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1、第第1章章 智能汽车设计导论智能汽车设计导论 武汉科技大学信息科学与工程学院1.1 1.1 智能汽车智能汽车 11.2 1.2 国外智能汽车设计竞赛国外智能汽车设计竞赛 21.3 1.3 中国大学生智能汽车设计竞赛中国大学生智能汽车设计竞赛 3第第1章章 智能汽车设计导论智能汽车设计导论 武汉科技大学信息科学与工程学院1.1 智能汽车智能汽车v1.1.1 智能汽车设计的意义及研究内容智能汽车设计的意义及研究内容v1.1.2 智能汽车设计的技术关键智能汽车设计的技术关键 武汉科技大学信息科学与工程学院1.1.1 智能汽车设计的意义及研究内容智能汽车设计的意义及研究内容智能汽车的体系结构智能汽车的
2、体系结构 智能汽车的信息采集、处理及传输智能汽车的信息采集、处理及传输 智能汽车的自动控制系统智能汽车的自动控制系统 智能汽车的通信系统智能汽车的通信系统 智能汽车的导驶定位技术智能汽车的导驶定位技术 智能汽车的电源系统智能汽车的电源系统 武汉科技大学信息科学与工程学院智能汽车的研究意义智能汽车的研究意义v21世纪的汽车概念将发生根本性的变化。现在的世纪的汽车概念将发生根本性的变化。现在的“汽车汽车”是带有一些电子控制的机械装置，将来是带有一些电子控制的机械装置，将来的的“汽车汽车”将转变为带有一些辅助机械的机电一将转变为带有一些辅助机械的机电一体化装置，汽车的主要部分不再仅仅是个机械装体化装
3、置，汽车的主要部分不再仅仅是个机械装置，它正向消费类电子产品转移。同时，智能汽置，它正向消费类电子产品转移。同时，智能汽车在传统汽车上配备了远程信息处理器、传感器车在传统汽车上配备了远程信息处理器、传感器和接收器，通过无线网络获取前方交通状况信息，和接收器，通过无线网络获取前方交通状况信息，引导汽车加速或减速。这样，汽车就能更为平稳引导汽车加速或减速。这样，汽车就能更为平稳地行驶，避免不断刹车、启动的动作，以降低油地行驶，避免不断刹车、启动的动作，以降低油耗。随着汽车电子控制技术的发展，中国的汽车耗。随着汽车电子控制技术的发展，中国的汽车工业将面临着巨大的发展机遇和挑战，开展智能工业将面临着巨
4、大的发展机遇和挑战，开展智能汽车技术的研究与开发工作具有重要意义。汽车技术的研究与开发工作具有重要意义。 武汉科技大学信息科学与工程学院智能汽车的体系结构智能汽车的体系结构v智能汽车的体系结构的设计必须包含实现用户功智能汽车的体系结构的设计必须包含实现用户功能的全部子系统的设计。智能汽车的体系结构应能的全部子系统的设计。智能汽车的体系结构应该阐述这种车辆的结构体系，列出用户服务功能，该阐述这种车辆的结构体系，列出用户服务功能，定义实现用户服务功能的各个子系统。研究各个定义实现用户服务功能的各个子系统。研究各个子系统之间的通信方式和组织方式。子系统之间的通信方式和组织方式。 武汉科技大学信息科学
5、与工程学院智能汽车的信息采集、处理及传输智能汽车的信息采集、处理及传输 v信息就是智能汽车的灵魂，智能汽车将用实时的、信息就是智能汽车的灵魂，智能汽车将用实时的、全面的、有效的信息流来驱动汽车系统的运动。全面的、有效的信息流来驱动汽车系统的运动。因此，研究智能汽车系统的信息环境模型、信息因此，研究智能汽车系统的信息环境模型、信息处理方法与技术、高效的信息传输技术就显得尤处理方法与技术、高效的信息传输技术就显得尤其重要。其重要。 武汉科技大学信息科学与工程学院智能汽车的自动控制系统智能汽车的自动控制系统 v越来越多的交通问题专家认为，交通系统的诸多越来越多的交通问题专家认为，交通系统的诸多问题的
6、根源就出在驾驶员身上。驾驶员的技术水问题的根源就出在驾驶员身上。驾驶员的技术水准、法制观念、身体状况和对交通环境的适应能准、法制观念、身体状况和对交通环境的适应能力等因素都直接影响行车的效果，进而影响交通力等因素都直接影响行车的效果，进而影响交通系统的运行状况。解决问题的出路在于汽车驾驶系统的运行状况。解决问题的出路在于汽车驾驶的自动化，即用自动控制器取代驾驶员。由于交的自动化，即用自动控制器取代驾驶员。由于交通环境信息的复杂化和多变性、交通任务的多样通环境信息的复杂化和多变性、交通任务的多样性等原因，汽车控制策略必须基于智能控制理论性等原因，汽车控制策略必须基于智能控制理论来设计。来设计。
7、武汉科技大学信息科学与工程学院智能汽车的通信系统智能汽车的通信系统 v在智能汽车与智能汽车之间、智能汽车与交通监在智能汽车与智能汽车之间、智能汽车与交通监控中心之间、智能汽车与道路附属设施之间，都控中心之间、智能汽车与道路附属设施之间，都存在着大量信息的实时交换。通信子系统是智能存在着大量信息的实时交换。通信子系统是智能汽车系统获取和传递信息的神经中枢，必须研究汽车系统获取和传递信息的神经中枢，必须研究适合于智能汽车信息交换的通信系统结构形式、适合于智能汽车信息交换的通信系统结构形式、软件技术、传输介质、编码纠错技术等。软件技术、传输介质、编码纠错技术等。 武汉科技大学信息科学与工程学院智能汽
8、车的导驶定位技术智能汽车的导驶定位技术 v智能汽车导驶定位系统的任务是对行驶中的智能智能汽车导驶定位系统的任务是对行驶中的智能汽车进行实时导航定位，如在车辆内显示目的地汽车进行实时导航定位，如在车辆内显示目的地的地图，确定车辆的位置，选择合适的行车路径的地图，确定车辆的位置，选择合适的行车路径等。同时，车辆同交通监控中心可以通信，使用等。同时，车辆同交通监控中心可以通信，使用一个数据库记录车辆及途经道路的历史状况信息，一个数据库记录车辆及途经道路的历史状况信息，该子系统研究涉及该子系统研究涉及GPS定位技术、电子地图技术、定位技术、电子地图技术、数据库技术、显示技术以及接口技术和应用软件数据库
9、技术、显示技术以及接口技术和应用软件技术等。技术等。 武汉科技大学信息科学与工程学院智能汽车的电源系统智能汽车的电源系统 v汽车的传统能源以石油为主，随着世界环境问题汽车的传统能源以石油为主，随着世界环境问题的突出显现，由燃油引发的交通事业可持续发展的突出显现，由燃油引发的交通事业可持续发展问题显得十分急迫。当前，最有可能被成功应用问题显得十分急迫。当前，最有可能被成功应用于汽车的替代动力能源就是电能，电能具有效率于汽车的替代动力能源就是电能，电能具有效率高、清洁、易于变换、易于输送等特点，应用于高、清洁、易于变换、易于输送等特点，应用于智能汽车系统，前景广阔，是必然的选择。但是，智能汽车系统
10、，前景广阔，是必然的选择。但是，电能的大容量储存比较困难，因而将电能应用于电能的大容量储存比较困难，因而将电能应用于移动的智能汽车系统，还有很多理论和技术工作移动的智能汽车系统，还有很多理论和技术工作有待深入研究。有待深入研究。 武汉科技大学信息科学与工程学院1.1.2 智能汽车设计的技术关键智能汽车设计的技术关键智能汽车体系结构的设计智能汽车体系结构的设计 智能汽车的信息采集与处理技术智能汽车的信息采集与处理技术 智能汽车控制策略的设计智能汽车控制策略的设计 智能汽车导驶定位技术智能汽车导驶定位技术 智能汽车电源研究智能汽车电源研究 武汉科技大学信息科学与工程学院智能汽车体系结构的设计智能汽
11、车体系结构的设计v智能汽车体系结构设计的关键在于：如何根据智智能汽车体系结构设计的关键在于：如何根据智能汽车的性能，划分智能汽车各个功能子系统的能汽车的性能，划分智能汽车各个功能子系统的问题，这些子系统之间既相对独立，又存在信息问题，这些子系统之间既相对独立，又存在信息流动，共同实现全系统的功能。流动，共同实现全系统的功能。 武汉科技大学信息科学与工程学院智能汽车的信息采集与处理技术智能汽车的信息采集与处理技术 v汽车在行驶过程中，必须得到的信息包括车辆自汽车在行驶过程中，必须得到的信息包括车辆自身状况的信息、道路信息、近邻行驶汽车的信息身状况的信息、道路信息、近邻行驶汽车的信息及导航定位信息
12、等。这些信息一般被外界噪声所及导航定位信息等。这些信息一般被外界噪声所干扰，如何精确、实时、有效地采集到这些信息，干扰，如何精确、实时、有效地采集到这些信息，并进行处理，需要特别研究。并进行处理，需要特别研究。 武汉科技大学信息科学与工程学院智能汽车控制策略的设计智能汽车控制策略的设计 v目前，在智能控制领域内，已经提出了模糊控制目前，在智能控制领域内，已经提出了模糊控制理论、神经控制理论、专家控制理论、分层递阶理论、神经控制理论、专家控制理论、分层递阶控制理论等智能控制方案。所有这些智能控制策控制理论等智能控制方案。所有这些智能控制策略，其核心思想就是模仿人的思维和行动，去完略，其核心思想就
13、是模仿人的思维和行动，去完成或部分完成只有人类专家才能完成的控制任务。成或部分完成只有人类专家才能完成的控制任务。设计一个设计一个“类人类人”的汽车控制器，是智能汽车控的汽车控制器，是智能汽车控制策略研究中的终极方案。但由于汽车驾驶任务制策略研究中的终极方案。但由于汽车驾驶任务的复杂性，研究设计这种汽车智能控制器的任务的复杂性，研究设计这种汽车智能控制器的任务是十分艰巨的。是十分艰巨的。 武汉科技大学信息科学与工程学院智能汽车导驶定位技术智能汽车导驶定位技术 v智能汽车作为一种自动或半自动交通工具系统，智能汽车作为一种自动或半自动交通工具系统，如何选择交通路线、如何识别道路、如何精确实如何选择
14、交通路线、如何识别道路、如何精确实时地确定自己的地理位置、如何记录自己的行车时地确定自己的地理位置、如何记录自己的行车路线等问题，是当前研究的技术热点，而数字导路线等问题，是当前研究的技术热点，而数字导驶技术就是解决这些问题的综合方案。从硬件上驶技术就是解决这些问题的综合方案。从硬件上讲，车载计算机、控制器、显示器、数字地图、讲，车载计算机、控制器、显示器、数字地图、定位系统是必不可少的。车辆数字导驶技术研究定位系统是必不可少的。车辆数字导驶技术研究已经取得了一些结果，但是要完全彻底地解决问已经取得了一些结果，但是要完全彻底地解决问题，还需要做很多研究。题，还需要做很多研究。 武汉科技大学信息
15、科学与工程学院智能汽车电源研究智能汽车电源研究 v目前，车载动力电源的弊端是容量偏小、功率较目前，车载动力电源的弊端是容量偏小、功率较低、持续稳定工作时间短，国内外不少学者对此低、持续稳定工作时间短，国内外不少学者对此进行了大量研究，智能汽车作为新一代汽车的代进行了大量研究，智能汽车作为新一代汽车的代表，为应对日益严重的环境问题，必须采用电能表，为应对日益严重的环境问题，必须采用电能作为动力。但至目前为止，智能汽车动力电源仍作为动力。但至目前为止，智能汽车动力电源仍是一个有待突破的技术关键。是一个有待突破的技术关键。 武汉科技大学信息科学与工程学院1.2 国外智能汽车设计竞赛国外智能汽车设计竞
16、赛 v1.2.1 美国智能汽车大赛美国智能汽车大赛 v1.2.2 韩国大学生智能汽车竞赛韩国大学生智能汽车竞赛 武汉科技大学信息科学与工程学院1.2.1 美国智能汽车大赛美国智能汽车大赛 v美国国防部与民间的大学、企业和发明家联合开美国国防部与民间的大学、企业和发明家联合开展了全球领先的智能汽车竞赛。展了全球领先的智能汽车竞赛。2007年年11月，月，美国第三届智能汽车大赛日前在加利福尼亚州维美国第三届智能汽车大赛日前在加利福尼亚州维克托维尔举行，这是美国国防部第三次主办这样克托维尔举行，这是美国国防部第三次主办这样的大赛。参赛的无人驾驶汽车的车顶上有旋转的的大赛。参赛的无人驾驶汽车的车顶上有
17、旋转的激光器，两边有转动的照相机，内部安有电脑装激光器，两边有转动的照相机，内部安有电脑装置。这些无人驾驶汽车完全由电脑控制，利用卫置。这些无人驾驶汽车完全由电脑控制，利用卫星导航、摄像、雷达和激光，人工智能系统可判星导航、摄像、雷达和激光，人工智能系统可判断出汽车的位置和去向，随后将指令传输到负责断出汽车的位置和去向，随后将指令传输到负责驾驶车辆的系统，丝毫不受人的干涉，用传感器驾驶车辆的系统，丝毫不受人的干涉，用传感器策划和选择它们的路线。参赛的无人驾驶智能汽策划和选择它们的路线。参赛的无人驾驶智能汽车沿着附近公路飞奔。车沿着附近公路飞奔。武汉科技大学信息科学与工程学院1.2.1 美国智能
18、汽车大赛美国智能汽车大赛v这次智能汽车比赛的目标是对未来科学家的激励。这次智能汽车比赛的目标是对未来科学家的激励。大学、企业和发明家们期望制造出通过洛杉矶和大学、企业和发明家们期望制造出通过洛杉矶和拉斯维加斯间荒地、行程拉斯维加斯间荒地、行程100 mile（160 km）的自我控制汽车。）的自我控制汽车。图1.1 美国的智能汽车 图1.1 美国的智能汽车 图图图图1.1 1.1 美国的智能汽车美国的智能汽车美国的智能汽车美国的智能汽车武汉科技大学信息科学与工程学院1.2.2 韩国大学生智能汽车竞赛韩国大学生智能汽车竞赛 v韩国大学生智能汽车竞赛是韩国汉阳大学汽车控韩国大学生智能汽车竞赛是韩国
19、汉阳大学汽车控制实验室在飞思卡尔半导体公司资助下举办的，制实验室在飞思卡尔半导体公司资助下举办的，以以HCS12单片机为核心的大学生智能模型汽车单片机为核心的大学生智能模型汽车竞赛。组委会提供一个标准的汽车模型、直流电竞赛。组委会提供一个标准的汽车模型、直流电机和可充电式电池，参赛队伍要制作一个能够自机和可充电式电池，参赛队伍要制作一个能够自主识别路线的智能车，在专门设计的跑道上自动主识别路线的智能车，在专门设计的跑道上自动识别道路行驶，谁最快跑完全程而没有冲出跑道识别道路行驶，谁最快跑完全程而没有冲出跑道并且技术报告评分较高，谁就是获胜者。并且技术报告评分较高，谁就是获胜者。 武汉科技大学信
20、息科学与工程学院1.2.2 韩国大学生智能汽车竞赛韩国大学生智能汽车竞赛v2000年智能车比赛首先由韩国汉阳大学承办，年智能车比赛首先由韩国汉阳大学承办，每年全韩国大约有每年全韩国大约有100余支大学生队伍参赛，该余支大学生队伍参赛，该项赛事得到了众多高校和大学生的欢迎，也逐渐项赛事得到了众多高校和大学生的欢迎，也逐渐得到了企业界的关注。得到了企业界的关注。 图图图图1.2 1.2 韩国韩国韩国韩国SUNMOONSUNMOON大学参赛的模型车大学参赛的模型车大学参赛的模型车大学参赛的模型车武汉科技大学信息科学与工程学院1.3 中国大学生智能汽中国大学生智能汽车设计竞赛车设计竞赛 v1.3.1
21、中国大学生智能汽车设计竞赛简介中国大学生智能汽车设计竞赛简介 v1.3.2 中国大学生智能汽车设计竞赛历程中国大学生智能汽车设计竞赛历程v1.3.3 中国大学生智能汽中国大学生智能汽车设计竞赛车设计竞赛的基本的基本规则规则 武汉科技大学信息科学与工程学院1.3.1 中国大学生智能汽中国大学生智能汽车设计竞赛简车设计竞赛简介介 v我国大学生我国大学生“飞思卡尔飞思卡尔”杯智能汽车竞赛，是在杯智能汽车竞赛，是在统一汽车模型平台上，使用飞思卡尔半导体公司统一汽车模型平台上，使用飞思卡尔半导体公司的的8位、位、16位微控制器作为核心控制模块，自主位微控制器作为核心控制模块，自主构思控制方案进行系统设计
22、，包括传感器信号采构思控制方案进行系统设计，包括传感器信号采集处理、动力电机驱动、转向舵机控制以及控制集处理、动力电机驱动、转向舵机控制以及控制算法软件开发等，完成智能车工程制作及调试，算法软件开发等，完成智能车工程制作及调试，于指定日期与地点参加各分赛区的场地比赛，在于指定日期与地点参加各分赛区的场地比赛，在获得决赛资格后，参加全国决赛区的场地比赛。获得决赛资格后，参加全国决赛区的场地比赛。参赛队伍之名次（成绩）由赛车现场成功完成赛参赛队伍之名次（成绩）由赛车现场成功完成赛道比赛时间为主、技术报告和制作工程质量评分道比赛时间为主、技术报告和制作工程质量评分为辅来决定。为辅来决定。 武汉科技大
23、学信息科学与工程学院1.3.1 中国大学生智能汽中国大学生智能汽车设计竞赛简车设计竞赛简介介v每届比赛的难度依次增加每届比赛的难度依次增加自自2007年开始，年开始，比赛中增加了比赛中增加了15的上下坡道；自的上下坡道；自2008年开始，年开始，大赛分为光电与摄像头两个赛题组，在车模中使大赛分为光电与摄像头两个赛题组，在车模中使用透镜成像进行道路检测方法属于摄像头赛题组，用透镜成像进行道路检测方法属于摄像头赛题组，除此之外则属于光电管赛题组，并增加了终点自除此之外则属于光电管赛题组，并增加了终点自动停驶功能。动停驶功能。 图图图图1.4 1.4 比赛赛道比赛赛道比赛赛道比赛赛道 图图图图1.3
24、 1.3 参赛模型车参赛模型车参赛模型车参赛模型车武汉科技大学信息科学与工程学院1.3.2 中国大学生智能汽中国大学生智能汽车设计竞赛历车设计竞赛历程程 v第一届（第一届（2006年）年）：清：清华大学大学v第二届（第二届（2007年）年）：上海交通大学：上海交通大学v第三届（第三届（2008年）：年）：东北大学北大学武汉科技大学信息科学与工程学院1.3.3 中国大学生智能汽中国大学生智能汽车设计竞赛的基本的基本规则 v1有关模型有关模型车车改装的改装的规规定定 v2有关有关赛场赛场的的规规定定 武汉科技大学信息科学与工程学院有关模型有关模型车车改装的改装的规规定定v必须采用统一提供的车模必须
25、采用统一提供的车模 v必须采用限定的飞思卡尔必须采用限定的飞思卡尔16位微控制器位微控制器MC9S12DG128作为唯一控制处理器作为唯一控制处理器v车模改装完毕后，尺寸不能超过：车模改装完毕后，尺寸不能超过：250 mm宽宽和和400 mm长，高度无限制。长，高度无限制。 武汉科技大学信息科学与工程学院有关有关赛场赛场的的规规定定v赛道基本参数：赛道基本参数： 赛道路面用纸制作，跑道所占面积不大于赛道路面用纸制作，跑道所占面积不大于5000 mm 7000 mm，跑道宽度不小于，跑道宽度不小于600 mm； 跑道表面为白色，中心有连续黑线作为引导线，黑跑道表面为白色，中心有连续黑线作为引导线
26、，黑线宽线宽25 mm； 跑道最小曲率半径不小于跑道最小曲率半径不小于500 mm； 跑道可以交叉，交叉角为跑道可以交叉，交叉角为90； 赛道为二维水平平面；赛道为二维水平平面； 赛道有一个长为赛道有一个长为1000 mm的出发区，计时起始点两的出发区，计时起始点两边分别有一个长度边分别有一个长度100 mm黑色计时起始线，赛车前黑色计时起始线，赛车前端通过起始线作为比赛计时开始或者比赛结束时刻。端通过起始线作为比赛计时开始或者比赛结束时刻。 武汉科技大学信息科学与工程学院有关有关赛场赛场的的规规定定v初赛赛道实际布局将在初赛当日揭示，在赛场内初赛赛道实际布局将在初赛当日揭示，在赛场内将安排与实际赛道具有相同材料的局部赛道供参将安排与实际赛道具有相同材料的局部赛道供参赛队进行调试。赛队进行调试。 v决赛赛道实际布局将根据初赛情况由技术评判组决赛赛道实际布局将根据初赛情况由技术评判组和现场裁判组共同商定，并在决赛开赛前和现场裁判组共同商定，并在决赛开赛前1小时小时揭示，不再安排赛前试车。揭示，不再安排赛前试车。 图图图图1.5 1.5 比赛赛道标准示例（第一届）比赛赛道标准示例（第一届）比赛赛道标准示例（第一届）比赛赛道标准示例（第一届）
