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1、科技创新项目研究报告- 1 -佳木斯大学佳木斯大学大学生科技创新项目研究报告大学生科技创新项目研究报告题 目： 电车车身安全系统的研究 学 院： 机械工程学院专 业： 机械电子工程 姓 名： 指导教师： 完成日期： 佳佳木木斯斯大大学学机机械械工工程程学学院院2016 年年 6 月月科技创新项目研究报告- 2 -目录目录摘要摘要.- 3 -Abstract- 3 -第第 1 章章 绪论绪论.- 3 -1.1 项目背景.- 5 -1.2 电车车身安全系统研究现状- 5 -1.3 电车车身安全系统工作原理- 3 -第第 2 章章 电车车身安全系统总体方案设计电车车身安全系统总体方案设计.- 5 -
2、2.1 系统实验平台选择.- 3 -2.1.1 模型车比例的选择- 3 -2.1.2 模型车的结构配置- 5 -2.2 本章小结- 3 -第第 3 章章 系统控制算法设计系统控制算法设计.- 3 -3.1 控制流程的要求.- 3 -3.2 控制算法流程图.- 3 -3.3 控制算法分析.- 3 -3.4 本章小结.- 3 -第第 4 章章 控制系统硬件设计控制系统硬件设计.- 3 -4.1 系统硬件选择.- 3 -4.1.1 MCU 的选择.- 3 -4.1.2 测距传感器选择.- 3 -4.1.3 测速传感器选择.- 3 -4.1.4 控制信号反馈电路设计.- 3 -4.2 系统硬件电路图-
3、 3 -4.3 本章小结- 3 -第第 5 章章 控制系统软件设计控制系统软件设计.- 3 -5.1 测距传感器信号的读取.- 3 -5.2 测速传感器信号的读取.- 3 -5.3 反馈控制信号的读取.- 3 -5.4 电机控制信号输出.- 3 -5.5 算法的软件实现.- 3 -5.6 本章小结.- 3 -结论结论.- 3 -科技创新项目研究报告- 3 -摘要摘要本课题研究报告重点介绍了一种用于电动汽车的辅助驾驶控制系统的研究流程，该辅助驾驶控制系统目的即在纠正驾驶者错误，保证车身安全。辅助驾驶控制系统通过传感器测量车辆距离周围各个方向障碍物的距离以及自身速度，并通过反馈回的驾驶控制信号读取
4、对应驾驶者的操作状态，最终通过一定算法解算出系统应对驱动电机和转向电机的干预控制量，进而达到辅助控制的目的。科技创新项目研究报告- 4 -AbstractThis research report focuses on a research process of auxiliary driving control system for electric vehicles, which owns a purpose of correcting drivers errors and ensuring the vehicle safety. It reads the drivers operating
5、 status relying on the distance from the obstacles around measured by the sensors and the velocity of itself, and eventually calculates the system response to the driving motor and turning motor to control the amount of intervention and achieve the purpose of control.科技创新项目研究报告- 5 -第第 1 章章 绪论绪论1.11.
6、1 项目背景项目背景随着社会进步和人员移动性增强，全球汽车需求量不断增加，迄今世界上汽车数量保有量达到创纪录的 10 亿且持续大幅增加，基于传统内燃机的燃油汽车难以降低燃料消耗量和污染物的排放，因而新兴的混合动力电动汽车和燃料电池汽车快速发展，已经得到国内外高度重视。随着电动汽车的快速发展，随之而来的问题就是如何解决汽车行驶安全，而维持汽车行驶安全的电子系统也在不断更新和完善，传统的安全系统如车身电子稳定系统（牵引力控制系统 ESP），ESP 除用到了 ABS 和 TCS 的车轮速度传感器和液压调节器之外，还包含了一个集成有侧向加速度传感器的横摆角速度传感器和方向传感器，这两只传感器主要负责测
7、量汽车围绕其纵轴的回转运动和记录驾驶员的转向意图。这一系统主要是测量汽车自身的状态与预测驾驶者的操作意图，能达到提高汽车自身运动状态安全性的目的，而其不足之处则是不能根据外部路况辅助控制车辆运行。因此要弥补以上介绍的 ESP 系统的不足之处，就要在原有安全控制系统的功能基础上设计新的功能，也即开发出能通过车身传感器测量的外部信息结合读取到的驾驶者操作意图的信息，进而辅助控制车辆的安全系统，这就是本项目要实现的系统功能。1.21.2 电车车身安全系统研究现状电车车身安全系统研究现状现具备类似于上述安全系统功能的车辆辅助控制系统的研究最早于日本开展，日产汽车公司使用超声波传感器技术开发出了防止车辆
8、在距离障碍物过近时驾驶者误踩油门的系统，该方案在车辆前后保险杠处各安装四个超声波传感器，能判别驾驶员在停车场等场合误踩油门并强制刹车，保证汽车在与障碍物距离 20cm 内可以停下来。防止因踩错刹车而造成事故的步骤分两步实施。当驾驶员要在停车场停车时，如果踩成了油门，则首先将车速减至蠕滑速度，用仪表板的图标来提示危险，并响起警报声。如果驾驶员仍继续踩油门而即将撞上墙壁等物体时（距障碍物距离过小），则强制刹车。该技术预定在 23 年内实用化。科技创新项目研究报告- 6 -1.31.3 电车车身安全系统工作原理电车车身安全系统工作原理本项目作品是一种微控制器根据测距传感器和测速传感器的数据，在危机情
9、境下且驾驶者误操作时干预人对电车驱动电机以及转向电机的控制，能够纠正驾驶者错误操作的车身安全系统，可实现控制系统辅助驾驶者控制车辆，达到提高行车安全系数的目的。该系统的传感器系统包括八方向超声波测距传感器和霍尔测速传感器以及主轴感应磁铁，反馈系统功能由微控制器测量驾驶者控制系统的两路电机信号脉宽来实现（以本项目研究过程中使用的实验平台的硬件为研究对象）。在车辆运行期间，测距传感器测量对应时刻车辆距离各个方向障碍物的距离，测速传感器测量自身车速，同时反馈系统测得当前的驾驶者控制各路电机的信号脉宽。控制系统按照驱动电机转速和转向电机转角与其各路控制信号脉宽的关系，以当前的两路信号脉宽值及其变化规律
10、来判断驾驶者当前的操作状态。同时系统根据测得的距离和车速数据，按照一定的算法进行数据处理来评判驾驶者操作是否合理。而其中的算法优劣决定着整车的安全性，算法的确定将是本项目的研究的重点和难点。该系统的设计是基于当前道路的多种路况，适用于中低车速的电动汽车，能够满足中短距离的多方向避障的需求。科技创新项目研究报告- 7 -第第 2 章章 电车车身安全系统总体方案设计电车车身安全系统总体方案设计2.12.1 系统实验平台选择系统实验平台选择该系统的控制过程基于传感器测得的各项数据，控制对象为驱动电机和转向电机，受控结果前提需要保证车辆行驶的安全。而本研究项目为实验性项目，为保证实验结果的可靠性，本项
11、目选择各项构件与真车等比例缩小的 RC 遥控车作为系统的实验平台。选用 RC 遥控车作为系统的被控对象主要有以下几点原因，第一，RC 遥控车后轮安装有差速器，满足车辆转弯时需调整内外驱动轮的转速差的要求；第二，RC 遥控车整车动力来源于无刷直流电机，这同现今的电动汽车的驱动电机（交流异步电动机，包含无刷直流电机）类型相同，其控制方法类似，且该遥控车最高车速能接近实际车辆的时速。其次，RC 遥控车使用舵机作为前轮转向架的转向电机，因此能保证前轮转向角度被精确控制，这与实际的电动汽车对转向功能的要求相同。因此最终选择 RC 遥控车作为模型车实验平台。2.1.12.1.1 模型车比例的选择模型车比例
12、的选择在模型车电机和基本结构确定的前提下，为提高实验结果的可靠性，模型车与真车的比例的确定也成为保证本项目研究质量的一个关键点。由现有电动汽车的长宽分别为 4.5m 和 1.5m，实际车辆行驶时其左右两侧的障碍物距车身边缘的安全距离为 30cm,而模型车行驶时其两侧边与障碍物的安全距离可以小至 2cm。按照模型车与实际车辆的距障碍物安全距离的比例来确定模型车的比例，也即模型车与实际车辆的车身比例约为 1：15，并由实际车辆的大约长宽尺寸可估算出模型车的实际尺寸，也即30cm 和 10cm。现有的 RC 遥控车比例分别有 1：8，1：10，1：16 和 1：18，按照约 1：15 的尺寸比例，我
13、们在各系列的 RC 遥控车中选择接近该比例的车型，在保证价格合理的情况下我们选择与预期车型比例最接近的 1：16。该模型车车架如图 2-1 所示，其中不含驱动电机，转向电机以及驱动电路。科技创新项目研究报告- 8 -图 2-1.模型车车架2.1.22.1.2 模型车的结构配置模型车的结构配置模型车搭载直流无刷电动机作前后轮驱动电机，舵机作为前轮转向架驱动舵机，后轮安装差速器且车轮采用独立悬挂系统。无刷电机按照能够与模型车架尺寸配合的原则，选用型号为 2440 的电机，选择可输入PWM 数字信号的驱动器为无刷电机调速，即无刷电调，图 2-2 所示。无刷电调供电电压为7.4-14.8V，可由外部电
14、源供电，且该电调可由 BEC 电压端输出 5V 电压（最大供电电流2A），此 5V 电压可为整车的系统供电。图 2-2.无刷电机和电调 图 2-3.模型车舵机科技创新项目研究报告- 9 -转向电机采用 4.3g 舵机，扭力足够克服整车重量下产生的与地面间的摩擦力。其供电电压为 4.0-5.5V，可由电调的 BEC 电源供电。车架所用舵机见图 2-3。模型车架每个车轮都配有独立悬挂系统，其结构如图 2-4 所示。独立悬挂系统核心部件为弹簧和万向联轴器，各个车轮都有独立的车轮轴，每对车轮采用万向联轴器连接，车轮可独立上下摆动，弹簧的作用即减小行驶过程中由这种随机摆动产生的震动。图 2-4.车轮独立
15、悬挂系统结构2.22.2 本章小结本章小结本章主要从电车车身安全系统的实验平台的选择，以及其车身结构配置和电机的参数及选择两大方面对系统的总体方案进行了设计，为后续实现预期功能的电路系统的搭建及软件系统的设计提供了铺垫。科技创新项目研究报告- 10 -第第 3 章章 系统控制算法设计系统控制算法设计3.13.1 控制流程的要求控制流程的要求安全系统对车辆辅助控制的基本原则为在车速一定的情况下，当距障碍物的距离小于一定值且检测到驾驶者未能降速或转向时，才能触发安全系统的保护机制，即优先强制减速，必要时再干预驾驶者对车辆的转向操作。同时，反馈测量系统要对驾驶者控制系统产生的两路电机信号进行测量和并
16、返回给控制系统处理。作为对预期功能的验证性实验，本项目在系统控制流程中使用了一组预先设定的数据，具体数据见 3.2 节流程图。3.23.2 控制算法流程图控制算法流程图在系统的算法流程图中，我们通过对车辆驱动电机和转向电机的控制信号的脉宽与车辆转速和前轮转角的关系的研究，最终确定出根据信号脉宽值判断出参考车速和前轮转向状态的方法，进而对车辆的运动状态进行了划分。按照车身前后运动的状态分为前进（G）和后退（B），并对每种方向细分为直行（GST）和转弯（GTN），又将转弯状态分为左转（LT）和右转（RT）。流程图中使用了英文字符或与数字的组合来表示流程图对车辆状态的划分和传感器测得的数据，其具体含义及作用如下：PWW 和 PWD 分别为反馈测量系统对驾驶者控制电路产生的驱动电机和转向电机控制信号的脉宽
