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一 广西大学学位论文原创性声明和学位论文使用授仪- 1 1 况m 明p i 学位论文原创性声明 论文作者签名：语彩乙 沙，砗6 月落日 u 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容； 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 囵即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 一：哥匆匙舞：夕苦厂占伊石月矿 基于无线传感器的智能车控制研究 摘要 本文深入研究了无线传感器网络和网络化控制在工业控制方面的应用 现状，以及相关的无线控制技术的应用现状，设计开发了针对智能车为被 控对象的无线控制平台。在上述问题的研究中，通过硬件联调对整个控制 平台的可行性进行了验证。 文章详细分析了智能车的动力学模型，针对不同的弯道提出了相应的 控制算法。对前轮偏转与车轮轨迹之间的关系、中心线偏移量与偏转角度 之间的关系做了推导，并通过仿真验证了控制效果，为智能车控制器的程 序设计提供了理论依据。 详细描述了智能车的控制电路与软件设计。硬件电路主要包括电源模 块、光电检测模块、速度检测模块的设计。控制器的软件设计主要由系统 总线的设置、p w m 输出、定时器捕捉、周期性中断等硬件模块的调用，以 及速度检测和舵机转向控制等程序的设计所组成。实验结果表明，智能车 能够实现加速、减速和转弯等操作，达到设计要求。在仔细研究了无线传 感器节点的接口电路与串口通信的底层操作的基础上，开发了智能车控制 器的数据收发程序、无线节点的数据收发程序、基站数据的收发程序和p c 控制平台。实验联调结果表明，控制平台通过无线传感器节点实现了p c 和 智能车控制器之间数据的双向传输，达到对智能车的无线控制和运动数据 的收集。 关键词：无线传感器智能车无线控制网络化控制 s t u d yo ni n t e l l i g e n tc a rc o n t r o lb u i l to nt h ew i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k s a b s t r a c t t h et h e s i sd e e p l ys t u d i e dt h ea p p l i c a t i o ns i t u a t i o ni nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ka n d n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m ，a sw e l la st h er e l a t e dw i r e l e s sc o n t r o lt e c h n o l o g y , b a s e do nw h i c h t h ew i r e l e s sc o n t r o lp l a t f o r mw a sd e s i g n e df o ri n t e l l i g e n tc a ra sc o n t r o l l e dp l a n t t h ed y n a m i c sm o d e lo fi n t e l l i g e n tc a l w a ss t u d i e di nd e t a i l ，a n dd i f f e r e n tc o n t r o l a l g o r i t h m sw e r ep r o p o s e db a s e do nc o r r e s p o n d i n gc u r v eo fp a t h t h ef r o n tw h e e ld e f l e c t i o n w i t hc o r r e s p o n d i n g t r a j e c t o r ya n dd e f l e c t i o na n g l ew i t l lc o r r e s p o n d i n gd e f l e c t i o nf r o m m i d d l e l i n ew e r ed e d u c e d ，a n dv e r i f i e dt h ec o n t r o le f f e c tt h r o u g hs i m u l a t i o n , p r o v i d i n gt h e o r yf o r p r o g r a m m i n go ni n t e l l i g e n tc a rc o n t r o l l e r t h ec o n t r o lc i r c u i ta n ds o r w a r ed e s i g no ft h ei n t e l l i g e n tc a rw e r ed e p i c t e di nd e t a i l t h e h a r d w a r ec i r c u i tm a i n l yi n c l u d e dt h ep o w e rs u p p l ym o d u l e ，t h ep h o t o e l e c t r i cd e t e c t i o n m o d u l e ，a n dt h es p e e dd e t e c t i o nm o d u l e t h es o f t w a r ed e s i g nm a i n l yi n c l u d e dt h eh a r d w a r e m o d u l es e t u pl i k es y s t e mb u s ，p u l s ew i d t hm o d u l a t i o no u t p u t , t i m e rc a p t u r ea n dp e r i o d i c i n t e r r u p tt i m e r , a sw e l la st h ed e s i g no fs p e e dd e t e c t i o na n ds e r v os t e e r i n ga n ds oo n t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l ti n d i c a t e dt h a tt h ei n t e l l i g e n tc a rc a ne x e c u t et h eo p e r a t i o n sl i k e a c c e l e r a t i o n ，d e c e l e r a t i o na n dt u r n i n ga n ds oo n , a c h i e v e dt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s b a s eo n t h ei n t e r f a c eo fw i r e l e s ss e n s o rn o d ea n ds u b s t r u c t u r eo fs e r i a lc o m m u n i c a t i o n ，t h ep r o g r a m o fd a t ar e c e i v i n ga n ds e n d i n go ni n t e l l i g e n tc a rm c u ，w i r e l e s ss e n s o rn o d ew e r ed e s i g n e d i n d e p e n d e n t l y , a sw e l l a st h ec o n t r o lp l a t f o r mo np c t h ej o i n td e b u g g i n ge x p e r i m e n t i n d i c a t e dt h ee n t i r es y s t e mc a ni m p l e m e n td a t ab i p o l a rt r a n s m i s s i o nb e t w e e np ca n dm c uo n i n t e l l i g e n tc a r , m e e t i n gr e q u i r e m e n t so fw i r e l e s sc o n t r o la n dm o v i n gd a t ac o l l e c t i o no n i n t e l l i g e n tc a r k e y w o r d s ：w s n ；i n t e l l i g e n tc a r ；w i r e l e s sc o n t r o l ；n c s 目录 第1 章引言1 1 1 论文选题的意义1 1 2 无线网络化控制的研究现状1 1 2 1 网络化控制的研究现状1 1 2 2 无线网络的应用现状2 1 - 2 3 无线传感器网络的应用现状4 1 3 本文的主要内容5 第2 章智能车的动力学模型6 2 1 动力学模型6 2 2 前轮偏转与车轮轨迹7 2 3 偏移量与偏转角度：8 2 4 直线行驶的控制算法1 0 2 5 转弯的控制算法1 1 2 6 偏移与其它参数的关系1 4 2 6 1 路径与偏移1 4 2 6 2 偏移与偏转角1 5 2 7 本章小结1 7 第3 章智能车的设计1 8 3 1 总体设计方案1 8 3 2 电源模块1 9 3 3 光电检测模块1 9 3 4 电机驱动模块2 0 3 5 智能车舵机模块2 1 3 6 车速检测模块2 2 3 7 软件设计2 3 3 7 1 硬件的初始化2 4 3 7 2 黑线的检测2 4 3 7 3 车速检测程序2 4 3 8 本章小结2 6 第4 章无线监控模块的设计2 7 i i i 4 1 功能概述2 7 4 2 硬件电路2 7 4 3 基本协议2 8 4 3 1 智能车控制器端2 8 4 3 2 传感器节点和基站端2 9 4 4 通信驱动程序2 9 4 4 1 报文数据2 9 4 4 2 智能车控制器串口收发一3 0 4 5 智能车控制器程序设计3 0 4 6 传感器节点和基站3 2 4 6 1 节点程序的设计3 4 4 6 2 基站程序的设计3 5 4 7p c 监控平台3 5 4 8 平台测试与应用分析4 0 4 8 1 平台测试4 0 4 8 2 应用分析4 3 4 9 本章小结4 5 总结4 6 致谢4 7 参考文献4 8 附录1攻读硕士学位期间完成和发表的论文5 0 i v 广西大掌硕士萼巩盘论文 基于无f l t , l 专- 感器的智能车控制研究 1 1 论文选题的意义 第1 章引言 目前，网络化控制的应用研究主要是基于c a n 总线、以太网等有线网络。使用有 线网络来进行控制具有网络传输质量高，误差率低、丢包率低等优点。但是，有线网络 在节点的部署、组网以及安装灵活性方面和无线网络相比较具有一些局限性。而无线网 络则在布线等方面具有有线网络所不具备的优势。 而无线传感器网络除了具备普通无线网络的布线方便、灵活性等优点外，还具有巨 大的网络容量、低功耗、网络生命期长、自组网、并发数据处理能力强等优点。虽然其 主要应用于数据采集和节点定位等方面，但是其节点所具备的通信和组网功能和网络化 控制系统相结合将带来巨大的应用前景。 目前采用网络化控制进行实验研究的平台比较少，并且主要以验证算法理论为设计 目标。本文以飞思卡尔智能车为控制对象，结合无线传感器网络搭建了无线控制平台。 主要工作是设计了智能车的控制电路及控制器的软件控制策略、智能车控制器和无线传 感器节点的电路连接、无线传感器节点的串口数据和射频数据转发功能的程序设计、基 站程序和p c 控制平台的设计。 1 2 无线网络化控制的研究现状 1 2 1 网络化控制的研究现状 网络化控制叫c s ：n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m ) 是由传感器和执行器所组成的，通过网 络来对被控对象实现控制的系统。无论采用哪种网络类型，对网络化控制系统【l 】的整体 性能产生影响的因素主要来自于网络延迟。虽然开环控制系统对网络延迟的性能影响不 会产生显著的变化，如工业应用中的开关继电器开环控制系统，然后也不适宜用于对时 间特别敏感的高性能控制应用，如对遥控机器人的控制。由于网络时延通常都是时变输 入，因此现有的基于固定时延的控制策略无法直接应用于网络化控制。 如图1 1 所示，为网络化控制系统中引入延迟的情形1 2 1 ，其中，代表参考信号，甜 代表控制信号，y 代表输出信号，k 代表时间序列，t 表示采样周期。大多数网络控制采 用离散的分析方法。 网络延迟可以归纳为两类：一类是节点到控制器的数据传输延迟f 埘；另一类是控 制器到执行器的延迟f 船，其值可由如下两个公式计算得出： 广西大掌硕士学位论文基于无线传感器的智冀乏车控制研究 图1 - 1 网络化控制系统的组成和网络延迟 f i g 1 - lg e n e r a ln c sc o n f i g u r a t i o n 锄dn 酣v o r k e dd e l a y sf o rn c s f 0 咖u l a t i o 璐 s c = f t 甜 f “= t ”一f 倪 ( 1 1 ) ( 1 2 ) 其中，严是指远程系统在发送数据包或者封装一帧有效数据时的时间，尸是指控 制器在接收到数据帧后处理数据的时间，尸是指主控制器从控制信号的封装到一个数据 包被发送之间的时间，尸是指远程系统开始处理控制信号的时间。 反馈回路中的网络延迟会降低系统的稳定裕度，从而对整个系统的稳定性产生影 响。目前，已经有很多相关研究理论能够使得网络化控制系统在一定的条件下仍然保持 稳定。然而，还没有一种通用的理论体系能够分析在所有的网络化控制系统下的稳定性。 大多数的稳定分析技术都受限于网络配置、网络协议，并且作了一些假设和限制。 在网络化控制的应用方面，目前多数处于实验室研究层次，如浙江大学n e t l a b 实 验室针对水槽液位进行控制，使得液位控制系统具有易于维护、高效率和灵活等优剧3 1 。 1 2 2 无线网络的应用现状 无线网络的类型一般有无线个人网、无线局域网、无线城域网和行动装置网络【4 】。 目前已经成型的无线个人网标准主要有两个：无线个人网络( w p a n ，正e e 8 0 2 1 5 1 ) ， 覆盖了蓝牙协议栈的物理层媒体接入控制层；低速无线个人网络( l r - w p a n ， i e e e 8 0 2 1 5 4 ) ，覆盖了z i g b e e 协议栈的物理层媒体接入控制层。 1 蓝牙 蓝牙是一种无线数据与语音通信的开放全球规范，其实质内容是为固定设备或移动 设备之间的通信环境建立通用的近距离无线接口，将通信技术与计算机技术进一步结合 起来，使各种设备在没有电缆或电缆相互连接的情况下，能在近距离范围内实现相互通 信或操作。其传输频段为全球公众通用的2 4 g h zi s m 频段，提供1 m b p s 的传输速率和 1 0 m 的传输距离【5 一。 2 k d a 技术 k d a 是一种利用红外线进行点对点通信的技术，主要优点是无需申请频率的使用 权，成本低廉，红外线发射角度较小，传输上安全性高f 7 】。 2 广西大掌司配b 掌位论文基于无线传感器的智冀皂车控制研究 i r d a 的不足在于它是一种视距传输，两个相互通信的设备之间必须对准，中间不 能被其它物体阻隔，因而该技术只能用于两台设备之间的数据传输。而蓝牙就没有此限 制，且不受墙壁的阻隔。 3 z i g b e e z i g b e e 使用2 4 g h z 波段，采用跳频技术，它的基本速率是2 5 0 k b s ，可与2 5 4 个节 点联网。比蓝牙更好的支持游戏、消费电子、仪器和家庭自动化应用。 z i g b e e 技术特点主要包括以下几个部分【8 ，9 】： 1 ) 数据传输率低。只有1 0 k b s - 2 5 0 k b s ，专注于低传输应用。 2 ) 功耗低。在低耗电待机模式下，两节普通5 号干电池可使用6 个月以上。 3 ) 低成本。因为z i g b e e 数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本；4 ) 网 络容量大。每个z i g b e e 网络最多可支持2 5 5 个设备。 5 ) 有效范围小。有效覆盖范围1 0 7 5 m 之间，具体依据实际发射功率的大小和各种 不同的应用模式而定。 6 ) 工作频段灵活。使用的频段分别为2 4 g h z 、8 6 8 m h z 和9 1 5 m h z ，均为免执照 频段。 4 u w b 技术 超宽带技术( u w b ：u l t r aw i d e b a n d ) 是一种无线载波通信技术，不采用正弦载波，而 是利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，占用的频谱范围宽 1 0 , l l 】。 由于u w b 可以利用低功耗、低复杂度发射接收机实现高速数据传输，在近年来得 到了迅速发展。它在非常宽的频谱范围内采用低功率脉冲传送数据而不会对常规窄带无 线通信系统造成大的干扰，并可充分利用频谱资源。基于u w b 技术而构建的高速率数 据收发机有着广泛的用途。 u w b 技术具有系统复杂度低，发射信号功率谱密度低，对信道衰落不敏感，低截 获能力，定位精度高，尤其适用于室内等密集多经场所得高速无线接入，非常适于建立 一个高效的无线局域网或无线个人局域网( w p a n ) 。 5 w i f i 技术 无线保真技术( w i f i ：w i r e l e s s f i d e l i t y ) 与蓝牙技术一样属于短距离无线技术，使用的 2 4 g h z 附近的频段【1 2 1 。其目前可使用的标准有两个，分别是i e e e 8 0 2 1 1 a 和 i e e e 8 0 2 1 1 b 。该技术由于有着自身的优点： 1 ) 无线电波的覆盖范围广，w i f i 的半径则可达1 0 0 米左右。 2 ) 传输速度非常快，可以达到11 m b p s 但是由w i f i 技术传输的无线通信质量不是 很好，数据安全性能比蓝牙要差一些。 3 ) 厂商进入该领域的门槛比较低。 本文所使用的是无线通信网络即是基于z i g b e e 协议的无线个人网络。其网络设备 分为两类，一类是具有完整功能的设备( f u l lf u n c t i o n a ld e v i c e ，f f d ) 支持所有的网络 基于无线传感器的智冀皂车控制研究 功能；另一类是部分功能设备( r e d u c e df u n c t i o n a ld e v i c e ，r f d ) 只支持最少的必要网络功 能。表1 1 所示为上述几种无线通信方式的参数对比。 表1 1 无线通信方式技术参数 z i g b e e b l u e t o o t h u 、超宽带 w i f i 安全性中等 高高低 传输速度 10 k b p s 2 5 0 k b p s 1 m b p s5 3 3 m b p s - - - 4 8 0 m b p s5 4 m b p s 通信距离1 0 m 7 5 m o 1 0 m0 1 0 m0 1 0 0 m 频段2 4 g h z8 6 6 i z9l5 m h z2 4 g h z3 1g h z 10 6 g h z2 4 g h z i e e e 8 0 2 1 l b 国际标准i e e e8 0 2 1 5 4狂泥e 8 0 2 1 5 1标准尚未制订 i e e e 8 0 2 1l g 1 2 3 无线传感器网络的应用现状 无线传感器网络( w s n ：w i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k s ) 的研究始于2 0 世纪9 0 年代末期， 从2 1 实际开始，w s n 作为一种新的计算模式推动科技的发展和社会的进步。无线传感 器连接了企业管理和信息系统的物理环境，能够提供先进的监测，为多种行业的自动化 和控制解决方案f 1 3 , 1 4 】。无线传感器网络节点可以满足应用中的具体的技术要求，如可靠 性、电池寿命、拓扑结构、网络规模、采样率等。 w s n 除了应用于环境监测方面之外，在工业方面也得到越来越多的应用，企业依 靠先进的传感器和控制系统保证高的生产力水平和便宜的操作在全球性市场保持竞争。 无线传感器网络更加智能，更加经济和更加容易部署，因此在半导体制造业、工厂自动 化、配药、电力产生和分配和采矿方面得到越来越多的应用【l6 1 。国内如上海某机场也采 用无线传感器网络来进行安检。此外，楼宇自动化解决方案越来越多地采用基于无线传 感器的控制系统，以避免昂贵的设备及有线系统的保养，例如应用在能源管理、暖通空 调控制等方面。如北京市科委计划项目“蔬菜生产智能网络传感器体系研究与应用，【1 7 j ， 正式把农用无线传感器网络示范应用于温室蔬菜生产中；2 0 0 5 年澳洲科学家利用无线传 感器网络来探测澳大利亚蟾蜍的分布情况；2 0 0 4 年哈尔滨工业大学欧进萍院士的课题组 应用无线传感器网络，针对超高层建筑的动态测试开发一种新型系统，并应用到深圳地 王大厦的环境噪声和加速度响应测试。 其优点概括起来主要有【墙】： 1 ) 消除硬件布线成本，还能消除运行在危险地区电缆的管理； 2 ) 降低维修成本和部署成本； 3 ) 预测性维护； 4 ) 可靠性，低功耗； 4 广西大学硕士掌位论文 基于无线传感器的智能车控制研究 1 3 本文的主要内容 本文将无线传感器网络与网络化控制相结合，充分利用二者的优势，以智能车为控 制对象，搭建了基于无线传感器的网络化控制实验平台。本论文的结构安排和主要内容 如下： 第1 章绪论。阐述了网络化控制和无线传感器网络在工业控制方面的应用现状， 以及相关的无线控制技术研究现状，指出本课题的研究意义。目前，网络化控制主要是 针对理论研究，少有的实验研究也是针对液位进行控制，缺少实际应用的研究。将无线 传感器网络对并发数据的处理能力、自组网、低功耗等特性与实际的智能车被控对象相 结合，提出本文的课题。 第2 章智能车的动力学模型。对智能小车的动力学模型进行了理论分析，研究了 前轮偏转与车轮轨迹之间的关系、中心线偏移量与偏转角度之间的关系和车辆在不同路 段的控制方法。 第3 章智能车的设计。对控制对象智能车的设计内容进行详细的阐述，整体介绍 了智能车的设计框架，然后具体介绍了电源模块的设计、光电检测模块的设计、和速度 检测模块的设计等方面的内容。最后介绍了控制器的软件设计，主要有对系统总线的设 置、p w m 寄存器的初始化、定时器捕捉功能的初始化和周期性中断的初始化操作，并 阐述了速度检测程序的设计和舵机转弯程序的设计等内容。 第4 章无线监控模块的设计。无线模块的设计主要包括智能车控制器的数据收发、 无线节点的数据收发、基站的数据收发和p c 控制平台的设计。其中智能车控制器的数 据收发是通过串口进行，主要工作是把需要发送的数据进行打包为t o sm s g 格式和 c r c 校验，然后通过串口把数据发送出去；无线节点的程序设计功能是把单片机智能车 的发送的数据进行接收并通过射频发送出去，同时接收基站发射回来的数据转换为串口 数据包传送给智能车控制器；基站程序采用的是t m y o s 编程环境下的x s m f f 程序；最 后在l 州e w 8 2 环境下开发了监控界面。 广西大学硕士学位论文基于无线传感器的智冀乞车控制研究 2 1 动力学模型 第2 章智能车的动力学模型 考虑前轮作为转向轮的机械结构，由于车轮在转向时两个轮子的转向大小并不一 致，为了简单起见，假定以两轮之间车轴的中间处置的转向大小作为转向角。其广义速 度矢量为q = g ，y ，l f ，6 ) ，其中x ，y 为后轮坐标，l f ，为车身相对于x 轴的转向角，占为前 轮转向角，如图2 - 1 所示。 该系统受限于两个非完整性约束例： 圣厂s i n + 占) + 夕rc o s + 6 ) = 0 ( 2 1 ) 戈s i n y k c o s i g = 0( 2 2 ) 其中，x f ，y ，为前轮坐标。 车辆受限于其刚体性约束，有： o = x + l c o s l f j ( 2 - 3 ) 盱= y + l s i n u ( 2 - 4 ) 其中，三为两车轴之间的长度。 图2 - 1 汽车类机器人广义坐标 f i g 2 - 1g e n e r a l i z e dc o o r d i n a t e so f ae a r - l i k er o b o t 公式( 2 - 1 ) 在刚体性约束的限制下，变换为 孟s i l l ( y + 6 ) 一j c ，c o s ( y + 6 ) 一驴三c o s 6 = o ( 2 - 5 ) 6 g - 西大掌硕士学位论文 基于无线传感器的智黄皂车控制研究 所以，其普法夫方程为： c ( g ) = l s i n l f ，( g + 6 一- c c 。o s s l i ，( 1 i v + 6 一l s m 。c 。s 60一。ll f ，一c o s l 矿ui 对于后轮驱动的车辆，其动力学模型可以描述为： y i f ， 6 c o s l f ， 8 1 t a n n 善三卜6 三l 1 0 ( 2 6 ) 其中：，u 2 分别为驱动轮的速度和转向角速度。可以看出该动力学模型在占：7 r 2 处 有奇异点，第一个向量区间具有非连续性。然而，实际中由于机械结构的限制，转角无 法达到9 0 度( 正常情况下为3 0 。以内) ，因此不需要考虑奇异点的问题。 2 2 前轮偏转与车轮轨迹 如图2 - 2 所示，设两车轴之间的长度为l ，前轮偏转角度为6 ，后轮速度为“，前 轮速度为吩。经过时间出后，后轮移动距离为”d f ，前轮移动距离为叶d ，车身偏转角 度为d l f ，。由正弦定理，有 图2 - 2 前轮偏转与前轮轨迹 f i g 2 - 2f r o n tw h e e l st r a j e c t o r yw i t hd e v i a t i o n 三l u d t “r d t s i n ( 7 r - a ) s i n ( 8 一d y ) s i n d l f ，“ = 一= o 一= ， 因为d l f ，很小，所以有s i n p l f ，) d i g ，c o s p y ) 1 。因此 7 ( 2 - 7 ) 广西大学硕士学位论文基于无线传感器的智能车控制研究 s i n ( & 一d l f ，) = s i n 8c o s d v - c o s & s i n d = s i n s c o s 6 d y 由( 2 7 ) 式l 一甜出= s i n ( & 一d v ) 和( 2 8 ) 式，有 l 一甜出= 妥( s i n & 一c o s & d v ) = 三一二d l l ， t a n 6 。 得到 d v ”t a u l 6 一：一 出三 这就是车身旋转的角速度。因为后轮速度为u ，所以后轮轨迹的曲率半径为 k 圳警= 去 由( 2 7 ) 和( 2 10 ) 得到前轮的速度为 2 r d l 上，三掰切皿6“ 材，= = = 一7 ( 打 s i n 6三c o s 6 由( 2 1 2 ) 和( 2 7 ) 可以得到前轮轨迹的曲率半径为： 尺朋嘶警= 志 2 3 偏移量与偏转角度 ( 2 - 8 ) ( 2 - 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) 设前轮到传感器的距离为凰传感器检测到中线偏移量为矾小车的前轮沿着半径 为r 的圆周进行运动。如图2 3 所示，可以得到 r c o s 图2 - 3 前轮沿圆周运动时的偏移角度 f i g 2 - 3a 1 1 9 u l a rd e f l e c t i o nw h e n 舶n tw h e e lm o v i n gm o n gc 硫眦 ( r c o s 6 一形) 2 + ( 三+ 日) 2 = r 2 ( 2 1 4 ) 8 广西大掌硕士掌位论文 基于无线传感器的智冀皂车控制研究 将( 2 - 1 3 ) 式r ，删= 代入，得到 s m d 形2 2 l w c o t & - i - h 2 + 2 l h ：0 驴a r c 讹两等志 如果是小车的后轮沿着半径为r 的圆运动，如图2 4 所示，则 由( 5 ) 和( 1 2 ) 得到 图2 - 4 后轮沿圆周运动时的偏移角度 f i g 2 - 4a n g u l a rd e f l e c t i o nw h e nr e a rw h e e lm o v i n ga l o n gc i r c u m ( g 一缈) 2 + ( 三+ 日) 2 = r 2 驴南 ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 一1 7 ) ( 2 1 8 ) 由( 2 - 1 1 ) 矛1 1 ( 2 - 1 3 ) 可知，在相同半径r 的条件下有艿， 占，也就是说，前轮跟踪轨 迹线比后轮跟踪轨迹线需要较大的偏转量。 图2 - 5 车身位置跟踪圆周的轨迹线 f i g 2 - 5c a rb o d yt r a c kw i t l lc i r c u mm o v e m e n t 9 广西大掌硕士掌位论文基于无线传感器的智囊皂车控制研究 实际上，车身的任意位置都可以跟踪轨迹线。设车身位置x 跟踪半径为r 的轨迹线， 如图2 5 所示，则有 ( z m a ) 2 + x 2 = r 2( 2 - 1 9 ) ( l h a n 8 一矿) 2 + ( l + 日) 2 = r 2 ( 2 2 0 ) 由以上分析可以得到如下结论： 1 ) 跟踪点x 越靠近车头，则轨迹线半径r 越大，w 越小。 2 ) 6 越小，轨迹线半径r 越大，w 越小。 3 ) 对于给定的轨迹线半径r ，跟踪点x 越靠近车头，则所需的6 越大，w 越小。 4 ) 对于给定的轨迹线半径r ，如果占不足，则w 增大，跟踪点x 远离车头。 消去r ，得到 驴a r c h a n 瓦渤w ( 三+ 日) 2 +2 一x 2 、 其中0 x 0 或 y ， o 时，车身沿着c 形轨迹可以完成任务；否则车 身沿着s 形轨迹才能完成任务，如图2 8 所示。 1 c 形轨迹 ( a )( b ) 图2 - 8 车身的运动轨迹( a ) c 形轨迹( b ) s 形轨迹 f i g2 - 8t h em o v e m e n tt r a j e c t o r yo fc a rb o d y ( a ) t r a j e c t o r yl i k e “c ”( b ) t r a j e c t o r yl i k e “s ” 对于c 形轨迹有两种情况，一种是先走一段直线，再转弯；另一种是先转弯，再走 一段直线，如图2 - 9 所示。一段弧的圆心总是在方向的垂直线上。因此，起点弧的圆心 在y 。轴上，终点弧的圆心位于直线，上： 1 2 广西大掌硕士学位论文 一一嚣 直线，与乩轴的交点距离起点为 距离终点为 蜀2 + 击 r ：= 善 s i n r , b 基于无线传感器的智能车控制研究 图2 - 9c 形轨迹的运动状态 f i g 2 - 9t h em o v e m e n ts t a t ew h e nt r a c k i n gw i t ht r a j e c t o r yl i k e “c 当j 尺- l i 马i 时，先转弯，半径r 满足， 因此 ( r i r ) e o s r v b = r 2 一r 广西大学硕士学位论文 基于无线传感器的智鼻皂车控制研究 n r 2 一r lc o s r = l 二 1 。c o s 前轮偏转量为 o l l ( 1 一c o s ) r r 2 一r lc o s 2 s 形轨迹 对于s 形轨迹，如图2 1 0 所示，控制策略分为三步： 1 ) 6 = 6 一，方向与l f ，相同，直到目标方位角与车身方向重合，即l f ，= 0 。 2 ) 当l f ，= 0 。时，如果i 一y ，l 1 0 0 时，执行c 形轨迹控制算法。 ji 乩 一一， 、弋 一 n 、 ， ， ， 、 l l ， 、 ， 、 、 图2 - 1 0s 形轨迹的运动状态 f i g 2 1 01 1 1 em o v e m e n t 蚴ew h e nt r a c k i n gw i m 删e 咖口l 妇“s ” 考虑两种特殊情况：y ，= 0 0 或者较小时，即s 形轨迹第二步出现的情况，可能 采取直线行驶算法或s 形轨迹算法；= y ，时，应该6 = 6 一，方向与l f ，相同，其 实就是s 形轨迹算法第一步。 2 6 偏移与其它参数的关系 2 6 1 路径与偏移 设车身坐标系原点在后轮正中，位于地面坐标系( 6 ，b y ) ，车身方向为y 。路线方程 为y = p ( x ) 。车头传感器与路线的交点为( x 。，p ( x 。) ) ，与传感器正中相距w ，则 三爿= 墨甜p ：刘 即 1 4 广西大学硕士学位论文 基于无线传感器的智能车控制研究 f l + h = ( x l 一6 ，) c o s l f ，+ 【p ( x 1 ) 一b y s i n v i 形= 一 l b x ) s i n l f ，+ 【p ( z i ) - b ， c o s l f ， 第一式可以用另一种方法得到。传感器正中坐标为： 【b ，+ ( 三+ h ) c o s v ，b ，+ ( 三+ h ) s i n v 】 传感器方程为 y 一6 y 一犯+ h ) s i n l f ，2 一石品【x - - 以一( 三+ 日) c o s y 】 则( x 1p ( x 。) ) 满足上式，即 p ( x 1 ) 一b y 一( 三+ h ) s i n v = 一 x l 一屯- ( l + h ) c o s l ? 】 t a n i f ， 整理后可以得到第一式。 解出需要用数值解法。变换为 睫x 1 肫 + 茹专r 爿 即 f x l = b x + ( 三+ h ) c o s v w s i n v 【p ( x 1 ) = b y + ( l + h ) s i n + w c o s v 第一式代入第二式得到 p b x + ( l + h ) c o s v w s i n v 】= b 。+ ( 三+ h ) s i n v + w c o s v 令误差 e ( w ) = b y + ( + h ) s i n l f ，+ w c o s v 】一p b ，+ ( l + h ) e o s v w s i n v 】 实际传感器板有一定长度，设形的取值范围一，则e ( 一m ) e ( m ) 0 时路 径在传感器板检测范围内。要寻找使e = 0 的形值，可用二分法。 2 6 2 偏移与偏转角 由十 谚：u t a n s ：u c e n t r o i d ：坐! ! 呈至 上三 三 设车身坐标系原点在后轮正中。t = o 时车身坐标系与地面坐标系重合。d t 时刻车身方向 为d l f ，：竺雩堕出，位置为( z ，出，o ) 。路线方程y ：p ) 。户。时传感器与路线交点 1 5 广西大学硕士学位论文 基于无线传感器的智能车控制研究 ( x 。，p ( x 。) ) = ( 三+ h ，p ( l + 日) ) ，d t 时刻传感器与路线交点( x l ，p ( x 1 ) ) 在车身坐标系的位 置为( 三+ h ，形( 出) ) ，则 即 瞄 - 一三yd 疆苗 f 三+ 日= x l 一“d f + p ( x 1 ) d r 【w ( d t ) = 一x l d l 矿+ p ( x 1 ) 图2 - 1 1 中线偏移与偏转角的关系 f i g 2 - 11t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nd e v i a t i o na n dt u r na n g l e 因为x o = 三+ 日，由第一式有 由第二式 d xmx i - x 0 = u 出一p ( x 丁i ) u t a nd ，：z f 出一p ( x o