碩士學位論文its智能車輛控制系統-資料下載頁

　　

【正文】 統無法接受的。同樣采用M/T法進行測速，在慢速情況下，要保證系統的檢測精度，則必須犧牲檢測系統的實時性。若采用T法測速，只要選擇較高頻率的高頻信號進行參考便能得到很好的檢測精度。頻率越高，精度越高。例如，選擇1KHz的高頻信號進行計時，則車速在5cm/s情況下，檢測誤差小于1%，在30cm/s的高速下，檢測誤差為6％，一般在2％～3％之間。但采用T法測速下速度的檢測周期是不確定的，與小車的速度成反比，即車速越高，檢測周期越短。在慢速(5cm/s)下，每隔100ms才能更新一次速度信息，高速(30cm/s)下，每隔16ms就能更新一次速度信息。而系統的控制周期是不能隨著車速而改變的，因為電機的特性是固定的，當加載控制量的時候，需要一定的延遲時間才能達到一定的控制效果，因此，在固定的控制周期下，才能確定一整套控制算法的控制參數。如果控制周期改變，相應的控制參數（如比例系數，積分系數，微分系數等）也要相應改變，進行重新整定，否則不論采用什么樣的控制方法，都不能達到穩定的控制效果，小車經常會出現急停急起的振蕩狀態。基于上述比較和分析，本文選擇采用T法測速，設置速度控制周期為最大速度檢測周期100ms的車速檢測與控制方案。 車輛速度檢測模塊軟件流程圖，首先將PCA3設置成捕捉模式，再將作為T法測速的高頻參考信號PCA計數器頻率設置為1KHz，在啟動PCA計數器和使能PCA中斷后，便可以對車輛的轉速進行檢測了。速度檢測電路每輸出一個光電脈沖都會進入PCA中斷，將兩次進入中斷的計數器值進行相減，得到兩個光電脈沖之間的高頻脈沖值，通過計算求出實時車速并存入全局變量，供車速控制程序使用，以保證車速檢測的實時性。 車輛誘導控制研究與實現誘導控制是自動導引小車（Auto Guided Vehicle, AGV）系統中的關鍵技術[[] Chan Y，Magnetic sensing as a position reference system for ground vehicle control，IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，2002，51(1)：43~52]。誘導控制子系統的控制對象是智能車的行駛方向，執行機構是方向控制子模塊，反饋裝置是誘導傳感器模塊，控制器為以單片機為主控芯片的車輛運動控制系統主控模塊。 車輛誘導控制模塊結構圖本節將先進行誘導方式的比較分析和設計，之后通過介紹方向控制和誘導傳感器模塊的設計與實現，搭建好完整的誘導控制系統，再通過誘導控制策略的研究和調試，實現智能車的良好誘導控制。 車輛誘導方式選擇車輛誘導控制技術是實現車路自動化的前提[[] Clement Stuart，Taylor，Michael，The simple platoon advancement model of ITS technologies applied to vehicle control at signalised intersections，Journal of Advanced Transportation，v 40，n 1, Winter，2006，1~21]。自1999年開始，國家智能交通系統工程技術研究中心(ITSC)以車輛誘導控制技術為切入點，在國內率先對智能公路系統進行深入研究開發。目前比較成熟的車輛誘導方式包括視覺誘導、激光誘導、超聲波誘導及磁誘導等[[] Bento L C，Nunes U，Moita F，etal．Sensor fusion for precise autonomous vehicle navigation in outdoor semi－structured environments，Proceedings of the IEEE Intelligent Conference on Intelligent Transportation Systems，USA：IEEE，2005：245~250]。磁誘導技術是一項非常有前景的技術，具有很高的測量精度及良好的重復性，不易受天氣情況以及光線變化的影響，可用于智能車輛的位置測量及控制，磁鋼一旦埋設好后，維護費用非常低，使用壽命非常長，可以通過磁鋼編碼來提供前方道路信息。磁誘導技術的研究主要集中在日本和美國，美國加州大學伯克利分校的PATH課題組在這一領域進行了卓有成效的研究[[] 李斌，王春燕，吳濤，中國智能公路磁誘導技術研究進展，公路交通科技，2004，11：50~54]。1997年，在美國圣地亞哥市第15號州際高速公路試驗路上進行了智能公路系統的試驗展示；1998年，日本建設部土木研究所首次進行了自動高速公路系統的公開演示；在歐洲，葡萄牙科英布拉大學研制的RoboCar、荷蘭鹿特丹投入應用的ParkShuttle等都采用了磁誘導技術，并進行了很多次成功的演示。在國內，國家智能交通系統工程技術研究中心于2000年成立了專門的智能車輛磁誘導控制課題組，開展磁誘導應用研究。本文在車輛誘導控制方面，采用了路面磁性標記方式。路面磁誘導與智能車輛的車載機器視覺誘導相比，最大優點是完全不受光照變化以及惡劣氣候條件的影響，真正實現穩定可靠的全天候運行[[] 王春燕，吳超仲，蔡鳳田，智能公路磁道釘誘導磁場特性電磁感應法研究，中國公路學報，2003，03：20~25]。實時獲取車輛與車道中心線的相對位置是進行車道自動保持的前提，本文采用磁性參考/感知原理[[] Hung Pham，Integrated Maneuvering Control for Automated Highway Systems Based on a Magnetic Reference/sensing System，California PATH Research Report，2002：49~50]，即以車道中心線上布設的離散磁鋼做為車道參考標記，當車輛駛過磁鋼時，車載磁傳感器探測到磁信號而產生感應電壓，車載計算機根據感應電壓的相對大小確定車輛在目標車道上的相對位置，并據此對車輛轉向進行實時自動控制。 磁誘導控制示意圖 方向控制模塊設計與實現智能車輛的方向控制模塊是智能車誘導控制子系統的執行機構。它是由直流電機及其驅動電路以及轉角檢測反饋裝置構成的。直流電機及其驅動電路部分已經在上一節敘述過了，此處不再贅述。由于轉向控制不需要對轉速進行精確控制，因此對于電機轉速，本文設計采用開環控制方式，設置PWM波采用一定的占空比，來實現轉向電機旋轉。在方向控制模塊中，重點關注的是電機的轉動角度的檢測以及轉動角度的精確控制。電機轉動角度常用檢測裝置有旋轉編碼器和轉角電位計。旋轉編碼器[[] 方獻梅，熊偉，董大明，基于光電碼盤的電機高精度轉角定位系統，微計算機信息，2007，23：299~301]是集光機電技術于一體的位移傳感器。當旋轉編碼器軸帶動光柵盤旋轉時，經發光元件發出的光被光柵盤狹縫切割成斷續光線，并被接收元件接收產生初始信號。該信號經后繼電路處理后，輸出脈沖或代碼信號。通過檢測脈沖信號來獲取電機轉動角度信息。旋轉編碼器具有品種多，功能全，頻響高，分辨能力高，力矩小，耗能低，性能穩定，使用壽命長等特點。但是由于其體積較大，輸出信號處理復雜，不適合本文設計的智能車系統使用。本文選取轉角電位計做為電機轉動角度檢測裝置，其分辨率高，抗沖擊振動的能力強，體積小，質量輕，安裝簡便，非常適合本文設計的智能車系統。轉角電位計的工作原理十分簡單。 轉角電位計原理圖工作電壓加在腳1與腳3之間，腳1與腳2之間的電壓為輸出電壓。在電刷與軸柄一起轉動的過程中，輸出電壓值隨之發生變化，從而檢測出旋轉角度的大小[[] 王君龍，孫永榮，肖紀立，基于軸角檢測的力矩電機轉矩控制系統，機械與電子，2008，2：15~20]。轉角電位計輸出的是連續變化的電壓信號，不方便進行數字控制。因此需要將此電壓信號進行AD轉換。本系統選擇的單片機內部集成的8通道AD轉換器，其采樣精度能夠達到10位，最大采樣頻率達到100KHz，能夠滿足方向控制系統實時性和檢測精度的要求。 智能車轉角示意圖。智能車向右轉，為正；反之向左轉，為負。的范圍為到。將智能車方向控制系統裝配完成，對轉角電位器輸出值與實際車輛轉角進行測量和對比。 轉角電位器輸出電壓值與小車實際轉角關系曲線圖其中曲線1測試時，智能車由左向右轉向，角由變化到；曲線2測試時，智能車由右向左轉向，角由變化到。從上圖可以看出，轉角電位器檢測的線性度很好，滯后很小，重復性誤差小，可以滿足系統對于小車轉向角度檢測的要求。由于轉向電機通過齒輪嚙合等機械方式驅動前輪實現轉向，電機本身的轉速不高。本文設計的轉速控制采用查詢法，即設定好轉動方向及角度后，通過AD采樣，將此刻轉角電位器的輸出值做為模塊的反饋值。系統通過誤差的符號決定電機的轉向，當誤差小于一定范圍時，電機便停轉。此時，前輪便轉動到了系統設定的角度。 車輛誘導傳感器模塊設計與實現前文所述，本文設計的智能車輛誘導控制系統采用磁誘導方式，因此誘導傳感器模塊的設計也就是磁傳感模塊的設計。磁場強度可以通過各種各樣的技術來進行測量，大多數磁傳感器都是將磁信號轉換成電信號，從而實現對磁體磁場強度的測量。不同的應用背景所適合使用的傳感器也不一樣，按照所測量磁場強度范圍的大小，磁傳感器可分為兩類：磁場強度測量范圍高于1mT的磁傳感器稱為高斯計；磁場強度測量范圍低于1mT的磁傳感器稱為磁力計， mT之間的傳感器也被稱為地磁計[[] 徐海貴，王春香，楊汝清，磁傳感系統在室外移動機器人導航中的研究，機器人，2007，1：28~32]。[[] Moita Nunes U，The Magnetic Sensing Ruler Configuration，Software Structure and Characterization，Portugal：University of Coimbra，2004]。 磁傳感器磁場測量范圍表磁傳感器磁場測量范圍(T)感應線圈傳感器磁通門傳感器光泵式磁敏傳感器原子運動傳感器SQUID傳感器霍爾式傳感器磁阻傳感器光纖傳感器光敏磁傳感器磁體晶體管傳感器磁敏二極管傳感器巨磁阻傳感器地磁場不同的磁傳感器具有不同的測量范圍和應用場合，對于本文設計的智能交通演示實驗平臺上的智能車輛系統來說，其工作環境為室內，平臺“道路”上埋設的是磁場強度為T的磁鋼。考慮到成本因素和復雜程度，本文選擇霍爾式傳感器來構成車輛誘導控制傳感器模塊。霍爾式傳感器是利用霍爾元件基于霍爾效應原理而將被測量如電流、磁場、位移、壓力等轉換成電動勢輸出的一種傳感器[[] 賈伯年，俞樸，傳感器技術第2版，南京，東南大學出版社，2000]。當電流垂直于外磁場通過導體時，在導體的垂直于磁場和電流方向的兩個端面之間會出現電勢差，這一現象便是霍爾效應。這個電勢差叫做霍爾電勢差[29]。本文選擇線性霍爾傳感器HW300B，在傳感器磁場測量范圍內，測量磁場與傳感器輸出電壓之間的關系呈良好的線性關系()，并且靈敏度高、重復性好、磁滯小，傳感器具有較高的測量精度[[] HW300B DataSheet，AKE，2002]。 霍爾傳感器輸出電壓與磁場強度關系曲線： HW300B檢測電路圖，利用差分放大電路，可以將霍爾電勢差進行放大輸出，利用單片機進行AD采樣，便于系統進行檢測。為了在更大的范圍內檢測到磁鋼的磁信號，同時兼顧安裝和固定，本文設計使用5個霍爾傳感器組成一條磁尺，用來檢測車輛與磁鋼的相對位置。磁尺總長35mm，每個磁傳感器之間有7mm的間距，這種設計方案主要考慮智能車輛在運行的時候大多情況下橫向偏差都不大。由于磁場強度隨霍爾傳感器高度的增加而迅速減小，因此磁傳感器很難在比較高的高度測量磁場強度。本文設計的智能車輛磁誘導控制系統中，磁尺安裝在車輛前端，在磁缸尺寸相對比較小的情況下，磁尺的安裝高度設計為10mm。 磁尺安裝圖 智能車輛定位及誘導控制算法研究智能車輛在道路上運行時，磁尺上的磁傳感器檢測到磁鋼的磁信號，根據信號的大小可以確定傳感器與磁鋼之間的相對位置關系，從而確定車輛的橫向偏移。常用的磁定位方法有磁場匹配算法和序列算法[27]。磁場匹配算法對霍爾傳感器檢測精度要求很高，每種偏移量情況下傳感器輸出的重復性要求高，由于車輛行駛時會出現振動，霍爾傳感器往往會受到地磁場以及其他電氣設備干擾磁場等影響，使得系統在運用磁場匹配算法時對車輛的振動以及外界的干擾反應明顯，在本文設計的智能車輛磁定位系統中難以運用，因此，本文結合系統本身的特性，采用了改進的序列算法進行磁定位和誘導控制。序列算法是對5個傳感器信號大小進行排序，根據排序的結果來確定橫向偏移的一種算法。當磁尺檢測到磁鋼的磁信號時，距離磁鋼位置最近的傳感器輸出的電壓也一定是最大的，因此可以知道磁鋼離哪個傳感器位置最近，便可以根據式計算出車輛的橫向偏移D。 式中：N是距離磁鋼最近的傳感器的序號，車輛橫向偏移D的單位為mm。按照該序列算法，車輛橫向偏移D的最小分辨范圍為7mm，與磁尺的長度35mm相比較，精度僅為20％，相對較低。為了達到更高的檢測精度和更好的控制效果，本文提出了一種改進的序列算法，即分別計算出距離磁鋼位置最近的和次近的霍爾傳感器，從而將車輛橫向偏移D的最小分辨范圍縮小一半。其中負值表示向左側偏移，正值表示向右側偏移。，％以內，與序列算法相比，定位的精度更高。 車輛橫向偏差檢測結果實際橫向偏移值(mm)序列算法計算值(mm)序列算法誤差(mm)改進序列算法計算值(mm)改進序列算法誤差(mm)1412108642024681012141414777700077771414023113202311