智能駕駛小型電動(dòng)車的設(shè)計(jì)＊

張志鋒 肖世德 孟祥印 葉美松

（西南交通大學(xué)，成都 610031）

智能駕駛小型電動(dòng)車的設(shè)計(jì)＊

張志鋒 肖世德 孟祥印 葉美松

（西南交通大學(xué)，成都 610031）

設(shè)計(jì)了一種智能引導(dǎo)和人工駕駛兩用的小型電動(dòng)汽車。該電動(dòng)汽車?yán)贸暡▊鞲衅骱图す鈧鞲衅髯鳛檎系K探測(cè)感知傳感器，通過(guò)增量式旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)量車輛車速，采用PID算法實(shí)現(xiàn)車速調(diào)節(jié)控制。通過(guò)樣車試驗(yàn)表明，所設(shè)計(jì)的小型電動(dòng)汽車能夠在特定區(qū)域沿墻行駛或沿預(yù)設(shè)地面黑線穩(wěn)定的自主行駛，同時(shí)能夠主動(dòng)避障。

1 前言

隨著全球能源、交通、環(huán)境、安全等問(wèn)題日益突出，汽車技術(shù)向低碳化、信息化和智能化的發(fā)展趨勢(shì)日趨明顯[12]，實(shí)現(xiàn)智能駕駛不僅可以減少交通事故，還可以節(jié)約能源及節(jié)省人力成本。定位導(dǎo)航技術(shù)是智能駕駛汽車研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一，目前常用的包括磁導(dǎo)航和視覺(jué)導(dǎo)航等[3]。如，上海交通大學(xué)研發(fā)的CyberC3智能汽車和阿姆斯特丹國(guó)際機(jī)場(chǎng)的CyberCar智能汽車等采用了磁導(dǎo)航技術(shù)，但磁導(dǎo)航需在道路上埋設(shè)磁釘或電線等導(dǎo)航設(shè)備，整個(gè)實(shí)施過(guò)程繁瑣，且變更線路需重新埋設(shè)導(dǎo)航設(shè)備。視覺(jué)導(dǎo)航雖不需要對(duì)道路進(jìn)行改造，但其易受大霧、風(fēng)沙等自然環(huán)境因素的影響。本文采用低成本的超聲波傳感器和激光傳感器進(jìn)行導(dǎo)航，搭載了基于ARM單片機(jī)的智能控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一款智能引導(dǎo)與人工駕駛兩用的小型電動(dòng)車，該車可在特定區(qū)域內(nèi)沿著地面黑線或墻壁、臺(tái)階等自動(dòng)行駛，并能夠?qū)崿F(xiàn)主動(dòng)壁障。

2 車輛總體設(shè)計(jì)

智能駕駛電動(dòng)車的本質(zhì)是一種集環(huán)境感知、決策規(guī)劃和自動(dòng)駕駛等于一體的機(jī)器人，其綜合運(yùn)用了傳感器、自動(dòng)控制、單片機(jī)、信號(hào)處理等技術(shù)。所設(shè)計(jì)的智能駕駛小型電動(dòng)車試驗(yàn)樣車整車布局如圖1所示。該車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)分別采用無(wú)刷直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和直流推桿電機(jī)，車身四周安裝有超聲波傳感器，中控系統(tǒng)采用兩塊STM32微處理器。

圖1 智能駕駛小型電動(dòng)車試驗(yàn)樣車整車布局

2.1 電源配置

該車選用的無(wú)刷直流電機(jī)的額定電壓為48 V，直流推桿電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)的額定電壓均為24 V。由于目前國(guó)內(nèi)電池成組和多電壓輸出技術(shù)還不完善，為了保證小型電動(dòng)車運(yùn)行安全可靠，分別選用如圖2所示的兩種鋰電池獨(dú)立供電。

圖2 驅(qū)動(dòng)電源

2.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為節(jié)省空間和成本，所設(shè)計(jì)的智能駕駛小型電動(dòng)車采用了單電機(jī)集中驅(qū)動(dòng)模式[4]，如圖3所示。

圖3 單電機(jī)集中驅(qū)動(dòng)模式

驅(qū)動(dòng)力是推動(dòng)汽車前進(jìn)的外力，是由電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩經(jīng)齒輪傳遞到車輪并與地面相互作用形成的[5]，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中驅(qū)動(dòng)力必須大于等于行駛阻力（包括滾動(dòng)阻力、空氣阻力、加速阻力和坡道阻力）。

該試驗(yàn)樣車滿載總質(zhì)量m=350 kg，重力G=mg=3 430 N，車輪半徑rd=0.2 m，傳動(dòng)效率η=0.9，主減速器傳動(dòng)比i0=4，滾動(dòng)阻力系數(shù)f=0.02，風(fēng)阻系數(shù)C0=0.33，迎風(fēng)面積A=0.9 m2。由于測(cè)試場(chǎng)所為校園、景區(qū)等，故爬坡角度設(shè)為α=0°，測(cè)試車速為v=20 km/h，驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率p=1 kW，電機(jī)轉(zhuǎn)速n=1 500 r/min，則驅(qū)動(dòng)力為：

行駛阻力為：

由式（1）和式（2）可知，F(xiàn)t＞F ，故無(wú)刷直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力滿足小型電動(dòng)車的行駛要求。

2.3 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

小型電動(dòng)車的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)包括自動(dòng)轉(zhuǎn)向和人工轉(zhuǎn)向兩部分。自動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)由驅(qū)動(dòng)控制器、步進(jìn)電機(jī)和減速機(jī)構(gòu)組成，與人工轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)并聯(lián)組合，可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)駕駛和自動(dòng)駕駛?cè)我廪D(zhuǎn)換，如圖4所示。由圖4可看出，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)同步帶帶動(dòng)從動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)轉(zhuǎn)向軸旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)轉(zhuǎn)向。

圖4 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)

在轉(zhuǎn)向過(guò)程中，轉(zhuǎn)向阻力矩與路面摩擦系數(shù)、地面與輪胎接觸面上的載荷分布以及輪胎的橫向運(yùn)動(dòng)情況有關(guān)。轉(zhuǎn)向阻力可通過(guò)半經(jīng)驗(yàn)公式[6]計(jì)算，但因摩擦系數(shù)和輪胎壓力在不同情況下變化較大，利用半經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出的轉(zhuǎn)向阻力矩與實(shí)際情況有一定差距，為此通過(guò)實(shí)際測(cè)試的方法來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)向力矩。

原地轉(zhuǎn)向所需力矩遠(yuǎn)大于車輛行駛過(guò)程中所需的力矩，所以首先利用彈簧測(cè)力計(jì)在普通的瀝青路面上測(cè)試小型電動(dòng)車原地轉(zhuǎn)向時(shí)所需的最大切向力，并以此作為計(jì)算轉(zhuǎn)向力矩的依據(jù)。經(jīng)測(cè)試，在瀝青路面原地轉(zhuǎn)向時(shí)轉(zhuǎn)向盤的最大切向力F=50 N，實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)向盤直徑為34 cm，則實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)向力矩T=50×0.17=8.5 N·m。

當(dāng)小型電動(dòng)車在車速較高的情況下急轉(zhuǎn)彎時(shí)，需要車輪有較大轉(zhuǎn)角及較快的轉(zhuǎn)向速度。參考文獻(xiàn)[7]并結(jié)合實(shí)際試驗(yàn)道路條件，規(guī)定轉(zhuǎn)向盤最小轉(zhuǎn)向角速度為270°/s，即轉(zhuǎn)速n=0.75 r/s。

根據(jù)實(shí)際測(cè)得的原地轉(zhuǎn)向時(shí)轉(zhuǎn)向盤的最大切向力和所需轉(zhuǎn)速，可計(jì)算出轉(zhuǎn)向功率p=40.04 W。

本文選用的步進(jìn)電機(jī)型號(hào)為57BYGH7601，其額定功率為110 W，額定電壓為24 V，額定轉(zhuǎn)矩為1.8 N·m，減速比為1:3，額定轉(zhuǎn)速為400 r/min（6.7 r/s），轉(zhuǎn)向系統(tǒng)同步帶減速比為1：2.5。利用該步進(jìn)電機(jī)作為轉(zhuǎn)向電機(jī)時(shí)，轉(zhuǎn)向盤達(dá)到的最大轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)向軸能達(dá)到的最大轉(zhuǎn)向力矩pmax=1.8×3×2.5=13.5 N·m。因nmax＞0.75 r/s，pmax＞8.5 N·m，所以該步進(jìn)電機(jī)可滿足小型電動(dòng)車轉(zhuǎn)向時(shí)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向力矩的要求。

2.4 自動(dòng)制動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

自動(dòng)制動(dòng)機(jī)構(gòu)利用直流推桿電機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)制動(dòng)，如圖5所示。其工作原理為：直流推桿電機(jī)將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成推桿的直線運(yùn)動(dòng)，利用電機(jī)正反轉(zhuǎn)完成推桿伸縮動(dòng)作[8]，推桿外伸時(shí)推動(dòng)制動(dòng)擋板運(yùn)動(dòng)達(dá)到制動(dòng)效果。自動(dòng)制動(dòng)機(jī)構(gòu)與人工制動(dòng)機(jī)構(gòu)采用并聯(lián)模式，互不干擾。

圖5 自動(dòng)制動(dòng)機(jī)構(gòu)示意

3 中控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整車中控系統(tǒng)是由感知信息傳感器、計(jì)算機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器等組成，總體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 中控系統(tǒng)組成

3.1 計(jì)算機(jī)

為了提高控制系統(tǒng)的處理速度，選用兩塊STM32F103ZET6微處理器組成分布式控制計(jì)算機(jī)。一塊作主控計(jì)算機(jī)（NO.1-CPU），主要實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互、決策控制、主從通信等；另一塊（NO.2-CPU）實(shí)現(xiàn)信息采集和處理，同時(shí)將處理結(jié)果傳給主控計(jì)算機(jī)。

3.2 傳感器

該智能小型電動(dòng)車尋跡方式主要是沿墻行走和黑線引導(dǎo)兩種方式，采用的傳感器包括用于測(cè)距的超聲波傳感器，用于車速測(cè)量的旋轉(zhuǎn)編碼器，用于黑線檢測(cè)的激光傳感器，用于測(cè)量前輪轉(zhuǎn)角的紅外反射傳感器，具體型號(hào)如表1所列。

表1 傳感器類型及數(shù)量

3.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器

電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器主要包括無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器、直流推桿電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器和轉(zhuǎn)向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器和直流推桿電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器由單片機(jī)通過(guò)I/O端口進(jìn)行控制，無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器由單片機(jī)通過(guò)I/O和D/A模塊控制[9]。不同D/A值對(duì)應(yīng)的車速見(jiàn)表2。

表2 不同D/A值對(duì)應(yīng)的車速

4 控制策略及軟件設(shè)計(jì)

該智能小型電動(dòng)車分別采用超聲波傳感器和激光傳感器實(shí)現(xiàn)兩種自動(dòng)行駛模式，即沿墻壁或臺(tái)階自動(dòng)行駛，及在特殊路段沿地面黑線自動(dòng)行駛，其控制策略流程如圖7所示。

圖7 驅(qū)動(dòng)控制流程

4.1 沿墻行駛模式

沿墻行駛模式的實(shí)現(xiàn)方式為：利用車身一側(cè)前、后兩個(gè)超聲波傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)車身距墻壁或臺(tái)階等的距離，根據(jù)兩個(gè)傳感器采集的距離差值信息控制轉(zhuǎn)向電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，使車輛與墻壁或臺(tái)階等保持在恒定的距離范圍內(nèi)。如圖8所示，車身一側(cè)距墻壁的距離范圍可分為3種情況，圖中區(qū)域B為擬定的電動(dòng)車行駛區(qū)域，區(qū)域A和區(qū)域C為非合理區(qū)域；車身姿態(tài)在每個(gè)區(qū)域可分為3種狀態(tài)；前輪位置在每種車身姿態(tài)下又分為3種狀態(tài)，其程序流程如圖9所示。

圖8 沿墻行駛模式示意

4.2 黑線引導(dǎo)模式

在沒(méi)有墻壁或不宜設(shè)臺(tái)階的位置用黑線引導(dǎo)小型電動(dòng)車行駛，該模式通過(guò)激光傳感器[10]檢測(cè)黑線位置，然后判斷小型電動(dòng)車是否偏離預(yù)定軌跡，其程序流程如圖10所示。

4.3 驅(qū)動(dòng)速度控制

采用數(shù)字PID控制算法，通過(guò)D/A模塊對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，在控制軟件中采用移動(dòng)平均濾波法來(lái)降低采樣過(guò)程中的信號(hào)干擾，增加了系統(tǒng)穩(wěn)定性。PID控制系統(tǒng)基本原理如圖11所示。數(shù)字PID控制系統(tǒng)的差分方程[11]為：

式中，ΔUn為第n次輸出增量；en為第n次偏差；en-1第為n-1次偏差；en-2為第n-2次偏差。

圖9 沿墻行駛模式程序流程

圖10 黑線引導(dǎo)模式程序流程

4.4 主動(dòng)避障

采用擬人思維模擬駕駛員避障操作，主要原理為：利用安裝在前保險(xiǎn)杠中間位置的超聲波傳感器檢測(cè)車輛正前方是否有障礙物，距障礙物3 m時(shí)控制車輛減速，距障礙物1.5 m時(shí)控制停車；利用安裝在前保險(xiǎn)杠左右兩端的超聲波傳感器檢測(cè)斜方向的障礙物，根據(jù)所測(cè)得的距離控制轉(zhuǎn)向步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度、旋轉(zhuǎn)角度以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速；倒車時(shí)，利用安裝在車輛后保險(xiǎn)杠左右兩端的超聲波傳感器檢測(cè)車輛后方障礙物，由于倒車速度較慢，所以設(shè)定距離障礙物1 m時(shí)控制停車。

圖11 PID控制原理框圖

5 測(cè)試試驗(yàn)

完成小型電動(dòng)車樣車設(shè)計(jì)后，將傳感器、控制器等安裝在小型電動(dòng)車上進(jìn)行了實(shí)車測(cè)試，測(cè)試場(chǎng)景如圖12所示，沿墻行駛模式測(cè)試的超聲波傳感器數(shù)據(jù)結(jié)果如圖13所示，圖14為加速測(cè)試結(jié)果。

如圖13所示，在小型電動(dòng)車沿墻行駛時(shí)，由超聲波傳感器測(cè)得的該車距墻面的距離始終在1.1 m左右，表明在設(shè)計(jì)時(shí)速內(nèi)小型電動(dòng)車能夠按照預(yù)定設(shè)計(jì)保持直線沿墻行駛。如圖14所示，該小型電動(dòng)車加速到最大速度需要16.9 s，加速性能一般，但是整個(gè)加速過(guò)程平穩(wěn)，乘坐舒適，能夠滿足小型電動(dòng)車低速行駛需求。

圖12 樣車沿墻行駛模式測(cè)試場(chǎng)景

圖13 沿墻行駛模式測(cè)試結(jié)果

圖14 小型電動(dòng)車加速曲線

6 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一款智能引導(dǎo)和人工駕駛兩用的小型電動(dòng)車，確定了智能小型電動(dòng)車的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和制動(dòng)機(jī)構(gòu)的方案，以STM32F103VET6微處理器為核心，以MDK5.0為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，研制了整車驅(qū)動(dòng)控制器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)和轉(zhuǎn)向三大系統(tǒng)的自動(dòng)控制。該車?yán)贸暡▊鞲衅骱图す鉁y(cè)距傳感器實(shí)現(xiàn)循跡引導(dǎo)和障礙感知，在特定領(lǐng)域能夠滿足低速導(dǎo)航需求，整車設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，成本較低，具有一定的工程實(shí)用價(jià)值。

1 制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略研究項(xiàng)目組.制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略研究領(lǐng)域卷（一）.北京：電子工業(yè)出版社,2015.

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（責(zé)任編輯 文 楫）

修改稿收到日期為2017年2月13日。

Design of Small Intelligent Driving Electric Car

Zhang Zhifeng,Xiao Shide,Meng Xiangyin,Ye Meisong
（Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031）

A small electric car with intelligent guide and manned driving was designed,which uses ultrasonic sensors and laser sensors as obstacle detection sensors,and uses incremental rotation encoder to measure vehicle speed,and adopts the PID algorithm to control vehicle speed.The prototype car test results show that the designed small electric car can travel stably and automatically,and avoid obstacles automatically in specific areas along the wall or preset black-and-white line on the ground.

Small electric car,intelligent driving,Automatic tracking,PID control

小型電動(dòng)汽車 智能駕駛 自動(dòng)尋跡 PID控制

U462.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1000-3703（2017）08-0001-05

四川省應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金資助項(xiàng)目(2014JY0212)。