智能汽车论文

智能汽车论文

学院：信息科学与工程学院 专业：自动化1003班 学号：201004134102 姓名：黄金龙

智能汽车论文

一、智能车比赛

智能车（Intelligent Car）是电子计算机等最新科技成果与现代汽车工业相结合的产物，因而“善解人意”。通常具有自动驾驶、自动变速，甚至具有自动识别道路的功能。另外，智能车内的各种辅助设施也一应电脑化，常常给人以新奇感

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。在科技引领时代的今天，以车代步是人类适应快速生活的必然结果。然而

美国国家公路交通安全管理局评估，在2000年的过6百万交通事故报告中，有20%至30%是因为司机的错误或疏忽而导致的。怎样减少司机的错误是避免交通事故的关键所在。但是这些人为的错误或疏忽是不可避免的，为了在司机犯下错误之前得以纠正或者干脆将人从驾驶这项重复而乏味的劳动中解脱出来，取之以人工智能设备是人们正在努力并已经取得了很大成果的尝试。在科技日新月异的当今，传感技术越来越先进，检测越来越可靠、精确、实时，再借助以信息网络的共享和计算机的强大运算能力，复杂的算法分析、推理使得“智能车”更能、更全面的辅助人们的驾驶，甚至在不久的将来人们完全没有必要参与驾驶。

智能车辆，是一个集环境感知、规划决策、多等级辅助驾驶等功能于一体的综合系统，它集中地运用了计算机、现代传感、信息融合、通讯、人工智能及自动控制等技术，是典型的高新技术综合体.它具有道路障碍自动识别、自动报警、自动制动、自动保持安全距离、车速和巡航控制等功能。智能车辆致力于提高汽车的安全性、舒适性和提供优良的人车文互界面，是目前各国重点发展的智能交通系统中一个重要组成部分，也是世界车辆工程领域研究的热点和汽车工业增长的新动力。

随着科学技术的发展，特别是计算机技术、信息技术、人工智能、电子技术的突飞猛进，智能车辆技术有了实现的技术基础。目前智能车辆技术在轿车和重型汽车上主要应用于碰撞预警系统、防撞及辅助驾驶系统、智能速度适应、自动操作等，其在军事上的应用更加广泛和重要。

车辆智能化是汽车工业今后的发展趋势，也是人们对安全性要求越来越高未来汽车的发展方向。随着计算机技术和信息技术为代表的高新技术的发展，人工神经网络技术、模糊控制技术、神经模糊技术、虚拟实现等新技术的出现，智能车辆技术的研究将会有突破性的进展。智能车辆系统的实用化是是智能车辆发展

的前进方向，适应性强、环境适应性好的智能车辆将是研究的重点。

二、摄像头组智能车

在实践的智能车调试过程中，发现整车的机械结构极大约束着小车的速度提升。通过不断的测试、调试，对硬件整体结构设计进行了不断的改进，力求达到更优结构。

在调试过程中，为提升速度和车体稳定性，围绕重心位置，需要优化主控板、摄像头、电池的安装位置；为提升车体的转向性能，对舵机连杆、前轮倾角、后轮差速器也需要进行大量的测试调整。

一般来讲，舵机主要由以下几个部分组成， 舵盘、减速齿轮组、位置反馈电位计、直流电机、控制电路板等。控制电路板接收来自信号线的控制信号，控制电机转动，电机带动一系列齿轮组，减速后传动至输出舵盘。舵机的输出轴和位置反馈电位计是相连的，舵盘转动的同时，带动位置反馈电位计，电位计将输出一个电压信号到控制电路板，进行反馈，然后控制电路板根据所在位置决定电机的转动方向和速度，从而达到目标停止。 在舵机固定时，主要考虑了以下几种因素： 1、 舵机连杆长度与响应速度的调配 2、 舵机连杆长度对安装位置的影响 3、 安装方式对重心的影响

4、 安装方式的可靠性（即是否牢固）

由于原装车模舵机安装方式存在巨大缺陷，因此进行了较大更改。起初，我们选用了立式安装的方案，但经过进一步对比发现，立式安装与倒置式安装相比，需要用较多的铜柱才能紧固舵机，增加了整车重量，提高了重心；倒置式安装调整连杆长度时对重心高度影响较小且安装方式紧固可靠所需紧固材料较少。 为了减轻摄像头重量，可以采用简易铝合金紧固件，力求拆卸方便、便于维修，同时摄像头俯角可调。通过硬软件的反复调配，确定了现有高度和俯角参数，使其尽量减小图像梯形失真和降低摄像头高度，并且获得足够的前瞻。 由于所使用的测速模块的稳定性对安装方式有较高的要求，在安装时，需要反复调整光电对管与码盘的相对位置，并用示波器测试，最终确定了波形稳定的可靠位置。将码盘装在电机转轴上，能够更加直接的检测电机转速，减少差速滑

动造成的误差，便于更加准确高效的控制电机转动。

前轮调整包括主销倾角、前轮外倾、前轮前束，三者反应了主销、前轴和前轮在车体上的相对位置关系。通过调节三者可以调节前轮的转向性能。

智能车比赛追求的是稳定和速度，要想速度提上去并且使小车高速行驶下不至于转向时发生侧向倾斜甚至侧翻，小车的重心位置是关键，因此硬件布局以降低小车重心为目标，具体实施如下：

（1） 降低小车底盘；

（2） 摄像头的安装时采用轻质铝片，并且在不影响前瞻的前提下尽量降低摄像头高度；

（3） 采用强度高、质量轻的材料制作摄像头支架；

（4） 主控制模块和电源模块集中到一个电路板上，并且将其与底盘紧贴

着，大大降低了整车的重心，并且是整车看起来更加的简洁与美观； 整车重心的前后位置极大影响前轮与后轮的抓地力。重心靠前，影响前轮转向速度；重心靠后，前轮易发生跳动或侧滑。因此，应该将重心调整至车体中心稍靠后的位置。

在小车机械设计、制作和安装过程中，应该主要着眼于以下几点：

1、 结构简单、坚固； 2、 降低重心；

3、 安装简便，便于快速维护； 4、 布局合理，便于调整且美观。

确定总体机械安装后，仍然需要进一步在诸多细节处做出了调整，如：差速的调整、防撞杆的安装、轮胎等，尽可能使机械与软件搭配达到最优效果。 智能车行驶过程中，通过摄像头可以获取大量的赛道的信息，同时信息里不可或缺的有一些干扰信息。如何从这些信息中提取出有效的赛道信息显得至关重要。在单片机采集图像信号后需要对其进行处理以提取主要的赛道信息。在进行赛道的提取时必须对赛道干扰进行滤除，然后才能对赛道进行有效识别，并将识别后的信息有效的传达给控制部分。在图像信号处理中提取的赛道信息主要包括：赛道边沿黑线，相对小车的位置，赛道宽度，赛道变化趋向以及变化幅度，赛道类型判别。 由于摄像头自身的特性，图像会产生梯形失真，因此，赛道和

我们看到的有很大的差别。考虑到单片机的运行速度和稳定性，可以不对图像的梯形失真进行校正，而是通过这些失真图像赛道特征信息直接加以利用。在进行赛道识别时，也可以不对十字交叉弯意外的典型赛道做特别的处理，而是站在一个普通的司机的角度去控制它的速度与方向。

在对赛道进行识别前我们必须对图像数据进行滤波处理。可以采取的滤噪策略是对每一行进行遍历，当发现某一点的前一点和后一点同是黑点或白点，与该点不同，则将其转化为与前后一致的黑点或白点。在进行完滤波处理后则可进行黑线的提取。对与每一行的图像数据，我们都是从视场中间向两边搜索，当遇到连续两点为黑点时，则判断搜到黑线。但是，很多情况下会存在丢失左黑线或右黑线的现象，当发生这种现象时我们不得不根据经验和我们的实验数据进行补线，将丢失的黑线虚拟出来，便于后边处理。

三、光电组智能车

同摄像头组智能车一样，为保证智能小车直线行驶稳定，转向轻便灵活并尽可能的减少轮胎磨损，需要对小车的四轮定位参数进行调整。四轮定位内容主要有：主销后倾角，主销内倾角，前轮外倾角，前轮前束，外侧车轮二十度时，内外转向轮转角差，后轮外倾角，后轮前束。其中，前轮定位的参数对小车性能有着至关重要的影响，这四个参数反映了前轮、主销和前轴三者之间在车架上的位置关系。

在电机和电池相同的情况下，车体重量对于车的加减速性能有着至关重要的影响，因此在车身支架及设备布置时应该尽量减少不必要的配置，使车总重尽量减少。

车体重心高低主要影响车身运动中的稳定性，对于过弯的平滑性也有一定影响。我们尽量将车上各种设备尽量布置在车体转动中心上，有利于车体在过弯时的响应，不容易使车子在拐弯时侧翻。降低摇头舵机的高度，从而降低整体的重心。

激光传感器布局方案：

对于激光的安装，历年来大致有两种选择，一种是一字形，一种是八字形。由于大赛规定黑线宽度25mm，且在两侧。考虑到八字形检测更适合，因此可以选择用八字形激光安装。考虑到一对二激光可能光点的较少，因此，可以采用一对

三的安装模式。由于黑线在两侧，在坡道上，激光有一段时间无法检测到黑线，而红外传感器的反应速度可能不够，因此，可以考虑增加激光小前瞻，在坡道上，起到检测黑线的作用。

红外传感器布局方案：

由于红外传感器模块的主要任务是能够准确识别出起跑线。该部分如果出现误判就会出现智能车在中途停车或者不能在规定停车区内停车的问题，所以主要考虑的是红外传感器的准确度。将红外发射管和接收管尽量贴近地面，并且靠近智能车前轮架设。这样可以保证红外传感器处于最佳工作距离内，同时也避免了红外传感器之间的互相干扰。同时考虑到比赛中的坡道，为了防止红外传感器与坡道发生碰撞，应保证红外传感器与地面之间至少有1cm 的距离。

为了使车在跑的过程中能快速加速，及时减速除了要有好的算法来控制，还依赖于速度闭环返回的速度脉冲值的可靠度和精确度，因此为了提高检测精度，最后选用了欧姆龙编码器。欧姆龙编码器是用来测量转速的装置，光电式旋转编码器通过光电转换，可将输出轴的角位移、角速度等机械量转换成相应的电脉冲以数字量输出，通过转速，来计算得出车的准确速。

利用电磁感应原理将两个平面型绕组之间的相对位移转换成电信号的测量元件，用于长度测量工具。感应同步器分为直线式和旋转式两类。前者由定尺和滑尺组成，用于直线位移测量；后者由定子和转子组成，用于角位移测量。 定尺上的连续绕组的周期为2毫米。滑尺上有两个绕组，其周期与定尺上的相同，但相互错开1/4周期(电相位差90°)。感应同步器的工作方式有鉴相型和鉴幅型的两种。前者是把两个相位差90°、频率和幅值相同的交流电压U1 和U2分别输入滑尺上的两个绕组，按照电磁感应原理，定尺上的绕组会产生感应电势U。如滑尺相对定尺移动，则U的相位相应变化，经放大后与U1和U2比相、细分、计数，即可得出滑尺的位移量。在鉴幅型中，输入滑尺绕组的是频率、相位相同而幅值不同的交流电压，根据输入和输出电压的幅值变化，也可得出滑尺的位移量。由感应同步器和放大、整形、比相、细分、计数、显示等电子部分组成的系统称为感应同步器测量系统。它的测长精确度可达3微米/1000毫米，测角精度可达1″/360°。

我们使用激光传感器作为检测赛道的主传感器，一个激光传感器接收器可以同时接收三个发射管反射回来的光线，为了避免受到光电干扰，所以我们采用分时检测的方式，对每个发射管进行动态扫描。我们将24个激光发射管分为3组，确保每一组激光传感器在同一时刻只负责接收一个光点，在扫描时，扫描间隔由 s12xs128 单片机的 Periodic Interrupt Timer 模块控制，分3次依次点亮激光管。

可以使用四排激光，两排固定在前，共6个激光发射管呈“八”字形排列，另两排在后，共18个激光发射管也呈“八”字形排列，置于随动舵机上面。

路径识别算法可以使用的是加权平均法，对每一个光点赋予权重值，然后将检测到黑线的光点加权求平均值，得到小车偏离黑线的程度，再通过一定的算法可以计算出舵机的精确转向角度。

随动舵机控制我们采用位置式PD控制，以小车的偏离程度作为输入，舵机占空比作为输出， P项可以使光点快速跟踪赛道，D项能减少超调，避免抖动。实际中，这种控制策略能使光点快速、准确地跟踪赛道变化。

对于转向舵机控制，如果只是简单地以随动舵机距离中心线的偏角作为参考值来控制转向舵机。实际上，这种控制策略在低速行驶中是可行的，但是后来随着车速的提高，这种策略的缺点越来越明显，就是它不能及时地控制转向，高速行驶往往会使小车冲出赛道，所以可以加以改进采用分段 PD 控制。如果以随动舵机距离中心线的偏角作为比例项，把从传感器获取的偏离程度作为微分项，配合分段系数，使小车及时、平稳地转向。

从系统的稳定性、响应速度、超调量和稳态精度等各方面来考虑， kp ， kd 的作用如下：比例系数 kp 的作用是加快系统的响应速度，消除误差。 K p 越大，系统的响应速度越快，但易产生超调，甚至会导致系统不稳定。 K p 取值过小，则会使响应速度缓慢，从而延长调节时间，使系统静态、动态特性变坏；微分作用系数 kd 的作用是改善系统的动态特性，其作用主要是在响应过程中抑制偏差向任何方向的变化，对偏差变化进行提前预报。但 kd 过大，会使响应过程提前制动，从而延长调节时间，而且会降低系统的抗干扰性能。应用在小车上的 PD 控制器输入的是中心线偏移量，输出的是舵机转角值。

当选择BangBang调节器配合PD控制作为电机转速调节方案。BangBang调节的简单思路就是在转速比期望值低的时候就给小车最高的速度；转速比期望值高的时候就使电机占空比为0，让小车自由减速；期望速度突然变小的时候，进行反向加速制动。BangBang调节器能使小车最快的达到预定速度，但对电机、驱动模块和电池电量损耗较大，PD控制能使小车平稳的加速或减速，但对于急停、急加速需要一定时间。于是，可以把二者结合，当需要急停、急加速时，使用BangBang调节器，将车速调节至一定范围内，在这个范围内，再转而采用PD控制加以稳定。

四、个人对智能汽车的看法

如果把发动机的发明作为汽车创世纪时代，把福特引入标准化作为汽车普及时代，把丰田的柔性制造作为汽车个性化时代，那么如今中国该如何凭借全球最大市场来推动下一个汽车时代的到来？积极探求未来主流消费者对汽车生活的切实需求才是王道，而这其中，智能汽车必不可少。

因此，我们有理由相信各种关于智能汽车的创意想法，“起床洗漱，卫生间的镜子自动切换成荧幕报道即时新闻；打开冰箱，欲做早餐，冰箱屏幕上会显示出牛奶或是鸡蛋等食物存量不足，这时按几个键便可实现定购，配送公司会主动将所需食物送到家；最炫酷的莫过于让偷车者无从下手的指纹发动汽车，坐上它，同样无需劳神伤时地翻找地图或看路标，只需按上几个钮，再告知目的地，其他全由行车电脑搞定，接下来就是和朋友谈天说地的时间，绝不必担心迷路或是交通信号……”没错，这虽然是电影里出现的场景，同时也是未来智能车生活的缩影，那时，生活水平和高端技术已经融为一体。

值得注意的是，真正的智能汽车，还应该是“体变”，而不是简单形式上的“用变”，如果真正将飞速发展的电子信息技术完全落实到汽车产业当中，其产生的效应一定完全我们以往所有的想象。那时汽车将不再是汽车，而是人们全天候生活中的绝佳伙伴，一个拥有全方位智能大脑的“机器人”。