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高速智能车电器与控制系统设计开发


分类号 密 级

U273.99 内 部

单 位 代 码 10183 研究生学号 2200925

吉 林 大 学 硕
题 目











高速智能车电器与控制系统设计开



Design of the Electrical and Control System of High-speed Intelligent Vehicle

作者姓名: 郭 专



业: 载运工具运用工程

导师姓名 及 职 称: 施树明 副教授

论文起止时间:2001 年 9 月~2003 年 3 月





随着智能交通系统 ITS (Intelligent Transportation System)的兴起,极大地促 进了智能车辆技术水平的提高,使智能车辆作为 ITS 的重要组成部分得以被系 统地研究开发。世界各国对智能车辆技术的研究开发表现出空前的热情,为此 投入了大量的人力、物力,智能车辆技术也相继取得了突破性的发展。 国内智能车辆的研究与国外发达国家有一定的差距,研究领域主要集中在 路径识别、自动转向等方面,对智能车辆电器控制系统研究较少,目前还没有 能够完全实现自动控制的智能车辆,为此本文设计完成了一套能够实现高速智 能车辆全方位自动控制的电器控制系统,为开展更深层次的智能车辆技术研究 提供技术参考。 本文首先布置了导航所需的传感器系统、计算机系统及执行控制系统,选 择了测量传感器信号的工业控制卡。考虑到发动机各种工况的复杂性,选择交 流电机作为 JLUIV-IV 的主驱动电机,并采用变频调速控制和变极调速相结合 的控制方式,使车辆具有更宽的调速范围。根据步进电机的特点,选用步进电 机作为转向和制动的执行电机,这样使得转向和制动系统有很好的动态响应能 力。 系统的电路设计是论文的重要组成部分,本文设计了整车电源系统,对计 算机系统、主驱动系统、转向和制动系统提供电源。设计了主驱动电机变极调 速和变频调速控制电路,实现了对车辆速度的精确控制。完成了转向伺服系统 和制动伺服系统电路设计,并设计手动和计算机控制电路,实现了车辆的自动 转向和制动。对系统存在的干扰进行了分析,在设计过程中采用了一些硬件和 软件抗干扰措施。 论文完成了对车辆的速度、转向轮转角等传感器信号的测量,并针对其信 号受到高频成分的干扰,对他们进行了必要的数据滤波处理。同时利用 Kalman 滤波原理对侧向偏差和方位偏差进行了滤波设计,并进行了仿真分析。 最后编制了电机控制及传感器信号测量软件, 实现了各个 CPU 之间的串口 通讯,并给出了系统软件各功能模块的组成。

关键词:智能车辆;变频调速器;步进电机控制器;测控系统;数字滤波

第一章
§1.1 引言

绪论

十九世纪末,随着内燃机的诞生,人们发明了最现代化的交通工具——汽 车,经过这一个多世纪的发展,汽车的技术性能有了很大的提高,我们也充分 享受到了汽车给我们带来的巨大便利。但是,在享受汽车给我们带来便利的同 时,它也给社会的发展带来了不少的损失,甚至危害了我们的人身安全。由于 公路客、货运输量的迅速增长,人们也深受交通拥挤、诸塞严重事故频繁和环 境污染等公害的困挠。尤其是随着高速公路发展,汽车速度的提高,恶性交通 事故的发生呈不断上升趋势,给人们的生命财产造成了巨大的损失。同时,经 常性的交通拥挤和环境污染等也严重地困扰着人们。这迫使人们采用高、新技 术以提高车辆的安全性、可靠性,以解决道路交通的公害问题。智能车辆的研 究发展就是在这种背景下诞生的[1][2]。 另外,由于交通系统是一个相当复杂的大系统,单独从车辆方面考虑或单 独从道路方面去考虑,都很难从根本上解决问题。此外,能源和环境问题的严 重性也日益为人们所认识。在这种背景下,从系统的观点出发,把车辆和道路 综合起来考虑,运用各种高新技术系统地解决道路交通问题的思想也就应运而 生, 这样西方各国就提出了智能交通系统 ITS (Intelligent Transportation System)。 ITS 的兴起极大地促进了智能车辆技术水平的提高,使智能车辆作为 ITS 的重 要组成部分得以被系统地研究开发[3]。世界各国对智能车辆技术的研究开发表 现出空前的热情,为此投入了大量的人力、物力,智能车辆技术也相继取得了 突破性的发展。

§1.2 智能车辆的产生与发展
智能车辆 IV(Intelligent Vehicle)的研究始于五十年代美国,1954 年美国的 Barret Electronics 公 司 研 究 开 发 出 世 界 上 第 一 台 自 动 引 导 车 辆 系 统 AGVS(Automated Guided Vehicle System),并在 South Carolina 州的 Mercury Motor Freight 公司的仓库内投入运营,用于实现物品的自动运输[4]。该 AGVS 是一种无人驾驶的自动拖车装置,可跟踪埋在地面下的带电导线实现车辆的自 动引导。尽管这只是一个运行在固定线路上的拖车式运货平台,但它却具有了

智能车辆最基本的特征即无人驾驶。 进入八十年代,伴随着与机器人技术密切相关的计算机、电子、通信技术 的飞速发展,国外掀起了智能机器人研究热潮,并开始从六、七十年代的初步 研究阶段进入了 90 年代的深入、系统、大规模研究阶段。 近年来,随着西方各国对智能交通运输系统(ITS)研究的投入,作为 ITS 重要组成部分的智能车辆技术也得到了飞速的发展[5]。如美国 ITS 的开发项目 中的先进车辆控制系统 AVCS(Advanced Vehicle Control System)、 自动高速公路 系统 AHS(Automated Highway System)、 先进的驾驶员信息系统 ADIS(Advanced Driver Information System)就紧紧围绕智能车辆进行。欧洲的普罗米修斯计划 (PROMETHEUS)和欧洲交通安全和道路系统计划。目前,智能车辆系统正向着 实用化方向发展,重点研制适应性更强、动态能力更好的智能传感器系统并努 力提高智能车辆的“智能水平” 。事实上,美、日等已经开始投入市场的碰撞报 警系统 (CW—Collision Warning)、防撞系统/辅助驾驶系统(CA/DA—Collision Avoidance/Drive Assistance) 、 智 能 速 度 适 应 系 统 (ISA—Intelligent Speed Adaptation)等,都是智能车辆技术实用化的阶段性标志[6]。 无人驾驶智能车辆在工业柔性生产、公路交通运输、精细农业、物流自动 化、军事等领域具有十分广阔的应用前景和重大的社会经济效益。智能车辆体 现多种高新技术的交叉融合,是当今世界车辆工程、交通工程、机器人与自动 化等领域的研究前沿[7]。

§1.3 国内外典型智能车辆系统组成

1.3.1 国外典型智能车辆系统组成
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一系列卓有成 效的研发工作。在智能车辆研究方面相继投入大量人力、物力,并取得了许多 有价值的研究成果,产生了明显的社会和经济效益。在这方面,美、德、意、 法、日等国走在世界的前列[8][9],下面分别介绍一下他们在智能车辆研究中的 开发完成的智能车辆系统的传感器系统和计算机系统组成及其在智能车辆领域 中的研究现状。 美国 CMU 的 NavLab 系列 美国卡内基·梅隆大学(Carnegie Mellon University,CMU)机器人研究所研 制 的 NavLab 系 列 智 能 车 辆 代 表 了 智 能 车 辆 的 发 展 方 向 , 其 典 型 代 表 有

NavLab-1 系统和 NavLab-5 系统[10][11]。 NavLab-1 系统由 CMU 机器人研究所于 80 年代建成。其计算机系统由 Warp、Sun3、Sun4 组成,它完成图像处理、图像理解、传感器信息融合、路径 规划和车体控制。NavLab-1 系统的传感器包括彩色摄像机、ERIM 激光雷达、 超声、 陀螺、 光码盘、 GPS 等。 其在典型结构化道路情况下运行速度为 28km/h, 使用神经网络控制器 ALVINN 控制车体的最高速度为 88km/h。 NavLab-5 系统由 CMU 于 1995 年建成,车体采用 Pontiac 运动跑车。其计 算机系统为 CMU 与 Assist-Ware 技术公司合作开发了便携式高级导航支撑平台 PANS(Portable Advanced Navigation Support)[12],该平台为系统提供计算基础和 I/O 功能,并能控制转向执行机构和进行安全报警,其中包括一台 Sparc Lx 便 携式工作站和一台 HC11 微控制器。工作站完成传感器信息处理与融合、全局 与局部路径规划;HC11 完成底层车体控制与安全监控。其传感器系统包括视 觉传感器系统、 差分 GPS 系统、 光纤阻尼陀螺和光码盘, 如图 1-1 所示。 NavLab-5 在实验场环境道路上自主驾驶的平均速度为 88.5km/h。公路实验时首次进行了 横穿美国大陆的长途自主驾驶实验,其自主驾驶的行程为 4496km,占总行程 的 98.1%。车辆纵向的导航控制由驾驶员完成,而车辆的横向控制完全实现自 动控制。虽然计算机仅控制方向,油门和刹车由人工控制,这个结果仍相当令 人鼓舞。

a. NavLab-5 PANS 导航平台 图 1-1

b. NavLab-5 控制箱

美国 CMU NavLab-5 智能车

德国的 Caravelle 和 VaMoRs-P 系统 Caravelle 系统由德国研究与技术部门与大众汽车公司合作于 1992 年制成, 车体采用大众公司的 Caravelle 旅行车。 它的研究主要内容是高速公路下的视觉 导航,因此其传感器和计算机系统都是以视觉为主。传感器系统除两台摄像机 外,仅安装了一个速度传感器和一个测量驾驶角的传感器。两台摄像机中一台 装有摄远镜头的用来检测障碍,另一台装有广角镜头的用来检测行车道。执行

机构为方向力矩电机和电子油门。计算机系统也是由 Transputer 构成的并行处 理单元构成,完成图像处理、卡尔曼动态滤波、车体控制。另一台 PC 完成系 统自举、监控等功能。1992 年公布的材料显示系统从识别一帧图像到完成控制 的周期为 70ms。Caravelle 在典型的高速公路环境下的最高速度为 120km/h。目 前其正在开展隔离试验道路上的计算机视觉与其它传感器信息融合的完全自主 驾驶试验研究。 VaMoRs-P 系统由德国联邦国防大学 UBM 和奔驰汽车公司于 90 年代初期 制成。车体采用奔驰 500 轿车。传感器系统包括由 4 个小型彩色 CCD 摄像机 构成的两组主动式双目视觉系统、3 个惯性线性加速度计和角度变化传感器、 测速表及发动机状态测量仪等。执行机构包括方向力矩电机、电子油门和液压 制动器等。计算机系统由基于 Transputer 的并行处理单元和两台 PC-486 组成。 Transputer 并行处理单元由大约 60 个 Transputer 构成,用于图像特征抽取、物 体识别、对象状态估计、行为决策、控制计算、方向控制和信息通信、I/O 操 作、数据库操作、图形显示。两台 PC-486 主要用于软件开发和人机交互、数 据登录等。VaMoRs-P 系统已在高速公路上进行了大量的试验,试验目的在于 测试该系统道路识别潜力和可靠性以及在高速公路自主驾驶中的表现性能。自 动驾驶的项目有:车道跟踪、横向控制、防撞、换道等驾驶操作。车辆前进速 度由驾驶员根据交通信号、环境条件和目标选择。图 1-2 是 VaMoRs-P 系统智 能车辆的外观图[13] 。

a. VaMoRs-P 智能车外观

b. VaMoRs-P 硬件结构框图

意大利 ARGO 项目 ARGO 试验车(如图 1-3 所示)由意大利 Parma 大学的信息工程系研制。 试验车由轿车改制而成,装有视觉系统以获得道路和环境的信息,有不同的控 制设备以实现自动驾驶功能[14]。 并采用通用芯片, 商用 MMX Pentium 2 车载计 算机系统,其传感器系统也采用普通适用性传感器。该车视觉系统采用商用低

图 1-2 德国 UBM 大学 VaMoRs-P 智能车

成本的 CCD 摄像机,应用立体视觉检测和定位车辆行驶前方的障碍,通过单 目图像来得到车辆前方道路的几何参数,通过 I/O 板来获得车辆的速度及其它 数据。车道检测算法是从单目灰度图像中提取出道路特征,采用直线道路模型 进行匹配[15]。而在道路跟踪时,则利用上次的结果进行快速匹配。在 1998 年 意大利汽车百年行活动中,ARGO 试验车由 GOLD 系统驾驶进行了 2000km 的 道路试验,在试验中 ARGO 试验车自动驾驶里程达到总里程的 94%。为了验证 系统在不同交通环境、道路环境与气候条件下的适应能力,1998 年 6 月进行了 2000 公里的道路试验。在试验中,ARGO 自动驾驶里程达 94%[16][17]。

a. ARGO 智能车外观图

b. ARGO 智能车传感器布置图

图 1-3 意大利 ARGO 智能车

法国帕斯卡大学的 Peugeot 系统 Peugeot 试验车由法国帕斯卡大学自动化与电子材料实验室与法国 D.R.A.S 雪铁龙(Citroen)技术中心合作研制的一台功能简单却颇具特色的辅助导航车 辆。该研究由 P.S.A 标志(Peugeot)雪铁龙汽车公司提供资助,由一辆标志轿 车改装而成。其计算系统仅为一块 DSP 卡,传感器系统包括 CCD 摄像机和速 度传感器。该车的一个突出特点是硬件配置轻型化,整个系统的运算处理部分 都已集成在一块数字信号处理卡上,因此对试验车几乎无需作任何改装。 Peugeot 试验车已经在高速公路上进行了几百公里不同路况的行车试验, 最高车 速达到 130km/h。 日本三菱汽车 Mitsubishi 的 ASV-2 系统 在日本,由日本道路交通运输局发起的先进安全车辆系统 ASV (Advanced Safety Vehicle)已经发展到了第二阶段,由日本国内 13 家汽车生产厂商参加。 目的在于通过在车辆上安装最新的传感技术以提高车辆的安全性,防止交通事 故、减少交通事故造成的损失。其中三菱汽车 Mitsubishi 和日本 Honda 的 ASV 系列最为典型[19][20]。其传感器系统包括前后视觉摄像机系统、能探测前方车辆

的距离和相对速度的微波雷达、具有高分析能力的激光雷达及其他一些监测道 路环境的传感器,图 1-4 是三菱汽车 ASV-2 安装传感器示意图。三菱汽车公司 从 1991 年度以来在运输省的指导下,开始“ASV 工程(第 1 期/第 2 期),对 ” “三菱驾驶支援系统” (由车距控制、车道偏离报警、侧后方发动机三个系统组 成)等多项驾驶支援技术进行实用化研究。其实用性研究的主要系统有道路探 寻辅助系统、前照灯光线控制系统、高级减速尾灯系统、睡眠报警装置等等。

1.3.2 国内典型智能车辆系统组成

图 1-5 图 1-4 日本三菱汽车 ASV-2 示意图

7B.8 系统智能车

与国外相比,国内在智能车辆方面的研究起步较晚,规模较小,开展这方 面研究工作的单位主要是一些大学和研究所,如国防科技大学、清华大学、吉 林大学、北京理工大学、沈阳自动化所等。 7B.8 系统 7B.8 系统是由南京理工大学、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的军用智能车辆(如图 1-5 所示) ,于 1995 年 12 月通过验收。7B.8 系统的车体选用国产跃进客货车改制,车上集成了二维彩色 摄像机、三维激光雷达、陀螺惯导定位、超声等传感器。计算机系统采用两台 Sun10 完成信息融合、黑板调度、全局、局部路径规划,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-执行”算法,其直线跟 踪速度达到 20km/h,避障速度达到 5~10km/h[21]。

清华大学 THMR 系列 清华大学计算机系智能技术与系统国家重点试验室在国防科工委和国家 863 计划的资助下,从 1988 年开始研制 THMR(Tsinghua Mobile Robot)系列智 能车辆系统[22]。 THMR-III 系统的车体选用 BJ1022 面包车改制。THMR-III 上集成了二维 彩色摄像机、磁罗盘光码盘定位、GPS、超声等传感器。计算机系统采用 Sun Spark10 一台、PC-486 二台和 8098 单片机数台。Sun 完成任务规划,根据地图 数据库信息进行全局规划,一台 PC 机完成视觉信息处理,另一台 PC 完成局 部规划、反射控制及系统监控,数台 8098 完成超声测量、位置测量、车体方向 速度的控制。它的体系结构以垂直式为主,采用多层次“感知-动作”行为控制 及基于模糊控制的局部路径规划及导航控制。

a. THMR-V 智能车

b. THMR-V 测控系统框图

图 1-6 清华大学 THMR 系列

THMR-V(如图 1-6 所示)系统是清华大学计算机系正在研制的新一代智 能车,兼有面向高速公路和一般道路的功能。车体采用道奇 7 座厢式车改装, 装备有彩色摄像机、GPS、磁罗盘光码盘定位系统、激光测距仪 LMS220 等。 计算机系统采用 Pentium-II 计算机两台,其中一台进行视觉信息处理,另一台 完成信息融合、路径规划、行为控制、决策控制等功能。4 台 IPC 工控机分别 完成激光测距信息处理、 定位信息处理、 通讯管理、 驾驶控制等功能。 THMR-V 系统的 GPS 采用加拿大 Novatel 公司生产的 3111R 单频 12 通道实时差分 GPS 系统。该系统由两台 3111RGPS 接收机、FRM96S-35(W)电台及 MODEM 组成。 该智能车设计车速高速公路为 80km/h,一般道路为 20km/h[23]。 吉林大学 JLUIV 系列 吉林大学智能车辆课题组从 1992 年开始一直开展智能车辆自主导航研究,

在智能车辆的体系结构、传感器信息的获取与处理、路径识别与规划、智能车 辆前方障碍物探测及车距保持等方面进行了较为深入的研究。先后研制开发出 JUTIV-I、JUTIV-II、JLUIV-III 和 JLUIV-IV 四代视觉导航智能车。研究工作得 到了国家自然科学基金、教育部博士基金等资助。 从 1997 年开始, 课题组开始 JUTIV-II 型智能车辆系统的开发研究, 1-7a 图 所示为 JUTIV-II 型智能车。该车车体由课题组自己制作完成,传感器系统有 CCD 摄像机、三维激光测距仪、GPS 定位系统、远、近距离避障传感器、制动 拉压力传感器、光电编码器等。计算机系统采用一台 Pentium-III 工业控制计算 机,完成车辆的传感信息获取、周围环境感知、图像处理、导航路径识别及决 策控制。课题组利用 JUTIV-II 型智能车研究了道路边界识别算法、恶劣环境下 导航路径识别算法、车辆前方车辆探测及车距保持控制算法等[7][15]。

a. JUTIV-II 智能车 图 1-7

b. JUTIV-IV 智能车 吉林大学 JLUIV 系列智能车

JUTIV-III 型智能车是面向工业物流自动化的 AGV,主要由车体、CCD 摄 像系统、工控微机测控系统、行走转向驱动系统、避障系统、通讯系统等组成, 其中工控微机测控系统包含工控微机、各种 A/D 、D/A、 I/O 、计数卡,行 走转向驱动系统包括直流电机和电机调速板。所研制的实用化 JLUIV3 型 AGV 采用两维视觉导航,可实现路径自动跟踪、自动转向、自动行驶。在行驶过程 中能够自动识别数字编码的多停靠工位和多分支路径,能够自动识别加速、减 速、直角转弯、停车等车辆运动状态标识符,能够智能识别障碍物。AGV 根据 上述图像识别信息,自动完成各种相应的运行操作。此外,该种 AGV 还能够 实现和中央管理中心之间的无线通讯。该种视觉导航 AGV 可用于实际的柔性 生产组织和户内外物流自动化运输[24][25]。 目前,课题组已经完成视觉导航高速智能车 JLUIV-IV(如图 1-7b 所示) 的研制开发,设计自主导航最高车速为 50km/h。课题组正在进行自主导航控制 算法的研究。

§1.4 本论文的研究工作

1.4.1 论文研究意义
吉林大学智能车辆课题组在视觉导航智能车辆方向进行了多年的研究,已 在智能车辆导航路径识别与跟踪、导航控制器设计、传感器信息融合、车辆前 方障碍物探测及车距保持等方向做了不少的工作,提出了道路边界识别、恶劣 环境下导航路径识别、 车距保持等算法, 并在已有的模型车上得到了试验验证。 但是限于试验条件,所提出的算法并未在高速试验条件下进行验证。为了能尽 快完成课题组现在承担的各项科研课题,为开展高速情况下的视觉导航智能车 辆技术的研究提供良好的试验平台,进行更高水平的研究。同时也可以验证以 前提出的算法在高速条件下的有效性。课题组提出开发一台能完全实现自动驾 驶的智能车辆 JLUIV-IV,除了能控制车辆的转向外,还能实现自动紧急制动、 实现车辆速度的精确控制。 从上一节典型智能车辆试验平台分析可以看出,大部分都只是实现车辆的 自动转向功能,车辆的制动、油门需要驾驶员来完成,主要是由于他们所开发 的试验平台只是用来验证其在智能车辆某一领域中所进行的研究。 如美国 CMU 的 NavLab 系列智能车,其车辆的纵向导航控制主要由驾驶员完成,计算机仅 控制方向,油门和制动由人工控制,还没有真正实现完全自主导航驾驶。国内 智能车辆的研究与发达国家有一定的差距,研究领域主要集中在路径识别、自 动转向等方面,对智能车辆电器控制系统研究较少,目前还没有完全实现自动 控制的智能车辆,研究开发一套能够实现车辆完全自动控制的电器控制系统对 开展智能车辆技术的研究有着非常重要的意义。 另外,这些智能车辆试验平台大部分是控制油门实现车辆的调速,但是由 于发动机各种工况的复杂性,势必很难精确地实现对车辆速度的控制。考虑到 节能与环保问题已成为世界各国所关注的主要社会问题,进而电动汽车的研究 又成为许多发达国家及各大汽车公司的重要发展项目,随着高新技术的飞跃发 展,电动汽车也成了国内外的研究热点[26]。智能车辆技术在电动汽车上的应用 也会越来越广泛,所开发的智能车辆电控系统主要是针对电动汽车进行的,完 成的系统能很好地移植未来的电动汽车上。

1.4.2 论文主要研究内容
本论文的研究工作就是围绕新开发的高速导航智能车辆 JLUIV-IV 而展开 的。首先是完成该新型高速智能车电控系统设计、安装及调试,具体包括主驱 动系统、制动系统、转向系统等的电路设计,实现车辆驱动系统的调速、车辆 自动转向和紧急制动停车等计算机控制电路。其次是对车上安装的传感器进行 信号采集,并进行必要的信号前处理等。最后编写相应的计算机控制软件。 具体包括以下内容: 1、设计 JLUIV-IV 电气驱动系统,选择主驱动电机,并完成主驱动系统的 安装调试。 2、确定主驱动系统电机的调速控制方式,设计完成主电机调速控制电路, 能够实现车辆速度的精确控制。 3、完成自动转向系统的设计安装,设计实现车辆自动转向的控制电路,并 能实现计算机控制方式和手动控制方式的切换。 4、完成制动控制系统的设计安装,设计制动系统的计算机控制电路。 5、设计整车的供电系统,选择蓄电池及各种直流稳压电源,并完成蓄电池 的安装布置。 6、分析整车电控系统存在的干扰,采取适当的措施排除系统干扰。 7、完成车上传感器信号采集,并对所采集的信号进行一些必要的预处理。 8、采用 Kalman 滤波原理对状态变量进行 Kalman 滤波估计。 9、编制相应的计算机控制软件。

第二章
§2.1 引言

JLUIV-IV 整体结构及系统组成

智能车辆的研究始于五十年代美国开发的地下埋线感应式自动引导车辆, 虽然其引导技术已十分成熟, 但该种思路很难应用于户外环境。 八十年代以来, 人们一直在研究其它引导技术,先后研究过光学导航、视觉导航、超声导航、 红外导航等,其中视觉导航因其发展潜力巨大而吸引了国内外众多的研究者,

目前机器视觉仍是智能车辆研究领域中的热点。 吉林大学智能车辆课题组近十年来一直从事于视觉导航智能车辆技术的研 究,对导航路径识别、车距保持、车辆导航控制算法进行了较为系统的研究, 研究工作得到了各方面的资助。课题组现在承担多项国家及省部级课题,如国 家自然科学基金课题 “高速智能车辆自主导航机理及关键技术的研究” 教育部 、 科研重点项目 “高速无人驾驶车辆行驶安全智能综合保障系统的研究” 国家博 、 士基金课题“户外高速自动引导车辆引导机理研究”等项目。为了更好地完成 现有课题,在智能车辆领域进行深入研究,课题组开始着手 JUTIV-IV 系统的 开发研究。

§2.2 JLUIV-IV 的整体结构

2.2.1 JLUIV-IV 的设计要求
新型高速智能车 JLUIV-IV 要求在高速状态下能够实现自主驾驶功能及计 算机辅助驾驶的功能。自主驾驶功能,在结构化的道路条件下,能够实现道路 识别、跟踪进行自主导航驾驶,在遇有障碍物的情况下能够自动避开障碍物或 采取紧急制动实现停车。车辆控制的各种操作可实现手动、自动的互相切换。 计算机辅助驾驶功能包括计算机的辅助驾驶,对危险、紧急状况实现提示、报 警等。 新型高速智能车 JLUIV-IV 拟达到的性能指标如下: 在结构化道路上,直线自主导航驾驶最高行驶速度达到 50km/h。 安全车速转弯、安全车距保持等的自动操作时车速不小于 30 km/h。 能够实现手动和自动切换,在自动状态下能够实现系统的紧急制动。 车辆具有识障防碰撞功能,有效识障距离不小于 30m。

2.2.2 车体的选型及改造
对车体容积的要求,由于 JLUIV-IV 是以电动机来驱动整车的运动,同时 智能车上将要安装多种传感器如 GPS 导航定位系统、三维激光测距仪、CCD 视觉系统、电源系统、测量控制系统、数传电台,工业控制计算机,操作、调 试人员 1~2 人,因此要求车体有较大的容积。综合上述因素,经过对几种车辆 进行了比较分析,最后选用了一辆轿车作为实验平台进行改造。 在车辆驱动系统改造方面,考虑到节能与环保问题已成为世界各国所关注

的主要社会问题,以及高新技术的飞跃发展,进而电动汽车的研究又成为许多 发达国家及各大汽车公司的重要发展项目。 另外电动汽车结构简单, 维修容易, 使用寿命长,并可直接利用电子技术进行传动、显示和控制,还易于实现自动 控制,从而简化了速度控制系统,安全性也优于内燃机汽车。未来智能车辆的 研究也应该在电动车辆的基础上进行,为了使课题组所研究的智能车辆技术能 很快应用到电动汽车上, 所以选用驱动电机代替原车上的内燃机作为驱动系统, 通过变频调速器对电机进行速度控制。 对于车辆转向及制动系统,除了保持车辆原有的基本组成与结构外,在方 向盘上直接安装转向控制电机,转向系统执行机构与原车的转向机构以并联的 方式组合,通过电磁离合器来实现转向的手动与自动之间的相互转换。车辆的 制动总成由步进电机、减速器、钢丝绳及原车的制动机构组成,钢丝绳一端与 原车的脚制动踏板相连,另一端与减速器的输出轴端相连,通过电机来控制连 接在制动踏板上的钢丝绳实现整车的制动。 在车棚上安装 CCD 摄像机、三维激光测距仪、数传电台及 GPS 信号接收 器等。在驾驶室内,拆掉了前排副驾驶座,加装了工控计算机系统,在后排座 位上留一个系统调试人员座位,同时在其旁边的后排座布置整车的控制箱,便 于调试人员进行手动控制,并在紧急情况下切断系统电源。 下页图 2-1 所示为新型高速导航智能车 JLUIV-IV 整车改装后各器件布置示 意图。

§2.3 JLUIV-IV 传感器系统组成
新型高速智能车 JLUIV-IV 传感器系统安装了多种传感器,大大提高了车

辆周围环境感知和状态监控的能力。通过将多种传感器所感知的环境信息以及 车辆自身状态信息进行集成处理的多传感器信息融合技术,在很大程度上提高 了信息的互补性和信息的实时性,因而能够比较完整的、精确的反映环境特征 和自身状态信息。 传感器系统可分为外界环境信息传感器和车辆信息传感器,其中外界环境 信息传感器包括:CCD 摄像机,可获得环境的灰度图像;三维激光雷达,可获 得车辆前方障碍物的距离图像;单点激光测距仪,可获得车辆后方障碍物的信 息;短距离红外识障仪,可以显示车辆周围的障碍物。车辆信息传感器主要包 括:GPS 接收机,用来接收卫星定位信息,可以得到车辆自身的经纬度等信息; 角位移传感器,用以获取转向轮转角,通过 12 位精度的 A/D 转换得到角度的 数字量;霍尔传感器,安装在从动轮上,可以测得车辆行驶速度;制动力传感 器,可以测得作用在制动踏板上的制动力。具体如表 2-1 所示。

表 2-1 JLUIV-IV 安装的传感器及其性能指标 序 号 名 称 型 号 像 高速 CCD 摄 像机 性 能 指 标 安 装 位 置

素: (H) 658 ×494 (V) 车外顶棚 前部中线 上

象素尺寸:9.9μm×9.9μm 1 BASLER-A301f 采集速率:Max.80 frames/sec 采集卡型号:NI-IMAQ 数据传输标准:IEEE-1394 镜头焦距:8mm 像 素: (H) ×584 (V) 542 采集速率:Max.50 frames/sec 2 普通 CCD 摄 像机 光照强度:Min. 0.1 lx VCB-3312P 电子光圈,背光补偿,自动同 步 采集卡型号:DH-VRT-CG200 镜头焦距:8mm 距离测量范围:0.2m-100m 3 单点激光测 距仪 DATA DISTOTM 测量精度:±3mm 测量时间:2.5s-10s 串行波特率:9600baud 续表 2-1 距离测量范围[28]: 2m-150m(反射率大于 10%) 2m-350m(反射率大于 50%) 4 三维激光扫 描仪 LMS-Z210 距离测量精度:±2.5mm 角度扫描范围:0o~80o 角度测量精度:0.036o 扫描步距角:0.24o 扫描速度:Max.52 scans/s 5 霍尔转速传 感器 HZL201 最小安装间隙:0.5mm-1mm 工作电压:DC 12V

车内后顶 棚中线上 悬吊

车内后窗 平台中线 上

车外顶棚 前部中线 上

制动钳支 架上

转动圈数:5 圈 6 转角传感器 制动力传感 器 22HHPS-5 总电阻:10kΩ 精度:1% 7 YM-13-200K 测力范围:0-2000N 测量精度:0.15%FS

由齿形带 与方向盘 转轴相联 制动踏板 拉线上

§2.4 JLUIV-IV 计算机测控系统组成
智能车辆的决策控制模块是根据环境信息和车辆自身状态,进行任务规划 与决策,并通过控制软件给出操作指令,其核心是计算机测控系统。

2.4.1 计算机
智能汽车所需处理的信息不仅数量大,而且类型复杂。因此,根据所采集 信息类型的性质及控制任务的特点,构成相应的计算机系统。为了提高运行速 度,以便改善整个系统路径及障碍物识别的实时性和有效性,JLUIV-IV 智能车 辆计算机系统采用一台具有多 CPU 并行处理功能的工业控制微型计算机, 其中 2 块 IPC-68IIVDF(B)和 1 块 IPC-68IIDF(B)工业级 CPU 卡。 选用其中的两块 CPU 卡分别用于前后 CCD 图像采集及三维激光测距信息采集,他们独立对道路图 像进行采集,并进行一些图像前处理,并将数据处理结果传送到主控计算机; 另外一块 CPU 卡用于 AD、 及 IO 等的操作及其它一些传感器信号信息的获 DA 取,主要完成系统初始化、人机交互、系统管理、控制决策、警告提示、主从 通讯和状态监测等任务。各 CPU 之间通过串口通讯实现数据传输。图 2-2 是 JLUIV-IV 的计算机测控系统框图。
前路面图像 摄像镜头 前视 CCD 图像采集卡 CPU1

三维激光测距仪

串行接口 CPU2

后路面图像

摄像镜头

后视 CCD

图像采集卡

单点激光测距仪

A/D

卫星信号

GPS 接收天线

GPS 接收板

串行接口

CPU
工 业

左从动轮转动

霍尔传感器

计数器

右从动轮转动

霍尔传感器

计数器


2.4.2 工业控制卡
为了对车辆状态进行监测和控制,需要对车辆周围环境进行测量,车辆根 据周围的环境信息进行自主导航驾驶。为此需要一些工业控制卡,将一些模拟 量信号转换数字信号,便于计算机进行测量。同时对于一些开关量信号需要读 入计算机中判断开关状态。 2.4.2.1 模数转换卡(DA、AD 卡)

在 JLUIV-IV 中的主驱动系统是通过变频调速器对主电机进行速度控制, 为此需要外接模拟输入电压信号,需要一路 DA 通道将数字信号转换成模拟电 压信号,完成主电机的调速。同时转向电机控制器的脉冲发生电路也需要模拟 电压调速信号,通过对脉冲发生电路输入不同的参考电压,使其产生一定频率 的脉冲信号提供给电机控制器。所以总共需要两路 DA 通道。在测量转向轮转 角时,需要将转角位移传感器的电压信号转换成计算机可读取的数字量信号。 模数转换卡选用台湾研祥的 PCL-812PG,它是一块多功能数据采集卡,其 特性为: 16 个 12 位模拟输入分辨率,转换时间为 8us 最高至 100KHz A/D 采样速率 双极性输入信号,芯片带采样/保持 2 个 12 位单片集成电路多通道模拟输出 D/A,稳定时间为 30us 3 个独立的可编程 16 位递减计数器 3 种 A/D 触发模式: 软件触发、可编程定时触发和外部缓冲触发 DC-DC 积分转换器提供稳定的模拟电源 PCL-812PG 提供了 16 路单端 模 拟 输 入 通 道 , AD 转 换 器 为 B.B.ADS774,属于逐次逼近式转 换器类型, DMA 单通道数据传输, 过电压保护连续的最大可达到 ±30V;2 路模拟量输出通道,DA 转换器为 B.B.7541,输出极性可 选。图 2-3 是模拟量输出接线图。
图 2-3 模拟量输出接线图

2.4.2.2 数字量输入输出卡(IO 卡) 开关量信号需要数字输入输出卡即 IO 卡。为了将外界信号与计算机隔离, 保证计算机的安全和程序运行的可靠性,在信号测量中消除共模电压、地回路 对测量精度的影响,选用了光电隔离型工业控制卡。IO 卡的型号为 PCL-730, 它是一个隔离数字 I/O 卡,提供了 16 路隔离输入和隔离输出通道。隔离的通 道适合工业环境的应用。 另外有 16 路非隔离的数字输入和输出通道。 它使用户 可以更加灵活的使用此卡。 PCL-730 提供双中断请求。一个是由外部数字信号 产生的,另一个是由 8254 定时器产生的。它的主要特性是:

32 路数字输入(16 路隔离和 16 路 TTL 输入) 32 路数字输出(16 路隔离和 16 路 TTL 输出) 2,500Vrms 高电压隔离,吞吐量为 10kHz 高输出驱动能力和 200mA 最大灌电流 高达 24V 的隔离输入电压保护 可编程计数器,板上内部定时触发器触发 双中断触发源,中断由内部定时器或外部信号控制 PCL-730 隔离输入电压可在 5~ 24V 之间,且输入阻抗达到 1.2k, 隔离输出需要给 IO 卡提供外接驱动 电压 VDD (一般 5~40V) 用来给内 , 部隔离电路供电,当隔离输出高电 平时,从 VDD 产生反向电流产生, 如图 2-4 所示。
图 2-4 隔离数字量输出接线图

2.4.2.3 计数器 车速的测量采用霍尔齿轮传感器,需要对其产生的脉冲进行计数,即需要 计数器,在 DA 卡和 IO 卡中各有一个可编程计数器,可以分别用于左、右轮车 速的测量。控制卡上的可编程计数器是由 3 个 16 位的定时/计数器组成,它是 由一片可编程的定时计数器芯片 8254 提供的,8254 可视为一个具有四个输入/ 输出接口的器件,三个为计数器,一个是可编程序工作方式的控制寄存器,其 内部结构如图 2-5 所示。

D7 ~ D0

数据总线 缓冲器
内 部 总

CLK0

计数器 0

GATE0 OUT0 CLK1

RD WR A0 A1 CS

读/写控制 逻辑电路

线

计数器 1

GATE1 OUT1 CLK2

控制字 寄存器

计数器 2

GATE2 OUT2

图 2-5

8254 内部结构图

8254 内部包含 3 个完全相同的计数器/定时器通道,对 3 个通道的操作完 全是独立的。 每个通道都包含一个 8 位的控制字寄存器、 一个 16 位的计数初值 寄存器、一个计数器执行部件和一个输出锁存器。执行部件实际上是一个 16 位的减法计数器,它的起始值就是初值寄存器的值,该值可由程序设置。每个 通道工作时,都是对输入到 CLK 引脚上的脉冲按 2 进制或 10 进制(BCD)码 格式进行计数。计数采用倒计数法,先对计数器预置一个初值,再把初值装入 实际的计数器,然后开始递减计数,即每输入一个时钟脉冲,计数器的值减 1, 当计数器的值减为 0 时,便从 OUT 引脚输出一个脉冲信号。输出信号的波形 主要由工作方式决定,同时还受到从外部加到 GATE 引脚上的门控信号控制, 由它决定是否计数。

§2.5 JLUIV-IV 执行控制系统组成
智能车辆操作执行模块完成的车辆控制任务,包括各种执行及其电源驱动 控制器。执行器主要包括交流主驱动电机、转向控制步进电机、制动控制步进 电机等。

2.5.1 主驱动系统
2.5.1.1 主电机的选择 随着世界汽车工业的迅速发展,推动了世界经济交通能源工业等各方面的 发展,却也带来了很大的弊端;燃油造成的大气污染日益严重,加之世界石油 资源日益枯竭[26]。因此,百余年来作为人类最主要交通工具之一的汽车的动力 系统以燃油为根本的地位开始发生动摇,而电动汽车这一无污染且能源又可多 样化配置的动力方案已引起世人的普遍关注。 电动汽车运行工况非常复杂,因此,对驱动系统的要求是很高的。首先需 要过载能力强、加速性能好,具有宽广的调速范围,其次需要在整个运行范围 内具有高的效率,以提高一次充电的续行里程[30]。

目前在电动汽车中,主要的几种驱动系统包括直流电机斩波调速系统、感 应电机变频调速系统、 永磁同步电机变频调速系统和开关磁阻电机调速系统等。 直流电动机尽管存在控制简单的特点,但由于存在电刷及机械换向器,不 但限制了电机的过载能力与速度的进一步提高,而且如果长期运行,势必需要 经常维持电刷与换向器。另外,由于损耗存在于转子上,使得散热困难,温升 增高,限制了电机转矩重量比的进一步提高。由于直流电动机存在上述缺陷, 因而在现代电动汽车中应用越来越少。 与直流电机相比, 交流电机具有效率高、 比功率大、能够再生制动、可靠性高和维护少的优势。因此,在电动汽车的应 用中,交流电机取代直流电机已大势所趋。 与直流电动机不同,由于现代电子技术与电机控制技术的发展,交流感应 电动机已大量应用于电动汽车之中,如日本尼桑公司的“FEV”电动汽车、美 国通用汽车公司的“IMPACT”电动汽车[31]等均使用感应电动机做为其驱动电 机。其中,鼠笼式感应电动机应用最广。 感应电动机的控制一般采用 VVVF、磁场定向以及直接转矩控制。感应电 动机用于电动汽车主要是由于它具有结构简单,可靠性高,免于维修等优点, 另外向量控制的应用又使之具有了类似于直流电动机的优良特性。 开关磁阻电动机系统是近年来逐渐完善起来的一种新型动力系统。开关磁 阻电动机系统的主要优点在于结构简单,坚固,既具有异步电动机向量控制系 统的高效率、高可靠性,又具有直流调速系统的良好控制特性。开关磁阻电动 机在电动汽车中没有获得广泛应用的原因在于电机噪声大、转矩脉动严重。 永磁无刷电动机系统具有较上述电机系统更高的能量密度和更高的效率, 在电动汽车中具有极好的应用前景。但是价格比较贵。表 2-2 是几种交流驱动 电机调速系统的比较。
表 2-2 几种交流驱动电机调速系统的比较。 项目 控制方式 控制量 永磁无刷电机 调速系统 向量控制 电流、速度、相位 感应电机 变频调速系统 逆变向量控制 电流、速度 开关磁阻电机 调速系统 逆变斩波控制、 角度控制 电流、开通角、关断角

控制结构 简图

感应电机结构简单、制 永磁电机体积小、重量 主要优点 轻、结构简单、效率高、 控制灵活 磁钢价格较高,磁性能受 缺点 温度振动等因素的影响, 过载能力受控制器限制 造容易、价格低廉、坚 固耐用,采用向量控制 技术, 可以获得类似直 流电机的动态调速特性 效率比永磁电机和开关 磁阻电机低,特别是低 速运行时,效率更低

开关磁阻电机结构简 单,转子上没有绕组、 磁钢或滑环,可以高速 运行,效率较高

噪声大,转矩波动大

综上所述, 本文选用大连电机厂生产的多极三相异步电动机作为 JLUIV-IV 智能车的动力源。电机额定功率为 11 kw (1460r·min-1)/9 kw(2930 r·min-1), 采用交流变频器调速控制方式。电机型号为 YD160M-4/2,相关参数如表 2-3 所示。
表 2-3 主驱动电机相关参数 参数名称 额定功率(kw) 额定转速(r/min) 额定电流(A) 额定电压 (V) 重 量 (kg) 功率因素 绝缘等级 级 接 数 法 参数值 9/11 1460/2930 18.5/22.9 380 132 0.85/0.89 B级 4/2 /YY

2.5.1.2 变频调速器 感应电机结构简单、坚固耐用,采用向量控制技术后,可以获得类似直流 电机调速特性,因而广泛用于电动汽车中。但是,有的车辆需要更宽的调速范 围,或者需要电机高速旋转时输出的转矩较大,如采用传统的感应电机向量控 制调速, 电机的体积将不可避免地增大。 而采用变极电机调速和向量控制结合,

则可以在较小的电机体积下,获得上述要求的性能。 变频调速可以直接使用原有的可靠且简单的普通鼠笼电动机,安装和操作 极为简单,且具有较硬的机械特性、调速范围宽、可无极调速、精度高、功率 因子高和效率高等优点,是交流异步电动机目前最好的调速方法。 变频调速原理 变频调速是利用电动机的同步转速随频率变化的特性,通过改变电动机的 供电频率进行调速的方法。交流同步、异步电动机的转速 n1、n 分别为:

n1 =

60 f P 60 f (1 S ) P

(2-1) (2-2)

n = n1 (1 S ) =

式中:f——电源频率; P——极对数; S——转差率。 由式(2-2)可见,在一定负载下,同步电动机的调速可以通过改变 f 来实 现,而异步电动机的调速方法,可以通过改变 P、S、f 来实现[33]。 变频调速器容量的计算 采用变频调速驱动异步电动机调速,在异步电动机确定后,通常应根据异 步电动机的额定电流来选择变频器,或者根据异步电动机实际运行中的电流值 (最大值)来选择变频器。通常令变频器的额定输出电流≥(1.05-1.1)电动机的 额定电流(铭牌值)或电动机实际运行中的最大电流[34]。 I INV ≥ (1.05 ~ 1.1) I N 式中: I INV ——变频器额定输出电流(A) ; I N ——电动机额定电流(A) 。 由于所用的主驱动电机额定电流为 22.9A(4 极) ,因此选择变频器的额定 输出电流应该为: I INV ≥ 1.1× 22.9 = 25.19 A (2-4) (2-3)

由于变频器供给电动机是脉动电流,其脉动值比工频供电时电流要大。因 此须将变频器的容量留有适当的余量。所以选用变频调速器的额定输出电流为 32A。变频调速器的参数如表 2-4 所示。

表 2-4 变频调速器参数 型号 8015G3 输入电源 三相 380V 额定电流 32 A 额定功率 15KW

2.5.2 转向及制动系统
2.5.2.1 步进电机 步进电机是一种作为控制用的特种电机,它的旋转是以固定的角度(称为 “步距角” )一步一步运行的,其特点是没有累积误差(精度 100%) ,所以广 [35] 泛用于各种开环控制 。控制步进脉冲信号的频率,可以对电机精确调速;控 制步进脉冲的个数,可以对电机精确定位目的。 步进电机的特点 1、输出转角大小与输入脉冲数严格成比例,即每输入一个脉冲,经分配装 置使电机转子相应转动一步,在时间上与输入脉冲同步。 2、电机转子转速随输入信号的脉冲频率而变化。 改变输入脉冲频率即可实 现平滑的无极调速,其调速范围相当宽。 3、借助与控制线路,易于获得正反转、间歇运动的特殊功能。 4、转子的转动惯量小,能够快速起动、反转和制动。一般在信号输入几毫 秒至几十毫秒后,即能实现电机的转动或达到同步转速,信号切除后,电机立 即停止转动。 5、在负载能力范围内,不因电压、负载、环境条件的波动而变化。 6、输出转角精度高,虽有相邻误差,但无积累误差。由于它的回转角完全 取决于输入脉冲数目, 而且停止精度很高, 所以作为伺服电机用于控制系统时, 往往可以使系统简化,工作可靠,并能得到较高的位置精度。 为了使转向有很好的动态响应能力,能在高速自主导航中进行自动转向, 当车辆前方有障碍物时,车辆能及时进行转向。转向要求电机能够频繁起动、 带载转向,尤其要求电机能够带载快速达到给定速度。由于步进电机能够很好 地满足上述要求,能够实现精确定位,所以本文选用步进电机作为转向执行电 机。 在车辆行驶过程中,为适应交通状况的变化,汽车在运动过程中必然要进 行加速、减速和制动的控制[36]。为了确保制动系统能有良好的动态响应能力, 同样选用步进电机作为其执行电机。

步进电机主要性能指标 表示步进电机的主要性能除了步距角外,还有最大静转矩、启动频率和运 行频率。最大静转矩是指当电机不转时,供给绕组额定电流所能产生的最大转 矩。绕组电流越大,最大转矩也越大,还与同时通电的相数有关。起动频率是 指转子有静止情况不失步启动的最大脉冲频率,要求启动频率越高越好,这和 绕组及负载的电的和机械的惯性及步距角大小有关。运行频率是指启动后运行 时,当控制脉冲频率连续上升,在不失步状态下运行所能接收的最高控制脉冲 频率。运行频率越高,转速越快。其影响因素与启动频率相同。 2.5.2.2 步进电机控制器 步进电机控制器又称步进电机电源,它是将控制系统发出的脉冲信号转化 为步进电机的角位移[35]。控制系统发出一定周期的脉冲信号,使步进电机旋转 一定角度。步进电机和其控制器是一个有机整体,步进电机的运行性能是步进 电机机器控制器二者配合的综合表现。 转向所用步进电机是北京斯达特机电公司生产的 110BYG250C,额定力矩 8N.m,配套产品中有电机控制器(SH-2H110M) 、变压器等。表 2-5 为转向步 进电机参数,其矩频特性如图 2-6 所示。
表 2-5 转向步进电机参数 参数名称 电机型号 相数 步距角 相电流 驱动电压 最大静转矩 空载启动频率 参数值 110BYG250C 2 1.8o 6.0A AC110V 18.0Nm
4.0KHZ

图 2-6 转向步进电机矩频特性

制动所用步进电机是 SIEMENS 生产的 6FC5-548-0AB12-0AA0,额定力矩 12N.m, 配套产品中有电机控制器 STEPDRIVE C, 其参数如表 2-6 所示, 2-7 图 为其矩频特性图。
表 2-6 制动步进电机参数 参数名称 参数值

电机型号 相数 步距角 相电流 驱动电压 最大静转矩

SIMENS MOTOR 5 0.36o 3.0A AC85V 12.0Nm

STEP

§2.6 本章小结
本章介绍了新开发的 JLUIV-IV 智能车的整体结构,其传感器系统、计算 机测控系统和执行控制系统的组成。比较了几种形式的交流驱动系统,确定主 驱动系统所用的电机形式,并选择了变频调速的控制方式,介绍了变频调速器 的工作原理及其选择。最后确定了转向和制动系统的电机驱动形式,并选择了 转向及制动系统的电机和控制器。

第三章 电器系统电路设计
§3.1 引言
新型高速智能车 JLUIV-IV 设计达到 50km/h 的自主导航速度,为了达到这 样的运行速度,首先硬件结构必须稳定可靠,在本文选用一辆现成的轿车作为 试验平台,目的是不改变轿车设计时的各种参数,尽量不改变车原来的整体结 构。有了这个框架,就可以布置实现自主导航驾驶所需要的系统,其中电器系 统的设计安装起着决定性的作用, 系统硬件不稳定, 将来就很难达到设计要求。 JLUIV-IV 的电器系统主要分为四个组成部分:电源系统、主驱动系统、转 向系统和制动系统。其中电源系统是整个车辆电器系统设计的重要部分,它给 整车计算机系统、传感系统和执行机构提供电源,决定了其连续工作时间。

§3.2 电源系统设计

3.2.1 蓄电池的选择及布置
JLUIV-IV 自主导航控制中心为一台工业控制计算机, 完成车辆道路图像获 取、图像处理及各种传感器信号的采集,并实现智能车辆的自主导航驾驶。计 算机的工作电压一般为交流 220V, 同时为了便于操作人员进行编程操作, 需要 一台显示器对车辆信息进行显示, 其工作电压也是交流 220V。 由于计算机系统 是整车导航控制的关键, 为保证它能长时间稳定可靠地工作, 本文采用 4 块 100 Ah 鉛酸蓄电池以串并联方式构成,输出电压为 12×2=24V,通过一台 1000W 的电源逆变器将直流 24V 逆变输出频率为 50Hz 的交流 220V 电源。蓄电池布 置在驾驶室前排座位副驾驶员位置上,总质量为 24×4=96 kg。 转向步进电机电源控制器需要输入电源为交流 110V, 制动步进电机电源控 制器的工作电压为交流 85V。 由于逆变器没有输出为 110V 和 85V 的交流电源, 为此需要两台变压器,将逆变器输出的交流 220V 分别变压成 110V 和 85V 的 交流电。由于车辆进行自主导航驾驶试验时,需要频繁地进行转向,但是执行 时间不是很长,而制动的使用频率较低。所以单独设置了转向和制动伺服系统 控制的驱动电源,即采用 2 块 100 Ah 鉛酸蓄电池以串联方式构成,输出电压为 12×2=24 V,电池质量为 2×24=48kg,布置在车辆前方发动机位置。 图 3-1 为计算机及步进电机电源系统供电原理图。

(a)计算机供电系统

(b)步进电机供电系统 图 3-1 电源系统电路原理

由 于 采用了交流电动机驱动方式,主电机的工作电压为交流 380V 三相电源。在目 前没有性能更好的高能电池的条件下,所需的电池数量较大,实际采用了 32 块 40 Ah 鉛酸蓄电池,输出电压为 12×32=384V,总质量为 11×32=352 kg。 为了在有限的空间内要使电池重量在整车上分布均匀,电池的布置难度较大。 主驱动蓄电池分成三个部位布置,首先后备箱有很大的空间,但是为了避免车 的中心后移,在后排座位均布置了相同质量的电池。主驱动系统的供电系统电 路将在主电机驱动系统电路设计中介绍。

3.2.2 直流电源设计
由于需要各种继电器对车辆进行控制,继电器线圈需要+5V 的驱动电压, 还有一些指示灯,需要+24V 电源,脉冲发生器需要+12V 的参考电压。为避 免数据传输电路将强电干扰引入控制箱电路中,各个电源间不能共地,所以必 须用三个独立的变压器、整流桥和稳压器。由于电路中没有应用大功率器件, 因此选用各种小功率的稳压电源。稳压电源的工作原理(以+5V 电源为例)如 图 3-2 所示。

图 3-2 稳压电源工作电路图

§3.3 主驱动系统电路设计

3.3.1 主驱动系统组成
智能车 JLUIV-IV 的驱动电机为一台额定功率为 11 kw (1460r·min-1)/9 kw(2930 r·min-1)的 380V 双速三相异步交 流电机, 通过变极和交流变频器调速控制方 式对车辆速度进行控制。 主驱动系统除了将 电动机代替发动机外,保留了原车的离合 器、变速器和主减速器等传动机构,如图 3-3 所示。所以主驱动系统电路设计主要是 设计一套能实现电机从低速(4 极)变为高 速(2 极)的控制电路,并能通过变频调速 图 3-3 主驱动系统 器控制输出三相交流电的频率, 实现电机的 平稳调速。

3.3.2 主电机变极调速控制电路
由异步电动机的转速公式 2-2 可知, 改变磁极对数 P, 改变电源频率 f 可以 实现电机的调速。主驱动电机为双速异步电机,首先需要一套实现变极调速控 制电路[37]。

图 3-4

双速电机 2Y/△接线方式

主电机变极调速控制线路如下页图 3-5 所示,其工作原理是:合上主电机 电源空气开关,接通变频调速器输出的交流 380V 电源。若主令开关 SM 选择 在“低速”的位置上,则按起动按钮 SB1,交流接触器 KM1 接通,电动机定 子绕组按图 3-4 所示联接成 形,电机低速运行。此时,时间继电器 KT 不得 电,电动机不能自动换接成高速运行,可以通过调速器键盘上的调速旋钮对电 机进行调速。若主令开关 SM 选择在“高速”的位置上,则按下起动按钮 SB1, KM1 线圈得电的同时,KT 线圈也得电,电动机先联成 形,电机低速起动, 当 KT 延时达到整定值时, 其通电延时打开的常闭触点使 KM1 线圈断电, 其通 电延时闭合的常开触点使 KM2、KM3 线圈得电,电动机定子绕组从 换接成 图 3-4 所示的 2Y 接线,电机高速运行。若按下停止按钮 SB2,交流接触器线 圈断电,主电机断电,电机停止运行。 通过工作方式切换开关,可以将手动控制变成计算机控制方式,此时通过 计算机发送 IO 指令控制继电器的吸合来实现上述按钮的操作。具体如下:发 送 IO 指令 IO7,此时相当于按下起动按钮 SB1,电机低速运行。此时,时间继 电器 KT 不得电,电动机不能自动换接成高速运行,可以通过 DA 信号对电机 进行调速。若发送 IO8 指令,继电器 KM8 得电,其常开触点吸合,即

选择电机工作在“高速”状态, KT 线圈得电延时达到整定值时,其通电延时 线圈得电,电动机定子绕组从 换接成 2Y 接线,电机高速运行。若发送 IO6 指令,相当于按下停止按钮 SB2,主电机断电,电机停止运行。 交流接触器是用来频繁地接通和分断带有负载的主电路或大容量的控制电 路,并可以进行远距离自动控制[37]。在主电机控制回路中选择的交流接触器 KM 为正泰集团生产的型号 CJ20 系列,线圈工作电压为 220V(50Hz) ,额定 工作电流 40A。为了保护电动机免于过载以及三相异步电机的断相保护,在控

制回路中加上两个过热继电器 KH。由于电机从低速运行变为高速运行需要一 段延时,所以在低速换高速开关 SM 后串联一个延时继电器 KT,使得电机能 够平稳地由低速换成高速运转。主电机控制板实际接线图见图 3-6 所示。

图 3-6

主电机变极调速控制板

3.3.2 主电机变频调速控制电路
3.3.2.1 变频调速器供电电源的改造 变频调速器分为交-交和交-直-交两种形式。 交-交变频器可将交流直接变换 成频率、电压均可控制的交流,又称为直接式变频器。而交-直-交变频器则是 先把工频交流电通过整流器变成直流电,然后再把直流电换成频率、电压均可 控制的交流电,又称为间接式变频器。一般通用的变频器都是交-直-交变频器 [38] 。 变频器的基本结构如图 3-7 所示,由主电路(包括整流器、中间直流环节、 逆变器)和控制电路组成。分述如下: 1、整流器 电网侧的变流器 I 是整流器,它的主要作用是把三相交流整流 成直流电。 2、逆变器 负载侧的变流器 II 是逆变器。 最常见的结构形式是利用六个半 导体主开关组成的三相桥式逆变电路。有规律地控制频率逆变器中主开关器件 的通与断,可以得到任意频率的三相交流电输出。 3、中间直流环节 由于逆变器的负载为异步电动机,属于感性负载。无论 电动机处于电动或发电制动状态,其功率因数总不会为 1。因此,在中间直

~ 3φ

网侧变流器 I

中间直流环节 III

负载侧变流器 II

整流器

逆变器
DC

M
AC

AC

控 制 指 令

控制电路

控 制 指 令

流环节和电动机之间总会有无功功率的交换。这种无功能量要靠中间直流环节 的储能元件(电容器和电抗器)来缓冲。 4、控制电路 控制电路常由运算电路、检测电路、控制信号的输入、输出 电路和驱动电路等构成。其主要任务是完成对逆变器的开关控制、对整流桥的 电压控制以及完成各种保护功能等。 由于主驱动采用的是三相交流电动机,所用变频调速器的工作电源是也三 相交流 380V,由于没有的三相交流 380V 电源,考虑到变频调速器需要将三相 交流 380V 整流变成直流电,然后再将该直流电换成频率、电压均可控制的交 流电。因此可以对它进行适当改造,将蓄电池的 380V 直流电直接往变频调速 器中的逆变器上接,其控制电路所需的电源可以利用计算机供电系统中逆变器 输出的 220V 交流电。 3.3.2.2 变频调速器接线 变频调速器分主回路和控制回路两部分,主回路端子有主电源输入端、电 机输出端及接地端,控制回路有辅助电源、控制信号、模拟信号及选择开关等。 如图 3-8 所示,表 3-1 列出了控制端子对应的功能。
表 3-1 变频调速器控制端子对应的功能 种类
主 回 路

端子 R T V,U,W S1,S2

名称 变频器电源正端 变频器电源负端 输出端 220V 电源输入端

功能 接蓄电池 380V 直流电源 输出 380V 交流电给主电机 提供风扇及控制电路电源

E/〨 COM
控 制 信 号

接地线 续表 3-1 共同端 正转 反转 自由停车/复位

接地

FOR REV FRE

与 COM 短接有效 与 COM 短接有效 正常运行时与 COM 短接后停止 输出,电机自由停车;故障时与 COM 短接,变频调速器自动复位

模拟 输出 输入 信号

V1,V3 V2 I2

电源 电压输入信号 电流输入信号 电源正端 共同端 键盘选择开关 (二者只可选一) 电压输入信号开关 (二者只可选一)

+10V,GND 0~10V 0~20mA/4~20mA

辅助 24V 电源 COM
选 择 开 关

最大输出 24V/200mA 1:ON 时选择内置键盘 2:ON 时选择外接键盘 1:ON 时选择外接键盘电位计 2:ON 时选择端子电压信号

SW7 SW8

图 3-8 变频调速器配线图

变频调速器接线注意事项:
1、 拆换电机时,必须切断变频器输入电源;

2、变频器的外部控制线需加隔离装置或采用屏蔽线; 3、输入指令信号连线除屏蔽外还应单独走线,最好远离主回路接线; 4、若 变 频 器 需 较 频 繁 起 动 , 勿 将 电 源 关 断 , 必 须 使 用 控 制 端 子 的 COM/FOR 作起停操作,以免损伤到整流桥; 5、不可将交流输入电源接到变频器输出端子 U,V,W; 6、为防止意外事故的发生, 接地端子 E 必须可靠接地, 否则有漏电的危险。

§3.4 转向伺服系统电路设计

3.4.1 系统组成
自动转向系统是实现智能车辆自主导航驾驶的重要部件,其性能的优劣直 接关系到行驶的安全及作业效率,转向灵敏、操作轻便、工作可靠是转向系统 的基本要求[40][41]。转向伺服系统由以下几部分组成:转向电机控制器、转向电 机、减速箱、转角位移传感器及原来的转向机构等。 系统结构原理如图 3-9 所示。 伺服系统执行机构与原车的转向机构以并联的 方式组合, 手动与自动之间可以相互转 1 2 换,单独操纵。其工作原理是:转向轴 (7) 穿过减速器 (4) 蜗轮的中心轴孔, 下端固定着牙嵌式电磁离合器(5)的 从动端。减速器(4)的输出轴与牙嵌 7 3 式电磁离合器(5)的主动端通过平键 相联。电磁离合器通电后,其从动端与 4 主动端结合;转向步进电机(1)转动 时,通过蜗轮蜗杆减速器(4) 、牙嵌式 5 6 电磁离合器(5)的主动端和从动端, 带动转向轴(7)旋转,从而实现智能 图 3-9 转向伺服系统组成 车的自动转向控制。 1.转向电机 2.方向盘 3.角位移传感器 4.
减速器 5.电磁离合器 6.万向节 7.转向轴

3.4.2 脉冲信号发生电路
步进电机电源控制器是将脉冲信号源产生的脉冲信号 CP 按一定的逻辑关 系加到放大器上, 使步进电机按一定的运行方式运转。 控制器每得到一个脉冲, [35] 步进电机就旋转一个步距角 。本文采用电压/频率(V/F)转换器作为步进电 机进给脉冲信号源。 V/F 转换器是将电压信号转变成频率信号的元件,有良好的精度、线性和 积分输入特点。将模拟电压转换成频率的方法很多,本文选用 LMX31 系列转 换器 LM331[29],其封装图如图 3-10 所示。 LM331 转换器的电特性参数为: 电源范围:4~40V 输入电压范围:-2.0V~Vs 最大失调电压:±14mV 电源电压对增益的影响: 4.5V≤Vs≤10V 0.1%/V 10V≤Vs≤40V 0.06%/V 图 3-10 LM331 封装图 工作电流:8.0mV 脉冲信号发生电路如图 3-11 所示。在电压输入端 7 脚上增加了由 RIN 、CIN 输组成的低通滤波电路。输入电阻 RIN 为 100 k ,使 7 脚偏流抵消 6 脚偏流的 影响,从而减小频率偏差。Rs 应为 14 k ,这里用一只 12 k 的固定电阻和一 只 5 k 的可调电阻串联组成,它的作用是调整 LM331 的增益偏差和由 RL、Rt

图 3-11 脉冲信号发生电路

和 Ct 引起的偏差。CIN 为滤波电容,一般 CIN 在 0.01~0.1μF 之间较为合适, 在滤波效果较好的情况下,可使用 1μF 的电容。当 6 脚、7 脚的 RC 时间常数 匹配时,输入电压的阶跃变化将引起输出频率的阶跃变化,如果 CIN 比 CL 小得 多,那么输入电压得阶跃变化可能会使输出频率瞬间停止。6 脚的 47 电阻和 1μF 电容器串联可产生滞后效应,以获得良好的线性度。 该脉冲信号发生电路的电路特性为:
电源电压:+15V 输入电压范围:0~10V 输出频率:10Hz~11kHz 非线性失真:±0.03% 最大输出频率:

fOUT =

VIN R 1 × S× 2.09V RL Rt Ct 5 14 1 × × = 4.93kHz 2.09 100 6.8 × 0.01
(3-1)

=

3.4.3 转向控制电路
步进电机控制器根据控制指令将脉冲电路产生的脉冲信号 CP 转化为步进 电机的角位移,转向步进电机控制器需要提供的控制信号主要有方向电平信号 DIR、脱机信号 FREE 和公共端 OPTO。 1、方向电平信号 DIR:此信号决定电机的旋转方向。该控制器的换向方式 为单脉冲方式,即如果此信号为高电平时电机为顺时针旋转,则信号为低电平 时电机为反方向逆时针旋转。 2、脱机信号 FREE:此端为低电平有效,这时电机处于无力矩状态 。 3、公共端 OPTO:为了使控制系统与控制器能够正常通讯,避免相互干 扰,驱动器内部已经采用了光耦器件对输入的脉冲信号 CP、方向信号 DIR 和 脱机信号进行了隔离, 并将这三 路信号的正输入端在控制器内 部连接在一起组成公共端 OPTO, 又称为共阳端。 如图 3-12 所示。OPTO 端通常接外部系统 的 VCC,本文中接+5V 电压, 图 3-12 转向电机控制器输入信号接口电路

如果 VCC 不是+5V 则须外部另加限流电阻 R,保证给驱动器内部光耦提供 8-15mA 的驱动电流。 为了便于操作人员进行操作,本文设计了手动和自动控制两种工作方式的 电路,手动和自动之间可以相互转换,单独操纵。如图 3-13 所示。在手动状态 下,操作人员通过按下控制面板上的左转、右转按钮,给控制器方向信号 DIR 和脱机信号 FREE 来实现电机的正、反转,从而带动方向盘向左或向右转,实 现转向电机手动控制。并能通过转向调速电位计,调节脉冲信号发生电路输入 电压的大小,改变脉冲频率,实现对电机的调速。通过工作方式切换开关,可 以将工作方式切换到计算机控制方式。通过两路 IO 进行控制,IO2 控制两个继 电器, 接通 DIR 信号的同时, 切断 FREE 信号, 此时给方向信号 DIR 为高电平, 电机正转; 同样 IO3 控制两个继电器, 接通 DIR 信号的同时, 切断 FREE 信号, 此时给方向信号 DIR 为低电平,电机反转。如果要对电机进行调速,可以通过 DA 调速信号,计算机发出的数字量转换成模拟电压信号,提供给脉冲发生电 路,从而实现了计算机对转向速度的控制。

图 3-13

转向电机控制信号

§3.5 制动伺服系统电路设计

3.5.1 系统组成
为适应交通状况的变化,汽车在运动过程中必然要进行加速、减速和制动 的控制。智能车 JLUIV-IV 的自动驾驶也同样需要对制动进行控制。制动伺服 系统是由控制器、步进电机、减速器、拉力传感器、行程开关及原来的制动执 行机构等组成,如图 3-14 所示。 制动系统的工作原理是: 当制动踏板 (1) 在自由状态下, 如果步进电机 (3) 以一定的速度旋转,经蜗轮蜗杆减速器(2)带动线轮(4)顺时针旋转,拉紧 联接在制动踏板上的拉线(7) ,此时智能车实现制动。当电机反向旋转时,松 开拉线,制动踏板回到自由状态。制动动作时,可以通过行程开关(5)限制电 机旋转的角度。
1
制动总泵

2

3

7

6

5

4

图 3-14 制动伺服系统组成 1.制动踏板 2. 蜗轮蜗杆减速器 3. 步进电机 4.线轮 5.行程开关 6.拉力传感器 7.拉线

3.5.2 制动电机控制
制动电机选用西门子五相十拍的步进电机,相应控制器为西门子控制器, 电源要求输入电压是 85V 交流。控制器控制信号同样需要脉冲信号 CP、使能 信号 ENA、方向信号 DIR 等,制动伺服系统的电路图如图 3-15 所示。 制动脉冲信号发生电路同转向脉冲发生电路, 选用 LM331 压频转换器。 考 虑到制动电机不需要经常调速,所以可以用脉冲发生电路中的调速电位计将脉

冲信号调节到一固定的频率,使电机以一固定的速度运行。所以没有用计算机 DA 进行调速控制。 同转向系统一样,为了便于操作人员进行操作,采用手动和自动控制两种 工作方式的电路如图 3-15 所示,手动和自动之间可以相互转换,单独操纵。在 手动状态下,操作人员通过按下控制面板上的按钮,给控制器方向信号 DIR 和 使能信号 ENA 来实现电机的正、反转,实现制动电机的手动控制。 通过工作方式切换开关,可以将工作方式切换到计算机控制方式。由于制 动控制器使能信号是高电平有效, 通过两路 IO 进行控制, 控制两个继电器, IO0 接通 ENA 信号的同时,切断 DIR 信号,此时给方向信号 ENA 为高电平,电机 正转; IO1 控制一个继电器,接通 ENA 信号,同时 DIR 信号也为高电平,电 机反方向旋转。

图 3-15 制动系统电路图

§3.6 控制箱的设计

3.6.1 控制面板的设计
整个电器系统的电源开关、操作按钮、显示仪表、指示灯、方式切换开关 等都在控制面板上, 控制面板安装在后排座位置, 便于操作人员进行各种控制。 如图 3-16 所示。

图 3-16 控制面板

系统电源系统中有计算机电源空气开关、步进电机电源空气开关、主电机 电源空气开关,同时有电压和电流表监视电源电压和工作电流,提示系统蓄电 池的电压,电压太低时必须及时充电。为了便于对主电机进行调速控制,将变 频调速器上的控制键盘移到控制面板上。 指示灯显示车辆状态信息,如转速表显示车辆当前的速度,电源指示灯指 示系统的供电状态。 同时还有车辆自动控制方式指示灯、 电机高速运转指示灯。 控制面板上还有转向和制动步进电机的控制按钮、调速电位计和方式切换 开关等。在面板的线路布置上,尽量使主电机、计算机等强电布置在控制面板 的一侧,而一些控制信号如开关量信号、电位计等布置在面板的另一侧。

3.6.2 继电器控制板
在以上设计中,主电机变频调速器和步进电机控制器的控制信号都是通过 继电器来控制,从可靠、检修方便的角度出发,应该将这些继电器控制板分开, 并固定在一块板上,如图 3-17 所示。它们的控制原理在前面的电路中已经分开 介绍了,这里就不再累述。

图 3-17 继电器控制板

为了给这些继电器及脉冲发生电路提供直流电源,同时将各种直流变换电 源布置在板的左侧,这样方便走线。

§3.7 电控系统抗干扰设计
JLUIV-IV 要进行高速无人自主导航,电控系统将会受到振动、机械冲击等 影响,且工作时间较长,因此,对电控系统进行抗干扰设计是确保智能车 JLUIV-IV 稳定可靠工作的关键。

3.7.1 系统的主要干扰源
在任何一种电子设备设计过程中,抗干扰问题是设计者必须认真考虑的问 题。干扰的来源大体上有两类,一类是来自系统外部,如无线通讯设备的电磁 波,大功率设备在开、关时所发出的脉冲电波,甚至于高压输电线上的电场及

电磁辐射等也会对电路产生干扰。另一类是来自系统内部,如电源由于整流、 滤波等不彻底所产生的干扰, 电路中的线圈产生的自激振荡所造成的干扰等等。 对于计算机测控系统来说,来自现场的干扰源是多种多样的[42],有系统自 身的原因,如在系统设计时考虑得不周到,元器件布局不合理、质量差等因素 造成的电阻热噪声,接触噪声干扰。而系统外部的原因,如交流电机、高压开 关等大功率设备的起停等,以及从系统电源带来的电网网压干扰都是很常见也 很强的干扰源。这些干扰造成的后果轻者使系统测控精度下降,重者使系统不 能正常工作。干扰的主要来源有三个方面,即来自交流电源的干扰,来自信号 通道的干扰以及来自空间的干扰。

3.7.2 主要抗干扰措施
3.7.2.1 硬件抗干扰设计 采用分散独立的功能块供电 从技术的角度分析,通过电源引入干扰是造成系统受损或工作不可靠的主 要因素。因此在电源设计中,将+5V、+12V、+24V 等电源分别用各个系统 的功能模块供电,采用多个三端稳压管构成,各个功能块单独对电压过载进行 保护,从而减少了公共电源和公共阻抗的相互耦合,切断通过电源串入的各种 干扰,提高了电源的抗干扰性和可靠性,并利于电源散热。 光电耦合隔离 传感器信号与计算机工业控制卡 A/D、 I/O、 计数器采用光电隔离接线方式, 以减小外部干扰对 CPU 的影响。 光电耦合器是由发光二极管和光敏三极管两部 分组成。 其它的抗干扰措施 为了解决数字电路对模拟电路的干扰问题,本文在两者之间电源隔离,模 拟地和数字地单点共地来避免干扰问题的发生。同时,作为重要信号的输入端 都采用屏蔽环圈起加以保护,提高抗干扰能力。 在电路板的设计过程中严格要求也可以产生良好的抗干扰效果。当电源线 太细时, 由于阻抗大, 导致电源地电位和接地端电位随负载电流的变化而变化, 导致噪声增加。所以适当加粗电源线。 在电路板上布线时,元器件和焊接面的引线互相垂直,这样可减少寄生电 容。数字电路的地线,模拟电路的地线,强电流的地线都单独走线,自成一个 回路,最后在一点共地。这样可减少相互之间的干扰。在电路板上设有大面积

的接地铜箔。这块接地铜箔可为供电回路提供一个低感回路,即可以保证良好 的接地,又可以防止静电感应的发生。 3.7.2.2 软件抗干扰措施 硬件的抗干扰措施可以大大提高系统的测控精度和工作可靠性,而微机的 抗干扰又不能完全依靠硬件解决。我们在实践中体会到,尤其在系统硬件设计 已经完成,而系统仍有干扰侵入时,软件的抗干扰处理尤为重要[43]。 系统自检 系统自检程序可有效提高系统的可靠性。自检程序可对微机测控系统的主 要器件如内部 RAM、系统的 EPROM,外部的 RAM、I/O 接口芯片,以及 I/O 通道,传感器等进行故障检查和诊断,并能对故障进行定位,这样就能了解系 统各个部件的运行状况,进行及时有效地维护,并可避免因器件原因使测控系 统受干扰而不能正常工作的情况。 数字滤波器 这种方法用软件实现硬件滤波器的算法,可满足同一系统对对多种参数的 响应速度的要求,并可选用很大的时间参数来对付低频干扰,采用软件滤波手 段处理开关量及模拟量输入,提高系统的抗干扰能力。具体将在第四章介绍。

§3.8 本章小结
本章主要介绍新型高速智能车 JLUIV-IV 的电器系统电路设计。首先设计 了整车电源系统,对计算机系统、主驱动系统、转向和制动系统提供电源。设 计了主驱动电机变极调速和变频调速控制电路,实现了对车辆速度的控制。完 成了转向伺服系统和制动伺服系统电路设计,并设计手动和计算机控制电路, 实现车辆自动转向和制动。所有的操作按钮和电源开关,还有一些电流、电压 表都布置在控制面板上, 便于操作人员进行控制。 最后对系统干扰进行了分析, 在设计过程中尽量采用一些可靠的抗干扰措施。试验证明,所完成的电器系统 稳定可靠,能够满足车辆的自主导航。

第四章 JLUIV-IV 传感器信号测量与滤波
§4.1 引言
对于智能车辆的研究而言,车辆的导航控制是进行其它研究的基础,因此 导航控制是智能车辆研究中的核心问题之一。在智能车辆导航控制器设计中涉 及到几个重要的参数,如车辆速度及前轮转角等,故需要传感器对这些信号进 行测量。为了使车辆导航控制具有良好的跟踪性能和鲁棒性,还需对传感器测 得的信号进行一些必要的滤波处理。

§4.2 传感器信号的测量

4.2.1 速度的测量
在智能车辆自主导航控制中,车辆速度是导航控制器中的状态变量,所以 车辆要进行自主导航驾驶,首先需要知道车辆的横向速度。 JLUIV-IV 车辆速度测量采用南京生产的 HZL201 霍尔齿轮传感器, 它是 一种用于测量速度、角度、转速、长度等的新型传感器。通过传感黑色金属齿 轮或齿条的齿数并转换成电压脉冲信号来测量物体的速度、转速等参量。其特 点是工作频率高,可达 100KHZ,抗电磁干扰、有电源极性反向保护,安装维 修方便。表 4-1 列出了其电气参数。
表 4-1 霍尔齿轮传感器电气参数表
参数 工作电压(V) 工作电流(mA) 输出低电平(V) 输出高电平(V) 工作距离(mm) 符号 Vcc Icc VOL VOH d 数值 5-20 ≤15 ≤0.4 ≥(Vcc-1) 1-2.5

通过 PCL-812PG 给霍尔转速传感器提供+5V 的工作电源,传感器安装在 车辆后轮制动钳支架上,与从动轮轮毂上的齿槽有 1-2mm 的距离,车轮的转 动带动从动轮轮毂转动,传感器输出脉冲方波信号。将信号输出端连接到计数 器上的 CLK0 上,为了防止信号干扰,在信号输出端与+5V 电源之间加一 5k 电阻,如图 4-1 所示。

图 4-1 霍尔传感器信号测量电路

由霍尔传感器输出代表车辆从动轮转速信号的脉冲,该信号经外部接口电 路变换后, 引入板卡的计数器。 计数器每隔一定周期记录传感器信号的脉冲数, 速度计算式为: tep l n= × (4-1) p T 式中:tep——计数器记录的脉冲数; p——从动轮每转一圈传感器输出的脉冲数, 本系统车轮每转一圈, 传感 器输出 28 个脉冲; l——车轮的周长; T——采样周期,本系统的采样周期为 50ms。

4.2.2 转角的测量
JLUIV-IV 需要实现高速自主导航,其转向控制器是导航控制器设计的关 键,转向控制必须要有当前转向轮转角这一参数,同时需要确定转向轮应该按 多大的转向角进行转向。为此必须测量转向轮转角。 转角位移传感器采用日本 SAKAE 公司生产的 22HHP-5 型多圈旋转型精密 电位器。转角传感器安装在齿形带轮的转轴上,通过齿形带与固定在方向盘转 轴上的另外一齿形带相连,通过测量方向盘转角获取车辆转向轮转角信息。此 电位器的显著特点是精度高、温漂小、线性度好。其具体性能参数如表 4-2 所

示。
表 4-2 转角传感器性能参数表 标准阻值 独立线性公差 分辨率 输出平滑 功率 最大工作电压 电子行程 最大启动转矩 10KΩ ±0.35% 无穷大 小于输入电压×0.05% 1.0W 500V 360×5°±5° 5mN.m

转角位移传感器的供电电压为+5V,传感器信号输出接给 AD 卡的通道 1, 如图 4-2 所示。

图 4-2 角位移信号的测量电路

4.2.3 转角信号的标定
为了确定转向轮的转角大小, 需要将所测得的角位移传感器的 D/A 值转换 成车辆前轮的转角,为此需要进行转角信号的标定。具体做法是按一定角度转 动方向盘,相对应转向轮偏转一定转角,同时,通过角位移传感器获得对应的 A/D 值,表 4-3 列出部分测量的数据。
表 4-3 A/D 值 3242 3180 A/D 值对应的转向轮转角 3119 3057 2943 2884 2826 2731

转向轮转角

8

6

4

2

-2

-4

-6

-8

设转向轮转角为 B,测得的传感器信号的 A/D 值为 A,则对两变量进行一 元线性回归,可得到前轮转角 B 与 A/D 值 A 之间的回归方程为: B=0.0333A-100.0803 (4-2) 根据相关系数检验法,算得回归方程式(4-2)的相关系数为 0.9996,证明 转向轮转向角与 A/D 值之间有良好的线性关系。 在实际应用时, A 值为 3000 若 时方向为正,若 A 值大于 3000 时,则转向轮往右转;反之,则往左转。图 4-3 转向轮转向角与 A/D 值的标定曲线。

图 4-3 转向轮转角与 A/D 值的标定曲线

§4.3 信号的滤波处理

4.3.1 概述
在 JLUIV-IV 计算机控制系统中,通常要对现场的数据如车速、转向轮转 角等进行采集,采样信号从信号形成到信号传输过程中难免受到各种干扰地影 响。干扰包括被控参数自身的波动及外界电磁干扰,致使在有用的信号上附加 了无用的干扰信号, 从而改变了信号的真实性, 直接影响车辆导航控制的性能, 所以通常需要采用滤波器来滤掉干扰信号。 滤波器是一种选频装置,它可以使信号中特定的频率成分通过,而极大地 衰减其它频率成分。通常滤波器可分为模拟滤波器和数字滤波器[47][48]。 模拟滤波器加在输入通道中,由电感、电容、电阻和放大器等电子元件组 成,它在模拟电路中,能使某一特定频率的信号通过或阻断。它的参数是事先

设定的,工作过程中不便调整。此方法的缺点是精度低、通变形差、特性不易 改变,特别是在超低频滤波时需要庞大的电子元件。 数字滤波器所处理输入输出均为数字信号,通过一定的运算关系改变输入 信号所含频率分量的相对比例或者滤除某些频率成分。数字滤波器的数字信号 通常要用到计算机和数字电路,并靠软件和硬件的结合来实现滤波功能。同模 拟滤波器相比,数字滤波器具有以下突出优点:
精度高并且稳定性好 不存在阻抗匹配问题 滤波器的临界频率值不受限制,系统函数容易改变,因而灵活性好 便于用硬件规模集成 可实现多维滤波 随着计算机技术的高速发展,在计算机控制系统中数字滤波器的应用越来 越广泛。 通过对试验测量数据进行分析发现,试验测量数据含有较大的噪声干扰, 为便于进行特性分析及对转向和主驱动的系统辨识,应该对原始试验数据进行 必要的滤波处理,以消除数据中高频成份的干扰。由于 JLUIV-IV 智能车在导 航过程中通过计算机对车辆速度和转向角信息进行数据采样和处理,所采集的 数据均为数字信号,故选用了数字滤波器,这样可以使得数据处理过程更加灵 活方便。

4.3.2 数字滤波器的分类
信号经过滤波器处理, 就相当于信号频率与滤波器的频率响应相乘的结果, 就时域来看,就是信号与滤波器的冲激响应的卷积,因此,可以说滤波器实质 上是一个卷积器。 一般说来,数字滤波器的输出 y(n)的 Z 变换 Y(z)与输入 x(n)的 Z 变换 X(z) 有如下的关系:
Y(z)=H(z)X(z)= b(1)+b(2)Z-1 + L + b(nb) Z ( nb 1) X ( z) 1+a(2)Z-1 + L + a (na ) Z ( na 1)

(4-3)

式中: H(z)是滤波器的传递函数,b(k)和 a(k)是滤波器的系数(其中:k=1, 2,…),滤波器的阶数为 na 和 nb 中较大的数。 将 Y(z)的分母移到左边,并进行 Z 的反变换,可得到滤波器在时域差分方 程描述如下:

y (n) = b(1) x(n) + b(2) x(n 1) + L + b(nb) x(n nb + 1) a(2) y (n 1) L a (na ) y (n na + 1)
(4-4) 数字滤波器设计的重点是如何计算出式(4-3)中的常数 a(k)和 b(k),因为 只要确定了这两个参数,滤波器的表达式也就确定了。按照 a(k)和 b(k)系数的 不同,滤波器可分为两种类型: 无限冲击响应(IIR)滤波器 当 nb=1 时,该滤波器为一个无限冲击响应(IIR)滤波器,它属于递归型 滤波器,有反馈。 IIR)滤波器用有理分式表示的系统函数来逼近所需要的频 ( 率响应,即其单位冲激响应 h(n)是无限长的。它的优点是结构简单、系数小、 乘法操作较少,所以效率高;另外还可以解析控制,强制系统在某个位置为零 点。缺点是因为有极点,容易产生噪声和量化误差;由于它对以前的事件有记 忆,所以设计中应仔细考虑稳定性的问题。 有限冲击响应(FIR)滤波器 当 na=1 时,它为一个有限冲击响应(FIR)滤波器,它通常是非递归型滤 波器,没有负反馈,只有正反馈,它用一个有理多项式表示的系统函数去逼近 所需要的频率响应,即其单位冲激响应 h(n)在有限个 n 值处不为零。FIR 滤波 器的优点是所以稳定性好; 因为它对以前的事件只有有限的记忆, 所以精度高、 相位精确、系数误差小,并且易于理解和设计。缺点是 FIR 滤波器在达到同样 给定性能的条件下,其阶次比 IIR 滤波器要高,相应地,其延迟时间比同样性 能的 IIR 滤波器要长。

4.3.3 速度的数字滤波
与 IIR 相比,FIR 在保证满足滤波器幅频响应要求的同时,可获得严格线 性相位特性,可以保证滤波后的数据不发生畸变。因此本文中选用 8 阶 FIR 低 通数字滤波器,其传递函数具有如下形式:

H ( z ) = ∑ b( n) z n
n =0

8

(4-5)

式中, b(n) 为滤波器系数,滤波器设计实际上就是求取该系数。上式写成差分 方程形式为:
y (n) = b0 x(n) + b1 x(n 1) + Λ + b8 x(n 8)

(4-6)

采用最小平方逼近法设计最优数字滤波器,其基本设计原则是利用最小二

乘法使期望的频率响应和实际的频率响应之间的整体误差最小,具体为:给定 所希望的滤波器幅频响应 H d (e jω ) ,寻找一个期望幅频响应的近似 H (e jω ) ,使 得在整个频域上,方差

∫ [H (e



) H d ( e j ω ) dω

]

2

最小,用最小二乘法可以求得滤波器的冲激响应 b(n) ,从而完成滤波器设计。 利用所设计的滤波器,对原始数据进行滤波处理,运算采用 Matlab 软件编 程实现[49]。在 Matlab 内,数据处理是离线的,即在滤波时可以利用整个数据序 列,这样可对原始数据进行非因果、零相位数字滤波。具体过程为:先将数据 按顺序滤波,然后将所得结果逆转后反向通过滤波器,这样得到的序列为精确 零相位失真,并使滤波器的阶加倍。滤波处理后结果见图 4-3 中的实线。

§4.4 卡尔曼(Kalman)滤波

图 4-3 速度的数字滤波

通过图像处理得到的导航参数方位偏差和侧向偏差有很大的干扰成分存 在,在进行滤波处理时很难通过简单的低通滤波器进行滤波处理,严重影响车 辆的导航精度,因此有必要利用 Kalman 滤波原理对其进行滤波估计。

4.4.1 Kalman 滤波原理
Kalman 滤波属于估计理论范畴,是现代控制理论的一个重要分支。自从 1960 年 Kalman 滤波概念提出以来,它已成为控制、信号处理与通信等领域最

基本最重要的计算方法和工具之一,并已被成功地应用到航空、航天、工业过 程及社会经济等不同领域[50]。 Kalman 滤波是一种模型驱动的最优线性滤波,它以系统的数学模型为基 础,用前一个估计值和最近的测量值来获取系统当前状态的无偏、最小方差估 计[51]。估计(或滤波)的实质就是从测量数据中尽可能地把噪声滤掉,分离出需 要的信息。 4.4.1.1 Kalman 滤波方程

假设系统的状态方程如下:
X k = Φ k 1 X k 1 + Wk 1

(4-7)

其中 X k 为 n 维向量,是系统在时刻 k 的状态,是不能够直接知道的量,但 是我们知道系统一开始的时候 X 0 的大致平均值的估计和一个初始的协方差阵
P0 。 此线性系统的性质是已知的, n 阶方阵 Φ k 1 决定, 由 称为状态转移矩阵。 k 1 W

是未知的激励噪声,是影响线性系统不稳定的运动的因素。它被假设为零均值 的高斯白噪声序列,方差阵有可能随时间而变化,因此假设为 Qk 我们只能通过每一时刻的一个与状态变量 X k 有关的观测量 Yk 来获得有关 的信息,他们的关系由下面的观测方程来描述:
Z k = H k X k + Vk

(4-8)

Z k 的维数为 m ,有可能比 X k 的维数小,也可能比 X k 的维数大或者相等。 H k 为 m × n 阶的观测矩阵, 是已知的; Vk 则是我们不喜欢却存在的观测噪声, 而

是我们不知道的值。如果不是它存在,甚至有可能通过上面的线性方程组直接 算出状态变量值。当然是在 m ≥ n 且方程有唯一解的情况下。 Vk 为零均值高斯 白噪声序列,其方差有可能改变,为 R x ,但也是我们通过系统分析而已知的。

因此我们要做的事情就是根据接收到的观测值 Z k 对当时的状态 X k 进行最 优的估计,并根据状态方程预测下一时刻的状态,在接收到下一个观测值 Z k +1 时,再结合上一次得到的预测值对新的状态进行新的最优估计,这就叫做 Kalman 滤波[52]。 Kalman 滤波过程可由下列方程表示[53]: 预测方程:
X k () = Φ k 1 X k 1 (+)

(4-9)

预测误差方差阵:

Pk () = Φ k 1 Pk 1 (+)ΦT 1 + Qk 1 k
滤波器增益:
T T K k = Pk () H k [ H k Pk () H k + Rk ]1

(4-10)

(4-11)

滤波递推方程:
X k (+ ) = X k () + K k [ Z k H k X k ()]

(4-12)

滤波误差方差阵:
Pk (+ ) = ( I K k H k ) Pk ()

(4-13)

4.4.1.2

Kalman 滤波的计算流程

Kalman 滤波的特点是它的递推形式,这对电子计算机来说滤波特别有利。 计算机最优滤波只需要即时的观测值,无需存储以前的观测数据,这可大大节 省存储单元。图 4-4 所示的就是 Kalman 滤波器的计算流程[28] [53]。
已知 P0 (初始 Pk 1 ) 已知 Qk 1 , Φ k 1 ,用式(4-10)求 Pk ( )

Pk 1 (+ )

Pk ()
已知 Rk , H k ,用式(4-11)求 K k

Kk
用式(4-13)求 Pk ( + )

1 Z

Zk

+

% Zk
+

Kk
×

Pk (+)
+ +

Pk (+) X k (+)

已知:H(k),ф(k), R1 , R2 。X(0)的估值 X 0 (+) 可用均值向量代替,这时
X(0)的协方差可看作为 P (0) = E{[ X (0) E ( X (0)][ X (0) E ( X (0)]T }

(4-14)

首先从已知条件出发求出 K (k ) , K (k ) 增益是计算中重要的参数。有了
K (k ) ,则 P k () 、 Pk (+) 和 X k (+) 皆可求。

概括起来,Kalman 滤波算法的流程可分为三步:
第一步:在已知 k 1 时刻的最优估计值 X k 1 (+) 的条件下,用系统状态转移 矩阵 Φ k 1 左乘以 X k 1 (+) ,得到在 k 1 时刻对 k 时刻系统状态向量 X k 的预测量 X k () = Φ k 1 X k 1 (+ ) ; 第二步:用量测矩阵 H k 左乘以 X k () ,得到在 k 1 时刻对 k 时刻测量数据 向量 Z k 的预测值 Z k = H k X k () ;再用 Z k 的实测值减去预测值,得到残差(即

% 新信息) Z k = Z k H k X k () ;最后用滤波增益矩阵 K k 乘以 Z k ,得到修正变量 ,%

% Kk Zk ;
% 第三步:把系统状态信号的预测值 X k () 加上修正量 K k Z k ,得到系统状态 信号的滤波估计值 X k (+) 。然后,就进入了下一个重复的计算循环。

4.4.2 Kalman 滤波的实现
4.4.2.1 Kalman 滤波模型建立

JLUIV-IV 的视觉系统安装在车辆的上方, 由视觉 CCD 采集到的路面图像, 经过相关图像处理后,运用边缘检测算法可得到车道两侧的边缘,从而获得道 路信息,图 4-5 所示为车辆预瞄视觉模型示意图[7]。

vy

ψ
vx DL

.

ed



图 4-5 车辆预瞄运动示意图

因为车辆既有前向运动,又有侧向及横摆运动,故有:
& ed = vxeθ vy ψ DL
g

(4-15) (4-16)



g

& = vxKL ψ

式中: ed ——车辆视觉预瞄点处车辆中心线与道路的侧向偏差;

eθ ——车辆视觉预瞄点处车辆中心线与道路切线的夹角;
KL ——道路的曲率; DL ——视觉预瞄距离。 取系统的状态变量 X、系统测量向量 Z 分别为:
ed (k ) ed (k ) eθ (k ) eθ (k ) X (k ) = v (k ) , Z (k ) = v (k ) y y g g ψ (k ) ψ (k )
将连续模型转换成离散的模型,按照 Kalman 滤波方程建立的系统状态方 程和量测方程分别为: 状态方程: X (k ) = φ (k 1) X (k 1) + w(k 1)

1 VxTs 0 1 = 0 0 0 0

Ts 0 1 0

Ts DL ed (k 1) Ts eθ (k 1) + w(k 1) Ts v y (k 1) g 1 ψ (k 1) 0 ed (k ) 0 eθ (k ) + v(k ) 0 v y (k ) g 1 ψ (k )

(4-17)

量测方程: Z (k ) = H (k ) X (k ) + v(k )

ed (k ) 1 eθ (k ) 0 v y (k ) = 0 g ψ (k ) 0
4.4.2.2

0 1 0 0

0 0 1 0

(4-18)

Kalman 滤波的仿真试验

通过 Matlab 在计算机上对所设计的滤波器进行了仿真分析,在仿真分析 时 , 对 于 状 态 转 移 矩 阵 φ (k ) , 取 Ts = 0.05 秒 , 根 据 视 觉 确 定 的 预 瞄 距 离
DL = 14m ,由于在车辆导航的过程中速度 Vx 变化不是很大,可以选择在以一定

的速度进行直线导航。仿真模型如图 4-6 所示。

仿真分析时,将侧向偏差和方位偏差分别设置为一固定值,在信号中加入 一定白噪声,从仿真结果分析可以看出,其误差方差明显减少,有效地提高了 导航控制精度。仿真结果如图 4-7 所示。

图 4-7 侧向偏差和方位偏差滤波前后误差方差

§4.5 本章小结
由于车辆在运行过程中需要对周围环境进行感知,需要测量车辆的状态信 息,由于计算机读取的传感器信号存在一定的干扰,为此需要对所测得的传感 器信号进行滤波处理。现在由于数字滤波器对硬件要求不高,能很好地通过软 件实现对含有噪声的传感器信号进行滤波。本章完成对车辆的速度、转向轮转 角等传感器信号的测量,并针对其信号受到高频成分的干扰,对他们进行了必

要的数据滤波,便于对车辆进行系统辨识及导航控制器的设计。试验证明传感 器信号经过滤波处理后,能够为车辆的自主驾驶提供准确的导航依据。最后利 用 Kalman 滤波原理对侧向偏差和方位偏差进行了滤波设计,仿真分析结果表 明该种方法能够有效地减少侧向偏差和方位偏差的测量误差。

第五章
§5.1 引言

JLUIV-IV 系统软件设计与试验

智能车辆是一个集环境感知、规划决策、多等级辅助驾驶等功能于一体的 综合系统,这个综合体系的核心是计算机系统,它实现了系统的环境感知、决 策控制等功能[7]。 为了获得强大的计算能力,降低算法实现难度,国内外绝大部分智能车辆 系统采用了多处理器的计算机系统,还有的采用并行处理系统或在系统中采用 专用芯片完成某些复杂算法。如德国的 VaMP 智能车辆系统采用 5 台计算机组 日本的 Masanori Hariyama 等人采用 VLSI 来实现其立体 成并行计算机网络[13]。 视觉匹配算法。清华大学研制的 THMR-III 型智能车辆,其计算机系统采用了 两个 SUN 工作站和多台 8098 单片机处理器。 JLUIV-IV 智能车辆计算机系统采用一台具有多 CPU 并行处理功能的工业 控制微型计算机,其中 2 块 IPC-68IIVDF(B)和 1 块 IPC-68IIDF(B)工业级 CPU 卡。选用其中的两块 CPU 卡分别用于前后 CCD 图像采集及三维激光测距信息 采集,他们独立对道路图像进行采集,进行一些图像前处理,并将数据处理结 果传送到主控计算机;另外一块 CPU 卡用于 AD、DA 及 IO 等的操作及其它一 些传感器信号信息的获取,主要完成系统初始化、人机交互、系统管理、控制 决策、警告提示、主从通讯和状态监测等任务。各 CPU 之间通过串口通讯实现 数据传输。

§5.2 软件设计

5.2.1 操作系统的选择
智能车辆系统是一个十分复杂的系统,我们已经不可能再使用汇编语言来 编写智能车辆系统软件。必须借助一些高级语言来开发算法软件。其首先面临 的问题就是操作系统的选择问题。 操作系统的选择考虑以下几个方面:
系统的可靠性、稳定性 系统的实时性 系统的开发容易性 使用的难易程度 目前,智能车辆计算机系统所使用的软件系统可以分为两大类:实时操作 系统 RTOS 和非实时操作系统。 典型实时系统常常是一个多任务多处理机系统。目前,实时操作系统主要 有:基于 DOS 的 RTOS、基于 LINUX 的 RTOS、基于 UNIX 的 RTOS 和基于 WINDOW NT 的 RTOS,实时操作系统的特点在于功能比较简单,程序设计 采用高级语言,能够保证系统的实时性。这对于智能车辆这样的实时系统是很 重要的。另外,实时操作系统正向着微内核嵌入式、一体开发环境和宿主机目 标仿真方向发展,并具有大量的标准软件模块,如 TCP/IP 模块、CDMA 通讯 模块等,可以大大加速软件的开发速度。另外,实时操作系统也是未来智能车 辆进入实用化的要求。目前,国外一些研究单位即采用了 RTOS 系统,如美国 DEMO-III 采用基于 LINUX 的 RTOS 系统, NavLab5 采用 RHAP 系统也是实时 操作系统。 非实时操作系统指软件模块的运行时间无法由设计者进行控制。这种操作 系统如 Window95、Window98、WinNt、Window2000 等,这种系统的多任务机 制使得各模块的执行时间无法由程序员进行控制,但由于任务之间的切换是在 操作系统内核内进行,切换时间极短,故对实时性影响并不大。Windows 系统 对常用的软件提供了很好的支持,使用开发工作容易进行,因此,许多智能车 辆研究中采用 Windows 平台作为系统软件的开发基础。 本文研究的智能车 JLUIV-IV 实际需要的是一个多任务系统,如视觉系统 识别道路标线、障碍检测任务和执行机构如转向电机、主驱动电机的控制等都

需要进行实时的控制。在 DOS 操作系统平台下,如果不采用中断技术,就只能 采用顺序执行的方式。顺序执行方式下,如软件中有一个模块实时性差,那么 其它模块的实时性也将变差。而智能车辆系统中有些控制模块,如转向模块, 对实时性要求很严格,如果不能得到实时的响应,就会造成严重的后果。 DOS 操作系统有内存的限制。DOS 的系统特点决定了它不允许开辟大于 640KB 以上的数组, 而智能车辆的计算机视觉计算经常要用到大数组, 大内存, 这大大增加了编程的难度。 因此 JLUIV-IV 采用 Windows 操作系统进行软件开发, 取得了较好的效果, 基于 Windows 操作系统的软件平台主要有以下特点: 1、可靠性提高。在 Windows 下,用户程序一般工作在 386 保护模式下, 这样,即使用户程序出现错误,也不会引起整个系统崩溃,从而提高了软件系 统的可靠性。 2、多任务机制。Windows 是多任务操作系统,它可以同时执行多个任务, 这样,智能车辆的各个功能模块就可以实现并行处理,避免了系统由于某一模 块执行过长影响其它模块的执行的问题,从而较好地保证了系统的实时性。 3、Windows 本身提供了大量的 API 函数,比如串行接口函数等,使得软 件设计可以利用这些成熟的接口,节省了大量工作。 4、Windows 中取消了对内存的限制,使得用户可以随意利用很大的内存。 这对于进行计算机视觉计算是十分有利的。 5、在 Windows 环境,软件可以比较容易得到良好的界面。

5.2.2 编程语言选择
世界上智能车辆系统中,绝大部分都采用 C、C++或 Visual C++语言来进 行软件系统的设计。C 语言功能强大,可以直接实现对计算机底层进行控制。 在 Windows 环境下,近年来的 Visual C++既保持了原有 C 语言的功能,又在程 序界面、系统接口等的支持下提供了大量的源代码,大大提高了开发速度,降 低了开发难度。本文所用的软件设计语言就采用了 Visual C++,用这种语言完 成了整个程序设计。在程序设计中遵循以下原则: 1、可靠性。可靠性也指软件的鲁棒性,它要求软件必须能够可靠的完成功 能,并且可以随时接收人的控制命令。本文设计中,可以随时通过计算机键盘 对车辆进行控制。 2、可视性。这是对人机界面的要求,要求软件系统要具有友好界面。本文

设计的系统可十分方便地监视系统的运行状态,如图 5-1 为系统运行时的程序 界面。可以看到,系统将算法识别出的道路边界以清晰的直线显示到道路图像 上,并且将算法识别过程中的其它信息,如边界可信度、车辆行驶速度、车辆 与道路边界的距离等以数字形式显示出来,从而使设计者能够随时掌握系统的 运行情况。

5.2.3 系统控制频率的选择
采样周期不但影响计算机控制系统的运行特性,而且还会影响其稳定性。 而通常选择采样周期时,又具有矛盾性:从工程实际考虑,采用低的采样频率 利于工程实现,因为过高的采样频率对计算机系统的实现会造成困难,如
车辆道路 图像显示 车辆状态 信息显示

系统单元 调试按钮

图 5-1 JLUIV-IV 系统运行界面

需要运算速度很高的 CPU 及高速 D/A 和 A/D 转换接口等。从保证系统性能方 面考虑,一般希望计算机控制系统的特性与模拟系统的特性一致,这样仅当采 样周期 T→0 时才有可能,由此可见,采样频率越高越好[54]。 采样周期的选择,主要依据为香农(Sharon)采样定理,即采样频率应最 少 2 倍大于系统变化的频率。对于 JUTIV-IV,相对于车速来说,其跟踪路径的 变化非常缓慢,采用一般的路径边缘提取算法,使全部控制过程可控制在较短

的时间内,而且计算机的字长目前为 32 位,而 JUTIV-IV 的 A/D 与 D/A 的字 长均为 12 位,量化效应可忽略不计。 在 JUTIV-IV 系统中,计算机进行图像采集及处理频率是 10Hz,转角传感 器测量控制频率 10Hz,测量霍尔传感器采样频率 4Hz。

§5.3 系统软件功能模块组成
JLUIV-IV 智能车辆计算机系统采用一台具有多 CPU 并行处理功能的工业 控制微型计算机,系统的软件由以下各主要组成。

系统自检模块 自检模块主要是在计算机工作之前完成对车上各系统硬件能否正常工作, 检查计算机是否正常稳定,I/O 卡、DA 卡工作能否正确输出,各执行器件工作 是否正常,电机控制器能够驱动电机转动。 道路图像采集及处理模块 车辆在自主导航过程中主要的信息是来自于视觉 CCD 采集到的路面图像, CCD 摄像机实时采集路面的图像信息, 将此道路反射的光强信号转化为模拟电 压信号输送到图像采集卡,图像采集卡将数据数字图像的形式存放在图像单元 的一个或多个通道中,通过计算机发出指令,将某一帧图像静止在图像存储通 道中,即采集或捕获了一帧图像,计算机即可对采集的图像进行各种处理。该 模块示意图如图 5-2 所示。
模 拟 图 光 学 图 像 采 集 模 机 拟 图 像 卡 线 像 像 像 图 像 图 像 字 图 数 字 数

VGA
显 示 数 字 图 卡

PCI


CCD

实际 道路 路面

摄 像

系 显 示 器 统 内 存

图 5-2 图像数据的采集、存储及图像的显示

串口通讯模块

由于 JLUIV-IV 计算机系统采用多 CPU 系统, CPU 之间涉及到数据交换 各 问题。在工业检测和数据采集系统中,计算机和计算机、计算机和单片机之间 经常需要进行数据交换,串行通信是主要的通信手段。随着 Windows 操作系统 逐步取代 DOS 而成为微机上主流操作系统, 所以现在很多人正在研究掌握基于 Windows 的串口通讯编程分布式计算机。由于 Windows 是一个与设备无关的、 基于消息驱动的操作系统,它不提倡用户直接对硬件进行操作,而是由系统自 动进行处理。Windows API 提供了一系列标准的串行通信函数,可以利用这些 标准函数来完成 Windows 系统下的串行通信编程[55]。 在设计时通过利用 VC++提供的串口通讯控件 MSComm 来实现, 该控件提 供了对通讯驱动程序的 API 的函数的接口,通过使用 Windows API 函数,就可 以通过通讯驱动程序 Comm.drv 使用串行设备驱动程序发送和接收数据了。一 般 MSComm 控件提供了事件驱动和数据查询两种处理通讯的方式。 事件驱动方式是一种功能很强的处理串口通讯的方法。当输入缓冲区中接 收到字符或者是输出缓冲区空时就会触发 MSComm 控件的 OnComm 事件,这 样计算机可以准确地捕获和处理这些通讯事件和错误。数据查询方式适合于小 的自含程序。计算机不断地检查输入缓冲区是否已经接收到相应数目的字符或 字节,若己接收到相应数目的字符或字节,则程序开始采集数据并加以处理, 否则计算机就处于等待或先干别的事情等一会再来查询。 实现串口通讯的主要步骤是: 1、初始化串口,包括设置端口号、输入输出缓冲区的大小等; 2、设置波特率等参数; 3、计算机捕获串口事项; 4、完成串口的读写; 5、对数据进行处理。 车辆运行控制模块 车辆运行控制模块主要由包括车辆运动时的各继电器的控制、导航的控制 器部分等。车辆运动时的各继电器主要控制车轮的转动方向和两驱动电机电路 的通断,导航的控制器是车辆控制的核心。 图像处理获得的车辆导航的参数:侧向偏差和方位偏差,将两个参数送入 车辆的控制器,控制器的输给直流电机调速板两轮的 D/A 值,从而控制电机速 度,实现车辆的导航。 避障传感模块 智能车辆的环境感知包括远距离和近距离障碍物信息的探测, JLUIV-IV 安 装有两套激光雷达传感器系统,前置三维激光雷达传感器 LMS-Z210 安装在车

体顶棚前部的特制平台中央,完成车辆前方车道障碍物距离测量,后置单点激 光传感器(DATA DISTOTM)安装在车辆后风挡玻璃内的特制平台中央,完成 车辆后方车道障碍物距离测量。同时在车辆周围安装了近距离红外探测仪,当 车辆周围有行人或车辆靠近时,将实时获取汽车与障碍物的最短距离,并伴有 相应的灯光和声鸣报警提示,从而保证车辆行驶过程中的安全性。 车辆键盘控制模块 在车辆不需要进行导航试验时,经常需要用手动对车辆进行控制,此时操 作人员通过键盘对车辆进行调速, 可以在没有驾驶员的情况下对车辆进行转向、 转动及速度控制。 此时计算机接收键盘消息,操作人员可以按下键盘上的向上、向下键对主 电机进行调速,按键盘上的向左、向右键实现转向控制,按空格键实现低速到 高速的切换。按回车键停止所有输出,车辆制动停车。在操作人员按下向左或 向右转时,只有在他按下转向键时车辆才转向,松开键盘时停止转向。对主电 机调速时,按下加速、减速键时,速度也不是立刻增大,而是按照一定步长增 加,实现车辆速度的稳定增加。

§5.4 驱动电机速度的计算机控制

5.4.1 主电机调速控制
对主电机进行调速,需要控制变频调速器和电机变极调速电路,他们之间 采用串联方式, 具体参见第三章图 3-5 所示。 其中变频调速器需要三路 IO 输出, 分别控制正转、反转和自由停车,另外还需要一路 D/A 输出;而主电机变极调 速电路需要起动、停止、低速换高速等三路 IO 输出。 变频器是系统的重要组成部分,它工作于 V/F 模式,其输出频率正比于输 入的模拟电压,而电机的转速随着变频器输出频率提高而增大。计算机通过 IO 控制相应的继电器接通变频调速器正转或反转控制信号以及 0~5V 模拟量信号 来实现对变频器的控制,进而调整电机的转速,以达到调节水压的目的。 JUTIV-IV 智能车的有效调速范围为 0~8.333m/s,对应的驱动交流电机的 控制器输入 D/A 值范围为 1000~4000。改变 D/A 值,在不同档位时车辆将具 D/A 输入值按 200 间隔变化, 有不同的行驶速度。 为研究以上二者的相互关系, 测取车辆速度,如表 5-1 所示。
表 5-1 调速器 D/A 值与车速对应数据表

D/A

1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 3200 3400 5.6 6.03 6.5 6.92 7.39

Ⅰ档速度 1.97 2.46 2.91 3.37 3.78 4.24 4.73 5.16

Ⅱ档速度 3.21 3.91 4.64 5.33 6.046 6.78 7.49 8.239 8.881 9.577 10.45 10.98 11.88 Ⅲ档速度 4.836 5.94 6.97 8.025 9.095 10.25 11.26 12.34 13.38 14.52 15.5 16.64 17.83

图 5-3 为 D/A 输入值和车辆速度关系试验曲线。对两变量间关系进行一元 线性回归分析,以三档为例,可求得描述速度和 D/A 输入值之间关系的下述回 归方程:
V = 0.0054 D / A 0.5539

(5-1)

依据相关关系检验法,算得回归方程式 5-1 的相关系数为 0.9986,证明在 有效输入范围内, D/A 输入值与车辆速度具有良好的线性关系。

图 5-3 变频调速器输入 D/A 值与车速之间关系

5.4.2 转向的计算机控制
在智能车辆自主导航试验中,自动转向系统代替驾驶员操纵汽车实现自动 转向,如何实现转向最优控制器所计算出的最优转向角,是由车辆转向执行机 构所完成。对以计算机为中央控制中心的智能车辆来说,其转向执行机构如图 5-4 所示,包括 A/D、D/A、电机控制器、执行电机、减速器、转向器、角位移 传感器等几部分。
D/A 计 算 机 电机 控制器 执行 电机 减速器 转向器 转 向 轮 A/D 角位移传感器 转 角 图 5-4 转向机构示意图

转向速度快慢随着速度的变化,转向速度的快慢也不一样,在速度较快的 时候,转向可以不必太快。如果是在紧急转弯的时候,需要转向响应速度较快, 以躲避障碍物或实现急转弯的情况。 控制电路的输入信号是:前轮转角、控制器方向控制信号 DIR 和脱机信号 FREE、 脉冲电路 DA 调速信号。 路标图像 如图 5-5 所示, 转向的控制流程 是角位移传感器将转向轮转角 车道参数 前轮角度 信号经过 A/D 转换器被输入到 计算机, 计算机根据转角信号和 转向控制模型 车速及图像处理结果计算出最 优的前轮转角, 电机控制把已计 前轮当前工况下目的位 置(角度) 算出的值作为电压命令值送到 DA 转换器转换为模拟量,再将 前轮角度检测 其输入到压频 (V/F) 转换电路中 作为调频电压, 压频转换电路根 Y 达 到 目 据来自计算机的电压值产生一 定频率的脉冲。 该脉冲信号被送 进行转向操作 停止转向操作 到电机控制器中, 控制器产生一 定电流提供给电机, 使电机按照 图 5-5 转向控制流程 一定速度带动方向盘转动。 通过计算机测量的角位移信号,与实际的转角信号进行比较,使得他们之 间的差值为零, 此时计算机停止发送 DA 信号电压值, 关闭使能 ENA 信号给方 向控制信号,电机停止转动。 表 5-2 列出了计算机输出 DA 与转向轮角速度的对应数据。
表 5-2 不同 D/A 值对应的转向轮角速度 D/A 值 角速度(Rad/s) 2000 0.16 2200 0.18 2400 0.197 2600 0.21 2800 0.23 3000 0.246 3200 0.267 3400 0.283 3600 0.3

设转向轮转角输入 D/A 值为 D 变量,角速度为 ω 变量,对两变量的关系 进行一元线性回归分析,可求得描述角速度与 D/A 值之间的下述回归方程:
ω= 0.083D + 0.1168

(5-2)

根据相关系数检验法,算得回归方程式的相关系数为 0.9996,证明转向轮 偏转时的角速度与 D/A 值之间有良好的线性关系,如图 5-6 所示。

图 5-6 D/A 值与转向轮角速度关系曲线

5.4.3 制动的计算机控制
由于车辆制动没有转向频繁,并且制动的速度一般是固定的,所以我们一 般是将制动调速电位计放到一个固定的位置, 使制动电机以一恒定的速度制动。 制动步进电机控制器同样需要使能信号 ENA 和换向控制信号 DIR。一般先发 送使能信号 ENA,需要制动时,电机正转,根据制动拉压力及制动行程限位开 关判断是否制动到位。需要松开制动时,发送电机换向控制信号,电机反转, 制动踏板在自由状态。

§5.5 系统试验
本文设计的电器系统在智能车 JLUIV-IV 上进行了试验,试验证明电器系 统能满足系统实现自主导航的要求, 能够实现对车辆速度的计算机控制, 转向、 制动的自动控制。 变频调速器在试验过程中基本上没有出现故障,当主驱动系统的供电系统

电压不足时,变频调速器能够在显示界面上显示“LU” ,表示系统电源电压 不足;在车辆加速过程中,如果电压值给的太大时,调速器会显示“OC” , 表示加速过程中有过电流现象,可以通过重新设定一些参数如频率设定信号增 益、一段加速时间等。 在试验过程中发现逆变器的散热不太好,特别是在温度很高的情况下做试 验,通过在逆变器内安装了一个风扇,对其散热有了明显的改善。 在系统安装调试完成后, 在学校第二教学楼后大道上对所完成的 JLUIV-IV 进行了一次试验,此次试验基本上操作人员通过计算机对转向、制动及车速进 行控制。试验证明了所设计的电器系统工作稳定可靠,完成的程序能够满足自 主导航的要求。图 5-6 为试验时的照片。

a. 导航程序运行界面

b. 车辆正在进行导航试验

c. 激光测距仪检测障碍物 图 5-6

d. 导航时车辆自动转向

JLUIV-IV 试验图片

§5.6 本章小结
本章从现有智能车辆的软件平台出发, 分析了在单 CPU 计算机系统中软件

设计的特点,从操作系统、编程语言、总体结构方面介绍了本文软件设计实现 方法,并给出系统软件各功能模块的组成。试验证明了本文设计的电器系统工 作稳定可靠,完成的程序能够满足自主导航的要求。

第六章

全文总结

§6.1 论文的研究成果
随着国内外对智能交通系统(ITS)研究的投入,世界各国对智能车辆技术 的研究开发表现出了空前的热情,智能车辆技术也相继取得了突破性的发展, 并取得了丰富的研究成果。本论文是在阅读了大量的国内外有关文献资料、吸 收了国内外先进研究成果的基础上,在课题组成员的协助下完成了一套能够实 现高速智能车辆全方位自动控制的电器控制系统。论文主要取得了以下研究成 果: 根据设计指标及试验要求,通过比较分析,选用一辆轿车作为 JLUIV-IV 进行改装的试验平台,并布置安装了导航所需要的传感器系统、计算 机系统及执行控制系统,选择了测量传感器信号的工业控制卡。 势必很难精确地实现对车辆速度 11、 考虑到发动机各种工况的复杂性, 的控制,所以选择交流异步电机作为 JLUIV-IV 的主驱动电机。根据交流电机 的常用调速控制方式,采用变频调速控制和变极调速相结合的控制方式,这样 能使车辆具有更宽的调速范围。设计完成了主驱动电机变极调速和变频调速的 手动控制和计算机控制电路,实现了对车辆速度的精确控制。 12、 根据步进电机的特点,选用步进电机作为转向和制动的执行电机, 这样使得转向和制动系统有很好的动态响应能力。由于步进电机控制器需要脉 冲发生信号,控制器每得到一个脉冲,步进电机就旋转一个步距角。本文完成 了步进电机脉冲发生电路设计, 通过调节电位计或通过计算机发送 D/A 调速信 号能够使脉冲发生电路产生一定频率的脉冲信号,从而实现对转向和制动电机 的精确调速。 13、 设计完成了整车的电源系统,对计算机系统、主驱动系统、转向和 制动系统提供电源。对系统存在的干扰进行了分析,在设计过程中采用了一些
10、

硬件和软件抗干扰措施。 完成了对车辆的速度、转向轮转角等传感器信号的测量,并针对其 14、 信号受到高频成分的干扰,对他们进行了必要的数据滤波处理,便于对车辆进 行系统辨识及导航控制器的设计。同时利用 Kalman 滤波原理对侧向偏差和方 位偏差进行了滤波设计,仿真分析结果表明该种方法能够有效地减少侧向偏差 和方位偏差的测量误差。 用 VC++6.0 编制了电机控制及传感器信号测量软件,实现了各个 15、 CPU 之间的串口通讯,并给出了系统软件各功能模块的组成。试验证明了本文 设计的电器系统工作稳定可靠,完成的程序能够满足自主导航的要求。 综上所述,本文完成了一套能实现完全自动控制的智能车辆电器控制系统 设计,在国内为开展智能车辆技术研究提供一定的技术支持。

§6.2 论文的不足
由于智能车辆技术的研究涉及到计算机视觉、传感器数据融合、控制理论 等,是车辆工程、人工智能、自动控制、计算机等多学科领域理论技术的交叉 与综合,是一项比较复杂和困难的研究工作。为了开展更深层次智能车辆技术 的研究,进行精确的自主导航驾驶,车辆还应该安装其它一些传感器,如惯性 加速度传感器、侧向横摆角速度传感器等。由于时间有限,现在还未对车上安 装的所有传感器信号进行测量。

参考文献
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论文的研究工作是在施树明老师的悉心指导下完成的, 施老师渊博的学识、 严谨的治学态度和对事业的执着追求精神,对我做事和为人都影响至深,将使 我终生受益,在此,我向施老师表达最诚挚的感谢和敬意。 同时要感谢课题组负责人王荣本教授,感谢王老师提供良好的学习环境, 使我们在研究生学习阶段得到很好的锻炼。在施老师出国期间,王老师辅导我 完成了开题报告,并对我的论文提供了宝贵意见和建议。在此对王老师表示我 最衷心的感谢。 论文的完成, 也离不开课题组其他老师的帮助和指导, 在此对储江伟老师、 初秀民老师、张友坤老师、王志中老师、王超老师表示我深深的谢意! 在近三年的学习和生活中,得到了课题组各位师兄弟们的热心帮助。首先 要对已经毕业的师兄李兵、纪寿文、徐友春、李斌、冯炎等表示我的感激之情, 感谢他们在我学习生活和论文完成中给予的无私帮助。同时目前尚在课题组进 行学业的博士师兄郭克友、马雷、崔高健、游峰和硕士师弟毕胜、汤波、童兵 亮及师妹吴晓雨等多次协助我进行论文试验,付出了大量的时间和精力,在此 表示感谢。特别要感谢马雷师兄及同届的马国胜、顾柏园、蒋杰等在本论文的 研究和试验过程中给予了许多建议和协助,共同合作度过了一段美好的时光。 感谢交通学院的各位老师和同学们。 感谢我的父母对我多年来的养育、教导、关爱,感谢我的兄妹对我的支持、

理解和帮助! 最后,对所有关心、帮助过我的亲人、朋友们送上我的谢意!





论文题目:高速智能车电器与控制系统设计开发 专 业:载运工具运用工程 指导教师:施树明 副教授 随着高速公路发展,汽车速度的提高,恶性交通事故的发生呈不断上升趋 势,给人们的生命财产造成了巨大的损失。同时,经常性的交通拥挤和环境污 染等也严重地困扰着人们。在这种背景下,西方各国提出了智能交通系统 ITS (Intelligent Transportation System)。ITS 的兴起极大地促进了智能车辆技术水平 的提高,使智能车辆作为 ITS 的重要组成部分得以被系统地研究开发。世界各 国对智能车辆技术的研究开发表现出空前的热情,为此投入了大量的人力、物 力,智能车辆技术也相继取得了突破性的发展。 智能车辆(Intelligent Vehicle, IV)是车辆工程领域的研究前沿,体现了车辆 工程、人工智能、自动控制、计算机等多学科领域理论技术的交叉与综合,是 未来车辆发展的趋势。 国内外为开展智能车辆技术的研究,研制出一些典型智能车辆试验平台, 但大部分都只是实现车辆的自动转向功能,车辆的制动、油门需要驾驶员来完 成。国内智能车辆的研究与国外发达国家有一定的差距,研究领域主要集中在 路径识别、自动转向等方面,对智能车辆电器控制系统研究较少,目前还没有 完全实现自动控制的智能车辆,本文设计完成了一套能够实现高速智能车辆全 方位自动控制的电器控制系统,有利于开展更深层次的智能车辆技术研究。 本论文进行的研究工作具体包括以下内容: 通过比较分析, 选用一辆轿车作为 JLUIV-IV 进行改装的试验平台, 布置了所需要的传感器系统、计算机系统及执行控制系统,并选择了测量传感 器信号的工业控制卡。 势必很难精确地实现对车辆速度 17、 考虑到发动机各种工况的复杂性,
16、

的控制,由于电动汽车的研究已成为国内外的研究热点,其相关技术的研究也 很成熟。通过比较电动汽车中几种常见形式的驱动系统,选择交流电机作为 JLUIV-IV 的主驱动电机,并采用变频调速控制和变极调速的控制方式,使车辆 有更宽的调速范围。 18、 由于步进电机转子的转动惯量小,能够快速起动、反转和制动,在 负载能力范围内,不因电压、负载、环境条件的波动而变化。为了使转向和制 动系统有很好的动态响应能力, 本文选用步进电机作为转向和制动的执行电机。 设计了整车电源系统,对计算机系统、主驱动系统、转向和制动系 19、 统提供电源。设计完成主驱动电机变极调速和变频调速控制电路,实现了对车 辆速度的精确控制。完成了转向伺服系统和制动伺服系统电路设计,并设计手 动和计算机控制电路,实现了车辆的自动转向和制动。所有的操作按钮和电源 开关,还有一些电流、电压表都布置在控制面板上,便于操作人员进行控制。 最后对系统干扰进行了分析,在设计过程中尽量采用一些可靠的抗干扰措施。 试验证明,所完成的电器系统稳定可靠,能够满足车辆的自主导航。 由于车辆在运行过程中需要对周围环境进行感知, 需要测量车辆的 状态信息,但是计算机读取的传感器信号存在一定的干扰,为此需要对所测得 的传感器信号进行滤波处理。由于数字滤波器对硬件要求不高,能很好地通过 软件实现对含有噪声的传感器信号进行滤波。本文完成对车辆的速度、转向轮 转角等传感器信号的测量,并针对其信号受到高频成分的干扰,对他们进行了 必要的数据滤波,便于对车辆进行系统辨识及导航控制器的设计。试验证明传 感器信号经过滤波处理后,能够为车辆的自主驾驶提供准确的导航依据。最后 利用 Kalman 滤波原理对侧向偏差和方位偏差进行了滤波设计,仿真分析结果 表明该种方法能够有效地减少侧向偏差和方位偏差的测量误差。 最后从现有智能车辆的软件平台出发,分析了在单 CPU 计算机系 21、 统中软件设计的特点,从操作系统、编程语言等方面介绍了本文软件设计实现 方法,并给出系统软件各功能模块的组成。试验证明了本文设计的电器系统工 作稳定可靠,完成的程序能够满足自主导航的要求。 综上所述,本文完成了一套能实现完全自动控制的高速智能车辆电器控制 系统设计,为开展智能车辆技术研究提供一定的技术储备。
20、

关键词:智能车辆,变频调速,步进电机控制器,测控系统,数字滤波

Abstract
Title of Dissertation:
Design of the Electrical and Control System of High-speed Intelligent Vehicle

Major: Vehicle Operation Engineering Advisor: Associate Prof. Shi shuming
With the development of highway and the raising of automobile speed, malignant traffic accidents submit unceasing rising tendency, which brings huge lose to the life property. At the same time, crowded regular traffic and environmental pollution also troubles people seriously. Under this kind of background, western countries bring forward the Intelligent Transportation System (ITS). The flourish of ITS promotes the raising of intelligent vehicle technical level greatly, which makes intelligent vehicle become the important composition part of ITS. Many countries show unprecedented enthusiasm to the research of intelligent vehicle technology and have devoted plenty of manpower and material resources. Intelligent vehicle technology has gotten the development of breakthrough. Intelligent vehicle (IV) is on the top level in the research field of vehicle engineering. It is involved in the combination of multiple academic subjects and integration of multiple high technologies and represents the development direction of automobile technology. Domestic and international countries have developed some typical intelligent vehicle test platforms for developing the research of intelligent vehicle technology, but most of those vehicles realize merely direction change automatically, the driver controls the brake and throttle. The research of domestic intelligent vehicle has certain gap with foreign developed countries, its study fields main concentrate on path identification, automatic direction change etc. While study on the intelligent vehicle electrical equipment and control system is few comparatively, there is no intelligent vehicle that can realize automatic control completely. This paper has completed a set of electrical equipment and control system that can realize high-speed intelligent vehicle all-around automatic control, which is helpful to develop more deep level of intelligent vehicle technology. The research work of this paper includes the following contents specifically:

1. Through comparing, this paper chose a car to be refitted as JLUIV-IV test platform, finished the installation of the sensor system, computer system and executing control system, and selected the industrial control cards to measure sensor signals. 2.Considering the complexity of engine various operating modes, it is highly impossible to realize the control of vehicle speed accurately. Since the research of electric vehicle has become domestic and international research hotspot, the technology related to it also ripens very much. After analyzing the driving system of some kinds of common driving forms in most electric vehicle, this paper selected an AC asynchronous motor as the main drive of JLUIV-IV. In order to obtain more wide scope of speed adjustment, we chose the control way of the pole changing control and frequency changing. 3. Because the running inertia of step motor is little, it can start, turn backward and brake fast. During its load ability, the speed does not change because of the fluctuation of voltage, load and ambient conditions. In order to make steering system and braking system have good dynamic responding ability, this paper chose step motor as the executing motor of steering system and braking system. 4. This paper has designed the power system, which provided power for the driving system, computer system, steering and braking system, designed the control circuit to complete driving motor pole changing control and frequency changing control to realize the accurate control of vehicle speed, completed the circuit design of the steering system and braking system, designed the manual and computer control circuit that realized the vehicle turn and brake automatically. All the operating button and switch, also some ampere meter and voltmeter, are arranged on the control panel, which benefits the operator easy to carry out control. Finally the paper analyzed the system disturbance and adopted some reliable measures of interference rejection as far as possible in design course. Experiment shows that the electrical control system works stably, and can satisfy the autonomous navigation of high-speed intelligent vehicle. 5. Because the vehicle needs to measure the surrounding information during its operation course, the information measured from the sensors existed certain disturbance. Therefore, we need to filter the sensor signals measured. Since digital filter doesn’t require hardware and can be realized well through software. This paper completed the measurement of speed and turning angle and finished the sensor

signals data filter, which provided data to system identification and the design of controller. Test shows that the data after filter can offer accurate navigation basis to the autonomous navigation of vehicle. Finally this paper used Kalman principle to filter the lateral deviation and orientation deviation, simulation result shows that this method can reduce the measure error of the orientation deviation and lateral deviation efficiently. 6. At last, this paper analyzed the characteristic of software design in single CPU computer system of the software platform of existing intelligent vehicle and introduced the software design of operating system and programming language. Then introduced each module of the software. Experiment shows that the electrical and control system can work stably and the program that is completed can satisfy the requirement of autonomous navigation. Above all, this paper has completed a set of electrical and control system that can realize completely automatic control of high-speed intelligent vehicle, which offers certain technology reserve to develop the intelligent vehicle technology.

Keyword: Intelligent vehicle; Frequency changer; Step motor controller; Measure and control system; Digital filter


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