智能车自适应控制算法的研究-智能车的硬件设计与实现-毕业论文开题报告

山 东 科 技 大 学本科毕业设计（论文）开题报告题 目 智能车自适应控制算法的研究专 题 智能车的硬件设计与实现 学 院 名 称 专 业 班 级 学 生 姓 名 学 号 指 导 教 师 填表时间： 年 月 日填表说明1.开题报告作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。2.此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期完成，经指导教师签署意见、相关系主任审查后生效。3.学生应按照学校统一设计的电子文档标准格式，用A4纸打印。4.参考文献不少于8篇，其中应有适当的外文资料（一般不少于2篇）。5.开题报告作为毕业设计（论文）资料，与毕业设计（论文）一同存档。第 8 页 共 7 页设计（论文）题目智能车自适应控制算法的研究设计（论文）类型（划“”）工程设计应用研究开发研究基础研究其它一、本课题的研究目的和意义智能车又称为轮式移动机器人，是一个集环境感知、规划决策、自动驾驶等多种功能于一体的综合系统。当今半导体在汽车中的应用越来越普及，汽车的电子化已成为行业发展的必然趋势。据统计，平均每辆车上的电子装置在整个汽车制造成本中所占的比例在不断上升，汽车电子的迅猛发展必将满足人们日益增长的对于安全、节能、环保以及智能化和信息化的需求。本课题研究的目的就是通过智能车的硬件部分和自适应控制算法的软件设计，实现智能车按照预定的路线稳定、快速的行驶。随着智能机器人时代的临近，国际上各大品牌的汽车公司都在竞相推出智能化的概念车。各大汽车公司不断的推陈出新，优化了性能和结构，加入了如全球定位导航、智能遥控等高科技元素。因此，智能化的交通工具也逐渐进入人们的视野，并很快成为人们的“高级宠物”。目前汽车的智能化设计是现今科技发展的又一极宽领域。其设计涉及多门学科，如机械、电子、计算机、材料等，是当今前沿科技的重点课题。展望未来，汽车智能化的脚步毫无疑问地会踏出辅助驾驶地圈子，进入无人驾驶、自动巡航的新阶段。智能化汽车可以减轻驾驶员的疲劳，适应复杂的天气条件，减少交通事故的发生，帮助残疾人自由的出入公共场合等等，在将来具有极高的经济价值和社会价值1。二、本课题的主要研究内容本课题的主要研究内容是：以模型车体为基础架构以FreescaleDG128为主控芯片，制作出具有自主道路识别、自动调速能力的智能小车。其结构模型如下图1所示：图1 系统整体结构模型图本课题的主要研究内容包括以下几个方面。1 硬件设计（1）小车的组装与系统优化。(专题)（2）传感器的选择与设计。（专题）（3）CCD驱动电路的设计与实现以及数据处理程序的编写与调试。（4）电源模块的设计与实现。（专题）2 软件设计（1）自适应控制算法的研究与实现。3 软硬件的统调三、文献综述（国内外研究情况及其发展）车辆的研究始于20世纪50年代初美国BarrettElectronics公司开发出的世界上第一台自动引导车辆系统（AutomatedGuidedVehicleSystem，AGVS）。1974年，瑞典的VolvoKalmar轿车装配工厂与SchiinderDigitron公司合作，研制出一种可装载轿车车体的AGVS，并由多台该种AGVS组成了汽车装配线，从而取消了传统应用的拖车及叉车等运输工具。 2。20世纪80年代，日本研制的一种无人驾驶汽车，由两台电视摄像机作为眼睛，安装在汽车大灯的上下；有一台电子计算机作为自己的“大脑”，安装在司机座位旁边，由它完成图像识别，认清道路和环境，并且进行路径规划，计算出如何运用控制驱动系统；驱动控制系统完成驾驶员手和脚的动作：控制方向盘及进行刹车等等。这种无人驾驶车辆行驶速度是每小时20千米。它能自动靠路左边行驶（日本汽车规定左侧通行），如果遇到障碍物，便能自动向右绕过去，然后再回到左边行驶。若是障碍物把道路堵塞了，它便能自动停下来。61992年，自动引导的车辆只要驾驶员驾驶它在一条道路上行驶一次之后，便不用驾驶员驾驶，即可自行完成全程，速度可达75千米/时。这种自主式车辆上装有电视摄像机、激光测距机、红外摄像机和雷达等，是为了获取道路及环境有用信息而设置的。为达到高水平控制，采用了组合式高级控制系统。7光电传感器与CCD/CMOS图像传感器是较为常见的应用于路径识别的传感器。光电传感器由于本身物理结构、信号处理方式的简单而被广泛应用，但存在检测距离近的弱点。CCD/CMOS能更早的感知前方的路径信息，但存在着复杂的信号输出方式所导致复杂的数据处理方式，从而使很多研究者望而却步。随着计算机技术、高级人工智能技术的发展，CCD/CMOS识别方案的研究也逐渐深入，将CCD/CMOS图像传感器应用于智能车的路径识别是智能车研究的发展趋势。8电源电路在整个电路中起着举足轻重的作用，电源芯片选择的好坏直接影响系统正常工作。不仅为单片机提供工作电压，而且为各个控制芯片提供工作电压。智能车的能源仅来自一块7.2V 2000mA Ni-Cd电池，但单片机正常工作需要5V的稳压电压，霍尔也需要5V的工作电压，为了使舵机转动性能比较好，需要为舵机提供6V甚至更高的电压，CCD则需要12V电压才能正常工作，所以需要对7.2V电池电压进行恰当的转换，以满足各部分的电压等级的要求。10四、拟解决的关键问题本设计主要完成硬件部分的设计和实现，需要解决的关键问题如下：(1) 智能车的硬件组装设计与实现；(2) 选择适当的电路参数提高寻迹的前瞻性，是车对轨道的变化更敏感；(3) 车重心的测速与选取，并通过调整机械结构得以实现；(4) 传感器的选取应用与车体的组合实现；(5) 电源模块与速度的协调控制设计与实现；(6) 软硬件的统调。五、研究思路和方法该智能车模系统以飞思卡尔16位微控制器MC9S12DG128B作为核心控制单元，充分利用微控制器MC9S12DG128B的系统资源，以脉宽调制（PWM）控制方式控制直流电机和舵机，使舵机按照预定路线速度最优走完全程。在权衡系统的快速性和稳定性上以快速为主兼顾稳定。经过仔细研究,制定了智能车的技术开发流程：首先是总体方案设计；其次是对智能车硬件方案进行分析确定；再次在已有硬件基础上完成控制策略的开发研究，并及时的将控制策略编程实现，最后对车软硬件整车统一调试。1 微处理器模块 S12系列单片机具有16位解决方案的固有优势，如资源丰富、代码简短高效、功耗低、体积小巧、购买和开发成本低、速度极快可以升级到50MHz，同时能够达到通常只有32位控制器才能达到的性能水平。主要用于工业控制，特别适合应用在汽车电子上。MCS-51单片机普遍性强，应用广泛，但此系列单片机字长有限，处理速度较慢，资源不够丰富，需要扩展较多的外围电路，降低了系统的可靠性。难以满足本设计要求。相比较而言，S12 系列单片机更适用于智能车。最后选择MC9S12DG128B。2 寻迹传感器模块采用红外光电传感器，其前瞻性差，制约车体的速度；受外界光线、电路排布和传感器数量限制影响，测量误差较大，无法准确控制车速。采用线阵CCD寻迹，其前瞻性较好，可提早预测弯道情况，做出加速、减速及转弯的决策；可提供的信息量较红外光电传感器大，比面阵CCD小，但较其信息处理难度低，降低舵机控制信号的离散度，提高舵机转向的灵活性；占用硬件资源少。据此，对于“远景”采用线阵CCD。对于“近景”暂定两种方案：一、采用红外。优点：单片机处理速度快，程序简单；有一定实践经验可以借鉴。缺点：对轨迹的偏转检测有死区，检测角度不准确。二、采用线阵CCD。优点：对轨迹偏转有较高的灵敏度无死区。缺点：结合“远景”CCD信息处理量较大，程序复杂；近处CCD需要加照明灯，否则信息误差较大,但灯要损耗一定功率。3 速度检测模块若采用非接触式测量方式-霍尔测速，虽然使用简单，但测量精度低，对速度PID控制产生的误差大；而采用接触式测量方式-光电编码器，与车轮同轴，能保证车轮旋转一圈，编码器输出上千个脉冲，精度高，可以大大提高速度PID控制的准确性。因此我们采用光电编码器可以大大提高车速度的控制精度，以达到PID控制策略的目的。4 电源模块为保证系统的可靠性、稳定性，我们选用的供电模块、电源转换模块都要从性价比高、瞬间放电电流大、带负载能力强等方面考虑选型。由于电池是大赛统一提供的，输出功率有限，稳压芯片要选用开关式，我组暂定使用低压差稳压芯片MIC29501-5.0和MIC29502BU来实现电压之间的相互转换等。5 电机驱动模块因为是“车”，所以速度的控制是重点也是难点，要尽可能在车不冲出赛道的情况下速度达到最高，即要求芯片对电机有加速和制动两类控制。我组暂定使用MC33886，其功能基本可以达到要求。若采用单片驱动芯片MC33886，但它自身驱动能力较差。鉴于此，我们采用多片MC33886并联或者选用功率较大的驱动模块，这样就保证车以足够的马力前进，可取得更好的效果。6 机械结构由于今年比赛会出现15度坡道，会对车的外形有限制，如前部传感器的安排和高度。从稳定性、重心、重量及美观等各方面考虑，重点在寻迹传感器位置排放，放低重心，均衡车身重量等方面改进车的机械结构，使其能够很好地配合软硬件策略，保证车以最佳的状态行驶。六、课题的进度安排3月05日3月18日：安排毕业设计计划，分配设计任务。3月19日4月01日：了解本课题设计要求，学习相关材料；毕业实习。4月02日5月27日：CCD寻迹模块的硬件和软件设计和制作；完成开题报告以及相关知识点的掌握5月28日6月10日： 完成CCD寻迹模块的安装和其他相关硬件整体调试；6月11日6月15日：编写毕业设计论文和准备毕业答辩。七、参考文献1 Ho W K,Hang C C,Cao L S.Tuning of PID controllers based on gain and phase margin specification.AutomationJ, 1995.2 /韩国比赛技术文档和文献,2005年.3 邵贝贝.单片机嵌入式应用的在线开发方法.北京：清华大学出版社，2004.4 魏永广，现代传感技术M，沈阳：东北大学出版社，2001.5 许欢，唐竞新，调制光寻线系统及其在自动行走机器人中的应用J，清华大学学报，2002.6 吴建平, 殷战国, 曹思榕, 李坤垣. 红外反射式传感器在自主式寻迹小车导航中的应用J. 中国测试技术，2004.7 黄萍莉，岳军，图像传感器CCD 技术.RECORDING & MEDIAJ，2005.8 TOSHIBA