大学生竞赛车模系统的优化设计开题报告VIP

2012 届本科生毕业设计（论文） 开题报告 课题名称 大学生竞赛车模系统的优化设计 专 业 机械设计制造及其自动化 专业方向 班 级 学 号 学生姓名 指导教师 教研室 2012 年 3 月 7 日大学生竞赛车模系统的优化设计 1 大学生竞赛车模系统的优化设计开题报告 1. 开题依据 大学生竞赛车模系统的优化设计是基于“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛，对摄像头循迹的自动行驶小车系统的机械 结构 、电子 电路、程序设计、传感方案、图像识别和自动控制方面进行优化设计，并得到尽可能高效和稳定的设计方案。 研究背景 “飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛介绍 竞赛由飞思卡尔公司与教育部高等学校自动化专业教学指导委员会联合主办。 该竞赛以“立足培养、重在参与、鼓励探索、追求卓越”为指导思想，是以智能汽车为竞赛平台的多学科专业交叉的创意性科技竞赛，是面向全国大学生的一种具有探索性的工程实践活动，旨在促进高等学校素质教育，培养大学生的综合知识运用能力、基本工程实践能力和创新意识，激发大学生从事科学研究与探索的兴趣和潜能，倡导理论联系实际、求真务实的学风和团队协作的人文精神 1。 竞赛规则概述： 组委会提供一个标准的 汽车模型、直流电机和充电式电池，参赛 者 要制作一个能够自主识别路径的智能车，在专门设计的跑道上自动识别道路行驶 (跑道在比赛前未知形状 )，最快跑完全程而没有冲出跑道为获胜者。 研究的目的与意义 此研究是基于大学生智能汽车竞赛进行的，该竞赛的设计内容涵盖了控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械、能源等多个学科的知识，因此竞赛车模即使一个极具机电一体化特征的产品，智能赛车的设计可以有效增强多学科知识的融合，激发创造性思维，拓展新颖的自动控制解决方案。此外，智能汽车目前还是一个前沿领域，智能车竞赛正是 迈入这个领域的第一步。全国性的智能车竞赛的参赛者来自全国各大高校，其中包括了国内声誉最高 的 工科名校， 智能车 大赛 是基于公平的车模平台进行的比赛，它将 有效 检验研究的成果，同时这也是高校工程能力的一场竞技。 本研究具有深远的意义。 自动化技术是现代工业技术的主导方向，从工业机器人的广泛使用 、 机床的数字化等方面都可以看出自动化技术的重要地位。现代自动化技术不同于传统机械或电子专业，它将机械技术、电子技术、计算机技术、传感器技术和自动控制技术集合于一身。竞赛车模 实际上 是一个自动化产品，车模通过传感器采集道路信息， 由 微机 进行处理和分析后结合其他传感器采集的车体信息， 闭环控制， 不断调整车模在道路上的位姿和速度 ，并沿赛道尽可能快地抵达终点，过程中无任何人为操作。 大学生竞赛车模系统的优化设计 2 优化设计是从多种方案中选取最佳方案的设计方法。本研究中优化设计的目的有：提高道路识别的速度和准确性；提高车体在多变路况情况下行驶的稳定性；提高车模的动力性能；降低能耗 等 。 由此可见研究自动控制系统及其优化设计是及其重要的，这正是此项研究的意义所在。 2. 文献综述 能汽车 简介 智能车 (也称作无人地面车辆 (是一个集环境感知、动态决策与规划、智能控制与执行等多功能于一体的综合系统，相关技术涉及信息工程、控制科学与工程、计算机科学、机械工程、数理科学、生命科学等诸多学科，是衡量一个国家科研实力和工业水平的重要标志。 大学生智能车竞赛是以智能车模型为载体研究和开发智能车控制方案的竞赛。竞赛车模 同样 具有路径识别、车速控制、人机交互和安全稳定等一系列功能。 内“飞思卡尔”杯智能车竞赛发展情况 2006 年开始，在飞思卡尔公司的赞助下， 基于 片机的 智能车比赛 起步。 2007 年，清华大学首创记忆算法，赛车智能记忆多变路况，已突出的成绩夺冠。 2008年，是摄像头主导的一年，由于其超长的视距，结合参赛者先进的图像采集与分析方案，使得当年摄像头车包揽了前三名。 2009 年，激光传感器首次引入比赛，弥补了光电组前瞻距离短的缺陷 。 2010 年，杭州电子科技大学首次使用激光传感器摇头方案，使得光电车具备了更宽的视角。 2011 年，随着激光传感器跟随引导线方案的成熟，光电车的成绩再度超越摄像头车。 2012 年，使用了 6 年的 16 位单片机被新款 32 为 代，新型 算精度 更高，功能更多，因此参赛者的设计空间也更大了。 经过 6 年的发展，竞赛车模的速度大约比最初提高了近 3 倍。由此，不难看出，国内智能车竞赛的发展速度之快。 外的智能车竞赛发展情况 智能车竞赛在国内外也有大规模开展，尤其是日本与韩国，韩国的智能车竞赛起步我国内早两年，目前韩国的智能车技术水平仍比国内高一些，例如 2010 年，韩国参赛队在弯道策略中使用了外道 外道路径，并 有效提高了赛车过弯速度。 而 日本的智能车比赛时全年龄段的，年近花甲或是中学生都可以参加，其比赛的难度远大于国内，例如日本比赛的赛道宽度仅略宽于赛 车，且赛道中有直角转弯。 大学生竞赛车模系统的优化设计 3 飞思卡尔”杯智能车竞赛 的赛道 特点 赛道采用 作为路面，路面宽度为 45道两侧边缘贴有 黑色胶带作为标识线，赛道中心线最小曲率半径不小于 50道中会出现十字交叉的路口如图 x 所示。 图 道宽度及间距 图 叉路口示意图 大学生竞赛车模系统的优化设计 4 图 道参数示意图 目前，在智能车比赛中使用的技术方案多种多样，现在 优化空间较大的地方 集中在车模机械结构调整、速度控制方案、数字图像分析与路径识别和整体闭环控制方案等。 能汽车的发展趋势 随着 传感器技术、自动控制技术、电子技术和计算机技术的提高，智能汽车将综合利用多种传感设备与先进的出处理器自动识别路径行驶，在不久的将来很可能人为驾驶汽车与智能汽车分享道路。 3. 方案论证 体平衡调整方案 车体平衡是影响赛车 行使稳定性的重要因素之一。平稳问题主要表现在四轮 负载分配，由于后轮是动力轮，所以前后轮分在分配主要考虑急转弯时，前后轮能够提供相同侧向摩擦力的情况，也就是说要满足急转弯时，车体不发生前轮或后轮侧滑的条件。左右轮负载 平衡问题主要来自车体质心高度，摄像头传感器质量不可忽略，且安装于较高位置，由此，赛 车转弯时势必造成一侧车轮负载增大，另一次负载减小，这可能导致车轮（软橡胶）严重变形而丧失部分摩擦力，造成侧滑，也有可能造成翻车。综上所述，赛车转弯性能的优化，首要考虑平衡问题 ,平衡调整方案如下。 通过电子器件的安装位置调整质心。电子器件约占整车 15%的比重，其位置的变化能够少量调整车体的质心位置。 摄像头安装位置调整质量分布。由于摄像头用来采集赛道信息，需要拍摄远景，因此它的安装位置较高，对质心高度影响较大，因此，其安装位置对车体转弯性能的优化至关重要。 3 方案三 调整电池位置。电池 约占整车质量的 三分之一，是最大的质量块，其比重足以成为调大学生竞赛车模系统的优化设计 5 整平衡的决定性因素。 方案一中，电子器件的比重相对小，不能作为主要调节手段。方案二中，由于摄像头拍摄距离的限制，无法将其置于过低的位置，但是摄像头的前后安装位置可以做少量调整。方案三中，电池位置不受其他因素干扰，调节方便，可作为主要调整方案。 速控制方案 统 方案一 M C 速 度功 率 放大 电 路P W 电 机 齿 轮 组 车 轮实 际 行 驶 速 度旋 转 式 光 电 编 码 器脉 冲 信 号齿 轮 组 图 速控制系统方案一 统 方案二 M C 速 度功 率 放大 电 路P W 电 机 齿 轮 组 车 轮实 际 行 驶 速 度旋 转 式 光 电 编 码 器脉 冲 信 号第 五 轮 图 速控制系统方案二 两个方案的差别是传感器的安装方式不同，方案一由齿轮组驱动编码器，优点是安装方便，但是由于车模的轮子有可能产生打滑，其测量的信号可能不是实际的行驶速度，而仅是轮子转动的速度。方案二中，编码器从第五轮获取信号，第五轮与路面直接接触，因为第五轮的负载转 矩极小，所以不会产生打滑，可以实际测出准确的车模行驶速度。 以通过 法程序灵活的进行闭环控制， 的算法将综合 大量参数后进行速度控制 ，如路径曲率、车体位姿、电池电压、环境设定量等 。 像 采集与 分析方案 固定摄像头 ,使用广角镜。 可旋转随动的摄像头，使用 120 镜头。 方案比较： 方案一的优点是摄像头安装简单方便，整体质量轻，质心降低，有利于车体平衡。缺点是虽然广角镜可以弥补视野不足，但是广角镜造成图像畸变，对数据分析造成极大地困难。方案二的优点是使摄像头的拍摄方向始终跟随路径方向，这样不会发生丢道的问题，大学生竞赛车模系统的优化设计 6 并且平光镜头使图像的还原度更有利于后续处理，缺点是安装复杂且是车体整体质心升高，降低转弯性能。 数字摄像头将数据流缓存至 频缓冲器）， 动读取 的数据，也就是获取道路信息， 再 利用去噪算法、跳变捕捉算法、轨迹跟踪算法等方式从图像数据中提取有用信息，如弯道曲率、相对位置等。这些信息是赛车系统的反馈信号参与系统的最外层闭环控制。 4. 毕业设计（论文）内容 像采集电路及其驱动程序 字摄像头选用 60 帧， 640辨率）， 屏缓冲器选用 393,216 x 8 由 制时序使得 帧交替向两片 入图像数据， 替从 读取图像信息，每读完一帧数据进行一次图像数据分析。 车体的重心应当越低越好，为了降低重心，并保证图像视野宽度，最好使用可旋转地摄像头 2 ，也就是说，摄像头的拍摄方向将能够始终跟随路径的方向。 字图像处理算法 每帧图像经过 5 个步骤处理，去除噪点、边沿提取、轨迹跟踪、连续性校验、曲率计算，最终得到有用的路径信息。 机闭环调速算法及其优化 直流电机由 制动力，光电编码器作速度反馈，使用 法进行速度调节。但由于车模竞赛中，路况多变，速度控制的变化非常平凡，因此需要使用分段 者部分区间使用 分区间是用梆梆调节。 机交 互界面设计 人机交互界面的设计是为了适应比赛中不得修改程序的规定。人机交互界面应具有查看参数、参数修改、多方案选择、 像显示等功能 械结构优化 根据比赛规则以下几处机械结构是允许进行调整的： (1) 电池位置 。电池占整车 1/3 的质量，其位置对车体平衡非常重要。 (2) 前轮内倾角 。转弯时，前轮内倾可以抵消侧向摩擦力造成的车胎变形，增加摩擦大学生竞赛车模系统的优化设计 7 力。 (3) 转向连杆机构 。曲柄输出的力矩与曲柄末端的线速度相互矛盾，但都是重要指标，因此有必要找到最佳曲柄长度。 (4) 赛车底盘高度 。原则上底盘越低越好，但是受限于坡道的影响，底盘高度尤其最合 理的值，需要计算与验证。 (5) 传感器安装方式及位置。 感器越高，前瞻性越好，但是车体平衡性越差。 模动态调试、数据分析及其优化 。 车模行驶中的各项动态变量是检验系统优化程度的重要参数，需要设计一套无线通讯方案和上位机进行此项研究。 实现了一种硬件加速块优化网络性能的控制器，提供 议服务 3 。 因此无线 络的使用将能够很大程度上有助于数据分析。 5. 工作进度初步拟定 集与课题相关的资料，并进行总结、分析和讨论； 据收集的资料和课题要求，进行方案论证，并完成开题报告； 据设计方案，进行相关设计计算、校核等工作； 计绘制机械结构图、电路原理图、数学建模等； 改设计图和数学模型，完成车模电路与机械部分的安装； 调试汽车模型，达到最优效果，检查并修改图纸； 撰写毕业设计论文； 改论文，并准备答辩 ； 辩及成绩评定。 6. 参考文献 1 关于举办第七届全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛的通知 2 第三届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛技术报告 上海大学 3 4 王显正 ,莫锦秋，王旭永 控制理论基础 第二版 ， 科学出版社 ， 2007 5 谭浩强 C 程序设计 第三版 清华大学出版社 ， 2005 6 美 . 数字图像处理 电子工业出 版社 ， 2009 大学生竞赛车模系统的优化设计 8 7 （法） .,孙洪现代数字图像处理 电子工业出版社 ， 2006 8 . 模糊逻辑及其工程应用 电子工业出版社 ， 2001 9 T. E. A. 2008