探索,进而推动智能汽车技术的发展。本文详细介绍了为第四届全国智能车大赛而准备的智能车系统方案,着重介绍了做出的创新。本文分别从硬件和软件两方面介绍智能车的设计思路以及做出的改进。在模块化设计的思想下,把系统分解成多个功能模块。本文详细介绍了路径信息采集模块、速度采集模块等信息采集模块和电机驱动模块和舵机驱动模块等动作执行模块的方案选取和电路设计原理,以及系统调试方法策略。此智能车在前人的基础上,大胆创新并成功地解决了困扰已久的传感器抗干扰、探测距离和探测精度的问题。赛车达到前瞻达到50cm以上、精度1mm(路面黑线横向探测间距)的探测性能。另外,用调制信号控制红外发射管发光,提高了传感器的抗干扰能力。本智能车以MC9S12DG128B[1][2]作为整个系统处理信息和控制命令的核心,通过红外传感器获取赛道信息,提取出黑线中心位置,并求得智能车偏离黑线的程度,区分出道路形状,对此信息进一步处理以控制舵机的转向;通过速度传感器获得实时速度信息,利用增量式PID控制算法实现速度的闭环反馈控制。本智能车软件上彻底突破了匀速控制这一困扰智能车性能提高的瓶颈。增量式PID匀速控制算法已经具有较高的响应速度、较低的静态误差和超调量。在此基础上更是添加了方向与速度的拟合,解决了智能车在跑道上运行的最佳速度分配问题,出色地完成了速度有效控制的任务。在此基础上,提出了“多模式”方向速度控制理念,对智能车在行驶过程中的各种情况分别设计应对措施。本智能车已具备对于不同形状的道路实施相应控制策略的能力,可快速稳定地完成整个赛道的行程。并且方向控制算法滤掉小S弯,并实现了大S切弯,成功解决了智能车在进弯和出弯时经常容易出现的振荡现象。秉着全局考虑的原则,对智能车机械结构进行优化。测试表明,该智能车能够很好地跟随黑色引导线,可以实现对不同形状的道路予以相应的控制策略,可快速稳定地完成整个赛道的行程。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 问题的提出及研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 研究现状
• 1.2.2 智能车大赛介绍
• 1.3 本文研究的目的和研究内容
• 1.3.1 研究的目的
• 1.3.2 研究的内容
• 2 系统方案设计
• 2.1 系统方案的选定
• 2.2 系统总体方案的设计
• 2.3 本章小结
• 3 智能车硬件系统设计
• 3.1 引言
• 3.2 传感器模块设计
• 3.2.1 智能车跑道情况简析
• 3.2.2 传感器型号选择与布局方案分析
• 3.2.3 传感器电路设计
• 3.2.4 传感器布局设计
• 3.2.5 传感器支架位置安装
• 3.3 电机模块设计
• 3.3.1 设计方案分析
• 3.3.2 电机驱动电路设计
• 3.4 车速检测模块
• 3.5 舵机模块设计
• 3.5.1 设计方案分析
• 3.5.2 舵机安装方法
• 3.6 无线串口通信模块设计
• 3.7 按键及显示模块设计
• 3.8 电源模块设计
• 3.8.1 设计方案分析
• 3.8.2 稳压电路设计
• 3.9 单片机模块设计
• 3.9.1 晶振电路
• 3.9.2 复位电路
• 3.9.3 I/O 端口分配
• 3.10 本章总结
• 4 智能车软件系统设计
• 4.1 引言
• 4.2 单片机模块设置
• 4.2.1 系统时钟模块设置
• 4.2.2 中断模块设置
• 4.2.3 AD 转换模块设置
• 4.2.4 PWM 模块设置
• 4.2.5 ECT 模块设置
• 4.3 路径信息提取与优化
• 4.3.1 高精度路径信息提取
• 4.3.2 路径信息抗干扰处理
• 4.4 速度信息采集与优化
• 4.5 PID 控制简介
• 4.6 方向速度控制策略
• 4.6.1 方向控制PID 算法
• 4.6.2 匀速控制PID 算法
• 4.6.3 方向与速度的曲线拟合
• 4.7 赛道元素及相应的方向速度控制策略介绍
• 4.8 道路特殊信息的识别
• 4.8.1 起始线的识别
• 4.8.2 三角形的识别
• 4.8.3 其他赛道元素的识别
• 4.9 系统软件流程图
• 4.10 本章总结
• 5 机械结构设计及调整
• 6 系统开发与调试
• 6.1 智能车系统调试
• 6.2 软件调试平台
• 6.3 系统调试需注意的问题
• 7 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 单片机模块总电路图
• B. 作者在攻读学位期间发表的论文目录