遙控車設(shè)計(jì)【遙控智能小車】【輪式機(jī)器人】,遙控智能小車,輪式機(jī)器人,遙控車設(shè)計(jì)【遙控智能小車】【輪式機(jī)器人】,遙控,設(shè)計(jì),智能,小車,輪式,機(jī)器人 遙 控 車 設(shè) 計(jì) Design of remote car 設(shè)計(jì)： 指導(dǎo)教師： 38 摘 要 隨著當(dāng)代社會(huì)科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，無線遙控領(lǐng)域作為一個(gè)新興的課題，逐漸進(jìn)入科學(xué)研究業(yè)的視野，在當(dāng)今的社會(huì)中也有著越來越廣泛的應(yīng)用。無論是在娛樂生活、國(guó)防科技乃至文體教育等方面的應(yīng)用，都有其一定的研究及利用開發(fā)的價(jià)值。 本文介紹了與遙控小車相關(guān)的機(jī)器人領(lǐng)域以及智能車輛領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，對(duì)遙控小車的設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)做了系統(tǒng)的介紹，給出了遙控小車的概要設(shè)計(jì)。 詳細(xì)介紹了遙控小車運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。重點(diǎn)就遙控車的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。輔助針對(duì)智能小車運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的非線性界環(huán)境的不確定性，利用模糊邏輯推理的方法，允許知識(shí)邊界的不確定性， 本次還通過對(duì)遙控車控制部分以及傳動(dòng)部分的了解，我們能更好地了解遙控車設(shè)計(jì)中所涉及的諸多問題。希望能夠通過自身的研究實(shí)現(xiàn)其智能化，做出一定的成果，給出給定的條件來達(dá)到無線控制，以及結(jié)構(gòu)的問題，以便滿足其總體設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞： 控制機(jī)構(gòu) 傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 多傳感器數(shù)據(jù)融合 模糊控制 Abstract In contemporary society with the rapid development of science and technology, wireless remote areas as a new subject, gradually entered the field of scientific research, industry in today's society has more and more widely. Whether in the entertainment, defense science, technology and education style and application, has its certain research and exploitation of value. This car is introduced and the remote areas and related robot of intelligent vehicle research status of remote control system of basic car technology is introduced, the system is given based on the summary of remote car design. Detailed introduces remote control system design and the car. The remote control of mechanical structure are studied. Auxiliary motion control system for intelligent car nonlinear boundary environmental uncertainty, using the method of fuzzy logic reasoning, allowing the uncertainty of knowledge boundary, This is based on remote control and drive car parts, we can better understand the remote car design problems involved. Hope to achieve its own research through a certain achievement, intelligent, given the conditions to achieve wireless control, and the structure of the problem, in order to meet the overall design. Keywords: control agencies transmission mechanism of multi-sensor data fusion fuzzy contro 目 錄 第一章 緒論 1 1.1選題背景 1 1.2課題在理論和實(shí)際應(yīng)用方面的價(jià)值 2 1.3主要研究?jī)?nèi)容 4 第二章 遙控智能小車的研究現(xiàn)狀 5 2.1移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展 5 2.1.1國(guó)外移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展 5 2.1.2國(guó)內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展 6 2.2智能車輛的研究 7 2.2.1國(guó)外智能車輛的研究 7 2.2.2國(guó)內(nèi)智能車輛的研究 9 第三章 遙控智能小車的關(guān)鍵技術(shù) 10 3.1機(jī)械結(jié)構(gòu) 10 3.1.1車身設(shè)計(jì)介紹 13 3.1.2車身設(shè)計(jì)技術(shù)要求 13 3.1.3 電機(jī)的的選擇 14 3.1.4 主軸的選擇與校核 15 3.2多傳感器系統(tǒng)與數(shù)據(jù)融合 22 3.3智能技術(shù) 23 第四章 遙控小車的硬件系統(tǒng) 24 4.1總體設(shè)計(jì) 24 4.2處理器 25 4.2.1常用處理器及其特點(diǎn) 26 4.2.2處理器的選擇 26 4.3傳感器 27 4.3.1位置傳感器 28 4.3.2加速度傳感器 28 4.3.3紅外傳感器 28 4.3.4超聲傳感器 29 4.3.5視覺系統(tǒng) 31 第五章 車體的維護(hù)與保養(yǎng) 33 結(jié)論 35 致謝 36 參考文獻(xiàn) 37 第一章 緒論 1.1選題背景 在當(dāng)今社會(huì)中，遙控作為一個(gè)新興的領(lǐng)域，正在被越來越多的人應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，小到小孩手中的玩具，大到國(guó)防科技，無不有著非常廣泛的應(yīng)用。而這些應(yīng)用也大大提高了工作效率，保障了許多非人易操作的中作的安全性。 例如在外星探測(cè)方面，隨著肩負(fù)著人類探測(cè)火星使命的“勇氣”號(hào)和“機(jī)遇”號(hào)于2004年1月3日和1月24日在火星不同區(qū)域著陸，并于2004年4月5日和2004年4月26日相繼通過所有“考核標(biāo)準(zhǔn)”。美國(guó)宇航局的孿生火星車探測(cè)計(jì)劃至此正式宣告取得圓滿成功。[1]美國(guó)宇航局科學(xué)家和工程師事先設(shè)立了一系列硬指標(biāo)，作為判定兩輛火星車聯(lián)合探測(cè)計(jì)劃是否成功的依據(jù)。按照規(guī)定，每輛火星車都需要至少工作90個(gè)火星日（約相當(dāng)于地球上的92天)，在火星上行駛總里程至少達(dá)到600米，至少造訪8個(gè)不同地點(diǎn)，必須拍下周圍環(huán)境的立體和彩色全景照片。“勇氣”號(hào)是迄今美國(guó)發(fā)射的最尖端的火星探測(cè)裝置，其頂部的桅桿式結(jié)構(gòu)上裝有全景照相機(jī)及具有紅外探測(cè)能力的微型熱輻射分光計(jì)。“勇氣”號(hào)成功實(shí)現(xiàn)了集通信、拍攝和計(jì)算等功能于一身?；鹦擒嚹軌蛟诨鹦巧献灾餍旭偅寒?dāng)火星車發(fā)現(xiàn)值得探測(cè)的目標(biāo)，它會(huì)驅(qū)動(dòng)六個(gè)輪子向目標(biāo)行駛；在檢測(cè)到前進(jìn)方向上的障礙后，火星車會(huì)去尋找可能的最佳路徑。類似火星車，以輪子作為移動(dòng)機(jī)構(gòu)、能夠?qū)崿F(xiàn)自主行駛的機(jī)器人，我們稱之為智能小車，又稱輪式機(jī)器人。也是遙控小車的一種。 如果將常規(guī)的遙控機(jī)器人操作手與掛在多用車或者牽引車的起重機(jī)進(jìn)行比較，可發(fā)現(xiàn)兩者非常相似。它們都具有許多連桿，這些連桿通過關(guān)節(jié)依次連接，這些關(guān)節(jié)由驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。在上述兩個(gè)系統(tǒng)中，操作機(jī)的“手”都能在空中運(yùn)動(dòng)并可以運(yùn)動(dòng)到工作空間的任何位置，它們都能承載一定的負(fù)載，并都用一個(gè)中央控制器控制驅(qū)動(dòng)器。然而，它們一個(gè)稱為機(jī)器人，另一個(gè)稱為操作機(jī)（也就是起重機(jī)），兩者最根本的不同是起重機(jī)是由人來控制驅(qū)動(dòng)器，而機(jī)器人操作手是由計(jì)算機(jī)編程控制，正是通過這一點(diǎn)可以區(qū)別一臺(tái)設(shè)備到底是簡(jiǎn)單的操作機(jī)還是機(jī)器人。通常機(jī)器人設(shè)計(jì)成由計(jì)算機(jī)或類似裝置來控制，機(jī)器人的動(dòng)作受計(jì)算機(jī)監(jiān)控的控制器所控制，該控制器本身也運(yùn)行某種類型的程序。因此，如果程序改變了，機(jī)器人的動(dòng)作會(huì)相應(yīng)改變。我們希望一臺(tái)設(shè)備能夠靈活地完成各種不同的工作而無需重新設(shè)計(jì)硬件裝置（當(dāng)然在能力范圍以內(nèi)）。簡(jiǎn)單的操作機(jī)（或者說起重機(jī)）除非一直由操作人員操作，否則無法做到這一點(diǎn)。[2] 目前各國(guó)關(guān)于機(jī)器人的定義都各不相同。在美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中，只有易于再編程的裝置才認(rèn)為是機(jī)器人。因此，手動(dòng)裝置（比如一個(gè)多自由度的需要操作員來驅(qū)動(dòng)的裝置）或固定順序機(jī)器人（例如有些裝置由強(qiáng)制啟?？刂乞?qū)動(dòng)器，其順序是固定的并且很難更改）都不認(rèn)為是機(jī)器人。 2004年4月17日下午，美國(guó)“機(jī)遇”號(hào)火星車在火星上跑完一個(gè)“馬拉松式”的長(zhǎng)途，輕松駛出140多米，創(chuàng)下人類發(fā)射的火星車迄今在火星上單日行車距離的新紀(jì)錄。在結(jié)束這次長(zhǎng)途旅程后，“機(jī)遇”號(hào)在火星上的累計(jì)行駛里程達(dá)到627.7米，突破了600米這道大關(guān)?！皺C(jī)遇”號(hào)在這次破紀(jì)錄之旅中，在大多數(shù)路段上都憑借新的自動(dòng)導(dǎo)航軟件指引。以火星車為代表的遙控智能小車，依靠自動(dòng)導(dǎo)航軟件實(shí)現(xiàn)在一定道路條件下的自動(dòng)行駛，這是智能車輛的另一個(gè)基本特征。 遙控智能小車，是一個(gè)集環(huán)境感知、規(guī)劃決策，自動(dòng)行駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)，它集中地運(yùn)用了計(jì)算機(jī)、傳感、信息、通信、導(dǎo)航、人工智能及自動(dòng)控制等技術(shù)，是典型的高新技術(shù)綜合體。 1.2課題在理論和實(shí)際應(yīng)用方面的價(jià)值 遙控智能小車，也就是輪式機(jī)器人，最適合在那些人類無法工作的環(huán)境中工作，它們已在許多工業(yè)部門獲得廣泛應(yīng)用。它們可以比人類工作得更好并且成本低廉。以下列舉了機(jī)器人的一些應(yīng)用，所有這些用途正逐步滲入到工業(yè)和社會(huì)的各個(gè)層面。 1、焊接: 這時(shí)機(jī)器人與焊槍及相應(yīng)配套裝置一起將部件焊接在一起，這是機(jī)器人在自動(dòng)化工業(yè)中最常見的一種應(yīng)用。由于機(jī)器人連續(xù)運(yùn)動(dòng)，可以焊接得非常均勻和準(zhǔn)確。 2、噴漆:這是另一種常見的機(jī)器人應(yīng)用，尤其是在汽車工業(yè)上。由于人工噴漆時(shí)要保持通風(fēng)和清潔，因此創(chuàng)造適合人們工作的環(huán)境是十分困難的，而且與人工操作相比，機(jī)器人更能持續(xù)不斷地工作，因此機(jī)器人非常適合噴漆工作。 3、檢測(cè):對(duì)零部件、線路板及其它類似產(chǎn)品的檢測(cè)也是機(jī)器人比較常見的應(yīng)用。一般說來檢測(cè)系統(tǒng)中還集成有其他一些設(shè)備，它們是視覺系統(tǒng)、X射線裝置、超聲波探測(cè)儀或其他類似儀器。 4、醫(yī)療應(yīng)用:由于要求機(jī)器人完成的許多操作（如切開顱骨、在骨體上鉆孔等）比人工操作更為準(zhǔn)確，因此手術(shù)中許多機(jī)械操作部分都由機(jī)器人來完成。 5、幫助殘疾人在日常生活中，機(jī)器人可以做很多事情來幫助殘疾人，諸如將盛著食品的盤子放入微波爐，從微波爐中取出盤子，并且將盤子放到殘疾人面前給他用餐等。其他許多任務(wù)也可通過編程讓機(jī)器人來執(zhí)行。 6、危險(xiǎn)環(huán)境機(jī)器人非常適合在危險(xiǎn)的環(huán)境中使用。在這些險(xiǎn)惡的環(huán)境下工作，人類必需采取嚴(yán)密的保護(hù)措施。而機(jī)器人可以進(jìn)入或穿過這些危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行維護(hù)和探測(cè)工作，且不需要得到像對(duì)人一樣的保護(hù)。 7、水下、太空及遠(yuǎn)程機(jī)器人也可以用于水下、太空及遠(yuǎn)程的服務(wù)和探測(cè)。雖然尚沒有人被送往火星，但已有許多太空漫游車在火星登陸并對(duì)火星進(jìn)行探測(cè)。如美國(guó)的“勇氣”號(hào)和“機(jī)遇”號(hào)的主要任務(wù)是在火星上探水，它們已分別在其著陸區(qū)域附近找到火星上過去曾有過水的證據(jù)。 另外，遙控智能小車自動(dòng)行駛功能的研究將有助于智能車輛的研究。智能車輛駕駛?cè)蝿?wù)的自動(dòng)完成將給人類社會(huì)的進(jìn)步帶來巨大的影響，例如能切實(shí)提高道路網(wǎng)絡(luò)的利用率、降低車輛的燃油消耗量，尤其是在改進(jìn)道路交通安全等方面提供了新的解決途徑。 1.3主要研究?jī)?nèi)容 本課題的主要研究?jī)?nèi)容包括： （1） 遙控智能小車相關(guān)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀。本文首先概要介紹了與遙控小車相關(guān)的機(jī)器人、智能車輛和月球車的發(fā)展歷史、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀。 （2） 遙控智能小車的關(guān)鍵技術(shù)。論文簡(jiǎn)單介紹了智能小車的關(guān)鍵技術(shù)，包括：機(jī)械結(jié)構(gòu)、多傳感器系統(tǒng)與數(shù)據(jù)融合和智能技術(shù)。主要研究遙控智能小車的機(jī)械結(jié)構(gòu)。 第二章 遙控智能小車的研究現(xiàn)狀 2.1移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展 2.1.1國(guó)外移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展 移動(dòng)機(jī)器人的研究始于60年代末期，斯坦福研究院（SRI）的Nils Nilssen和Charles Rosen等人，在1966年至1972年間研制出了名為Shakey的自主移動(dòng)機(jī)器人。[3] 進(jìn)入20世紀(jì)80年代以后，人們的研究方向逐漸轉(zhuǎn)移到了面向?qū)嶋H應(yīng)用的室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人的研究，并逐步形成了自主式移動(dòng)機(jī)器人AMR（IndoorAutonomous Mobile Robot）概念。美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）專門立項(xiàng)，制定了地面天人作戰(zhàn)平臺(tái)的戰(zhàn)略計(jì)劃。從此，在全世界掀開了全面研究室外移動(dòng)機(jī)器人的序幕，如DARPA的“戰(zhàn)略計(jì)算機(jī)”計(jì)劃中的自主地面車輛（ALV）計(jì)劃（1983～1990），能源部制訂的為期10年的機(jī)器人和智能系統(tǒng)計(jì)劃（RIPS）（1986～1995)，以及后來的空間機(jī)器人計(jì)劃；日本通產(chǎn)省組織的極限環(huán)境下作業(yè)的機(jī)器人計(jì)劃；歐洲尤里卡中的機(jī)器人計(jì)劃等。初期的研究，主要從學(xué)術(shù)角度研究室外機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)和信息處理，并建立實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。雖然由于80年代對(duì)機(jī)器人的智能行為期望過高，導(dǎo)致室外機(jī)器人的研究未達(dá)到預(yù)期的效果，但卻帶動(dòng)了相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，為探討人類研制智能機(jī)器人的途徑積累了經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)，也推動(dòng)了其它國(guó)家對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的研究與開發(fā)。 進(jìn)入90年代，隨著技術(shù)的進(jìn)步，移動(dòng)機(jī)器人開始在更現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)上，開拓各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，向?qū)嵱没M(jìn)軍。美國(guó)NASA研制的火星探測(cè)機(jī)器人索杰那于1997年登上火星，這一事件向全世界進(jìn)行了報(bào)道。為了在火星上進(jìn)行長(zhǎng)距離探險(xiǎn)，又開始了新一代樣機(jī)的研制，命名為Rocky7，并在Lavic湖的巖溶流上和干枯的湖床上進(jìn)行了成功的實(shí)驗(yàn)。德國(guó)研制了一種輪椅機(jī)器人，并在烏爾姆市中心車站的客流高峰期的環(huán)境和1998年漢諾威工業(yè)商品博覽會(huì)的展覽大廳環(huán)境中進(jìn)行了實(shí)地現(xiàn)場(chǎng)表演。該輪椅機(jī)器人在公共場(chǎng)所擁擠的、有大量乘客的環(huán) 境中，進(jìn)行了超過36個(gè)小時(shí)的考驗(yàn)，所表現(xiàn)出的性能是其它現(xiàn)存的輪椅機(jī)器人或移動(dòng)機(jī)器人所不可比的。這種輪椅機(jī)器人是在一個(gè)商業(yè)輪椅的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。 2004年，美國(guó)的火星車“勇氣”號(hào)和“機(jī)遇”號(hào)登上火星，并且圓滿完成了預(yù)期的探索任務(wù)：每輛火星車都需要至少工作90個(gè)火星日（約相當(dāng)于地球上的92天)，在火星上行駛總里程至少達(dá)到600米，至少造訪8個(gè)不同地點(diǎn)，必須拍下周圍環(huán)境的立體和彩色全景照片?！坝職狻碧?hào)和“機(jī)遇”號(hào)火星車，代表著當(dāng)前世界上移動(dòng)機(jī)器人的最高水平。 2.1.2國(guó)內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展 國(guó)內(nèi)對(duì)于移動(dòng)機(jī)器人的起步比較晚。從“七五”開始，我國(guó)的移動(dòng)機(jī)器人研究開始起步，經(jīng)過多年來的發(fā)展，己經(jīng)取得了一定的成績(jī)。清華大學(xué)智能移動(dòng)機(jī)器人于1994年通過鑒定。涉及到五個(gè)方面的關(guān)鍵技術(shù)：基于地圖的全局路徑規(guī)劃技術(shù)研究（準(zhǔn)結(jié)構(gòu)道路網(wǎng)環(huán)境下的全局路徑規(guī)劃、具有障礙物越野環(huán)境下的全局路徑規(guī)劃、自然地形環(huán)境下的全局路徑規(guī)劃）；基于傳感器信息的局部路徑規(guī)劃技術(shù)研究（基于多種傳感器信息的“感知一動(dòng)作”行為、基于環(huán)境勢(shì)場(chǎng)法的“感知一動(dòng)作”行為、基于模糊控制的局部路徑規(guī)劃與導(dǎo)航控制）；路徑規(guī) 劃的仿真技術(shù)研究（基于地圖的全局路徑規(guī)劃系統(tǒng)的仿真模擬、室外移動(dòng)機(jī)器人規(guī)劃系統(tǒng)的仿真模擬、室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人局部路徑規(guī)劃系統(tǒng)的仿真模擬）；傳感技術(shù)、信息融合技術(shù)研究（差分全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)、磁羅盤和光碼盤定位系統(tǒng)、超聲測(cè)距系統(tǒng)、視覺處理技術(shù)、信息融合技術(shù)）；智能移動(dòng)機(jī)器人的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)（智能移動(dòng)機(jī)器人THMR－III的體系結(jié)構(gòu)、高效快速的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、自動(dòng)駕駛系統(tǒng)）。香港城市大學(xué)智能設(shè)計(jì)、自動(dòng)化及制造研究中心的自動(dòng)導(dǎo)航車和服務(wù)機(jī)器人。中國(guó)科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所的AGV和防爆機(jī)器人。中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化所自行設(shè)計(jì)、制造的全方位移動(dòng)式機(jī)器人視覺導(dǎo)航系統(tǒng)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)于1996年研制成功的導(dǎo)游機(jī)器人等。 2.2智能車輛的研究 智能車輛作為智能交通系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，是許多高新技術(shù)綜合集成的載體。智能車輛駕駛是一種通用性術(shù)語，指全部或部分完成一項(xiàng)或多項(xiàng)駕駛?cè)蝿?wù)的綜合車輛技術(shù)。智能車輛的一個(gè)基本特征是在一定道路條件下實(shí)現(xiàn)全部或者部分的自動(dòng)駕駛功能。 2.2.1國(guó)外智能車輛的研究 智能車輛的研究始于20世紀(jì)50年代初，美國(guó)Barrett Electronics公司開發(fā)出的世界上第一臺(tái)自動(dòng)引導(dǎo)車輛系統(tǒng)（Automated Guided Vehicle System，AGVS）。1974年，瑞典的VolvoKalmar轎車裝配工廠與Schiinder－Digitron公司合作，研制出一種可裝載轎車車體的AGVS，并由多臺(tái)該種AGVS組成了汽車裝配線，從而取消了傳統(tǒng)應(yīng)用的拖車及叉車等運(yùn)輸工具。由于Kalmar工廠采用AGVS獲得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益，許多西歐國(guó)家紛紛效仿Volvo公司，并逐步使AGVS在裝配作業(yè)中成為一種流行的運(yùn)輸手段。 在世界科學(xué)界和工業(yè)設(shè)計(jì)界中，眾多的研究機(jī)構(gòu)正在研發(fā)智能車輛，其中具有代表性的智能車輛包括：[4] 意大利MOB－LAB的研究。MOB－LAB是開放“移動(dòng)試驗(yàn)室”的代名詞，后來用來研發(fā)車載實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)，通過計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)來檢測(cè)車道軌跡，實(shí)現(xiàn)車輛自主駕駛。MOB-LAB有以下主要特點(diǎn)：車輛前后裝備彩色攝像機(jī)，用來檢測(cè)車輛外部環(huán)境；兩個(gè)實(shí)時(shí)數(shù)字圖像處理器（利用相應(yīng)算法結(jié)構(gòu)，以200ms一幅圖像速度分析圖像）；4個(gè)車載傳感器來測(cè)量橫向和縱向車輛加速度；在車輛左右側(cè)安裝的毫米波雷達(dá)感知道路左右兩側(cè)環(huán)境；兩個(gè)PC處理器處理雷達(dá)和其他融合的傳感器數(shù)據(jù)； 德意志聯(lián)邦大學(xué)的研究。德意志聯(lián)邦大學(xué)已經(jīng)研發(fā)出多輛智能原型車輛。在1985年，第一輛VaMoRs智能原型車輛就已經(jīng)在戶外高速公路上以100km/h的速度進(jìn)行了測(cè)試。使用機(jī)器視覺來保證橫向和縱向的車輛控制。1988年，在都靈的PROMETHEUS項(xiàng)目第一次委員會(huì)會(huì)議上，智能車輛維塔（VITA，7t）也進(jìn)行了展示，該車可以自動(dòng)停車、行進(jìn)，并可以向后車傳送相關(guān)駕駛信息。這兩種車輛都配備UBM視覺系統(tǒng)。這是一個(gè)雙目視覺系統(tǒng)，具有極高的穩(wěn)定性，同時(shí)還包括一些其他種類的傳感器：三個(gè)加速度計(jì)、一個(gè)車輪位置編碼器（可作為里程表或速度計(jì)），在VaMoRs車中，GPS接收機(jī)可以實(shí)現(xiàn)車輛位置的初步估算。 美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)的研究。美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)智能交通研究所所研發(fā)的三輛智能原型車輛，配備不同的傳感器來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合和錯(cuò)誤檢測(cè)技術(shù)：基于視覺的系統(tǒng)；雷達(dá)系統(tǒng)（檢測(cè)與車道的橫向位置）；激光掃描測(cè)距器（障礙物檢測(cè)）；其他傳感器，如側(cè)向雷達(dá)、轉(zhuǎn)向陀螺儀。利用基于視覺的方法實(shí)現(xiàn)道路檢測(cè)。利用一臺(tái)安裝在后視鏡處的CCD攝像機(jī)，位置要盡可能高，車道檢測(cè)系統(tǒng)可以處理這樣的單幅灰度圖像。算法假設(shè)道路是水平地，并且有連續(xù)或點(diǎn)化的車道標(biāo)志線。前幾幀檢測(cè)的車道標(biāo)志線數(shù)據(jù)也用來決定下一步興趣熱點(diǎn)區(qū)域，以簡(jiǎn)化圖像處理。算法從圖像中提取出重要的亮域，并以向量行駛存儲(chǔ)，如道路消失點(diǎn)或道寬這樣的數(shù)據(jù)參數(shù)，都可以作為計(jì)算車道標(biāo)志線的參考，最后為了處理點(diǎn)劃車道線，可以通過一階多項(xiàng)式曲線來擬合，在進(jìn)行向量計(jì)算。如果檢測(cè)到左右車道標(biāo)志線，就可以利用左右標(biāo)志線來估計(jì)車道中心線；否則也可以利用估計(jì)的車道寬度及相關(guān)可視標(biāo)志來估算中心線。 另外，斯特拉斯堡（Strasbourg）試驗(yàn)中心、英國(guó)國(guó)防部門的研究、美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)、奔馳公司、美國(guó)麻省理工學(xué)院、韓國(guó)理工大學(xué)對(duì)智能車輛也有較多的研究。 2.2.2國(guó)內(nèi)智能車輛的研究 吉林大學(xué)智能車輛課題組長(zhǎng)期從事智能車輛自主導(dǎo)航機(jī)理及關(guān)鍵技術(shù)研究。20世紀(jì)90年代以來，課題組開展的組態(tài)式柔性制造單元及圖像識(shí)別自動(dòng)引導(dǎo)車的研究對(duì)我國(guó)獨(dú)立自主開發(fā)一種新型自動(dòng)引導(dǎo)車輛系統(tǒng)，從而為我國(guó)生產(chǎn)組織模式向柔性或半柔性生產(chǎn)組織轉(zhuǎn)化提供了有意義的技術(shù)支撐和關(guān)鍵設(shè)備。課題組已開發(fā)出JUTIV—1、JUTIV—2、JLUIV—3三種型號(hào)的自動(dòng)引導(dǎo)車輛，其中JLUIV—3實(shí)用型視覺導(dǎo)航AGV已投入工廠進(jìn)行中試，并得到吉林省科委“新型視覺引導(dǎo)AGV及自動(dòng)物流運(yùn)輸系統(tǒng)開發(fā)”項(xiàng)目、長(zhǎng)春市政府科計(jì)引導(dǎo)計(jì)劃新星創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目、吉林大學(xué)科技園高新技術(shù)產(chǎn)品孵化項(xiàng)目的立項(xiàng)資助，目前該種AGV已完成商品化研制，即將投入市場(chǎng)[5]。由于JUTIV—3型AGV性能優(yōu)越，智能化程度高，屬國(guó)內(nèi)首創(chuàng)，必將會(huì)產(chǎn)生重大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。 中國(guó)第一汽車集團(tuán)公司和國(guó)防科技大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院于2003年7月研制成功我國(guó)第一輛自主駕駛轎車。該自主駕駛轎車在正常交通情況下，在高速公路上行駛的最高穩(wěn)定速度為130公里/小時(shí)，最高峰值速度為170公里/小時(shí)，并且具有超車功能，其總體技術(shù)性能和指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到世界先進(jìn)水平。轎車自主駕駛的基本原理是仿人駕駛。車內(nèi)的環(huán)境識(shí)別系統(tǒng)識(shí)別出道路狀況，測(cè)量前方車輛的距離和相對(duì)速度，相當(dāng)于駕駛員的眼睛；車載主控計(jì)算機(jī)和相應(yīng)的路徑規(guī)劃軟件根據(jù)計(jì)算機(jī)視覺提供的道路信息、車前車輛情況以及自身的行駛狀態(tài)，決定是沿道路前進(jìn)還是換道準(zhǔn)備超車，相當(dāng)于駕駛員的大腦；接著，自動(dòng)駕駛控制軟件按照需要跟蹤的路徑和汽車行駛動(dòng)力學(xué)，向方向盤控制器、油門控制器和剎車控制器發(fā)出動(dòng)作指令，操縱汽車按規(guī)劃好的路徑前進(jìn)，起到駕駛員的手和腳的作用。 另外，我國(guó)清華大學(xué)、北京理工大學(xué)等單位也正在研發(fā)智能車輛。汽車自主駕駛技術(shù)是集模式識(shí)別、智能控制、計(jì)算機(jī)科學(xué)和汽車操縱動(dòng)力等多門學(xué)科于一體的綜合性技術(shù)，汽車自主駕駛功能水平的高低常被用來作為衡量一個(gè)國(guó)家控制技術(shù)水平的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。 第三章 遙控智能小車的關(guān)鍵技術(shù) 遙控智能小車要想走向?qū)嵱茫匦钃碛心軇偃蔚倪\(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、可靠的導(dǎo)航系統(tǒng)、精確的感知能力和具有既安全而又友好地與人一起工作的能力。遙控智能小車的智能指標(biāo)為自主性、適應(yīng)性和交互性。適應(yīng)性是指小車具有適應(yīng)復(fù)雜工作環(huán)境的能力（主要通過學(xué)習(xí)），不但能識(shí)別和測(cè)量周圍的物體，還有理解周圍環(huán)境和所要執(zhí)行任務(wù)的能力，并做出正確的判斷及操作和移動(dòng)等能力。自主性是指小車能根據(jù)工作任務(wù)和周圍環(huán)境情況，自己確定工作步驟和工作方式；交互性是智能產(chǎn)生的基礎(chǔ)，交互包括小車與環(huán)境、小車與人及小車之間三種，主要涉及信息的獲取、處理和理解。智能小車是一個(gè)綜合系統(tǒng)，包括以下關(guān)鍵技術(shù)： 3.1機(jī)械結(jié)構(gòu) 作為機(jī)械專業(yè)，機(jī)械結(jié)構(gòu)式本次論文的重中之中重。因此遙控智能小車機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行。例如：美國(guó)NASA發(fā)射的“機(jī)遇”號(hào)火星車，長(zhǎng)1.6米、寬2.3米、高1.5米，重174千克，具有6個(gè)輪子，如圖3.1。它有自己的所謂大腦、頸、頭、眼睛和手臂。它的“大腦”是一臺(tái)每秒能執(zhí)行約2000萬條指令的計(jì)算機(jī)，不過與人類大腦位置不同，計(jì)算機(jī)在火星車身體內(nèi)部。“頸”和“頭”是火星車上伸出的一個(gè)桅桿式結(jié)構(gòu)，距火星車輪子底部高度約為1.4米；“眼睛”是一對(duì)可拍攝火星表面彩色照片的全景照相機(jī)，有了它們，火星車能像站在火星表面的人一樣環(huán)視四周。 美國(guó)著名發(fā)明家迪恩·卡門設(shè)計(jì)了一種可以防止傾倒顛覆的由電腦控制的輪椅，如圖3.2。這種輪椅的全稱是“iBOT3000獨(dú)立機(jī)動(dòng)系統(tǒng)”（簡(jiǎn)稱iBOT），從外表看上去，iBOT與普通輪椅不大一樣：它有6個(gè)輪子，前面一對(duì)為直徑10厘米的實(shí)心腳輪，后面兩對(duì)為直徑30厘米的充氣輪胎。iBOT通過復(fù)雜的陀螺儀系統(tǒng)來保持平衡，當(dāng)輪椅上分布的傳感器感受到重心變化時(shí)，它們馬上把這些信息傳輸?shù)轿挥谧蜗旅娴目刂坪兄??？刂坪欣镉袔讉€(gè)“奔騰III”處理器和預(yù)先設(shè)計(jì)好的程序，這些程序會(huì)“命令”輪椅的機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行自我調(diào)整，保持平衡。[14] 日本一家公司新推出的可以上下樓梯的輪椅，采用的是四星輪式結(jié)構(gòu)，如圖3.3。在智能小車機(jī)構(gòu)方面，應(yīng)當(dāng)結(jié)合智能小車在各個(gè)領(lǐng)域及各種場(chǎng)合的應(yīng)用，開展豐富而富有創(chuàng)造性的工作。 圖3.1美國(guó)“機(jī)遇”號(hào)火星車模型圖[6] 圖3.2美國(guó)卡門設(shè)計(jì)的能爬樓梯的新型輪椅 圖3.3日本的新型輪椅車 3.1.1車身設(shè)計(jì)介紹 遙控車身設(shè)計(jì)尤其是新車型的設(shè)計(jì)，是根據(jù)該車的使用要求而提出的整車參數(shù)與性能指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算的，顯然，要從宏觀入手，即從整車的總體設(shè)計(jì)開始，然后通過總體設(shè)計(jì)的分析與計(jì)算，將整車參數(shù)和性能指標(biāo)分解為有關(guān)總成的參數(shù)和功能后，再進(jìn)行總成和部件設(shè)計(jì)，進(jìn)而進(jìn)行零件甚至某一更細(xì)微的局部設(shè)計(jì)與研究，選擇材料以及校核。 車身的設(shè)計(jì)過程：[10] （1）調(diào)查與初始決策；其任務(wù)是選定設(shè)計(jì)目標(biāo)，并制定設(shè)計(jì)工作方針及設(shè)計(jì)原則。調(diào)查研究。的內(nèi)容應(yīng)包括：查閱以往與本次設(shè)計(jì)相關(guān)的設(shè)計(jì)內(nèi)容，比較其優(yōu)劣，改進(jìn)技術(shù)，包括材料及零件的選擇，制定大體的設(shè)計(jì)方案。 （2）總體方案設(shè)計(jì)；其任務(wù)是根據(jù)查閱資料后所選定的目標(biāo)及開發(fā)目標(biāo)制定的工作方針，設(shè)計(jì)原則等主導(dǎo)思想提出整車設(shè)想，因此又稱為概念設(shè)計(jì)（concept desion）或構(gòu)思設(shè)計(jì)。為此要繪制不同的總體圖供選擇。在總體方案圖上進(jìn)行初步布置和分析，對(duì)主要總成只要畫出大輪廓而突出各方案間的主要差別，使方案對(duì)比簡(jiǎn)明清晰，經(jīng)方案論證選出其中最佳者。 （3）繪制總布置草圖，確定整車主要尺寸，質(zhì)量參數(shù)與性能指標(biāo)以及各總成的基本形式。在總布置草圖上較準(zhǔn)確地畫出各總成及部件的外形和尺寸并進(jìn)行仔細(xì)的布置；對(duì)軸荷分配和質(zhì)心高度作計(jì)算與調(diào)整，以便準(zhǔn)確地確定車體的軸距，總長(zhǎng)，總寬，總高，離地間隙，備件或車身高度等，并使之符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)；進(jìn)行性能計(jì)算及參數(shù)匹配。 （4）車身造型設(shè)計(jì)及繪制車身布置圖；繪制不同外形，不同方向，不同配比的車身外形圖；制作相應(yīng)造型的模型；從中優(yōu)選后再制作精確模型。并繪制相應(yīng)的車身布置圖。 3.1.2車身設(shè)計(jì)技術(shù)要求 車身設(shè)計(jì)的主要技術(shù)要求主要包括材質(zhì)的選定，電機(jī)的選擇以及主軸的選擇與校核。[11] 3.1.3 電機(jī)的的選擇 選擇電動(dòng)機(jī)包括：確定類型、結(jié)構(gòu)、容量（功率）和轉(zhuǎn)速，并在產(chǎn)品目錄中查出其型號(hào)和尺寸。 （1）選擇電動(dòng)機(jī)的類型和結(jié)構(gòu)型式 按工作要求和條件，選用兩相籠型異步電動(dòng)機(jī)，封閉式結(jié)構(gòu)，電壓220v,Y型。 （2）選擇電動(dòng)機(jī)的容量 由,得： 卷筒軸工作的轉(zhuǎn)速： 電動(dòng)機(jī)所需工作效率： 由,得 由電動(dòng)機(jī)至運(yùn)輸帶的傳動(dòng)總效率： ηɑ=η1×η24×η32×η4×η5 式中：η1，η2 ，η3 ，η4 ，η5分別為帶傳動(dòng)，軸承，齒輪傳動(dòng)，聯(lián)軸器和卷筒的傳動(dòng)效率。 取η1=0.96（V帶），η2=0.98（滾子軸承），η3=0.97（齒輪精度為8級(jí)，不包括軸承效率），η4=0.99（彈性聯(lián)軸器），η5=0.96，則： ηɑ=0.96×0.984×0.972×0.99×0.96=0.79 所以， ( 3 )確定電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 由上可知，卷筒軸工作的轉(zhuǎn)速為n=76.43r/min 按表1推薦的傳動(dòng)比合理范圍，取V帶傳動(dòng)的傳動(dòng)比i1ˊ=2～4，二級(jí)圓柱齒輪減速器傳動(dòng)比i2ˊ=8～40. 則總傳動(dòng)比合理范圍為i0ˊ=16～160，故電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的可選范圍為 ndˊ=iaˊ×n=(16～160)×76.43=(1222.88～12228.8) r/min 符合的同步轉(zhuǎn)速有1500，2200r/min。 根據(jù)容量和轉(zhuǎn)數(shù)，由有關(guān)資料查出二種使用的電動(dòng)機(jī)型號(hào)，如表1.中和考慮電動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)裝置的尺寸，重量，價(jià)格和帶傳動(dòng)，減速器的傳動(dòng)比?？梢姷诙桨副容^合適。因此選定電動(dòng)機(jī)型號(hào)為Y132M-4其主要性能如下 型號(hào) 額定功率（w） 滿載時(shí) 額定 轉(zhuǎn)矩 額定 電量 轉(zhuǎn)速 效率（%） 功率因數(shù) Y132M-4 95 2200 87.0 0.85 2.2 7.0 3.1.4 主軸的選擇與校核 1.軸的選擇[12] 根據(jù)工作條件，初選軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理。按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度法進(jìn)行最小直徑估算，即，初算軸徑時(shí)，若最小直徑軸段開有鍵槽，還要考慮鍵槽對(duì)軸的強(qiáng)度的影響。當(dāng)該軸段截面上有一個(gè)鍵槽時(shí)，d增大5%～7%，兩個(gè)鍵槽時(shí)，d增大10%～15% A0值由教材表15-3確定:高速軸A01=126，中間軸A02=120，低速軸A03=112. 因?yàn)樽钚≈睆教幱羞B接聯(lián)軸器，則 d1min=d1min ′×(1+7%)=×(1+0.07)mm=17.3mm 取整數(shù)d1min=20mm 因中間軸最小直徑處安裝滾動(dòng)軸承，取為標(biāo)準(zhǔn)值d2min=25mm. 因從動(dòng)軸最小直徑處安裝聯(lián)軸器，設(shè)有一個(gè)鍵槽，則： d3min=d3min ′×(1+7%)=45.57×(1+0.07)mm=48.76mm 取為聯(lián)軸器的孔徑d3min=50mm. 2 )減速器裝配草圖的設(shè)計(jì) 根據(jù)軸上零件的結(jié)構(gòu)，定位，裝配關(guān)系，軸向?qū)挾燃傲慵g的相對(duì)位置等要求，初步設(shè)計(jì)減速器裝配草圖 3 ）軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1.主動(dòng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ⑴ 各軸段直徑的確定 d11:最小直徑，安裝大帶輪的外伸軸段，d11=d1min=20mm d12:密封處軸段，根據(jù)大帶輪的軸向定位要求，定位高度h=(0.07～0.1)d11,以及密封圈的標(biāo)準(zhǔn)（擬采用氈圈密封），d12=30mm d13:滾動(dòng)軸承處軸段，d13=45mm.滾動(dòng)軸承選取30209，其尺寸為d×D×T×B=45mm×85mm×20.15mm×19mm d14:過渡軸段，由于各級(jí)齒輪傳動(dòng)的線速度均小于2m/s,滾動(dòng)軸承采用脂潤(rùn)滑，考慮擋油盤的軸向定位，d14=55mm 齒輪處軸段：由于小齒輪直徑較小，采用齒輪軸結(jié)構(gòu)。所以軸和齒輪的材料和熱處理方式需一樣，均為45鋼，調(diào)質(zhì)處理。 d15:滾動(dòng)軸承處軸段，d15=d13=25mm 2.軸的校核 這里以主動(dòng)軸為例。 1 )軸的力學(xué)模型的建立。 1.軸上力的作用點(diǎn)位置和支點(diǎn)跨距的確定 齒輪對(duì)軸的力作用點(diǎn)按簡(jiǎn)化原則應(yīng)在齒輪寬度的中間，因此可決定中間軸上兩齒輪力的作用點(diǎn)位置。軸上安裝的30210軸承，從機(jī)械設(shè)計(jì)指導(dǎo)書表12-6可知它的負(fù)荷作用中心到軸承外端面的距離a=20mm，故可計(jì)算出支點(diǎn)跨距和軸上各力作用點(diǎn)相互位置尺寸。支點(diǎn)跨距L≈264mm（實(shí)際263.5mm）；低速級(jí)小齒輪的力作用點(diǎn)C到左支點(diǎn)A距離L1≈87mm（實(shí)際86.75mm）；兩齒輪的力作用點(diǎn)之間的距離1 L2≈13mm（實(shí)際112.5mm）；高速級(jí)大齒輪的力作用點(diǎn)D到右支點(diǎn)B距離L3≈64mm（實(shí)際64.25mm）。 2.繪制軸的力學(xué)模型圖 初步選定高速級(jí)小齒輪為右旋，高速級(jí)大齒輪為左旋；根據(jù)中間所受軸向力最小的要求，跟要求的傳動(dòng)速度方向，繪制的軸力學(xué)模型圖見圖. 2 ）計(jì)算軸上的作用力 齒輪2： 齒輪3： 3 ）計(jì)算支反力 1.垂直面支反力（XZ平面）參考圖。 由繞支點(diǎn)B的力矩和ΣMBV=0,得： ,方向向下。 同理，由繞支點(diǎn)A的力矩和ΣMAV=0,得： ，方向也向下。 由軸上的合力ΣFv=0，校核： ，計(jì)算無誤。 2.水平面支反力（XY平面）。 由繞支點(diǎn)B的力矩和ΣMBH=0,得 ，方向向下。 同理，由繞支點(diǎn)A的力矩和ΣMAH=0,得： ，方向向下。 由軸上合力ΣFH=0,校核： ，計(jì)算無誤。 3.A點(diǎn)總力 B點(diǎn)總力 繪轉(zhuǎn)矩、彎矩圖 1.垂直面內(nèi)的彎矩圖參看圖。 C處彎矩： D處彎矩： 2.水平面內(nèi)的彎矩圖參看圖。 3.合成彎矩圖，參看圖。 C 處 D處: 4.轉(zhuǎn)矩圖，參看圖。 T2=TⅡ=628654N.mm 5.當(dāng)量彎矩圖，參看圖。 因?yàn)槭菃蜗蚧剞D(zhuǎn)軸，所以扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力視為脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力，折算系數(shù)α=0.6。 αT2=0.6×628654N.mm=377192.4N.mm C處：M′C左=MC左=704956.75N.mm D處： M′D右=MD右=429687.36N.mm 5 )彎扭合成強(qiáng)度校核 進(jìn)行校核時(shí)，通常只校核軸上承受最大彎矩和轉(zhuǎn)矩的截面（即危險(xiǎn)截面C）的強(qiáng)度。 根據(jù)選定的軸的材料45鋼，調(diào)質(zhì)處理，由教材表15-1查得 [σ-1]=60Mpa。 因σca> [σ-1]，故強(qiáng)度足夠。 6 )安全系數(shù)法疲勞強(qiáng)度校核 對(duì)一般減速器的轉(zhuǎn)軸僅使用萬扭合成強(qiáng)度校核即可，而不必進(jìn)行安全系數(shù)法校核。本處僅對(duì)安全系數(shù)校核法作應(yīng)用示例 1.判定校核的危險(xiǎn)截面 對(duì)照彎矩圖、轉(zhuǎn)矩圖和結(jié)構(gòu)圖，從強(qiáng)度、應(yīng)力集中方面分析，C截面是危險(xiǎn)截面。需對(duì)C截面進(jìn)行校核。 2.軸的材料機(jī)械性能 根據(jù)選定的軸的材料45鋼，調(diào)質(zhì)處理，由教材表15-1查得： σ-1=275Mpa，τ-1=155Mpa。取Ψσ=0.2，Ψτ=0.5Ψσ=0.5×0.2=0.1。 因C截面有一鍵槽 b×h=18mm×11mm,t=7mm 抗彎截面系數(shù) 彎曲應(yīng)力幅， 彎曲平均應(yīng)力σm=0 扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力幅 平均切應(yīng)力τm=τα=7.79MPa4.影響系數(shù) C截面受有鍵槽與齒輪的過盈配合的共同影響，但鍵槽的影響比過盈配合的影響小，所以只需考慮過盈配合的綜合影響系數(shù)。由教材附表3-8用插值法求處：軸按磨削加工，由教材附圖3-4求出表面質(zhì)量系數(shù)： βσ=βτ=0.92。 故得綜合影響系數(shù)： 所以軸在C截面的安全系數(shù)為： 取許用安全系數(shù)S=1.8，有Sca>S，故C截面強(qiáng)度足夠。 3.2多傳感器系統(tǒng)與數(shù)據(jù)融合 由于工作環(huán)境的復(fù)雜性、自身狀態(tài)的不確定性和單一傳感器只能獲得環(huán)境特征的部分信息段的局限性，僅僅依靠一種傳感器難以完成對(duì)外部環(huán)境的感知。為完成在復(fù)雜、動(dòng)態(tài)及不確定性環(huán)境下的自主性，遙控智能小車通常裝有多種傳感器，通常用到視覺、超聲波、紅外線、光敏、雷達(dá)等傳感器來完整、準(zhǔn)確地反映環(huán)境特征。它們提供的信息有些是互補(bǔ)的，有些是冗余的，必須以一定的方法融合這些互補(bǔ)或冗余的傳感器信息，以充分利用多傳感器提供的信息，才能獲得最佳的、可靠的信息，從而更準(zhǔn)確，更全面地反映出外界環(huán)境的特征，為導(dǎo)航?jīng)Q策提供快速、正確的依據(jù)。[7] 如何有效的利用多傳感器提供的信息，并應(yīng)用到導(dǎo)航?jīng)Q策中，這就需要用到數(shù)據(jù)融合技術(shù)。傳感器之間的冗余數(shù)據(jù)增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性，傳感器之間的互補(bǔ)數(shù)據(jù)擴(kuò)展了單個(gè)的性能。 多傳感器數(shù)據(jù)融合是一項(xiàng)內(nèi)容廣泛的技術(shù)，涉及傳感器、信號(hào)處理、機(jī)器人學(xué)、控制理論、系統(tǒng)分析、概率統(tǒng)計(jì)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、仿生學(xué)等很多方面的知識(shí)，同時(shí)它也是一項(xiàng)用途廣泛的技術(shù)，是信息融合的基礎(chǔ)。信息融合技術(shù)不僅包括傳感信息，而且包括社會(huì)信息。信息融合技術(shù)現(xiàn)在拓展到大型數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)挖掘、遙感、戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)控、環(huán)保等方面。 一般而言，多傳感器融合系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)： （1）可提供同一特征的冗余信息； （2）可提供有關(guān)特征的互補(bǔ)信息； （3）提高系統(tǒng)的可靠性和魯捧性； （4）增強(qiáng)數(shù)據(jù)的可信任度； （5）增強(qiáng)系統(tǒng)的分辨能力。 （6）擴(kuò)展時(shí)間上和空間上的觀測(cè)范圍； （7）多個(gè)信息可以并行快速地分析當(dāng)前的場(chǎng)景； （8）在某傳感器發(fā)生故障的情形下，很快可以重組，重新投入工作。[8] 3.3智能技術(shù) 由于人體太復(fù)雜，人類的智能行為至今仍是一個(gè)謎，像生命科學(xué)中生物具有生命一樣，今天我們知之甚少。而智能技術(shù)是用機(jī)器來模擬人的外在認(rèn)識(shí)和思想行為的技術(shù)總稱。目前，對(duì)于智能技術(shù)的研究，主要分為兩大派：間接進(jìn)化和直接進(jìn)化。前者主要以符號(hào)主義的人工智能為代表；后者以計(jì)算智能技術(shù)為代表，包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、模糊技術(shù)、進(jìn)化計(jì)算（遺傳算法、進(jìn)化策略、進(jìn)化規(guī)劃等）和基于個(gè)體的復(fù)雜系統(tǒng)的研究。前者采用自頂向下的技術(shù)路線，后者采用自底向上的技術(shù)路線。其實(shí)，人在處理問題時(shí)，兩者是混合使用的。因此，兩者的有機(jī)結(jié)合更恰當(dāng)。對(duì)于智能小車來說，關(guān)鍵智能技術(shù)是自動(dòng)規(guī)劃技術(shù)和基于傳感的智能。小車的智能行為包括知識(shí)理解、推測(cè)、感覺、認(rèn)識(shí)、推理、歸納、推斷、計(jì)劃、反應(yīng)、學(xué)習(xí)和問題求解等。涉及的領(lǐng)域包括圖像理解、語音和文字符號(hào)的處理與理解、知識(shí)的表達(dá)和獲取、學(xué)習(xí)和運(yùn)動(dòng)。[9] 第四章 遙控小車的硬件系統(tǒng) 4.1總體設(shè)計(jì) 遙控智能小車通過位置傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、紅外傳感器、超聲傳感器、視覺傳感器等多種傳感器感知小車周圍的道路信息以及小車自身的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息，并對(duì)多傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、融合，動(dòng)態(tài)調(diào)整小車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)在一定條件下的自主行駛。智能小車作為一個(gè)系統(tǒng)，它由以下軟硬件構(gòu)成： 遙控小車機(jī)械結(jié)構(gòu)為主題部分，由車身，輪子、變速器、傳動(dòng)軸等結(jié)構(gòu)部件構(gòu)成。輪式小車還包括提供動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)器。傳感器傳感器用來收集智能小車的自身狀態(tài)信息或外部環(huán)境信息。人即使在完全黑暗中，也會(huì)知道胳膊和腿在哪里，這是因?yàn)榧‰烊獾闹袠猩窠?jīng)系統(tǒng)中的神經(jīng)傳感器將信息反饋給了人的大腦，大腦利用這些信息來判定肌肉的伸縮程度，進(jìn)而確定胳膊和腿的狀態(tài)。智能小車也同樣如此，安裝在智能小車上的傳感器將智能小車自身的狀態(tài)信息以及外部環(huán)境信息發(fā)給控制器，于是控制器就能決定智能小車的行駛速度和方向。智能小車通常的傳感器包括：視覺傳感器、加速度傳感器、紅外傳感器、超聲傳感器等。 控制器遙控智能小車的驅(qū)動(dòng)器與人的小腦十分相似，雖然小腦的功能沒有人的大腦功能強(qiáng)大，但是卻控制著人的運(yùn)動(dòng)。智能小車控制器從計(jì)算機(jī)獲取數(shù)據(jù)，控制驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)作，并與傳感器反饋信息一起協(xié)調(diào)智能小車的運(yùn)動(dòng)。假如要智能小車?yán)@過某障礙物，到達(dá)其后面的指定位置。智能小車在接近障礙物時(shí)必需轉(zhuǎn)過一定的角度，然后回轉(zhuǎn)相應(yīng)的角度。如果轉(zhuǎn)過的角度尚未達(dá)到這一角度，控制器就會(huì)發(fā)出一個(gè)信號(hào)到驅(qū)動(dòng)器（輸送電流到電動(dòng)機(jī)，輸送氣體到氣缸或發(fā)送信號(hào)到液壓缸的伺服閥），使驅(qū)動(dòng)器運(yùn)動(dòng)，然后通過輪子上的反饋傳感器（電位器或編碼器等）測(cè)量角度的變化，當(dāng)達(dá)到預(yù)定角度時(shí)，停止發(fā)送控制信號(hào)。對(duì)于更復(fù)雜的智能小車，智能小車的運(yùn)動(dòng)速度和力也由控制器控制。 導(dǎo)航算法模糊控制是以模糊集理論為基礎(chǔ)的一種新興的控制手段，它是模糊集理論和模糊技術(shù)與自動(dòng)控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。模糊邏輯控制系統(tǒng)既可以用來控制智能小車，也可用于將智能加入到其他系統(tǒng)不適合或難以使用的應(yīng)用中。模糊邏輯可以用來代替經(jīng)典控制系統(tǒng)或與經(jīng)典控制系統(tǒng)相結(jié)合控制智能小車。在智能小車的應(yīng)用中，雖然模糊邏輯不能說是唯一的方法，但也許是更適合的方法。 數(shù)據(jù)融合算法多傳感器數(shù)據(jù)融合是針對(duì)智能小車系統(tǒng)中使用多個(gè)傳感器對(duì)道路、障礙物以及智能小車自身狀態(tài)等信息進(jìn)行綜合感知這一特定問題展開的一種數(shù)據(jù)處理方法。多傳感器融合的常用方法有加權(quán)平均法、貝葉斯估計(jì)法、卡爾曼濾波、統(tǒng)計(jì)決策理論、D－S證據(jù)推理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊推理法以及帶置信因子的產(chǎn)生式規(guī)則。這里我們利用模糊推理的方法來對(duì)多傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)融合。 4.2處理器 現(xiàn)在通用的電機(jī)大多都是采用單片機(jī)來控制，應(yīng)用較多的是8096系列產(chǎn)品。但單片機(jī)的處理能力有限，特別是采用矢量變換控制的系統(tǒng)，由于需要處理的數(shù)據(jù)量大，實(shí)時(shí)性和精度要求高，單片機(jī)往往不再能滿足要求。因此人們自然而然地又想到了數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）。近年來各種集成化的單片DSP的性能得到很大改善，軟件和開發(fā)工具也越來越多，越來越好；價(jià)格卻大幅度下滑，目前低端產(chǎn)品已接近單片機(jī)的價(jià)格水平，且具有更高的性能價(jià)格比。從而使得DSP器件及技術(shù)更容易使用，價(jià)格也能夠?yàn)閺V大用戶接受。越來越多的單片機(jī)用戶開始選用DSP器件來提高產(chǎn)品性能，DSP器件取代高檔單片機(jī)的時(shí)機(jī)已經(jīng)成熟。而且隨著DSP在各行各業(yè)中的廣泛普及，專業(yè)人才方面的供需矛盾也會(huì)很快解決。 4.2.1常用處理器及其特點(diǎn) 與單片機(jī)相比DSP器件具有較高的集成度。DSP具有更快的CPU，更大容量的存儲(chǔ)器，內(nèi)置有波特率發(fā)生器和FIFO緩沖器。提供高速、同步串口和標(biāo)準(zhǔn)異步串口。有的片內(nèi)集成了A/D和采樣/保持電路，可提供PWM輸出。更為不同的是，DSP器件為精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)（RISC）器件，大多數(shù)指令都能在一個(gè)指令周期內(nèi)完成，并且通過并行處理技術(shù)，使一個(gè)指令周期內(nèi)可完成多條指令。DSP采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，具有獨(dú)立的程序和數(shù)據(jù)空間，允許同時(shí)存取程序和數(shù)據(jù)。內(nèi)置高速的硬件乘法器，增強(qiáng)的多級(jí)流水線，使DSP器件具有高速的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力。而單片機(jī)為復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)（CISC），多數(shù)指令要2～3個(gè)指令周期來完成。單片機(jī)采用諾依曼結(jié)構(gòu)，程序和數(shù)據(jù)在同一空間存取，同一時(shí)刻只能單獨(dú)訪問指令或數(shù)據(jù)。ALU只能做加法，乘法需要由軟件來實(shí)現(xiàn)，因此占用較多的指令周期，也就是說速度比較慢。所以，結(jié)構(gòu)上的差異使DSP器件比16位單片機(jī)單指令執(zhí)行時(shí)間快8～10功能強(qiáng)，而單片機(jī)的事務(wù)處理能力強(qiáng)。DSP器件還提供了高度專業(yè)化的指令集，提高了FFT快速傅里葉變換和濾波器的運(yùn)算速度。此外，DSP器件提供JTAG（Joint Test Action Group)接口，具有更先進(jìn)的開發(fā)手段，批量生產(chǎn)測(cè)試更方便。 4.2.2處理器的選擇 智能小車運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的核心由TI公司的TMS320F2812構(gòu)成。它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖，如圖4.2所示TMS320F2812是世界上第一塊片上帶Flash，處理速度達(dá)150MIPS的控制用32位DSPs。TMS320F2812的主要特性如下：32位定點(diǎn)TMC28 xDSP內(nèi)核；150-MIPS高速處理能力；1.9V核心電壓，3.3V外設(shè)電壓；最多12路的PWM輸出；片上集成128K的FLASH、一個(gè)12-位、80ns轉(zhuǎn)換時(shí)間（12.5MSPS）、0～3V量程的ADC、2個(gè)SCI異步串口、1個(gè)McBS同步串口、SPI同步串口和1個(gè)eCAN總線。 圖4.1處理器內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 4.3傳感器 傳感器既用于內(nèi)部反饋控制，也用于感知與外部環(huán)境的相互作用。動(dòng)物和人類都具有類似的但性能各異的傳感器，例如：一覺醒來，即使未睜開眼睛，人們就能感覺和知道四肢的位置，而不必留心身邊的胳膊和彎曲的腿。這是因?yàn)槿说乃闹S肌肉的收縮、伸展或放松而活動(dòng)時(shí)，肌肉神經(jīng)中的信號(hào)也隨之發(fā)生變化，該神經(jīng)信號(hào)傳給大腦，大腦即可判斷出每塊肌肉的狀態(tài)。類似地，在智能小車中，當(dāng)小車運(yùn)動(dòng)時(shí)，傳感器等將信號(hào)傳送給控制器，由其判定小車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。智能小車傳感器可分為智能小車內(nèi)部傳感器和智能小車外部傳感器兩大類。智能小車內(nèi)部傳感器的功能是測(cè)量運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)參數(shù)，其提供信息的目的是控制智能小車按規(guī)定的軌跡、速度、加速度大小進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。智能小車外部傳感器的功能是認(rèn)識(shí)運(yùn)動(dòng)環(huán)境，其提供信息的目的是識(shí)別道路和障礙物。本節(jié)介紹智能小車主要傳感器的基本原理及其接口電路。 4.3.1位置傳感器 位置傳感器既可以用來測(cè)量位移，包括線位移和角位移，也可以用來檢測(cè)運(yùn)動(dòng)。在很多情況下，位置信息也可用來計(jì)算速度。常見的位置傳感器有：電位器、編碼器、霍爾傳感器、線位移差動(dòng)變壓器、旋轉(zhuǎn)變壓器傳輸時(shí)間測(cè)量（磁反射）型位移傳感器。[13] 4.3.2加速度傳感器 加速度計(jì)是常用的測(cè)量加速度的傳感器。在智能小車系統(tǒng)中，加速度傳感器完成數(shù)據(jù)采集任務(wù)，獲得小車瞬時(shí)加速度值，以確定小車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；加速度傳感器也可以測(cè)出小車與障礙物發(fā)生碰撞的劇烈程度；加速度傳感器還可以判斷小車所處斜坡的坡度；另外，通過推算定位法還可以計(jì)算出智能小車當(dāng)前位置相對(duì)于已知參考位置之間的偏移，從而得到小車的絕對(duì)位置。在短時(shí)間內(nèi)，利用這種方法得到的定位精度相對(duì)較高；但是可以想象，由于時(shí)間的增加，誤差積累效應(yīng)會(huì)越來越大，嚴(yán)重影響導(dǎo)航的精度。因此，加速度傳感器通常和GPS一起組合成為組合導(dǎo)航系統(tǒng)，以提高定位精度，增強(qiáng)系統(tǒng)性能。 4.3.3紅外傳感器 紅外傳感器對(duì)紅外線敏感。由于紅外線對(duì)人眼來說是不可見光，所以在需要發(fā)射光線的設(shè)備中使用不會(huì)對(duì)人造成干擾。在智能小車中，需要用光測(cè)量一段距離來進(jìn)行導(dǎo)航，就可以使用紅外線。這里簡(jiǎn)單介紹紅外傳感器的工作原理，而不詳細(xì)討論智能小車選用紅外傳感器的具體型號(hào)、參數(shù)特性。 紅外傳感器的電阻隨著投射在其上面光強(qiáng)的變化而變化。如果入射的光強(qiáng)為零，電阻就最大。光強(qiáng)越大，電阻就越小，相應(yīng)流過的電流就越大，結(jié)果壓降就越小。紅外傳感器可以用以測(cè)量距離，它可以探測(cè)障礙物和物體表面的形狀，并且用于向系統(tǒng)提供早期信息。兩種常用的測(cè)量方法是三角法和測(cè)量傳輸時(shí)間法。 三角法：用單束光線照射物體，會(huì)在物體上形成一個(gè)光斑，形成的光斑由攝像機(jī)或光敏三極管等接收器接收。距離或深度可根據(jù)接收器、光源及物體上的光斑所形成的三角形計(jì)算出來。 測(cè)量傳輸時(shí)間法：信號(hào)傳輸?shù)木嚯x包括從發(fā)射器到物體和被物體反射到接收器兩部分。傳感器與物體之間的距離是信號(hào)行進(jìn)的一半，知道了傳播速度，通過測(cè)量信號(hào)的往返時(shí)間即可計(jì)算出距離。為了測(cè)量精確，時(shí)間的測(cè)量必須很快。若被測(cè)的距離短，則要求信號(hào)的波長(zhǎng)必須很短。紅外傳感器是一個(gè)相對(duì)比較獨(dú)立的系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)智能小車的控制電路時(shí)，只需預(yù)留相應(yīng)的接口即可獲取傳感的信號(hào)。 4.3.4超聲傳感器 超聲波系統(tǒng)結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、簡(jiǎn)單、廉價(jià)并且能耗低，可以很容易地用于攝像機(jī)調(diào)焦、運(yùn)動(dòng)探測(cè)報(bào)警、智能小車導(dǎo)航和測(cè)距。它的缺點(diǎn)是分辨率和最大工作距離受到限制，分辨率地限制來自聲波的波長(zhǎng)、傳輸介質(zhì)中溫度和傳播速度的不一致性。最大距離的限制則來自介質(zhì)對(duì)超聲波能量的吸收。目前超聲波測(cè)距設(shè)備的頻率范圍在20kHz到2MHz之間。這里簡(jiǎn)單介紹超聲波傳感器的工作原理，而不詳細(xì)討論智能小車選用超聲波傳感器的具體型號(hào)、參數(shù)特性。 在這種傳感器中，超聲波發(fā)射器能夠間斷地發(fā)射出高頻聲波。超聲波傳感器由兩種工作模式，即對(duì)置模式和回波模式。在對(duì)置模式中，接收器放置在發(fā)射器對(duì)面，而在回波模式中，接收器放置在發(fā)射器旁邊或與發(fā)射器集成在一起，負(fù)責(zé)接收發(fā)射回來的聲波。如果接收器在其工作范圍內(nèi)（對(duì)置模式）或回波被靠近傳感器的物體表面發(fā)射（回波模式），則接收器就會(huì)檢測(cè)出聲波，并將產(chǎn)生相應(yīng)的信號(hào)。否則，接收器就檢測(cè)不到聲波，也就沒有信號(hào)。所有的超聲波傳感器在發(fā)射器的表面附近都有一盲區(qū)，在此盲區(qū)內(nèi)，傳感器不能測(cè)距也不能檢測(cè)物體的有無。在回波模式中，超聲波傳感器不能探測(cè)表面是橡膠或泡沫材料的物體，這些物體不能很好地反射聲波。 絕大部分的超聲波測(cè)距設(shè)備采用測(cè)量時(shí)間的方法進(jìn)行測(cè)距。工作原理是，發(fā)射器發(fā)射高頻聲波脈沖，它在介質(zhì)中行進(jìn)一段距離，遇到障礙物后返回，由接收器接收，發(fā)射器和物體之間的距離等于超聲波行進(jìn)距離的一半，行進(jìn)距離則等于傳輸時(shí)間與聲速的乘積。當(dāng)然，測(cè)量精度不僅與信號(hào)的波長(zhǎng)有關(guān)，還與時(shí)間測(cè)量精度和聲速精度有關(guān)。超聲波在介質(zhì)中的傳輸速度與聲波的頻率（2MHz以上時(shí)）、介質(zhì)密度及介質(zhì)溫度有關(guān)。為提高測(cè)量精度，通常在超聲波發(fā)射器前1英寸處放置一個(gè)校正塊，用于不同溫度下系統(tǒng)的校正。這種方法只在傳輸路徑上介質(zhì)溫度一致的情況下才有效，而這種情況有時(shí)能滿足，有時(shí)則不能滿足。時(shí)間測(cè)量的準(zhǔn)確性對(duì)距離的測(cè)量精度也至關(guān)重要。通常，如果接收器一旦收到達(dá)到最小閾值的信號(hào)計(jì)時(shí)就停止的話，則該方法的最大測(cè)量誤差約為±1/2個(gè)波長(zhǎng)。所以，測(cè)距儀所用超聲波的頻率越高，得到的精度越高。例如，對(duì)于20kHzhe 200kHz的系統(tǒng)，工作波長(zhǎng)分別是17mm和1.7mm，對(duì)應(yīng)最壞情況下的最小測(cè)量誤差分別是8.5mm和0.85mm。采用互相關(guān)、相位比較、頻率調(diào)制、信號(hào)整合等方法可以提高超聲波測(cè)距儀的分辨率和測(cè)量精度。必須提到的是：雖然頻率越高得到的分辨率越高，但和頻率較低的信號(hào)相比，它們衰減的更快，這會(huì)嚴(yán)重限制作用距離。反之，低頻發(fā)射器的波束散射角度寬，又會(huì)影響橫向分辨率。所以，在選擇頻率時(shí)要協(xié)調(diào)好橫向分辨率和信號(hào)衰減之間的關(guān)系。 4.3.5視覺系統(tǒng) 視覺系統(tǒng)是應(yīng)用在智能小車中的最為復(fù)雜的傳感器。視覺系統(tǒng)實(shí)際上也是傳感器，和其他傳感器一樣，它們把智能小車的功能與所處環(huán)境聯(lián)系了起來。目前，有大量的工作與圖像處理、視覺系統(tǒng)以及模式識(shí)別有關(guān)，它們提出了許多與軟硬件相關(guān)的研究題目。自20世紀(jì)50年代以來，這方面的只是已慢慢得到積累，并且隨著工業(yè)和經(jīng)濟(jì)的不同領(lǐng)域?qū)@一問題的持續(xù)升溫，相關(guān)技術(shù)也發(fā)展得非常迅速。每年有大量的這方面得文章發(fā)表，這一方面說明確實(shí)有許多有用的技術(shù)不斷地在文獻(xiàn)中出現(xiàn)，另一方面也說明許多技術(shù)并不適合某些應(yīng)用。 視覺系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的課題，其內(nèi)容已經(jīng)超出本文的討論范圍，本小節(jié)將簡(jiǎn)單介紹視覺系統(tǒng)的基本術(shù)語和關(guān)鍵技術(shù)。 1．圖像 圖像是對(duì)一個(gè)真實(shí)場(chǎng)景的表示。這種表示可能是黑白的也可能是彩色的，還有可能是打印出來的或者是數(shù)字格式的。雖然所有的實(shí)際場(chǎng)景都是三維的，但圖像卻可以是二維的或者是三維的。當(dāng)不需要確定場(chǎng)景的深度或場(chǎng)景特征時(shí)，就可以使用二維圖像；三維圖像處理主要用于那些需要