汽車智能跟隨輔助系統(tǒng)設計

孫迎麗 高道港 梁爽 袁夢 李澤旭

摘 要：文章介紹了智能跟隨輔助系統(tǒng)應用小車的設計方案，包括用超聲波定位技術實現(xiàn)的跟隨功能、硬件設計、軟件設計等，建立了跟隨技術的數(shù)學模型，實現(xiàn)了以交通工具為對象的跟隨技術的應用。根據(jù)實際效果，分析了智能跟隨輔助系統(tǒng)在應用中存在的研究點，并且設置了靈活的控速防撞反饋，提高智能跟隨系統(tǒng)的反應性能，提高了行駛過程中的安全性，最終實現(xiàn)新型的城市出行智能交通。

關鍵詞：新型智能交通;智能跟隨;城市出行

Abstract： This article introduces the design scheme of an intelligent follow-up assistance system application car， including the follow-up function， hardware design， and software design using ultrasonic positioning technology. The mathematical model of the follow-up technology is established， and the follow-up technology for vehicles is implemented Applications. According to the actual results， the research points in the application of the intelligent following assist system are analyzed， and flexible speed control and anti-collision feedback are set to improve the response performance of the intelligent following system and improve the safety during driving. Finally， a new type of Intelligent transportation for urban travel.

1 引言

智能交通是未來交通的發(fā)展前景，在無人駕駛研究技術的發(fā)展進步下，智能交通更趨向于多元化，智能跟隨系統(tǒng)也將成為無人駕駛技術的一個重要輔助系統(tǒng)，即將逐步取代傳統(tǒng)，成為創(chuàng)新、靈活的新一代產(chǎn)物。這些年來，交通智能化已是一種主流趨勢，然而目前，國內市場上暫時還沒有出現(xiàn)具有跟隨性的智能交通系統(tǒng)。如今中國具有跟隨性的產(chǎn)品，主要是有軌機械跟隨[1]，用于工廠的各類生產(chǎn)機車的一部分，或是比賽場的有軌跟隨拍攝車，并沒有實際針對超市、旅館、飛機場等大眾場合，或家庭個人的產(chǎn)品[2]。因此，通過基于超聲波定位和無線電通信技術以及其他傳感器技術的綜合運用，設計了一款能夠對特定移動目標進行實時跟蹤并且能夠靈活地躲避其他車輛的智能小車。利用超聲波雷達定位、避障，可以根據(jù)不同場合的技術要求設置小車的跟隨、避障距離和方式等參數(shù)，可以實現(xiàn)較為精準地實現(xiàn)跟隨、避障的目的，建立一種無人駕駛技術的設計模型向智能化發(fā)展。

2 設計方案

2.1 功能實現(xiàn)

系統(tǒng)定位識別是依靠超聲波實現(xiàn)的。超聲波定位技術是基于超聲波測距原理實現(xiàn)的。跟隨系統(tǒng)的發(fā)送端首先向跟隨對象發(fā)送無線電信號，與此同時發(fā)送端開始計時，跟隨對象接收到無線電信號后向發(fā)送端發(fā)送超聲波信號，由于跟隨對象距離無線電信號發(fā)送端上的4個超聲波接收器距離不同，則超聲波信號到達4個接收器的時間也不盡相同，單片機通過對4個接收器接收超聲波時間的比較和運算，計算出各個超聲波接收器到跟隨對象的距離。然后基于超聲波定位的相應算法，建立坐標系，可以計算出跟隨對象所在的方向和距離，從而判斷跟隨對象的相對位置。在知道跟隨對象的位置信息后，將信息反饋給主控芯片，主控芯片通過PWM控制電機轉速實現(xiàn)小車按照設定距離跟隨目標。左轉時，右側接收的超聲波要弱于左側，此時右輪電機加速，實現(xiàn)左轉;右轉原理與此正好相反。整體結構示意圖如圖1圖2所示：

2.2 系統(tǒng)硬件設計

硬件設計部分包括超聲波發(fā)送和接收電路、無線通信模塊、雙電機驅動電路、穩(wěn)壓電路、降壓電路等，硬件設計框圖如圖3所示：

2.2.1 超聲波發(fā)送和接收電路

基于超聲波定位原理，采用“三發(fā)送四接收”安裝方式，既確保了發(fā)送角度全方面概括，也使得接收超聲波更加完全。超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物，通過障礙物的反饋，超聲波接收器收到對應的反射波，同時停止計時。利于這一原理，將超聲波分成發(fā)送和接收兩個模塊，兩個模塊間通過無線電通信實現(xiàn)同步，根據(jù)傳輸?shù)某暡òl(fā)送接收情況，加之超聲波在空氣中的傳播速度計算出兩者間的距離。因為采用了多對超聲波模塊，根據(jù)每個超聲波各自的情況算出的距離可間接判斷出方位，從而得知跟隨對象的坐標?？刂茊卧鶕?jù)得到的坐標可進行相應的動作。其設計電路如圖4圖5所示。

2.2.2 無線通信模塊

無線通信模塊由編碼芯片PT2262 發(fā)出的編碼信號：地址碼、數(shù)據(jù)碼、同步碼組成一個完整的碼字，解碼芯片PT2272 接收到信號后，其地址碼經(jīng)過兩次比較核對后，VT 腳才輸出高電平，與此同時相應的數(shù)據(jù)腳也輸出高電平。據(jù)此原理，無線通信模塊間傳輸串行數(shù)據(jù)信號。無線通信模塊電路如圖6所示。

2.2.3 雙電機驅動電路

本次設計采用飛思卡爾專用電機RS-540，工作電壓范圍是5.4V-9V，額定工作電壓是DC7.2V，最大工作電流是11.6A，最大力矩是24.8mN.M，最大輸出功率51.49W。驅動電路如圖7所示。

2.3 系統(tǒng)軟件設計

本文智能跟隨車運用美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機的軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語言在功能上、結構性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢。Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、鏈接器、庫管理和一個功能強大的仿真調試器等在內的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境（μVision）將這些部分組合在一起。軟件設計部分利用超聲波模塊計算的返回時間即s=340t/2，確定小車距離。通過三個超聲波模塊接收信號的位置，來決定小車方向，并用串口通信傳輸給主控單元。小車的轉向是通過串口給定的PWM波信號使舵機轉過一定的角度（920us到2120us為0～180度的轉向角）。小車的移動是7.2v的電池通過穩(wěn)壓模塊給予電機驅動模塊固定的電壓，用給定PWM波信號驅動電機來實現(xiàn)的。

3 在城市出行設計方面的應用

首先，智能跟隨系統(tǒng)可以應用在城市多車出行上。跟隨系統(tǒng)友好地考慮到了多人出行時乘坐空間的局限性，為多人出行很周到地制定了交通出行方案。同時，隨著智能跟隨系統(tǒng)的完善，多車跟隨已然不是問題，這從很大程度上保證了多人出行的便利性，也為司機不適合駕駛的情況做了周全的計劃。其次，上下班高峰期是城市交通較為擁堵的時段，車

速較低，移動慢，并且時停時走。開啟智能跟隨輔助系統(tǒng)可以緩解疲勞，解放雙手。再者，高速路上車速較快，加之車內舒適環(huán)境使駕駛者怠惰，容易產(chǎn)生因沒有保持安全距離而產(chǎn)生的交通事故，跟隨輔助系統(tǒng)可以保持實時的安全距離監(jiān)測，提高高速駕駛的安全性。道路行駛時跟隨輔助系統(tǒng)的應用如所圖8示。

4 結論

智能跟隨系統(tǒng)應用小車實現(xiàn)了跟隨前車及避障等功能，具有較好的實用性，符合未來交通方面的需求，具有較大的應用場景。本次的環(huán)境模擬跟隨車在功能實現(xiàn)方面比較理想，但與真正投入使用還需要一些改進，變更精度更高的毫米波雷達或激光雷達將具有顯著的優(yōu)越性。智能跟隨輔助系統(tǒng)能廣泛的運用在轎車、客車、貨車等交通工具上。該系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和操作性，能夠提高廣大司機的駕駛效率和安全性能。

參考文獻

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