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第四届全国大学生智能汽车创意赛技术报告关于技术报告和研究论文使用授权的说明本人完全了解第二届飞思卡尔杯全国大学生智能汽车邀请赛关保留、使用技术报告和研究论文的规定,即参赛作品著作权归参赛者本人,比赛组委会和飞思卡尔半导体公司可以在相关主页上收录并公开参赛作品的设计方案、技术报告以及参赛模型车的视频、图像资料,并将相关内容编纂收录在组委会出版论文集中。参赛队员签名带队教师签名日期2第四届全国大学生智能汽车创意赛技术报告1.引言教育部高等学校自动化专业教学指导分委员负责主办的全国大学生智能车竞赛,已列入教育部主办的全国五大竞赛之一。从前几届的比赛情况看,比赛赛道难度逐年加大,参赛队伍的技术水平提高迅速,智能车适应应能力越来越高。不论车模极速还是车模机械性能,每年都有很大的提高,相信在2009年全国总决赛中,各参赛车模的水平会有更大的提高。上海大学飞思卡尔工作室积极准备此次创意比赛,在认真分析了智能车的实际应用价值和对车模的智能控制程度,经过技术论证和团队讨论后我们决定推出智能车停泊系统的新创意,实现停车的智能化。虽然智能车在现实生活中还未普及,我们能亲身感受到汽车的智能化程度正在飞速提升,在避障避危紧急逃生等技术应用上也有实现。对于停车环节,是开车生活中的一个必要部分,随着私家车数量的激增,停车问题已是人们所面对生活中的普遍问题。能否使停车问题得到解决,使停车简单化智能化,是我们此次创意方案的出发点。与复杂的交通道路系统和多变的现实交通状况相比,停车场系统的固定设置,规律清晰的车道车位和车辆行驶路径,使停车智能化具有很大的可操作性。在此构想之上,首先我们建立了一个智能车停泊系统的软件平台,通过上位机和无线模块实现智能车与停泊系统的通讯连接。我们搭建出与现实相近的停车场,标示出对应的车道和车位,建立起在模拟停车场中实现对车辆的停车智能化。针对于智能车,我们在硬件电路、传感器布置及控制算法上做了很大的改变,以提升智能车的现实智能化。比如前后两排传感器的使用,智能车对停车系统指定的车道的选择车位的识别,在识别路径的的基础上通过给小车加上反压制动实现智能倒车、停车、开车等。目前,下一阶段的创意构想我们已经确立,我们将会在此次创意比赛智能停车的基础上,实现车辆与车辆之间的沟通,多车辆的现实情境,车辆的避让,停车过程中的各种状况等。相信通过我们的不断努力,车辆的智能停车和智能车的生活不久就会来临。2.车模的总体设计2.1车模总体设计思路虽然我们和竞速比赛目的不同,为了保证我们的车精准的完成预定目标,车模的可靠性是第一位的,不然车模空有速度却无法跑完预定赛道也无济于事。车模的可靠性包括了机械可靠性、硬件可靠性以及软件上的可靠性,其中机械的可靠性主要由严谨的机械装配和合理的机械调校来保证,而硬件和软件的可靠性主要是要保证光电管感应黑线的稳定性。。要使车模有较好的转向能力,最直接的方法就是提高车模的机械性能。因此,我们需要将电路做得足够集成,从而减小车模的重量。另外,车模的重心越低对车模的性能越有利,为了更好地采集数据以及能够前后倒车,我们在车前和车后分别安装了一排光电管,并降低其高度。我们通过无线模块发送无线信号告知智能车要停的位置然后智能车自动停到指定位置。3第四届全国大学生智能汽车创意赛技术报告2.2技术方案概要通过无线模块,智能设定停车位。为了获得准确的赛道信息,我们使光电管贴地并且在每个光电二极管上套上黑色橡胶套。为了合理分配车模重量,保证车模重心的位置合理,将光电管在车前后合理放置。为了减轻电路的重量,我们制作了轻量化的S12核心板。为了获得较大的驱动能力,我们自行制作了驱动电路。3.硬件设计车模的机械部分是影响其行驶性能最直接的部分,其重要性不言而喻。一个不良的机械系统会增加控制的难度,给车模的速度提升带来障碍。因此,车模的机械性能应该是优先考虑的问题。3.1舵机的安装按车模说明书所说的舵机安装方法,将舵机头朝后,安装在前悬挂中间。这样的安装方法结构比较紧凑,但左右转向摇臂的长度不一样,会是车模左右转向出现略微的不对称,并且舵机的重量偏向车头,会增加车模的惯量,对车模转向是不利的。因此,我们使用了1/12电动公路遥控车模常用的舵机安装方法,使用了左右等长的转向摇臂,具体如图1所示。图1舵机安装考虑到必须使舵机稳定的工作,我们采用了比较稳妥的方法来安装舵机,并且使用了1/12电动公路遥控车模专用的舵机保护器(图中舵机头上的白色连接件)。3.2传感器的安装测速传感器我们采用光电编码传感器,如图2所示,由于其重量比较轻,所以位置不作特别要求,但为准确测速,必须放在齿轮上准确的位置。我们采用前后两排光电传感器识别道路和实现正向和反向的运动。为了获得准确的赛道信息,我们使光电管贴地并且在每个光电二极管上套上黑色橡胶套。为了获得更远的赛道信息,我们将光电管适当架远一点以便提早判断出转弯。整车如图2所示4第四届全国大学生智能汽车创意赛技术报告图2传感器安装图4.硬件电路部分4.1传感器4.1.1路径识别传感器我们采用红外光电循迹的方法。采用一排8对光电管的设计,并且使用比较器实现信号数据的二值化。我们将8对光电管感应的电压通过测量得出它们在黑线和白板之间的电压情况适当调整每对光电管对应的滑动变阻器,使它们的电压范围大致一致,然后采用2片LM339比较器将光电管的实际电压和预设的比较电压进行比较得出是否检测到黑线。比较器电路如图3和光电管如图4所示图3比较器电路图4光电管光电管的电路图如图5所示。5第四届全国大学生智能汽车创意赛技术报告图5光电管的电路图经过我们的反复测试,光电可以稳定的工作,能够准确识别黑线位置。4.1.2速度传感器选型我们使用光电传感器作为速度传感器,如图6所示。图6速度传感器图7传感器电路板6第四届全国大学生智能汽车创意赛技术报告由于我们要求的速度比较低,所以我们选用了这一传感器。在传感器电路板上我们加上了比较器,如图7所示,直接以数字量返回单片机运算。用这一传感器的优点是使用简单,但是在我们长期的调试中还是发现这个传感器存在不是太稳定的缺点,因为它和齿轮必须保持准确的相对位置,否则就会不能准确测速。4.2电路总体结构考虑到车模重心越低越好,将电路板紧贴底盘放置是比较合适的。由于舵机的占据了不少的空间,我们的电路板需要做得更加紧凑。考虑到S12核心板要占据一定的空间,我们决定将S12核心板放置在车身左侧,而将前排光电比较器电路部分放置在车身右侧,后排光电的比较器、无线模块以及电源驱动部分放置在车的后部。4.3S12核心板为了追求轻便小巧的车模系统,为了得到优秀的提高车模的DIY程度,我们自制S12核心板。在整个制版过程中,我们得到一些经验和教训。1.制版前把技术手册看熟看透,了解管脚定义及工作模式。2.制版后对电路板焊接时,务必要做到焊接牢靠。3.遇到电路板不能正常工作,要从最基础的部分差错,如电压是否正常,各焊接点是否牢靠。图8为我们第一代的S12核心板。图8第一代的S12核心板图9为我们改进后的S12核心板。7第四届全国大学生智能汽车创意赛技术报告图9改进后的S12核心板4.4驱动电路我们用两片BTS7960组成H全桥驱动,可以实现电机的正反转,这个芯片的允许的电流可以达到40A,比以往用的33886大很多,如图10所示。图10驱动电路5.软件部分稳定的软件是整车顺利完成预定目标的最重要的保证,因此我们在程序上不断改进,在小车的转向和速度控制方面采用鲁棒性很好的算法,配合使用理论计算和实际参数补偿的办法,实现小车的精确的停车。5.1无线控制调试模块无线智能停车系统中,上位机发射系统是智能车停泊系统的控制核心。通过上位机停车8第四届全国大学生智能汽车创意赛技术报告系统(智能车停泊软件)的车位选择,在发送地址接收地址和通道匹配后,由系统发射端发出车位选择信息,置于车身上的无线模块,接收到上位机停车控制系统发出的车位选择信息后,发射回接收确认的反馈信息,单片机程序运行控制智能车的车位选择和识别,实现智能停车。停车一定时间后,智能车沿车道路径驶出停车道。5.1.1上位机发射控制系统5.1.1.1发射系统软件界面上位机发射控制发射系统由智能停车系统软件和无线发射硬件组成。智能停车系统软件由实验室创意组成员自我编制而成,界面如图11所示。图11发射系统软件界面发射地址,接收地址,各无线模块端设置,在地址栏内输入相应的发射地址和接受地址,选择相同的通道后,发射端和接收端可实现无线通信。通过车位选择按钮或者在发送栏输入智能车的停车位,在接收发送端无线通信的模式下,点击发送,所选的停车位就通过上位机发送给车身与主板相连上的nRF24L01无线模块,nRF24L01接收到车位信息后反馈回车位选择成功的信息,并将接收到的车位信息传送给智能车主板,运行相应程序,通过传感器对车位的识别和接收到所选车位程序的运算,实现智能停车。9第四届全国大学生智能汽车创意赛技术报告图12车位选择图图12为所选车位为AI,上位机发送后,收到智能车接收端的反馈信息A1ChooseSucceed,智能车实现智能停车,停在相应的车位上。5.1.1.2发送控制系统硬件模块发送控制系统硬件模块为USB无线模块,当无线USB无线模块与上位机接通,控制系统软件界面会显示NETUSB已连接,在NETUSB已连接的状态下,智能停车控制系统的发射端可将所选择的停车位,准确的传送给智能车无线模块,实现停车位的控制。5.1.2智能车车身无线模块5.1.2.1无线模块接口智能车nRF24L01无线模块与S12主板的SPI口相相通,电路图如图13所示。10
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