智能小车设计文献综述

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1、智能小车设计文献综述摘要：随着电子工业的发展进步，智能技术广泛运用于各种领域，智能小车不仅在工 业智能化上得到广泛的应用，而且运用于智能家居中的产品也越来越受到人们的青 睐。国外智能车辆的研究历史较长。相比于国外，我国开展智能车辆技术方面的研究 起步较晚，在智能车辆技术方面的研究总体上落后于发达国家但是也取得了一系列的 成果。随着人工智能技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，智能控制将有广 阔的发展空间.本设计的智能小车利用红外对管检测黑线与障碍物，并以单片机为控制 芯片控制电动小汽车的速度及转向，从而实现自动循迹避障的功能。并对智能小车研 究现状以及未来的应用与发展前景做一个全方面的介绍

2、。1前言随着电子技术、计算机技术和制造技术的飞速发展，数码相机、DVD、洗衣机、 汽车等消费类产品越来越呈现光机电一体化、智能化、小型化等趋势。智能化作为 现代社会的新产物，是以后的发展方向，他可以按照预先设定的模式在一个特定的 环境里自动的运作,无需人为管理，便可以完成预期所要达到的或是更高的目标。 智能小车，也称轮式机器人，是一种以汽车电子为背景，涵盖控制、模式识别、传 感技术、电子、电气、计算机、机械等多科学的科技创意性设计，一般主要路径识 别、速度采集、角度控制及车速控制等模块组成.一般而言，智能车系统要求小车在白 色的场地上，通过控制小车的转向角和车速,使小车能自动地沿着一条任意给定

3、的黑 色带状引导线行驶1。智能小车运用直流电机对小车进行速度和正反方向的运动控 制，运用直流电机对小车进行速度和正反方向的运动控制，通过单片机来控制直流 电机的工作，从而实现对整个小车系统的运动控制.2智能小车的发展历史、国内外研究现状2.1国外研究现状国外智能车辆的研究历史较长，始于上世纪50年代。它的发展历程大体可以分 成三个阶段2 34：第一阶段,20世纪50年代是智能车辆研究的初始阶段。1954年美国Barrett Electronics公司研究开发了世界上第一台自主引导车系统AGVS(Automated Guided Vehicle System)。该系统只是一个运行在固定线路上的拖

4、车式运货平台，但它却具 有了智能车辆最基本得特征即无人驾驶.早期研制AGVS的目的是为了提高仓库运 输的自动化水平，应用领域仅局限于仓库内的物品运输。随着计算机的应用和传感 技术的发展,智能车辆的研究不断得到新的发展。第二阶段，从80年代中后期开始，世界主要发达国家对智能车辆开展了卓有成 效的研究.在欧洲，普罗米修斯项目于1986年开始了在这个领域的探索。在美洲，美国 于1995年成立了国家自动高速公路系统联盟(NAHSC)，其目标之一就是研究发展 智能车辆的可能性,并促进智能车辆技术进入实用化。在亚洲，日本于1996年成立 了高速公路先进巡航/辅助驾驶研究会，主要目的是研究自动车辆导航的方法

5、，促进 日本智能车辆技术的整体进步.进入80年代中期,设计和制造智能车辆的浪潮席卷全 世界,一大批世界著名的公司开始研制智能车辆平台。第三阶段，从90年代开始，智能车辆进入了深入、系统、大规模研究阶段.最为 突出的是，美国卡内基.梅隆大学(Carnegie Mellon University)机器人研究所一共完 成了 Navlab系列的10台自主车(Navlab1-Navlab10)的研究，取得了显著的成就。目前，智能车辆的发展正处于第三阶段.这一阶段的研究成果代表了当前国外智 能车辆的主要发展方向。在世界科学界和工业设计界中，众多的研究机构研发的智 能车辆具有代表性的有：德意志联邦大学的研究

6、，1985年，第一辆VaMoRs智能原型车辆在户外高速公 路上以100km/h的速度进行了测试，它使用了机器视觉来保证横向和纵向的车辆控 制。1988年，在都灵的PROMRTHEUS项目第一次委员会会议上，智能车辆维塔 (VITA,7t)进行了展示，该车可以自动停车、行进，并可以向后车传送相关驾驶信 息.这两种车辆都配备了 UBM视觉系统。这是一个双目视觉系统，具有极高的稳定 性。荷兰鹿特丹港口的研究，智能车辆的研究主要体现在工厂货物的运输.荷兰的 Combi road系统，采用无人驾驶的车辆来往返运输货物,它行驶的路面上采用了磁性 导航参照物，并利用一个光阵列传感器去探测障碍。荷兰南部目前正

7、在讨论工业上 利用这种系统的问题，政府正考虑已有的高速公路新建一条专用的车道，采用这种系 统将货物从鹿特丹运往各地。日本大阪大学的研究，大阪大学的Shirai实验室所研制的智能小车，采用了航位 推测系统(Dead Reckoning System)，分别利用旋转编码器和电位计来获取智能小车 的转向角，从而完成了智能小车的定位。另外，斯特拉斯堡实验中心、英国国防部 门的研究、美国卡内基梅隆大学、奔驰公司、美国麻省理工学院、韩国理工大学对 智能车辆也有较多的研究。2.2国内研究现状相比于国外，我国开展智能车辆技术方面的研究起步较晚，开始于20世纪80年 代。而且大多数研究处在于针对某个单项技术研究

8、的阶段.虽然我国在智能车辆技术 方面的研究总体上落后于发达国家，并且存在一定得技术差距，但是我们也取得了 一系列的成果5 ，主要有：(1)中国第一汽车集团公司和国防科技大学机电工程与自动化学院与2003年 研制成功我国第一辆自主驾驶轿车。该自主驾驶轿车在正常交通情况下的高速公路 上，行驶的最高稳定速度为13km/h，最高峰值速度达170km/h，并且具有超车功能， 其总体技术性能和指标已经达到世界先进水平。(2)南京理工大学、北京理工大学、浙江大学、国防科技大学、清华大学等多 所院校联合研制了 7B。8军用室外自主车，该车装有彩色摄像机、激光雷达、陀螺 惯导定位等传感器。计算机系统采用两台Su

9、n10完成信息融合、路径规划，两台PC486 完成路边抽取识别和激光信息处理，8098单片机完成定位计算和车辆自动驾驶。其 体系结构以水平式结构为主，采用传统的“感知-建模-规划一执行”算法，其直线 跟踪速度达到20km/h，避障速度达到5-10km/h。智能车辆研究也是智能交通系统ITS的关键技术.目前，国内的许多高校和科研 院所都在进行智能交通系统ITS (Intelligent Transport System)关键技术、设备的研 究。随着ITS研究的兴起，我国已形成一支ITS技术研究开发的技术专业队伍.并且 各交通、汽车企业越来越加大了对ITS及智能车辆技术研发的投入，整个社会的关 注

10、程度在不断提高。交通部已将ITS研究列入“十五”科技发展计划和2010年长期 规划。相信经过相关领域的共同努力，我国ITS及智能车辆的技术水平一定会得到很 大提高。目前学术界对智能小车的研究也很多，桂林理工大学黄建能等设计的无线遥 控小车，其由四部分组成:主控模块、无线通信模块、电机驱动模块和电源模块.主 控模块采用STC89C52单片机作为处理器；无线通信模块采用芯片 PT2262和 PT2272实现无线收发;用内置两个H桥的L298芯片驱动直流电机实现对小车的控 制，实现前进、后退，左转、右转以及加速、减速的动作。整个无线遥控小车系统 具有体积小、成本低、操作简单等优点，并具有一定的可扩展

11、性。于连国、李伟等6设计了自动往返的智能电动车,其采用STC89C51单片机作 为小车的检测和控制核心；使用红外传感器检测跑道黑线并把反馈到的信号传给单 片机，能够使小车在各区域均能按预定的速度行驶。葛广军，杨帆设计了一种能够自动循迹的智能小车。该智能小车的控制系统以 单片机MC912DG128为核心，由路径识别、车速检测、舵机控制、直流电机、电机 驱动芯片LMD18200和电压转换芯片LM7525等模块组成，并详细阐述了控制系统的 组成原理和软硬件设计。实验的结果表明：该控制系统具有循迹效果好、性能稳定 等优点。董涛，刘进英等设计并制作了一种具有红外遥控、自动避障、智能寻径等功 能的智能小车

12、，该车以玩具小车为车体，直流电机及其控制电路为整个系统的驱动部 分，STC89C52单片机为整个系统的控制核心，采用IRM-2638红外一体接收头接收 控制信号实现对小车的遥控，加以多种传感器以实现小车的自动避障与智能寻径等 功能,该小车还配备了两块数码显示管，以便实时观察小车状态.该小车工作稳定，还 可用于各种机器人比赛。姜宝华、齐强等9基于STC89C52RC单片机设计了一种遥控智能小车.小车具 有自动、遥控两种模式.该小车在遥控模式下小车可在1公里范围遥控到达指定位置, 并在手持设备上显示小车位置坐标；自动模式下在封闭环境输入任意坐标，小车可 自动运行到该位置。可以预计,我国飞速发展的经

13、济实力将为智能车辆的研究提供一个更加广阔的 前景。我们要结合我国国情，在某一方面或某些方面，对智能车进行深入细致的研究， 为它今后的发展及实际应用打下坚实的基础。3智能小车设计构想智能车辆是集环境感知、规划决策、多等级辅助驾驶等功能于一体的综合系统， 是智能交通系统的一个重要组成部分。本次设计对智能小车的控制系统进行了研究， 设计实现一个基于路径规划处理的智能小车控制系统，实现智能小车最基本的两个 功能：循迹、避障。3.1主控系统方案1：采用可编程逻辑器件CPLD作为控制器。CPLD可以实现各种复杂的逻辑功能、规模大、密度高、体积小、稳定性高、IO资源丰富、易于进行功能 扩展.采用并行的输入输

14、出方式，提高了系统的处理速度，适合为大规模控制系统的 控制核心.但本设计不需要复杂的逻辑功能，对数据的处理速度要求也不是非常高。 且从使用及经济角度考虑我放弃了此方案。方案2：采用51单片机作为整个系统的核心7，用其控制行进中的小车，以实 现其既定的性能指标。充分分析我们的系统，其关键在于实现小车的自动控制，而 在这一点上,单片机就显现出来它的优势-控制简单、方便、快捷.这样一来，单片机 就可以充分发挥其资源丰富、有较为强大的控制功能及可位寻址操作功能、价格低 廉等优点。因此，这种方案是一种较为理想的方案.综上所述，我采用了方案二。3.2电机驱动模块方案1：采用继电器对电动机的开或关进行控制，

15、通过开关的切换对小车的速 度进行调整。此方案的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间慢，易损坏 寿命较短,可靠性不高。方案2：采用电阻网络或数字电位器调节电动机的分压，从而达到分压的目的。 但电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。更主要的问题 在于一般的电动机电阻很小，但电流很大，分压不仅回降低效率，而且实现很困难。方案3：采用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。线性型驱动的 电路结构和原理简单，加速能力强，采用由达林顿管组成的H型桥式电路。用单片 机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态下，精确调整电动机转速。这种 电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率

16、非常高,H型桥式电路保证了简单的实 现转速和方向的控制，电子管的开关速度很快，稳定性也极强，是一种广泛采用的 PWM调速技术.这种调速方式有调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大能承受频 繁的负载冲击，还可以实现频繁的无级快速启动、制动和反转等优点因此决定采用 使用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。综合考虑，本设计选择了方案三。3.3循迹模块方案1：采用简易光电传感器结合外围电路探测,但实际效果并不理想，对行驶 过程中的稳定性要求很高，且误测几率较大、易受光线环境和路面介质影响。在使 用过程极易出现问题，而且容易因为 该部件造成整个系统的不稳定.故最终未采用 i亥方案。方案2：采用两只红外对管，分别置于小车车身前轨道的两侧，根据两只光电开 关接受到白线与黑线的情况来控制小车转向来调整车向，测试表明，只要合理安装 好两只光电开关的位置就可以很好的实现循迹的功能。方案3