（测试计量技术及仪器专业论文）无线遥控智能车控制系统.pdf

摘要 智能车整合了自动控制、人工智能、信息融合、传感器技术、图像处理技术 及计算机等多门学科的最新研究成果，是当前最为活跃的研究领域之一。无线遥 控智能车控制系统由智能车和控制台两部分组成，智能车除具有传统汽车功能外， 还可以在控制台对其进行远程监视和控制，包括视觉和车体状态反馈信息监控， 启动、停止、加减速、按照程序运行等操作，同时具有自动报警、自动制动等功 能。 本文提出了一种新的图像校正方法一仰角校正算法，并结合桶形畸变校正 技术对监控图像进行处理，取得了良好的视觉效果；设计并实现了一种高效、可 靠的通信协议，用于控制台与智能车之间控制指令与监控信息的通信；搭建了用 于远程监视和控制的操作平台。试验结果表明：该系统达到了预定设计效果，满 足了实际需求。 关键词：智能车仰角校正通信协议无线遥控 a b s t r a c t i n t e l l i g e n c ev e h i c l ec o l l e c t sm a n yn e wa c h i e v e m e n t so fs o m ea c a d e m i cs u b j e c t s s u c ha sa u t o m a t i cc o n t r o l ，a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，i n f o r m a t i o nf u s i o n ，s e n s o rt e c h n o l o g y , i m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g ya n dc o m p u t e re r e ，w h i c hi so n eo ft h em o s ta c t i v ef i e l d s w i t h i nr e s e a r c h t h ew i r e l e s sc o n t r o ls y s t e mo fi n t e l l i g e n c ev e h i c l ei sc o m p o s e do f i n t e l l i g e n c ev e h i c l ea n dc o n t r o lp l a t f o r m ，b e s i d e so fi t st r a d i t i o n a lf u n c t i o nt h es a m e a s o t h e rv e h i c l e s ，i n t e l l i g e n c ev e h i c l ea l s oc a nb er e m o t em o n i t o r e da n dc o n t r o l l e db yt h e p l a t f o r m ，w h i c hc o n t a i n st h em o n i t o ro fv i s i o na n ds t a t u si n f o r m a t i o nf e e d b a c k ，t h e m a n i p u l a t i o no fm o t i o ns u c h 硒s t a _ - t i n c r e a s ea n dd e c r e a s ev e l o c i t y , s t o pa n dt h e m o t i o nb a s e do nt h ep r o g r a m s t h ei s s u ep r e s e n t san e wr e v i s i n gm e t h o d - e l e v a t i o nr e v i s i n ga l g o r i t h m a n d c o m b i n e st h er a d i a ld e f o r m a t i o nr e v i s i n gt e c h n i q u e st oh a n d l et h em o n i t o r e di m a g e s ， w h i c hg e t st h es a t i s f a c t o r yv i s u a lp e r f o r m a n c e m e a n w h i l e ，t h r o u g hd e s i g n i n ga n d r e a l i z i n ga l le f f i c i e n ta n dr e l i a b l ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，w eh a v e r e a l i z e dt h e c o m m u n i c a t i o no fc o n t r o lo r d e r sa n dm o n i t o ri n f o r m a t i o nb e t w e e nc o n t r o lp l a t f o r m a n di n t e l l i g e n c ev e h i c l e i na d d i t i o n ，w ed e s i g nt h em a n i p u l a t ep l a t f o r mf o rr e m o t e m o n i t o ra n dc o n t r 0 1 t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ep e r - d e s i g n e dp a r a m e t e r s o ft h es y s t e ma r er e a l i z e da n dt h ep r a c t i c a lo p e r a t i o n sp e r f o r m a n c e sm e e tv 矗t l lt h e u s e r sr e q u i r e m e n t s k e y w o r d s ：i n t e l l i g e n c ev e h i c l e e l e v a t i o nr e v i s i n gc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l w i r e l e s sc o n t r o l 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：盘整度日期 0 0l 一3 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留 送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容， 可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存沧文。同时本人保证，毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 盎墓篮 熟 日期! 塑：! 主 日期塑! z ： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 汽车自2 0 世纪末诞生以来，经过一百多年的发展，大大改善了人类的出行条件。 但是，由于人口不断增多，汽车日益普及，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。因此，改善交通环境，提高汽车安全性能， 减少道路交通事故就成为关系到人类社会进步与可持续发展的重要研究课题之 一。 智能车是机器人学中的一类，它整合了自动控制、人工智能、机械工程、信息 融合、传感器技术、图像处理技术以及计算机等多门学科的最新研究成果，是当 前科技发展最为活跃的领域之一。随着智能交通系统i t s ( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o n s y s t e m ) 的兴起，世界各国对智能车辆技术的研究开发表现出空前的热情，也相继 取得了突破性的发展p 】。智能车辆的发展为改善交通环境状况，提高车辆安全性与 可靠性，减少驾驶员人为因素造成的交通事故等开辟了广阔的前景。 1 2 智能车辆的历史背景 智能车辆的研究可以追溯至t j l 9 5 4 年美国b a r r e te l e c t r o n i c s 公司研制的世界上第 一台自动引导车辆系统a g v s ( a u t o m a t e dg u i d e dv e h i c l es y s t e m ) ，并在s o u t h c a r o l i n a k 的m e r c u r y m o t o r f r e i g h t 公司的仓库内投入运营，用于实现物品的自动运 输【7 i f l 2 1 。 英国、德国、日本等国家从2 0 世纪6 0 年代中期开始也开展了自动驾驶车辆的研 究，其自动驾驶系统普遍采用地下埋设引导电缆来实现车辆转向控s l i t 6 。日本于 1 9 7 7 年首先开发出了机器视觉导航自动驾驶汽车的样车。 2 0 世纪8 0 年代初，美国国防高级研究计划局( d 朋冲a ) 就专门立项【l l ，制定地面 无人作战平台的战略计划，从而在世界范围内掀开了全面研究移动机器人的序幕， 智能车也在这个时期迅猛发展起来。伴随计算机、通信技术、微电子技术的不断 进步，智能车开始从六、七十年代的控制研究阶段进入了九十年代的路径规划、 自主决策、视觉导航和智能控制的系统研究阶段【2 】【5 1 。随着社会信息化的深入发展， 工业、农业、科研、国防以及服务业等多行业越来越需要高性能的智能车系统。 无线遥控智能车控制系统 1 3 i 国外智能车研究现状 1 3 智能车辆的研究现状 作为高技术领域的一个重要研究课题，智能车的研究工作得到了世界科技界的 广泛关注。美、德、意、法、日等国从多种角度展开了对移动机器人的研究，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【8 】【9 1 。下面简要介绍一 下他们在智能车辆领域的研究现状。 美国卡内基梅隆大学( c a r n e g i em e l l o nu n i v e r s i t y ，c m u ) 机器人研究所研制的 n a v l a b 5 系统智能车1 1 0 l 【1 1 l ，能够完成传感器信息融合、图像理解和车体横向控制 等功能。另外该大学还研制出一种类似于行星探测车的“流浪者”号智能车，该智能 车具有多种环境感知能力，能在非结构动态环境中实现自学习、自推理等功能【1 3 1 ， 并能够在沙漠中进行自主控制和几千公里以外的人工遥控。 纳漫游车是由美国喷气推进实验室开发的一种微型智能车，用于协助其它火星 车工作。它具有一种奇特的轮式移动结构，具备传统的滚动和转动之外的其它移 动方式。其可移动柱杆的关节备有轮子结构，可以看作是腿式机器人和轮式机器 人的一种混合结构。采用这种结构，小车可以在底盘朝上时，自动翻过来，具有 自矫正功能，并且还能够在微重力的环境下行走p 】。 a r g o 试验车由意大利p a r m a 大学的信息工程系研制。该车由福特轿车改制而 成，装有视觉系统以获得道路和环境的信息，有多种控制设备以实现自动驾驶功 甜1 4 】。该车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。在2 0 0 0 年 意大利汽车百年行活动中，a r g o 试验车由g o l d 系统驾驶进行了2 0 0 0 千米的道 路试验，在试验中a r g o 试验车自动驾驶里程达到总里程的9 4 。图1 1 为意大 利a r g o 智能车l l 副i l “。 毛a r g o 智能举外观豳 b a d t g o 智能擎转黪器布置图 图1 1 意大利a r g o 智能车外观图 第一章绪论 法国帕斯卡大学的p e u g e o t 系统，将c c d 摄像机和速度传感器，以及集成了 计算功能的一块数字信号处理卡都安装在雪铁龙汽车_ j z 9 1 。该车在数百千米不同路 况的自动行车试验中，最高时速达1 3 0 千米时。德国的c a r a v e l l e 试验车目前正在 进行隔离试验道路上计算机视觉与其它传感器信息融合的完全自主驾驶试验。 日本千叶技术研究所宣称研制出一名叫“阿吕西格尼亚一号”的新型智能车。 8 个汽车轮子各带一个智能腿，它们组合安装在汽车上，在3 0 个发动机的带动下 按一定的规律运动。它具有人腿的行走功能，不仅可以自由的前进和后退，还可 以横跨，跨越像楼梯等任何障碍物【1 0 1 。 从总体的研究状况来看，美国和欧洲一些国家在智能车的智能控制方面比较有 优势，而日本则在智能车机械运动方面走在了世界前列。 1 3 2 国内智能车研究现状 近年来，我国在智能车研究方面也展开了深入研究，由于起步较晚，以及经济 条件的制约，目前研究水平与国外相比仍有一定差距。国内开展这方面研究工作 的单位主要有清华大学、吉林大学、上海交通大学、中科院北京自动化所和沈阳 自动化所等。 清华大学在智能车方面的研究一直处于国内领先行列，该校计算机系智能技术 与系统国家重点试验室一直致力于t h m r ( t s i n g h u am o b i l er o b o t ) 系列智能车辆系 统的研制工作【1 9 1 。t h m r v ( 如图1 2 所示) 系统是清华大学已经研制成功的新一 代智能车，兼有面向高速公路和一般道路的功能一j 。 。蔼需蔺 图1 2 清华大学t h m r v 智能车：( a ) t h m r v 车体( b ) t h m r v 测控系统框图 t h m r v 车体采用道奇汽车改装而成，配备了超声测距、光码盘和电子罗盘等传 感器测量元件，同时载有d g p s 互补定位系统，激光雷达测距仪l m s 2 2 0 和摄像机 远、近距离视觉处理系统等主要设备。计算机系统完成视觉信息处理和信息融合、 路径规划、决策控制等功能。系统配备的4 台i p c i 控机分别完成激光雷达测距信 无线遥控智能车控制系统 息处理、通讯管理、车体定位信息处理、控制运行等功能。该智能车设计车速为 8 0 千米时，一般道路为2 0 千米时【1 7 1 1 钔。 上海交大牵头研制的首辆无人驾驶智能样车可以在特定校园环境中自由行驶， 最高速度达2 7 千米时。它通过发射激光并捕捉反射光来判断前方1 8 0 度范围内的 障碍物，从而指挥汽车加减速或停止【4 】。 吉林大学在智能车辆的自主导航方面处于国内领先水平。目前，该校智能车辆 课题组正在研制第四代视觉导航车辆儿u i v ，它能够感知车辆的周围环境、 完成图像处理、导航路径识别及决策控制，可实现路径自动跟踪、自动转向和自 动行驶。 1 4 1 本论文研究的意义 1 4 本文主要工作 我国智能车辆的发展起步比较晚，技术水平相对落后，目前对智能车辆的研究 主要集中在导航路径识别、图像识别、自动避障转向等领域口钉，对智能车辆的驱 动控制系统研究较少。因此，研究开发一套能够实现完全自动控制的车辆系统对 开展智能车辆技术的研究有着非常重要的意义。数字图像的校正方法因不同的设 备和应用环境而各具特色，本文能够根据实际需求，自行设计并提出了广角摄像 头的仰角校正技术，为以后在仰角情况下使用摄像头得到正视图像打开了思路， 提供了广阔的空间。 大部分智能车辆的调速是通过控制油门来实现，而这种方式很难实现车辆速度 的精确控制。由于环保与节能问题已成为世界各国所关注的主要社会问题，因此 调速精度较高且易于维护的电动汽车成为国内外智能车研究机构的热点。本文开 发的无线遥控智能车控制系统是针对电动汽车进行的，完成的系统能很好地移植 到未来的电动汽车上。大部分智能车均使用廉价的数传电台进行远距离通信，所 以智能车的安全性与电台通信的实时性和准确性息息相关，有效提高通讯质量都 是值得我们深入研究的。 由于资金问题，我国对大型智能车的研发和使用都存在很大困难，一般用于军 事领域的侦察，巡逻，战场运输，扫雷和导弹发射等，以及艰苦工作环境中的侦 察采样，搜集信息工作等等。车体驱动系统的稳定、协调工作，以及通讯信息的 实时、准确是智能车安全性和可靠性的有力保障，是科研实践的基础。 出于项目需求，本智能车由大型汽车改装而成，运行速度精确度高，具有视觉 监控，自动报警，自动制动，实时反馈车体状态信息等功能。目前，本课题组对 该智能车的研究已经做了大量的工作，并在实际应用中取得了良好的成果。 第一章绪论 1 4 2 本论文研究的主要内容 本文作者参加了中科院自动化研究所无线遥控智能车研制的项目，该车主要由 智能车车体结构、视频监控分系统和控制分系统三部分组成。其中智能车车体结 构主要由底盘车、动力驱动子系统和运动控制子系统组成；视频监控分系统包括 前、后视频图像的监控和顶部面板图像的监控；控制分系统的设计主要包括运动 控制逻辑设计、系统通信协议的设计和控制台操作界面的设计。 该车具有无线遥控行驶、程控行驶和人工驾驶三种功能。本文主要针对前两种 模式进行设计：在程控模式下，智能车依照固化的程序，可以脱离控制台的控制 独立进行试验；在遥控模式下，控制台对智能车的控制又可分为的遥控手动、遥 控匀速和遥控变速三种操作子模式。 作者参与了系统详细设计，对智能车控制结构和逻辑进行了优化设计，对通信 技术进行了深入的研究，设计完成了智能车辆的控制系统。此外，作者对驱动控 制设备进行改进，对各控制单元间的通信进行了深入的研究，采取多线程、i 临界 区和队列相结合的措施，解决了经济型半双工数传电台之间通讯的可靠性问题， 有效的保证了数据的准确性。 作者利用透视投影模型和提出的仰角校正模型推导出数字图像的仰角校正公 式，并结合桶形畸变校正算法，对监控图像进一步处理，取得了良好的视觉效果。 该系统中广角摄像机与顶部面板的相对位置固定，为得到面板的正视图像和提高 监控图像的可视化程度，作者对顶部面板与摄像机图像两者的对应关系进行原理 分析、参数i j l i 练，推导出仰角校正公式并存储，则实际的校正操作演变为位置对 应关系的查询，节省了系统资源，提高了图像校正子系统的运行效率。 第二章智能车车体结构 7 第二章智能车车体结构 2 1 引言 随着科技的不断进步，电动汽车越来越广泛的应用到社会生活当中。众所周知， “绿色奥运”是北京2 0 0 8 年奥运会的三大理念之一，奥运会期间北京将大量使用 无污染的纯电动汽车。所谓电动汽车就是以车载电源为动力，用电机驱动车轮行 驶的汽车。电动汽车较内燃机汽车结构简单，运转、传动部件少，维修保养工作 量小，更重要的是电动汽车易操纵，能够利用电子设备进行自动控制 2 1 1 1 2 3 1 。因此， 从车辆运行的安全性和可靠性来考虑，本智能车使用电动机驱动。 智能车车体结构划分为底盘车、动力驱动子系统和运动控制子系统三部分。虽 然本智能车由大型汽车改装而成，加上其他一些控制和检测设备，重量达到5 吨 左右，但其正常行驶速度仍能够达到6 0 千米时。 2 2 车体介绍 智能车的车体选择东风汽车股份有限公司生产的多利卡轻卡底盘车架，其地盘 车外观和模型外观如图2 1 所示。为适应实际需求，项目组对汽车的控制结构进行 了优化设计：取消了速度控制档位和离合器。 图2 1 智能车：( a ) 底盘车体图( b ) 模型图 智能车控制系统由工控机、数传电台、p l c 、交流异步电动机及其伺服驱动系 统、制动系统和发电机组控制系统等组成，如图2 2 所示。工控机通过数传电台接 收控制台发送的控制指令，并通过p l c 实现加速、减速和制动控制。车体的运动 控制是一个复合控制系统，当系统接收到运动控制命令时，车体复合控制策略产 生相应的速度控制与制动控制的控制量，协调调速过程和制动过程。加速时必须 松开制动器，减速或停车时，除了需要控制驱动轮的速度外，还要配合相应制动 系统的控制。 无线遥控智能车控制系统 传感器 信息 制动 系统 智能车车载工控机 馨掣l r s 2 3 2 f 答誉 p l c 控制单元 控制i 千状态 交流3 8 0 r 命令ii 信息 状 态 信 息 圭1 控制il 状态 交流伺服控制器i 命 土i 笪：垦 交流电动机 油机控制器 r s 2 3 2 控 制 害r 丙 控制 状态 信息 方波 控制 速度 信号 发动机 ( 燃油发电机组) 发电机 图2 2 智能车系统原理图 2 3 动力驱动子系统组成 动力驱动子系统主要包括电子调速器、发动机、发电机和燃油发电机组控制器 ( 油机控制器) ，其中发动机、发电机和油机控制器又统称为发电机组控制系统。 智能车设计方案采用电驱动，设计方案采用发电机组作为动力电源。考虑到普 通的商用发电机组产品的体积、高度、安装方式都不能满足智能车的要求，因此 采用以卡车自配的发动机为原动机，通过加装发电机的方法组合成车载式发电机 组。由于车用的发动机采用机械式调速方式对发动机的转速进行调节，其调节速 率不能满足发电需求，需要对发动机的调速装置进行改造，把机械式调速装置替 换为电子式调速器( 电调执行器+ 电调板) ，以保证发动机能够输出恒定的转速 ( 1 9 0 0 转，分钟) 。 系统选用发电机组电子调速器调节发动机的转速，它由功能强大的数字式微处 理控制器和比例执行器组成。控制器接收来自转速传感器的检测信号，并与设定 的转速值做比较，发出调制脉宽信号，以控制与发动机油门相连的精密的比例执 行器。执行器将该信号转变成一个与调制脉宽信号的占空比成正比的轴输出位置， 进而控制发动机的转速。该电子调速器的系统原理如图2 3 所示。 第二章智能车车体结构 9 图2 3 电子调速器系统原理 智能车除添加电子调速器控制发动机转速恒定在1 9 0 0 转分钟以外，同时添加 发电机组控制系统协调控制发动机和发电机工作。该发电机组控制系统的核心是 油机控制器，它可通过通讯( 网络) 与中央监控系统( 工控机) 实现“遥控”、“遥 测”、“遥报”等监控功能。自动检测发动机状态并数字显示：如发动机机油压力、 冷却液温度、转速、电瓶电压、机组累计运行时间、发动机冷却运行时限、故障 报警内容等等；发电机电压、电流、频率和视在功率( k v a ) 检测并数显；机组 故障保护( 停机或报警) 功能齐全，如：高水温、低油压、离( 低) 电瓶电压、 启动失败、超速、发电电压高( 低) 、发电频率高( 低) 等等。 2 4 运动控制子系统组成 运动控制子系统由可编程逻辑控制器( p l c ) 、交流异步电动机及其伺服控制系 统、传感器信息模块和制动系统组成。p l c 的维修简单易行，能以最短中断服务 时间，迅速而方便地对其逻辑控制的硬件或设备进行编程 2 4 1 1 2 5 】及重新进行程序设 计幽【明。系统选用三菱公司的p l c 作为智能车的中央控制单元，实现逻辑控制功 能。该p l c 为交流2 2 0 伏供电，2 4 伏直流输入。p l c 功能概括如下： 1 ) 执行程控程序，完成智能车的自动驾驶。 2 ) 实现对交流伺服控制系统和油机控制器的控箭，控制车体运行。 3 ) 读取采集的传感器信息，并将上传到工控机。 4 ) 读取控制面板用户操作或工控机下传命令，进行相应设置和控制。 5 ) 实现对制动系统的控制，要求及时准确，保证系统的安全性。 1 0 无线遥控智能车控制系统 2 4 1p l c 程序模块及框图 智能车通过电台收到控制台的控制命令和状态信息命令，其中状态信息命令分 别发给p l c 和油机控制器。从p l c 读取车行驶速度和位置，从油机控制器得到发 动机转速、电压、电流和油压。由于p l c 和油机控制器的通讯波特率分别为9 6 0 0 位秒和4 8 0 0 位秒，故待两组数据同步收齐之后，将状态数据再通过电台反馈回 控制台。p l c 程序模块及框图如图2 4 所示： r l l i i i i i i i i i l 图2 4p l c 程序模块及框图 从功能上p l c 程序主要分为以下几个模块：通信模块：负责与工控机通信、 参数设置；遥控手动模块：遥控手动操作的运动控制；程控遥控自动变速匀速模 块：程控遥控自动模式下的变速匀速运动控制；人工驾驶模块：人工操作时p l c 控制伺服控制器使用力矩模式；输出模块：各种阀和继电器的输出；指示模块： 指示灯与蜂鸣报警；车定位模块：通过红外传感器和霍尔器件等感应元件获知车 体在轨道上的位置。 2 4 2 交流电机与伺服控制系统 智能车的驱动如图2 5 所示：交流电机受到伺服控制系统的“速度”或“转距” 模式控制，使用发电机产生的电，带动车轮的加速或减速。在交流异步电动机伺 服控制器厂家标准的配置下，交流伺服控制系统通过转矩限幅、压频比、加减速 时的频率变化速率等参数设定，调整电动机加速运转时的积分时间参数，进行p i 控制。通过这种变频技术，使电动机在预定时间内加速达到目标频率，控制电动 机输出规定转矩，提供智能车加速和减速所需制动力。 第二章智能车车体结构 器 图2 5 电驱动系统的示意图 交流伺服控制器选用时光科技的面向三相交流异步电动机的伺服控制器，其主 要性能和特点为： 1 ) 采用自行设计的专用3 2 位c p u 对电机进行全数字化控制。具有通信功能， 使用r s 2 3 2 ，r s 4 2 2 r s 4 8 5 接口。可由计算机、p l c 等上位机进行控制和 监视。 2 ) 具有平稳的低速大转矩输出性能，具有零转速力矩保持功能，故在特定的 条件下可以取代制动器。在电动机额定转速以下实现恒转矩输出( 最大转 矩为电动机额定转矩的3 0 0 ) ，额定转速以上为恒功率输出。 3 ) 可对电动机的位置、速度、加速度、转矩进行高精度控制以及具有对多台 电动机进行同步或跟随控制的功能，特别是转矩与转速可以分别独立控制， 适于复杂系统的控制要求。其中速度控制比大于1 ：3 0 0 0 0 ，可以实现大范 围的速度控制。 当智能车处于程控模式或遥控模式的操作时，p l c 给出速度值，该伺服控制器 通过速度模式控制电动机，速度控制范围为0 - - - 5 0 0 赫兹，控制精度为o 0 1 - - 4 ) 0 2 赫兹，实现了对电动机进行大范围稳定、准确的高精度的速度控制。当智能车在 人工操作时，加速踏板角度传感器的输出信号量与该伺服控制器对电动机进行转 矩控制的输出量成正比，即电动机输出与加速踏板角度传感器的输出信号成正比 的转速。油门大，转矩就大，车速加快；反之，油门小，转矩就小，车速就慢。 在电动机基频以下的最大转矩输出为3 倍额定转矩，并能够进行控制。转矩控制 精度为2 ，且保持速度稳定和位置准确。 2 4 3 传感器信息模块 传感器信息模块由定位码盘、红外测距传感器和红外光电接近开关三部分组 成。智能车通过三种传感器信息的融合来实现车体的准确定位【4 0 】。本系统采用扩 散反射型红外距离传感器检测智能车在轨道上的绝对位置，它安装在车体左侧。 智能车通过安装在导向轮的霍尔式定位码盘并配合红外测距传感器实现对车体运 无线遥控智能车控制系统 动速度和位置的检测。此外，智能车采用o m r o n 的高性能红外光电接近开关， 实现智能车到达左，右终点时自动停车，它安装在车体的前、后端。 2 4 4 制动系统 智能车采用气动方式模拟人工驾驶时的制动过程，实现遥控过程中的可靠制 动。气源取自底盘车的储气筒，p l c 通过控制五通先导气动阀控制气缸的运动， 气缸推动制动踏板使车原有的双路气制动系统与电制动系统同时参与制动。系统 采用双作用气缸作为执行元件，气缸的活塞杆与车的副刹相连，推动副刹臂往复 运动，模拟驾驶员用脚踩踏刹车的动作。系统中采用五通先导气动阀作为控制元 件控制气缸的运动，当电磁阀通电时，气缸通过管路进气，双作用气缸回复到初 始位置，车处于非刹车状态；当电磁阎断电时，储气筒中的高压气体通过电磁阀 进入气缸，活塞杆克服刹车臂的阻力推动刹车臂运动，继而打开双腔制动阀，使 车处于制动状态。该制动系统能够实现快速刹车、断电刹车的工作机制也能最大 限度地保证智能车运行的可靠性。 2 5 性能测试结果 本智能车具有在短距离内快速加速和紧急制动的优点，图2 6 显示了通过g p s 测得的智能车加速历程曲线。由图可知，智能车速度从0 加速到5 0 2 5 千米时， 行驶距离仅为1 4 0 8 1 米。经三次实际测试，速度从5 0 千米时降低为0 所需要的 平均刹车距离为4 3 6 米，最大限度地保证了智能车运行的可靠性。本智能车在多 风沙且路况颠簸的环境中实际运行了2 0 0 千米，性能稳定，表明动力驱动系统与 运动控制系统能够协调稳定工作。 糊5 5 0 1 一婴墼一 5 m 2 鼍i 二二j 二f 二1 i i 三三 闹- l 一- 一 s s 。：一一_ 一一i - 一= ；- j 年_ 一一i - 一- - 一 - 一 一 2 2 o i 一一t 一= 1 一一厂一- i - 一- r 一一广一1 1 一广一 一 1 1 o l - 一一卜一叶一一i - 一- i - 一卜一一卜- 一叶- 十一卜一1 一 图2 6 g p s 测试速度结果 第二章智能车车体结构 2 6 小结 本章重点介绍了智能车改装后的功能模块及其硬件组成部分，并对智能车的性 能进行了测试。出于可靠性的考虑，该智能车取消了速度控制档位和离合器，并 将机械调速转变为电气调速，通过伺服控制器调节电动机带动车体运动，从而实 现对速度的准确控制。通过测试数据表明，该智能车性能可靠稳定，发电机组控 制系统、交流电机及其伺服控制器、p l c 控制单元和制动系统等能够协调稳定工 作。此外，该智能车能够在短距离内实现快速加速和紧急制动，具有很高的安全 性。 智能车车体结构也存在不足之处：该车在短距离内升降速度落差太大时，伺服 控制系统容易发生故障，导致智能车紧急制动。例如，给定5 0 米的距离使智能车 速度从l o 千米时加到5 0 千米时，由于加速距离短，速度差值大，造成伺服控制 系统的过流故障，从而引发智能车紧急制动。针对这一问题，目前使用的解决措 施为：从低速到高速采用渐变曲线方式，平滑到达目标值。但这种方法在一定的 低速范围内有效，超出范围时调节失效( 如从3 5 千米时到5 0 千米时范围) ，这 有待进一步研究。 第三章视频监控分系统设计 第三章视频监控分系统设计 3 1 引言 智能车的视频监控包括前、后视频监控和顶部面板图像监控。实现前、后视频 监控的设备主要由安装在智能车前、后的两台摄像机、多路切换开关及一套微波 收发设备组成；实现顶部面板图像监控的设备由安装在智能车侧面的广角摄像机 和一套网桥装置组成。多路切换开关在工控机的控制下，按照控制台的指令将切 换得到的前面或后面摄像机的视频图像通过微波发射机发送到控制台；网桥把经 过矫正处理的顶部面板图像实时传输到控制台。同时，位于控制台的微波接收机 和网桥分别接收各自图像，并将它们显示在计算机屏幕上，给控制台的操作员以 真实的“临场感”，以利于操作员对智能车的监控。 3 2 前后视频监控 前后视频的监控选用一套微波开路电视传输系统传输图像。微波设备在以点对 点方式传输图像和声音时，具有连续，实时，无失真等优点口7 】【3 9 1 ，能够有效保证 数据的精确性和实时性 3 8 1 。 微波发射机k d l l 0 0 l i i l i | i l i 微波接收机t 一8 0 0 视频采集卡 图3 1 微波发射与微波接收部件连接图 微波发射与接收部件连接见图3 1 ，摄像机多路开关切换原理图见图3 2 所示。 视频监控图像通过微波发射机传输到控制台，通过接收机，再输入到视频采集卡， 经过采集卡的s d k 软件处理后显示在控制台的计算机屏幕上。 l l i l l l_ 无线遥控智能车控制系统 输出 输出 图3 2 多路开关切换原理图 智能车上电时，多路开关默认接通前摄像机，即智能车前方的图像通过微波发 射机发送到控制台。继电器线圈在p l c 的控制下进行变化，从而实现前后摄像机 的相互切换。 3 3 顶部面板视频监控 在视觉监控的实际应用，出于安全性和安装难易等因素的考虑，摄像机安装往 往不能与面板垂直而使实际得到的图像产生变形。本系统中监视项部面板图像的 摄像机固定于云台的延伸杆上，与面板有一定的仰角( 约2 9 8 度) 。为了监控面板 情况，必须利用图像校正技术得到面板的正视图像。图像校正是寻找失真后图像 和原图像对应关系的- - l - j 技术，一直受到国内外研究者的重视 4 0 1 1 4 ”。 顶部面板的图像校正分为仰角校正和桶形畸变( 或枕形畸变) 校正两部分。由 目标图像得到目标正视图像的过程我们称之为仰角校正。一般情况下广角镜头都 有或多或少的桶形畸变，而远摄像机都有一定的枕形畸变【4 2 1 ，通常认为这种类型 的畸变为图像上各像素点和图像中心的距离的函数并把其作为该摄像机的内参 数，利用摄像机校正技术训练并求解参数【4 3 1 。 3 3 1 仰角校正 当摄像机的轴线方向和目标的法线方向不一致时目标在图像中的像会发生畸 变，我们称之为仰角畸变 2 z l ，如图3 3 所示。图3 3 ( a ) 示意了发生仰角畸变时目 标和摄像机的相对位置关系，图3 3 ( b ) 和图3 3 ( c ) 分别示意了典型的目标正 视图像及目标图像，由图可见目标发生了严重的“变形”。 第三章视频监控分系统设计 - 目标法线 0 、摄像机中轴 ( a ) 仰角校正示意图 ( b ) 目标正视图像 ( c ) 目标图像 图3 3 仰角校正说明 图3 4 仰角校正模型 仰角校正的目的是把目标图像转换为目标与摄像机垂直时的正视图像，即找到 校正后图像上的象素点 ，所对应的校正前图像上的点( ，v o ) 。通常情况下和 v 。不一定是整数，这可以通过其邻近点灰度值间的某种内插法来确定，为减少计 算量有时也直接取整。 图3 4 为本文采用的仰角校正模型，选用的坐标系为相机坐标系：z 轴沿光轴， x 轴和y 轴分别沿图像横轴和纵轴，原点o 为光心。该模型把目标抽象为一平板， 并把平板和光轴垂直时的位置定义为平板理想位置，通过分析平板实际位置和平 板理想位置之间的对应关系得到理想位置成像( 正视图像) 与实际位置成像( 目 标图像) 的对应关系，从而达到了仰角校正的目的。 设图像象素的物理大小为a x a y ，相机的焦距为f ，相机光轴和平板法线的夹 角为0 ，则正视图像上的点( “，v ) 和目标图像上的点( ，v 。) 存在的对应关系推导如 下： 根据透视投影，正视图像上的点( “，v ，) 与其对应的理想平板上的点( x ，y ，z ) 满 无线遥控智能车控制系统 足： 上：上：三 “a x v a yf 由图3 4 可知z = 日2 + r ，故对应的理想平板上的点为： x ：u 能厮f f b ：v 碍厮| f i ：压矿 式( 3 1 ) 式( 3 2 ) 接着需要确定与理想平板上的点( 艺y ，z ) 所对应的实际乎板上的点的位置 ( ，y o ，) ，两者之间存在着如下的旋转关系( 如图2 所示) ： 1 1 0 0 = lc o s 口 os i n 口 怍 一s i n 0 c 。s 臼ll z 一 式( 3 3 ) 其中c o s 0 ：三以了可，s i i l p ：日i 虿，结合( 3 - 2 ) ( 3 3 ) 得： x ，= u a x 瓢f f y o = v a y l i f 式( 3 - 4 ) = 拓可+ v 缈h f 根据透视投影，平板上的点o 。，y o ，) 与目标图像上的点( ，v o ) 满足： 土：且：鱼 甜o - a x v 0 a yf 将( 3 4 ) 代入( 3 5 ) 便可得： f。丽 严。万鬲瓦而 lv 【2 面磊元而 式( 3 - 5 ) 式( 3 6 ) 同理，校正前图像上的象素点( “。，v 。) 所对应的校正后图像上的象素点( ”，v ) 为： l “： 坠：圭 卜芒錾 式 7 ) l ，：生：! 丝：! 【 工一v 0 h f 应用公式( 3 6 ) ( 3 7 ) 进行仰角校正时，涉及到h 、l 及厂三个参数，其中h 和上为实际测量，因此参数训练的主要目的是要得到特定的厂。 第三章视频监控分系统设计 1 9 7 89 23 图3 5 摄像机仰角校正特征点选择示意图 如图3 5 所示，假设我q j 彳导, n t 图上各点的图像坐标p t i l - x 。p t i y 。( i = 1 ， 2 ，9 ) ，则可得： 燃h 。：p 黛：w i d t h 7 2 式(3-8)ptii v o = p t 【司执一h e i g h t l 2 然后根据公式( 3 7 ) 可得校正后的特征点的坐标p t i “及p t i v 。我们希望校 正后的点组( 1 ，4 ，7 ) 和点组( 3 ，6 ，9 ) 内各点具有相同的横坐标，故可定义 如下的误差函数来衡量由特定的，值进行仰角校正时带来的偏差： e r r o r ( f ) = e r r o r ( p t 1 ，p t 4 ，p t 7 ，u ) + e r r o r ( p t 3 ，p t 6 ，p t 9 ，”) 式( 3 - 9 ) 且e r r o r ( p t l ，p f 2 ，p f 3 ，“) = i p t l “- p t 2 “i + p t 2 “一p f 3 埘l + p t 3 u - p t l “i 式( 3 1 0 ) 使e r r o r ( f ) 取最小值的可行的的值即为校正后的参数值f 该函数取值越小 说明校正后的特征点之间的位置关系和特征点的物理位置之间的关系越一致。 3 3 2 桶型畸变矫正 由于监控系统采用的是广角摄像机且安装摄像机的平台不严格水平，故还需对 仰角校正后的图像进行桶形畸变校正以进一步提高正视图像的视觉质i t 4 3 1 1 4 4 1 。桶 形畸变校正采用如下一阶半径模型： 卜= x l ( 1 + k i -l _ ) 1 y = y 1 ( 1 + 七1 吒) f x l = z ( 1 + 七，) 1 y l ：y ( 1 + t ，) 式( 3 - 1 1 ) 其中( x ，y ) 和( 五，y 1 ) 分别为校正前及校正后图像上对应点间的坐标，并且 ，：0 丽、：、：丽， 将式( 3 1 2 ) 两边均平方，则得到 无线遥控智能车控制系统 _ 2 + m 2 = ( 1 + 七，) 2 ( x 2 + ) ，2 ) ，即= r ( 1 + k r ) ， 推得： ，：上 l + b 将式( 3 1 3 ) 带入式( 3 1 2 ) 中得到： x = 志训一忐一l 【l 一南】 将式( 3 1 1 ) 式与式( 3 1 4 ) 对应系数比较，得到最后结果 k l 一志 图3 6 摄像机桶形校正特征点选择示意图 其中r 取各个特征点的平均值。由上式可知，置可由k 计算得到。故只需对校 正参数k 进行训练。参数k 的训练同参数f 的训练过程类似，如图3 6 所示，只是 误差函数有所不同： e r r o r ( k ) = e r r o r ( x 1 ) + e r r o r ( y i ) e r r o r ( x 1 ) = e r r o r ( p t 1 ，p t 4 ，p t 7 ，x 1 ) + e r r o r ( p t 3 ，p t 6 ，p t 【9 】，x 1 ) 式( 3 - 1 6 ) e r r o r ( y 1 ) = e r r o r ( p t 1 ，p t 2 ，p t 3 1 ，y 1 ) + e r r o r ( p t 【7 】，p t 8 ，p t 【9 】，y 1 ) 求得k 的最优值后，利用式( 3 1 1 ) 得到桶形畸变校正后点对点的图像。 3 3 3 矫正实验结果 图3 7 显示了经过图像校正的典型试验结果。图( a ) 为原始图像，原本的矩形 平板由于相机具有一定的仰角和桶形畸变而产生严重“变形”。图( b ) 为采用上 述仰角校正技术对其校正后的结果图像，所得图像为面板的正视图像并去除了部 分非感兴趣区域，改善了图像的视觉效果。图( c ) 是采用上述的桶形畸变模型对 图( b ) 进行校正的结果，消除了广角摄像机相当严重的桶形畸变。由于存在安装 第三章视频监控分系统设计 误差、相机缺陷及模型的近似性等原因，校正后的图像并不完美，如图( c ) 所示。 因此需要对校正后的图像进行拉伸、旋转等操作来细微调节图像的校正质量，最 终的校正结果如图( d ) 所示。由图( d ) 可见，校正后的图像反映了平板和平板 上的标记的正视效果，同时去除了大量的非感兴趣区域，极大地便利了随后的图 像处理与分析工作。 图3 7 图像校正的典型试验结果：( a ) 原始图像( b ) 仰角校正后的图像 ( c ) 桶形畸变校正后的图像( d ) 最终校正后的图像 由于图像校正的本质是建立校正前图像上的点和校正后图像上的点之间的位 置对应关系，与图像本身的亮度值及图像的格式无关，因此在摄像机和面板的相 对位置固定时可以先对这种对应关系进行训练并存储，实际的校正操作则演变为 位置对应关系的查询，极大地提高了校正子系统的运行效率。该图像校正子系统 在奔4 主频2 4 g 的计算机上和v c + + 情况下每秒钟可以完成8