567 大学生方程式赛车设计（总体设计）（有cad图+三维图）
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大学生方程式赛车设计（总体设计）
摘 要
本次毕业设计为期两个多月，进行了方程式赛车的总体设计。在设计中，主要运用了对比分析的方法，各项参数通过优化设计和UG、MATLAB等进行优化。
初期阶段，我们根据2012年大学生方程式汽车大赛规则确定了赛车整体布置方案，并进行论证与分析，初步确定赛车主要参数。通过计算与对比，确定发动机型号，初选传动系最大传动比、最小传动比。
中期阶段，我们设计中使用UG7.0三维软件对各个零部件总成进行建模和整体装配，并进行悬架、转向的运动干涉分析。利用发动机动力特性曲线特点，用MATLAB软件绘制出赛车驱动力-行驶阻力平衡图、加速度曲线图等，并详细计算赛车燃油经济性。
最后阶段，利用UG7.5进行导出赛车总体布置二维工程图，并制成总体参数表，并将第三代赛车与第二代赛车进行对比分析。对于考虑到的实际生产中可能发生变化的悬架、车架和转向部件，预留方案。
通过本次毕业设计，了解和掌握了对汽车进行总体设计的步骤和方法，巩固了本专业的所学的专业知识，增强了搜集资料、整合资料的能力，这些将为我毕业以后从事汽车设计工作打下良好的基础。
关键词：FSAE，总体参数，参数确定，总布置,赛车动力性,燃油经济性
- 内容简介：
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on u 00081, 00084, In to of a a of of of MT is on at of on of MT is of of MT of of by of is of MT to in is . is of in in to in of be as of is As a of in in of on of of we a of a F . of MT he of a of a a 23on H, It of MT at 1is by 2122. is to 3. is to 4. at 2to of 5, 7. 1 of MT . to of of a of of of is on in be by as in 5 be as in be as be a it is of of be an it is of a it is a in to in of io 7/$ 2007 890of 007 - 8, 2007, 121; 223. of of 57. be as a of is by of qm . 1is a in is 0is a in is 10 2019181716151413121129 28 27 26 25 24 2322219 8 7 6 5 4 3 2 1 5958575650 55 553 52 51 4847 46 4544434249 4140393837363534333231301 I 10 C 0 1 Se TF 0 1 11of MT of on Ns/m). of of of of of on of in Ns/ of in of in of in of in of of in of of in of of m/N). of of of in ). of in of of of of of of of of of of of of of of in Ns/ in of of of of of of of of C. of MT of to of of to of In a p of of as of 510. If of to of of in on of of is to of of of 91of of MT as to in o, is to of to of of o, as 274) 111215) 43149) of of MT is 2: )(2)(9)(11(18(20)(27)(31(34)(37)(43)(55)(58U to of by of be as of to 12 be as 272) 2711191) 1821112112129111111) 2031111811) 5520331822011 (8) 272229122227)( ) 3431273111)( (10) 37343134111) 433734371112) 432323734313) 5843203551114) 5) 121211231n of MT be in In of is of of of of in of of of as of 245is 6%. s) 3 of as 892 of of as of 779is 5%. s) 4 of as a of as of of is a In of of is to of is , 10 0, 20, 8, 4 ( of of 3, 108, 255, 505 7%, 12%, 4%, 2%. s) 5 of as of of of as of of 220is 3%. of MT by is a of of of is is of is On is is (in of to is of % s) 6 of as of he of is on As be of as of on of of of 7, 121, 204, 519 2%, 38%, 11%, 5%. s) 7 of 893 of of of 87%. of of of is to is At of of of is of a of a as s) 8 of of of of MT is on be to of a On of is in be to a On of is a of to s. of in of A on of be 1 X. 1998, 2552 D. T. “A of 338, 212001. 3 M. M. “of C as 36, 6832001. 4 N. N. Y. “ 26(24), 542000. 5 Z. 2000. 6 J. “ i19, 97999. 7 J. W. “ 20, 43998. 8 R. F. P. J. “ of 336, 12251999. 9 W. B. J. U. “ 53, 3812000. 10 R. J. C. “ 337, 5792000. 894N , 18, I, 995 of . W. S. . . CM be by of or X Y to or as a of to on of of a of is in an on of de ac on a of CM I. CM in to of to is to of be by CMs or or X Y a is a of s, no if it is a or a 1994; 3, 1994. is by 3at 4, 1994. 2701 407917. x Y Y 9 (b) 1. of 300 of is to of to of 11. is a as as in It of to a of is 1. a in CMs or of as a as a l(a), on at a to ( 10705$995 00 N 2. “, 18, 1, ,is l(a) to of or of on l(b). a of In of is no if be be at an of be as 2. in of a “( up to of at or An be of a or nP as a of . . 5P . 3P . . 2P or at A is to a “( in 0 pm a 00 pm 0 pm be (or 20 pm 3.) in be 20 pm 3. 995 4. (a) (b) at 0 pm 160 pm 4(a). 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P 8510 P 4291A A 5 be 510. 9 of of VX 00 of in 3.2 1.6 00 00 is to 291A, 00 as 10. of .1 pF is 0 VX in in to in in 00 00 is be by or by of to is as of 0 A of pro液压机械传动系统双流工况动态特性研究 摘 要 ：研究液压机械传动系统的动态性能。根据功率键合图规则，建立二段式液压机械双流无级传动装置双流传动工况的键合图模型，并以惯性元的广义动量和容性元的广义位移作为状态变量，推导出系统的状态方程。根据键合图模型，分析了该无级传动系统的动态响应特性，分别得到负载、输入转速和斜盘摆角变化时，系统输出转速和系统主油压的响应曲线，同时分析了液容变化对系统响应速度的影响。分析结果表明，该系统动态响应达到稳定的时间为 液容增大时，达到稳定的时间将延长。 关键词 ：液压机械 无级传动；键合图；动态仿真 一、 简介 液压传动与机械传动复合构成了液压机械双流无级传动。液压传动部分的输出转速与机械传动部分的输出转速通过差速装置汇流后输出，当变排量液压元件的排量变化时，就可获得连续变化的输出转速。液压机械传动作为一种无级变速传动形式，已应用在军用车辆的直驶和转向上。但目前对液压机械无级传动的研究还主要停留在结构设计和静态特性上。 通过功率键合图理论的应用，我们建立了一个两范围液压机械传输系统的键合图模型，并模拟了其动态特性。 二、液压机械传动系统模型 1、液压机械传动系统结构 研究的二段式 液压机械双流无级传动系统的结构简图如图 1 所示，该系统由 3 个制动器、 4 个行星排、 1 个变排量液压元件和 1 个定排量液压元件组成。制动器 C L 制动、制动器 C R 分离时，行星排 作，为液压机械双流传动工况。此时，由齿轮 入的功率经齿轮 z 21和 路功率经齿轮 z 3 给液压传动部分，一路经齿轮 z 4 给机械传动部分，最后两路功率在 星排汇流后，经齿轮 出。 图 1 液 压 机 械 无 极 传 动 系 统 简 图 2、系统建模 通过分析图 1 所示的液压机械传动系统的功率流程，并根据键合图规则，建立了该系 统双流传动工况的键合图模型。通过分析图 1所示的液压机械传动系统的功率流程，并根据键合图规则，建立了该系统双流传动工况的键合图模型。如图 2 所示，图中对所有的键进行了编号，不同键上的变量用相应键的编号作为下标进行区分，例如标号为 25 的键上的势变量和流变量可表示为 键合图中各符号定义如下： 动力源，可看作一个流源，向系统输入转速； 为负载，可看作一个势源，向系统输入转矩； 处为一个势源，用以保持液压回路中低压油路压力恒定；齿轮 z 1 到 ； 齿轮 z 3的传动比； 机械路汇流传动比； i 液压路汇流传动比； 齿轮 传动比； 变排量液压元件，此处用可变回转器表示，回转器模数由信号发生器参数 定； ； 1 结点为共流结，流变量相等； 0 结点为共势结 , 势变量相等 。 图 2 液 压 机 械 无 极 传 动 系 统 键 合 图 模 型 输入轴粘性摩擦系数 (单位 : N s )； 阻碍变量液压元件转动的粘性摩擦系数； 输出 轴粘性摩擦系数； R 单位 : N s )； 低压油路中油液的泄漏液阻； 变量液压元件的泄漏液阻； 定量液压元件的泄漏液阻； Lj 机械路传动比主动部分轴系粘性摩擦系数； Lj 机械路传动比被动部分轴系粘性摩擦系数； Lj 汇流轴系粘性摩擦系数； 输入轴柔度系数 ( 单位 : m 输出轴柔度系数； 变量液压元件内部油液的液容 (单位 : )； 定量液压元件内部油液的液容；Cj z 1 为机械路传动比主动部分轴系的柔度系数； Cj z 2 为机械路传动比被动部分轴系的柔度系数； 输入轴转动惯量； 变量液压元件的转动惯量； 定量液压元件的转动惯量； 输出轴转动惯量；单位 : N s ) ； Ij z 1 为机械路传动比主动部分轴系的转动惯量； Ij z 2 为机械路传动比被动部分轴系的转动惯量； Ij 汇流轴系的转动惯量。 3、系统状态方程 应用键合图法进行系统动态特性分析，就是根据所建立的系统键合图模型，合理地选择系统状态变量，建立系统状态方程。一般取惯性元件的广义动 量 p 和容 性元件的广义位移 q 作为系统的状态变量 5 1 0 。 按照优先积分因果关系的原则进行键合图因果关系的标注时，有时系统键合图部分储能元件具有微分因果关系，在这种情况下，系统状态变量的个数等于具有积分因果关系储能元件的个数。具有微分因果关系储能元件的能量变量，依赖于系统的状态变量，为非独立变量。在列这种类型的键合图的状态方程时会产生代数环问题，建立的液压机械无级传动系统键合图模型即为这类模型。在图 2 中，惯性元 Ij z 2和 的能量变量即为微分因果关系。解决的办法是用有关的状态变量表示微分因果关系储能元件的 广义动量和广义位移，将所得的表达式对时间求一阶导数。由此可解得惯性元 Ij z 2 和 变量表达式为 ： 4 2 7o p i (1) 21 5 1 11 (2) 14 9 4 3 (3) 这样 , 系统的状态变量就只有 12 个， t)， t)， t)， t)，t)， t)， t)， t)， t)， p 43(t)， t)， t)。 该系统的输入向量 : U=n0 T。根据键合图反映的系统的结构特性，将 各状态变量的微分写成各状态变量和输入变量的函数关系，经推导整理后，可得到下列 12 阶状态方程： 2 2 7n (4) 9 1 1 2 711 p (5) 2 121 1 9 1 1 1 81 1 1 1 211j z j z j zj z j z j z j z j q p i I C i C (6) 1 8 1 1 2 01311j z j z j zq p I (7) 32 0 1 8 2 0 5 52311z j z h z b bp q p i i C (8) 222 7 2 9 2 7 3 12 2 1 2 2 2( ) ( )o p p f p o p o p j z p pi i i i l t q t qp q q p q C C C I C C C (9) 3 1 2 7 3 1 3 4() 11pp p p g p q C I (10) 3 4 3 1 3 4 3 711g l q p C (11) 3 7 3 4 3 7 4 31 1 1g l m m d lq p q C I (12) 24 3 3 7 4 3 5 523 3 3 31 1 1f m m d m d l m h y b q p q C q I C q i i C C (13) 5 5 2 0 4 3 5 831 1 1h z b j z h y b m d l bq p p pi i I i i q I I (14) 5 8 5 5 5 81 q p (15) 式中， 21 2111 ； 222 1o p i ；3 21 q 。 三、动态仿真 将已知的液压机械无级传动系统的结构参数和计算参数带入上述状态方程，并应用仿真软件在计算机上进行动态仿真。仿真时，首先为系统赋初值，待系统稳定后，再施加激励，记录此时系统的动态响应结果。图 3 至图 8 是系统输出转速和泵马达系统主油压在不同激励状态下的响应曲线。 图 3 系 统 的 阶 跃 响 应 A 图 3 是负载跃变时输出转速和系统主油压的 阶跃响应曲线，油压响应的上升时间为 22节时间为 445调量为 86%。 图 4 系 统 的 阶 跃 响 应 B 图 4 是输入转速跃变时输出转速和系统主油压的阶跃响应曲线，输出转速响应的上升时间为 17节时间为 479调量为 65%。 图 5 角 摆 动 板 改 变 的 系 统 斜 坡 响 应 图 5 是变量泵斜盘摆角斜坡激励时的一族响应曲线，斜盘摆角由0 到最大值 (相对变化率 E 取值为 0 1)的上升斜率分别取 50， 20， 8，4(对应斜坡上升时间分别为 输出转速响应的上升时间分别为 43， 108， 255， 505调量分别为 47%， 12%，4%， 2%。 图 6 系 统 的 阶 跃 响 应 C 图 6 是斜盘摆角阶跃变化时输出转速和系统主油压的响应曲线，输出转速响应曲线的上升时间为 22节时间为 420调量为 73%。 作者建立的液压机械无级传动系统键合图模型是一个线性系统，仿真结果表明系统响应速度较快，稳定性好，但阶跃响应的超调量较大。在斜坡输入状态下，斜率大于 8(斜盘摆角从 0 到最大值变化的时间不小于 ， 系统的超调量不超过 5%， 系统过渡过程接近稳定状态 。 图 7 系 统 的 斜 坡 响 应 B 图 8 系 统 的 阶 跃 响 应 D 图 3图 6 所示的仿真结果，是在图 2 所示模型中的液容 取 得到的，当其他条件不变， 取 ，可得到图 7 和图 8 所示的响应曲线。图 7 为斜盘斜坡激励时的转速和压力响应曲线，输出转速响应的上升时间分别为 87， 121， 204， 519调量分别为 52%， 38%， 11%， 5%。图 8 是斜盘阶跃激励时转速和压力的响应曲线，输出转速响应的上升时间为 68调量为 57%。与图 5，图 6 所示仿真结果相比，当液容增大时，系统的响应速度变慢，达到稳定所需的时间 也延长，但响应的振荡次数减少，压力的波动量也减小。斜坡响应的超调量有所增大，阶跃响应的超调量有所减小。 四、结论 根据键合图规则建立了二段式液压机械无级传动系统双流传动工况的键合图模型，该模型可用于分析系统的动态特性。 当变量泵的排量为某一个定值时，所研究的系统简化为一个线性定常系统；当变量泵的排量随时间变化时，系统是一个线性时变系统；斜坡输入的斜率取 8 时，系统的过渡过程接近平稳。 系统的液容取值影响系统的动态响应性能，可对液容的影响以及液阻的影响进行深一步研究。 参考文献 1 . 车辆传动系 统分析 M. 北京 :1998 :2552 , . “A J. of 2001(338):213 , . “of C as J. 2001(36):6834 , , . 功率匹配轴向柱塞泵的动态仿真研究J. 甘肃工业大学学报 , 2000, 26(24):545 . 键合图理论及 其在系统动力学中的应用 M. 哈尔滨 :哈尔滨工程大学出版社 , 2000. 6 . 键图理论在汽车制动驱动系统动态模拟中的应用研究 J. 西安公路交通大学学报 , 1999, 19:977 , . 键图理论在液压控制系统动态仿真中的应用 J. 武汉汽车工业大学学报 , 1998, 20:438 F, J. “J. of 1999, 336:12259 , , U. “ J. 2000, 53:38110 , , . “J. 2000, 337:579 10 摘要 板的生产成本显著减少，是通过将基板层从传统的四到五层（电源，接地， X 信号， Y 信号，垫）减少到二至三层实现的。 除了减少直接处理步骤 外 ，消除有缺陷的生产操作也使 产量 得到 增加。 本文介绍了互联网发电系统（ 一个新的互连拓扑结构。它是 利用精细光刻线的生产技术，生产出 允许电源平面 和地 分布 ， 以及 密集的信号互连， 布置在 两个金属层的基板 上 。本文还对 拓扑的几个可能的实施进行了 说明。 对 测试媒介的 信号 传输以及 配电 拓扑特点的设计进行了讨论。 试验媒介已经在 入到 了硅工艺开发 所 使用的铝聚酰亚胺化合物中。 各种信号 /电源 /接地配置的信号传输测量结果（阻抗，延迟和串扰） 会被 呈现出来。 与固态功率 、 接地 层的测试介质 相比 较 后， 电源分布特征（直流下降和交流噪音）被显现出来 。 从测试媒介的测量特点，适用性（时钟频率，功率等）来看， 测试媒介 已被确定为 扑。 而 启用 降低基板成本，可以使大多数 应用从中受益。 关键词 多晶片模块，降低成本，功率分配，去耦， 交指型晶体管，网格位面 1、 引言 为了达到计划的经济规模，除了生产大面板格式的 板以外， 降低基板成本 最 可靠的方法就是减少制造过程中的步骤。 尽管 减少材料成本和 调整工艺 可以 起到 一定的作用 ， 但是 通过消除基片层的方式 可以 获得更 大幅度的 成本 降低。虽然一些简单的 板已经由一层或两层金属 层 来制作，但是几乎所有的 需要四层或五层的基板层：电源平面，地面平面， X 信号， Y 信号，有点还需要一个衬垫层。这种拓扑结构是印刷电路板 结构 设计的自然延伸。不幸的是，对于大多数 言 ，每一个金属层的成本大致是相同的，无论是一个纯金属平面或者 是 需要 300cm/线能力 的布线层； 这是由于沉积和光刻技术 造成的 。此外， 比起按顺 序 钻布线板通孔的工作，批量处理的生产方法至今没有 在 生产上 得到应用 。 11 图 1. 扑的推导 2、 互联网发电系统（ 是一种新的系统拓扑结构， 它 允许低电感平面电源和地分布，以及密集、 受控 的阻抗和低串扰信号传输集中布置在 两个物理布线层上 。 采用精线的光刻技术 生产方式和 及部分 批量生产特征来 建立一个使用标准的印刷线路板的方法不经济可行的数据结构 。 图 2. “稀疏” 实现 12 图 3. 粗网格 图 1 中是按顺序示 出的功率分配结构的推导。许多 电源或接地，考虑的都是一个相似的网状平面。不以孔的平面为参照，而是 将 X 和 Y 中的导体以一组的形式来进行考虑。在图 1（ a）中， X 的导体和 Y 导体被放置在两个分开的金属层，在每个交叉都提供保留的平面特性。（与线相比，过孔通常具有较低的电阻和电感。） 这种 “ 互联网 ” 平面产生的电量相较于传统的网状平面是合理的，但它的拓扑结构相较于传统的网状平面是不同的。图 1（ a）中的网格， 在导体与导体之间有着 足够的空间 ，能够在相同的两个物理金属层的联通通孔中插入与它们本身极性相反的叉式导体（电源或地）。由此产生的 “ 互联的网状 ” 结构，形成一个具有必要的低电阻和电感的完整配电系统。 在这种 “ 密集 ” 的电源和接地导体之中， 没有信号。 然而，如果每一个其他的电源和接地导体（和相应的通孔）被删去了，随之而来的 “ 稀疏 ” 功率分配网状结构仍然是平面的，但是其中含有较少的金属，这样会产生更大的电阻和电感。两倍的最小导线间距在平均间距的信号布线中可以设置出来，如图 2。然而，这样安排的结果，会在相邻的信号轨道上造成潜在的串扰和差的阻抗控制性能。 许多的 “ 罚款 ” （即最小设计规则）互连的网格与信号线分代最多的变化是可能的，几乎一半的电源和接地导体，但始终保持至少有一个电源或接地导体相邻信号之间导线。在可用信号线密度和配电完整性结果之间做权衡，并且照顾必须采取不 “ 断开 ” 部分的电源或接地平面的要求。以下的线序表明几种可能性，数字表示平均信号线间距为最小线间距的倍数 ： 5P 13 . 3P . . 2P 最后一个序列可能 “ 断开 ” 或至少是 “ 不平坦 ” 电源平面。 图 4. （ a） 信号功率和地面之间的界限 （ b） 高密度的信号线 一个更好的解决方案是采用 “ 粗调 ” （即非最小设计规则）网供配电。例如，在 术与 20 微米的 最低线和空间，电源接线可以采用一个 100 微米的线 和60 微米的 空间设计规则 （电源或接地导体上的 320 微米间距如图 3 所示）。到 60微米的电源和接地导体之间的空间（ 160 微米的信号线间距，如图 4（ a），在不要求非常高的密度的区域中，将被插入的信号布线（ 20 点宽的导体）。 可能需要更大的信号线密度的区域，以便 信号线可以 “ 落入 ” 80 微米的信号线间距的 电源或接地导体 中 （图 4（ b） 。 请注意，分割电源或接地导体使用四个信号大小的孔，在适当的交叉更换功率大孔保持连续性网状。这些几何信号传播特性的影响将在稍后进行讨论。 与 75 微米间距线（ 25 微米线宽和 50 微米的空间）相比， 80 微米的信号线间距在许多传统的 号层上被使用，以减少串扰。 扑结构以插入每对信号线之间交流接地导体的方式，提供更大的降低串扰。 of 007 17/$2007 第二代微车的协调控制和测试平台传感策略 摘要：本文介绍了第二代经济合作控制实验平台 C. H. 议在 2006 年 。原来的汽车通过提高车辆与主板上的范围进行检测，有限的电路板计算，无线通信，同时保持经济上的可行性 台，采用了灵活的毛毛虫带驱动器和相同的模块化传感和通信组件。我们运算后验证，最近提出的合作转向展示出实际使用的测试平台涉及避障 。 介绍 计算机仿真，作为一种工具来验证合作控制算法的准确度一样好模型反映了现实世界中的参数。一个真正的汽车测试平 台是向前迈出的重要一步，以验证算法效益。作为在自主多辆的利益运动持续上升，作为一个宝贵的测试平台仍然学习工具观察理论在现实世界中行动。同时满足节省成本和空间的限制去按照 1:1 比例多辆测试平台是不切实际的。即使有一个按比例缩小的方法，许多测试平台涉及 10小车辆在室内环境中不能机动。为此，一小型化，经济的微型车测试平台开发中，在一个集成系统中，使用 1/64 大小的车辆架空相机定位和板运动规划。该平台展示了一个多功能的可能性合作测试平台领域具有成本效益的设计（所有的材料和计算成本小于 4,000 元）。本文 描述这个二代的设施，其中有第二代许多新的功能，同时维护的总体成本和原来的设计规模。第一代车辆基于一个 汽车底盘，它具有三个离散转向状态，单速，无板加工，一个缓慢的双向无线通信速率（ 13该第二代车辆在 30种不同的底盘设计来实现，一个基于的基础上的罐体上车平台和一个第二一只毛毛虫式驱动器，允许一个可以忽略不计的转折点半径。硬件分为多个子模块，可以用来缓解未来的扩展和升级。更新相机定位软件可以更好的对上面的跟踪。该路径规划软件离板根据不 同的应用。在本文中我们演示应用程序利用动态协调 14法律和累积和算法控制障碍检测 19的启发。所有的运动规划板和单板计算机只用于架空相机信息通信从车辆的传感器数据。我们的新的地面车辆 2似的功能，同时保持以每辆车 160 元的顺序，一个子 的材料成本底盘。一个口袋大小的发射器连接到一台笔记本电脑通过串行电缆，从而使得整个平台便携。在某些情况下，我们也有兴趣在实时障碍物检测板上的红外传感器发挥了的作用。位置跟踪系统更新率和准确性得到改善。 本文的结构如下。第 分中，我们提出了整 个系统的结构，跟踪系统，车辆硬件，局部运动控制和物理模型。第 节数学模型的运动车辆。第 节介绍了一套不同的任务转向控制法。第 节介绍了实施控制法律的任务圆以下，分裂和合并的一组，点对点运动的一组动态避障。 多微车实验平台 A 车辆平台 图 1 为平台的系统图 图 1 实验平台的系统图 图 2 （左）轮式车和（右）履带坦克车 图 3 轮式车车载系统的示意图。履带坦克车系统原理图与上述相同，除了它具有另外的电机代替伺服 我们设计了两辆车：一辆汽车和一辆坦克。汽车用了 型遥控特别版轿车 ，它有 21,500 电机和 12:1 传动装置 。它在向前或向后的方向都有后轮驱动。它使用一个电位转向转向控制器提供反馈到测量仪，该测量仪。该坦克用了 / C 微型坦克，它有 96:1 传动比率，有爬上 38 坡的能力。它有两个电机，一个控制左带，另一个控制右带。他们的电子系统的基础结构是相同的（参见图 3） 。为了便于安装和灵活性，车辆有四个主要的硬件模块，处理 H 桥电路板（ ，一个上层电路板，一个底层甲板和车辆底盘。相互通过螺钉和 /或套筒标签（参见图 2）连接。这种配置允许未 来的扩展和升级。如果需要变成不同的机箱或不同的车辆，只需更换下层装甲。此外，通过更换 可以提高处理能力。表 I 显示与 1中的第一代汽车相比，新的车辆的物理尺寸。需要注意的是车辆配备远距离红外传感器比之前长了 1g。 表 1 车辆的物理尺寸 图 4 （左）无线通讯模块。 （右）定位标签样品 处理板。我们使用预组装的处理器板从 具有 8 位 6微处理器和两路 500定 H 桥。该模块是略作修改，以适应整体的硬件结构。此板坐在上层装甲上，并通过无线模块连接到一个 5V 电平转换器。 上层装甲上有机器人的主要组成部分，通信模块，电源模块，红外传感器和连接器。主电源存储器是一个单结构 聚合物电池。我们利用升压稳压器提供 5V 和 压器低压降，这样可以保持稳定的通信单元和处理器模块一个 8V 电源轨。 下层装甲。通过板紧螺丝紧固在机箱上。它承受安装底盘和上层之间的力。它还为插入的锂聚电池以及开关提供了空间。 红外传感器是 接近 型 夏普的 K。它们的范围分别为 20 到 150 厘米， 10 至 80 厘米。如果一个对象进入其有效范围，输出电压为高。手动校准传感器和细节在 12中进行了讨论。 无线通信模块。为了帮助开发成本，我们选择了预组装 发模块 13 作为微控制器和站之间的无线桥接。模块成本 27 美元，尺寸为 2米，额定电流为 16作为低功耗 线串行接口，该模块可以很容易地与 跟踪计算机集成。该模块工作在 902- 928 段 ，具有独立的通道来传输和接收，从而让我们实现了全双工系统的灵活性。在图 4 中示出的无线通信模块。当前的设置，我们就实现了最大数据速率为 比特 /秒，这是足够 30定位更新。 软件体系结构包括一个低的电平控制层和用户应用层。控制层由四部分组成：一个任务调度器，一个基本的运动（转向和速度）控制器，传感器测量采集和通信。应用软件可访问控制层，改变车辆运动，沟通与跟踪系统，检索范围的传感器数据。 调度器。一个简单的任务调度器调节转向的更新速率，电机驱动控制，以及传感器读数。在启动时，每个任务注 册调度优先级，更新率，以及一个回调函数。由于调度程序的主要用途是更新的各种本地控制系统，没有任务允许运行时间超过一毫秒的调度器的分辨率。计划任务不能执行任何阻塞调用，如果该任务正在等待更多的资源，需要重新安排自己以后再次运行。计划任务通过优先解决冲突，如果两个任务具有相同的优先级，将按初始登记的顺序执行。一个用户可以预定任务，但它具有最低的优先级，可以被任何控制器任务抢占，以确保车辆正确的操作。 车载基本运动软件。转向速电机由两个脉冲宽度调制（ 道，通过两个 H 桥控制。控制电机速度简单地通过改变脉冲宽 度控制，而方向盘控制需要任务调度中的闭环反馈控制。电位器的模拟 - 数字转换器（ 的模拟电压馈送微处理器。任务调度允许 调用为其他的工作释放处理时间，同时等待完成转换。返回的 50向角有 51 ，最左边为 50 ，中心为 25 和右侧为 0 ，精确度为 1 。 25 偏移的建立时间是 。 图 5 示出转向控制器的性能。 坦克的基本运动软件。坦克独立地驱动两个皮带，导致在向前和向后移动中可以任意半径的转弯。在实践中，我们发现可以简单以直线运动或转弯构建路径。 状态机是负责两个演习的执行顺序。速度和航向为输入参数。我们假设方向的优先级比速度的更高。完整的运动状态序列如表二中所述。直线和转弯机动依靠航向角反馈跟踪系统。我们用一个简单的比例微分反馈控制计划使坦克在稳定的方向上前进。注意，左侧和右侧的驱动程序是不相同的，一些电气和机械的差异存在。一个比例闭环控制器改变左，右驱动强度，以保持直线运动。 红外传感器测量采集。红外传感器采用另一个 道，以提供的瞬时数字化测量。执行率在任务调度时被指定，通常在为 25各种过滤器可以编码，以适应应用需求。对于本文中所描 述的应用程序中，我们实现了一个障碍物检测（见下文）的累积求和算法。另一个应用程序，动态可见性 12，使用一个 划范围传感器所获得的空间点云数据处理方法。 通信软件。车辆的跟踪数据堆叠在一起，并通过串行端口作为一个包发送。跟踪数据的接收是中断驱动。接收整个包时，车辆可以提取其自己的和其他车辆的跟踪信息。我们利用 跟踪计算机上的串行端口接口。 车辆的跟踪通过对两个开销相机的图像分析完成。物理设置与 1中相同。辨识汽车使用的标记被放大了 15，标记的位已被从线条更改为 方格以免误认。图 4 （右）显示了一个新型车辆的标签图案示例。 此外，跟踪算法的性能通过阈值处理，分辨那些由汽车标签形成的图像的轮廓，得到增强。具体而言，建立一个边界矩形使得它封闭了一个轮廓，而不必与图像平行，而不是围绕每一轮廓建立最小面积的矩形（矩形的两面平行于图像平面）。由此，可以限制矩形的长度和宽度，而不是它的面积，前者提供了更具有识别力的判别过程。 修订后的视频跟踪算法达到最大航向误差 3 ，而老算法最大的误差为 9 ，而且还保持平均为 1 个像素的位置误差。此外，如果没有噪声或闭塞（即用于清洁图像输入文 件）的存在下，车辆被误判的概率降低。 图 6 。开环测试车辆的运动规律（ 1 。星星代表在测试平台上的汽车的运动，而圆点代表一个计算机模拟的议案 车辆运动模型 A. 简单的汽车模型 以下方程组，改编自 1 ，汽车运动的模型 其中 x 和 y 均代表实验室参考系中的车辆的位置坐标， v 为车速（正，如果前进和倒退如果负） ， 表示车辆的角度标题中， M 是车辆质量， F 为在车辆的最大驱动力， 是与地面的摩擦系数。参数 入控制参数 255 对应的实力油门， 255 全面落后，全面推进， | 。该参数 0，50 表示的 51 种可能的车轮的转向角。图 6 比较车辆运动的计算机仿真测试平台上的物理实现的命令。在这里， F = M cm/车辆质量。 从前轮后轮和 = /秒的长度。 我们适应模型 18 为坦克制定一阶系统： L 和 r 是左，右履带的角速度（弧度 /秒）， r 是与坦克带具有相同的履带周长的圆的半径， 坦克的宽度减去一条履带的宽 度。实践中，我们只有当 0 时限制坦克的议案的 d / 0。考虑这个限制： |L| = 55 - 其中： C 0 ，160 是左侧皮带的控制参数。逆时针旋转时， L = - | L | = - R 。顺时针旋转时 R = - | R | = - L 。当向前（向后） ， L = | L | = R 。 四。合作转向控制法 我们考虑最近一次的 于帧合作转向控制 算法中存在的障碍，由于摩根和施瓦茨 14，来源于 创作品的灵感 15 。微曲线 Z（ S） 长参数化描述的车辆的运动。设 x 表示从车辆的位置，在切线向量 dz/向的和 y=x 相对于 x 的正方向。每个车辆的运动模拟 其中 k 是该车辆指数。车辆以单位速度移动和第 k 个车辆路径的曲率为标量 控制律通过动态改变英国创建车辆两两之间的相互作用指定。 定 ,其中 有 ， = (|r|), = (|r|), = (|r|)是制定函数 式 子 使车辆垂直于他们的共同的基准线。隐函数 f（ |调节车辆车辆之间的间距，式子 车辆转到一个共同的方向。这种控制法需要的位置信息内的其他代理（如下文所述）的邻域。 局部耦合和领导跟随的控制法 本地连接表现为限制每辆车的车辆周围，附近的可视距离范围。任何两个车辆内指定的彼此的距离以确保群集。本地连接控制律为： 其中 （ 7），并有 由于代理这样的局部耦合有利于大量的通信步骤的可扩展性。 一个指定的领导者车辆驾驶一群在一个特定的方向。其余的车辆（追随者车辆）遵循相应的，通过使 用本地耦合控制法，追随者和领导的车辆之间具有较强的的耦合。 其中 一个领导者的耦合常数， l （ k）是第 k 车辆最接近的领导车辆的索引。领导者车辆的控制律依赖于特定的应用。 （ 12） 全球控制律和 UL k 是局部控制法。如果有 m 个领导车辆， n m 跟随代理同伦的控制法为 其中 方程（ 7）中已经给出。 是一个反映领袖对追随者吸引强烈的耦合常数。领导代理同伦控制规律如下： 当存在一个以上的领导，本地连接可以利用分开成两个子群群，作为领导车辆驱动器在不同的方向和跟随车辆按照其各自的最接近的领导。下一节在测试平台上证明了这样一个例子。 D. 求目标 要靠近一个指定的目标，第 k 车辆使用 其中， 从第 k 个代理的位置到目标矢量， 是加权常数。只有第一项涉及的车辆之间的相互作用，以避免碰撞。第二项指示每辆车走向目标。这种控制法不保证蜂拥，但如果代理商开始在群取向，它很可能是他们呆在一起。 考虑一个固定凸对象在平面中，这是指由一组 m 个点的双向 均势 垒的方向矢量的计算方法为 其中， c （ ）是零以外的指定半径的切断功能的一个步骤。避免屏障的控制律，然后将式子 x 代入控制规律（ 10）。这个长期定位车辆垂直于 个标志引导车辆远离平均势垒方向。 五，执行 在本节中，基于上述控制规律，我们考虑了几种路径规划战略。至目前为止仍未有许多已发表的实验研究，使用这一类的控制律。我们提到一篇相关的论文 16 ，实现了一个基于曲率转向墙壁边界控制律，并演示了一个单一的代理。配套文件 17我们开发了控制律运动伪装使用我们的新测试平台的框架 15 实施。在下 面的例子中，我们考虑两种单代理和多智能体任务，包括那些依靠的范围内传感器来确定回避的障碍。 转向角 要描述 汽车的期望转向角 k 的曲率控制 ，我们使用公式 = K 18 ，其中 是汽车的转弯半径。因此，一辆汽车的转向角可以计算为： 量到 4 厘米。转向规律假定汽车拥有单位速度，因此，我们扩展 据实际车速。 基本圈跟踪的实现 这个例子是在实验台上围绕一个特定点半径已知的远的汽车。我们使用两辆车的模型，在该模型中，一辆车固定在圆的中心。我们设定 = 0， = = 1 时， 于圆的半径 r 且 | R |等于从汽车到圆心的距离。基本控制法变成： 其中， r = 汽车之间的距离。图 7 给出了基本圆跟踪控制规律在测试台上的实现。同一个汽车随 R 的变化有如下三个不同的圆形路径序列，达到一个特定的方向。 同伦控制法的实现 由于测试平台的物理尺寸的限制，上面所讨论的同伦控制律修改的序列的三个阶段。在第一阶段，指定两个领导，转向程序 （ = 0） 在精简通用控制方程（ 7）后得到的控制法方程（ 14）给出的。定期的全球控制的法律，在这种情况 下只包括领导人。依照控制规律（ 13）中的 uf o w （ = 0）定义四个追随者。在第二阶段，领导切换到 er k （ = 1 ） 图 7。同一辆汽车的路径轨迹（实线），依次是同心圆（虚线）的半径为 米， 米， 米时的轨迹。 其中， 一个明确的非交互式控制法，使领导彼此远离。控制律的追随保持不变，两个独立的领导人的带领下蜂拥造成传播。在第 3阶段，全局控制法方程（ 7）领导人之间的恢复，造成两群合并一起回来。注意控制律（ 7）没有定义群的方向，方向是任意 的，组重新合并的结果可能会导致在合并后的总方向不同，如图 8 所示的两个实验。 D. 目标追求的实施，动态障碍检测和避免 我们结合目标寻求 ，避免垒 E 和累积和算法 19 障碍物检测动态生成路径。一个（ 米的盒子沿朝着一个共同的目标运动的四辆汽车的路径放置。所有的汽车有盒子的尺寸和方向的先验知识，但它的位置不知道。盒子的最宽的表面垂直于汽车的初始方向。我们指定两个前车作为观察员。他们用车上远距离红外线传感器估计盒位置。一旦定位障碍物，数据被发送到计算站， 产生一个虚拟屏障。此信息被分配到所有四个汽车。虚拟屏障的结构如下： 第 i 个观察者检测到的障碍物上的点。接着靠着群在（ / 2 的位置，根据壁障侧面的中心构造一个长（ 2 ）、宽 2矩形。由于我们只有两个措施障碍物的距离，通过扩展障碍，以确保避免碰撞。当车以一定距离通过从障碍时，减少阻挡项的权重，以避免经过障碍物后路径交叉和车的碰撞。图 9 示出的执行情况的运动轨迹和快照。 图 8 前四个图像为测试平台中六辆汽车执行 分中所 述方案的时间序列数据。中间图为轨迹。圆点为领导位置；三角点为追随者的位置。下面的图为第二个实验中，一个跟随上层领导和三个跟随下层的领导的运动轨迹。在第二次运行时，该组在合并后的总方向是不同的，跟踪信息用像素域解释，相应的参数 = = = 1,每一个代理的 = 600，领导 50 和跟随车辆的 40 ， 20。 累计和障
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