CN101231797A - 硬件在环智能小车教学科研实验平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种机电一体化技术领域的硬件在环智能小车教学科研实验平台，其中：计算机中上位机软件模块分析处理小车状态信息，并给出针对小车的控制指令，计算机通过计算机通信接口与通信系统进行数据交换，上位机软件模块在接收小车状态数据帧后进行解析提取小车状态信息，并对控制指令进行数据帧合成以形成控制指令数据帧后发送；智能小车系统搭载各种传感器和汽车模型的运动执行部件，传感器采集的信息被合成小车状态数据帧发送到通信系统，智能小车系统接收并解析来自通信系统的控制指令数据帧后，提取其中有效的控制指令信息，并输出分别针对电机和舵机的控制信号，用于控制电机和舵机。本发明可以用于科研实验的模拟和演示。

Description

硬件在环智能小车教学科研实验平台

技术领域

本发明涉及的是一种机电一体化技术领域的实验平台，特别涉及一种硬件在环智能小车教学科研实验平台。

背景技术

在控制、模式识别、传感器、电子、电气、单片机、通讯和机械等专业和学科的本科实验教学中，每一专业和课程都有独立的实验平台，其实验设备和内容彼此之间相互独立、毫无关联，造成实验设备成本较高，而学生学习起来也费时费力，实验效果不尽理想。如果能设计一种涉及以上众多学科内容的通用型多功能综合实验平台，该平台既综合各种技术和专业知识，又具有生动的实验形式和内容，这样将节约实验设备成本，又能吸引学生兴趣，从而极大地方便学生实践和理解相关的理论知识，并能充分发挥学生的主动性和创造力。此外，在智能交通和车辆导航等科研领域，考虑实验成本、实验场地、安全性、交通法规等问题，经常采用软件仿真的方式设计和分析系统。但是由于汽车动力学模型比较复杂，难以精确建立，因此大多数纯软件仿真很难真实地反映实际的车辆行驶情况，从而失去了仿真的意义。汽车模型具有与真实车辆类似的动力学特性，成本较低，如果安装上一定的传感器和嵌入式控制器，就可以实现车辆控制和自主导航等功能。

经对现有技术的文献检索发现，全国大学生智能汽车竞赛中自主循迹小车就是这样的汽车模型(卓晴，智能汽车自动控制器方案设计，学做智能车——挑战“飞思卡尔”杯，北京航空航天大学出版社，2007，P1-22)。但是，一方面，由于涉及单片机程序设计、电子电路设计、传感器技术等知识，开发周期长、难度大，不适合教学；另一方面，单片机处理速度和片内资源有限，限制了复杂算法的应用。为此，清华大学开发了Plastid仿真系统，使用该仿真系统可以反复对原始设计方案进行研究得到最优方案后，再进行实车设计和实际赛道实验，从而减小了开发费用和时间成本，提高了智能车开发效率(周斌等，基于虚拟仪器技术的智能车仿真系统，电子产品世界，2006年02期，P132-134)，但是该系统是纯软件仿真，动力学模型较为简单，动画效果也不够逼真，其应用相当有局限。

发明内容

本发明的目的在于针对以上问题，提供一种硬件在环智能小车教学科研实验平台，使其能够用于自动控制、模式识别、传感器技术、电子设计、直流电机、单片机技术、通讯网络技术、车辆工程等本科课程教学实验，同时也能够进行智能交通领域的多车协作实验、智能车辆领域的车辆导航实验等科研实验的模拟和演示。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括计算机、通信系统和智能小车系统三部分组成，计算机的控制指令通过通信系统发送到智能小车系统，智能小车系统的小车状态通过通信系统发送回计算机，实现了计算机对智能小车的实时控制，其中：所述计算机提供上位机软件模块的运行环境和计算机通信接口，上位机软件模块分析处理小车状态信息，并给出针对小车的控制指令，计算机通过计算机通信接口与通信系统进行数据交换，上位机软件模块在接收小车状态数据帧后进行解析，以提取小车状态信息，并对控制指令进行数据帧合成以形成控制指令数据帧后发送；所述智能小车系统为该平台的终端，搭载各种传感器(主要为路径识别传感器和测速编码器)和汽车模型的运动执行部件(主要有电机和舵机)。传感器采集的信息被合成小车状态数据帧，然后发送到通信系统，智能小车系统接收并解析来自通信系统的控制指令数据帧后，提取其中有效的控制指令信息，并输出分别针对电机和舵机的控制信号，并将该控制信号用于控制电机和舵机。

所述的计算机是整个平台的控制中心，它提供上位机软件模块运行所需要的软硬件环境，并且提供与通信系统连接的通信接口。用户可以在上位机软件模块的用户操作界面上进行参数配置和导入控制算法；该模块的小车状态显示界面可以显示出小车当前的运行状态。小车状态作为上位机软件模块的输入，经过计算机上的通信接口读取到计算机里，并且在计算机上实时显示出来；上位机软件模块的输出为控制指令，包括舵机转向指令和电机控制指令，这些控制指令经过计算机的通信接口输出，进入通信系统。

所述通信系统包括无线模块，计算机的通信接口和智能小车系统的通信接口分别与无线模块相连，计算机和智能小车系统通过无限模块实现数据的交换。如果在无线通信中使用的无线模块不能或不够方便地直接与计算机通信接口或智能小车系统的通信接口相连，则通过有线通信进行转换和连接。把所述的无线模块和有线通信组合在一起，构成通信系统，具体的无线模块实物和可能需要配置的电缆等称为通信设备。在计算机端和智能小车系统端都设有这样的一套通信设备，计算机端的通信设备固定放置在能够覆盖实验场地的位置，智能小车端的通信设备搭载安装在汽车模型上。

所述的上位机软件模块运行在计算机上，面向用户，用于对在地面行驶的实际汽车模型实施控制，上位机软件模块把控制指令形成设定格式的数据帧，称之为指令数据帧，指令数据帧被输出到计算机通信接口，计算机通信接口进一步把数据帧发送到通信系统位于计算机端的输入接口，通信系统中的无线模块可以识别这样格式的数据帧并以无线电波的形式发送。在通信系统的智能小车系统端，首先由该端的无线模块接收周围环境中设定频率和信道的无线电波，并还原成指令数据帧输出，然后把该数据帧进一步发送到智能小车系统的单片机系统模块中。从而完成了从计算机到智能小车系统的控制指令传递过程。

所述智能小车系统由道路模块、汽车模型、单片机系统模块、舵机模块、电机驱动模块、测速编码器、路径识别传感器模块、硬件调试模块、电源模块等部分组成。道路模块提供汽车模型行驶的场地，道路模块中央有一根与道路颜色明显区分的线条作为引导线(例如白色底板上的黑线作为引导线)。汽车模型是整个系统的底层模块，是被控对象，也是搭载单片机、舵机、电机和各种传感器的载体。单片机系统模块解析通信系统发送过来的控制指令数据帧，提取其中的有效控制指令，再经过舵机模块和电机驱动模块的执行，从而完成汽车模型的转向和加减速控制。测速编码器负责采集汽车模型的实时速度数据。路径识别传感器模块(主要包括红外光电对管阵列、摄像头)把道路信息采集进来，送入单片机系统模块，经过单片机系统模块的处理和分析，识别前方道路的弯曲状态，并形成转向控制和加减速控制指令，最后形成控制指令数据帧输出到通信系统。硬件调试模块包括面向单片机的各种调试工具，具体地有LCD/LED显示单元、拨码开关、旋转编码开关、串口通讯、蜂鸣器等等。电源模块负责管理智能小车系统中各部分功能模块和各种传感器的稳定供电。

所述智能小车系统把汽车模型的状态信息(小车速度、路径识别传感器信息)发往计算机，与指令数据帧的定义类似，把包含小车速度、路径识别传感器信息的特定格式数据帧称为状态数据帧，智能小车系统在发送状态信息之前，在单片机系统模块中合成状态数据帧，状态数据帧经单片机系统模块的通信端口输出到通信系统的无线模块中，并以无线电波的形式发送，计算机端的无线模块收到信息并解析后，再把状态数据帧传递到计算机的通信接口，供计算机中的上位机软件模块提取其中的状态数据。

综上所述，本发明的控制中心是计算机，在本发明所述的实验平台中，分析处理小车状态和给出控制指令是由功能比单片机强大许多的计算机完成，而单片机只需要提取指令数据和执行控制指令，所以，与控制算法本身在单片机上编写的传统方法相比，单片机的负担大为减轻，并且还省去了为调试控制算法需要反复重新编译、烧写单片机程序的过程，有效地缩短了程序开发周期。

本发明具有如下特点：(1)综合性强，多用途，可设计不同学科不同目的的实验。由于本发明中的实验平台涉及控制、模式识别、传感器、电子、电气、单片机、通讯网络和车辆工程等众多学科领域，在设计实验时，可以根据具体需求将整个平台的某一部分单独出来设计实验内容，也可以将各部分组合起来设计综合实验。(2)软、硬件组合，体系结构合理，信息(信号)流程清晰。用户可以充分发挥计算机运算能力强大、接口资源丰富的特点设计并完成各种实验，而不受单片机计算能力和存储资源的限制；此外，还可以借助计算机上的各种调试工具调试、修改算法，编程灵活方便，这将有助于缩短程序开发周期，其操作界面、显示界面友好；通信系统连接计算机和智能小车系统，负责控制指令和小车状态信息的传送；智能小车系统位于体系机构的最底层，是被控对象和执行终端，也是模式识别、传感器、电子、电气、单片机和车辆工程等众多技术的载体。(3)以汽车模型作为研究对象和实验载体，实验成本低廉，实验生动，并且以汽车为主题贴近现实生活。这样的实验形式将有助于引起学生的学习兴趣。

在使用本发明进行的实验设计中，例如，以提高汽车模型的行驶速度为实验目的的实验设计中，对于一般复杂程度的道路模块，汽车模型的平均速度可以达到2～3m/s，最高速度可以达到4m/s，如果按照1∶10的大小比例关系折算成实际车辆，则对应72～108km/h的平均速度和144km/h的最高速度。

附图说明

图1为本发明结构框图

图2为本发明汽车模型、道路模块、引导线示意图

图3为本发明汽车模型俯视图

图4为本发明汽车模型侧视图

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例由三个部分组成：计算机、通信系统、智能小车系统。三个部分紧密联系、缺一不可。

所述计算机包括运行在计算机的上位机软件模块和计算机的通信接口，如图1中的左侧框图所示。计算机的通信接口以有线通信的方式接收来自通信系统的小车状态(当前小车的速度和路径识别传感器状态)数据帧，然后，该小车状态数据帧被上位机软件模块采集读入；上位机软件模块首先对该数据帧进行解析，提取其中有效的小车状态数据，然后，分析处理小车状态，得到针对小车的控制指令(对舵机的转向指令、对电机的加减速指令)，在输出之前，还需要把该控制指令合成控制指令数据帧，最后才从上位机软件模块的输出端输出；上位机软件模块的输出连接到计算机的通信接口，因此，该控制指令数据帧被传送到通信系统中。还需要说明的是，上位机软件模块作为面向用户的模块，应该包含用户操作界面和显示界面，前者负责实验启动/停止、提供控制算法文件导入接口、提供路径识别传感器方案选择等，后者负责智能小车的状态显示和控制指令的显示。

由于无线模块都是以特定格式数据帧的形式传输数据的，因此，在使用通信系统传输数据时，涉及到特定数据帧格式的合成和解析。下面具体说明用通信系统中数据传递过程的：

一方面，在计算机里，上位机软件模块首先要把控制指令形成一定格式的数据帧，称之为指令数据帧；接下来把这样特定格式的指令数据帧输出到计算机通信接口；计算机通信接口进一步把数据帧发送到通信系统位于计算机端的输入接口；通信系统中的无线模块可以识别这样特定格式的数据帧并以无线电波的形式发送。在通信系统的智能小车系统端，首先由该端的无线模块接收周围环境中一定特征的无线电波，并还原成指令数据帧输出，然后把该数据帧进一步发送到智能小车系统的单片机系统模块中。从而完成了从计算机到智能小车系统的控制指令传递过程。

通信系统如图1中间的框图所示。如果通信系统中的无线模块不能直接与计算机的通信接口或智能小车系统的通信接口交换数据，或者出于无线模块安装位置的考虑(使无线模块处于比较好的通信环境中)，应该使用有线通信的连接；否则，无线模块的输入输出接口可以直接连接在计算机通信接口或智能小车系统的通信接口上。计算机端的无线模块安放在固定的位置。为了保证无线通信的质量，应尽量选择遮挡少、宽敞的实验环境，并且确保该无线模块能够覆盖整个实验场地；智能小车系统端的无线模块被搭载在汽车模型的车体上。无线模块的使用方式要求该无线通信模块应该满足接口使用方便、数据帧格式简单、体积小、功耗低、实时性好的特点。

智能小车系统如图1右侧框图所示。

其中，道路模块为白色地板铺成，道路宽度由道路模块的边界3确定的，一般为汽车模型宽度的2～3倍，道路中央有一定宽度的黑色线条，作为小车行驶的引导线2。引导线2的线宽根据路径识别传感器的检测特性合理确定。

汽车模型应该具有与真实汽车相似的机械结构，可以使用韩国爱德美公司生产的Matiz系列1∶10模型车，汽车模型示意图俯视图和侧视图分别如图3、图4所示。在图3和图4中，汽车模型部件标号是一一对应的。车模底盘1上安装有各种车模部件并搭载传感器。舵机6通过转向连杆5控制转向轮4偏转；驱动电机11带动后轮轴齿轮13转动，从而驱动小车行驶；测速编码器12安装在车体后部，其齿轮与后轮轴齿轮13吻合，所以测速编码器的信号可以反映小车当前时刻的速度；电池9紧贴汽车模型底盘1的中后部安装，起稳定汽车模型重心的作用；单片机系统7通过支撑杆8安装在车体中部；一个红外光电对管2，由一个红外光电发射管和一个红外光电接收管组成，多个红外光电对管2按照一定的形状排列组成的阵列可以用与引导线的检测，它可以安装在车体最前部，也可以安装在其他位置；摄像头14安装在摄像头支架15上，并倾斜一定的角度以拍摄小车前方道路情况，摄像头支架15也可以根据需要安装在底盘1的其他位置；无线模块16固定在摄像头支架上，有利于无线信号的传输。由于车模的机械性能直接影响到路径识别传感器检测效果和控制效果，因此需要对车模零部件及其搭载的各种传感器的安装方式进行仔细调试。

如图3和图4所示，路径识别传感器有红外光电对管阵列和摄像头两种方式可供选择。其中红外光电对管阵列中的各个红外光电对管2检测的信号输入到单片机系统模块的信号采集端；摄像头检测的信号也连接到单片机系统模块的信号采集端。单片机系统采集这些信号，对它们进行分析处理，最后提取引导线信息。这两种方式各有利弊，可以根据实验目的选择。

由路径识别传感器获取的引导线信息经过单片机系统模块合成小车状态数据帧，再由单片机系统的通信端口输出到通信系统。

另一方面，单片机系统模块接收来自通信系统的控制指令数据帧，经过单片机的解析，提取出其中的有效控制指令(包括电机控制指令和舵机控制指令)；该控制指令再经过单片机处理，产生分别针对电机和舵机的特定PWM(脉冲宽度调制)信号；这两路PWM信号分别连接到电机驱动模块和舵机模块，作为电机驱动模块和舵机模块的输入。

电机驱动模块和舵机驱动模块在各自的PWM输入下，产生驱动信号作为输出，该输出信号分别连接到驱动电机和舵机的输入，进而驱动电机和舵机。

测速编码器的输出信号连接到单片机系统模块的信号采集端，这种信号被单片机采集并处理后可以转换成小车当前时刻的速度。

硬件调试模块中的开关、LED/LCD显示、蜂鸣器、串口通信等，分别与单片机系统模块中I/O(输入输出)、SCI(串口)等端口相连，可以用于硬件电路调试和单片机状态提示。

本实施例以“智能小车控制算法设计”实验为例说明工作过程：

首先，进行实验前准备工作。

(1)设计和搭建智能小车系统中的道路模块。为了能够验证控制算法的有效性和对道路的形状没有依赖性，道路模块应该是包括直道、左弯、右弯、十字交叉等基本道路类型的随意组合。

(2)安装和调教汽车模型。这一步包括安装和调教汽车模型的机械结构，连接汽车模型上搭载的各种模块，包括电源模块、单片机系统模块、电机驱动模块、舵机模块、测速编码器、路径识别传感器模块。机械结构和各模块的安放位置将直接影响汽车模型的重心和转向灵敏性等，进而影响汽车模型的行驶状况，因此需要重视。这一步的最终效果是汽车模型搭载的各模块安装稳固，汽车模型的重量分配合理，电机和舵机转动灵活。

(3)系统联合调试。调试的方法为：按照前文中描述的连接关系，连接好计算机、通信系统、智能小车系统。把汽车模型底盘略微水平托起，使四个车轮均为空载状态，再启动智能小车系统的电源模块，然后运行上位机软件模块。移动汽车模型，使路径识别传感器模块观测到不同的道路类型，对应地观察电机、舵机是否能够实时地分别作出正确的加减速和转向反应。如果电机和舵机反应正常，则完成调试；否则，重新检查各模块的连线，或使用硬件调试模块进行调试。

完成以上的准备工作后，进入到实验内容。把汽车模型放置在道路模块上，如图2所示。用户在上位机软件模块中导入其自定义的控制算法后，运行上位机软件。以上位机软件模块中显示界面里的参数变化、汽车模型的行驶状况和指定圈数的秒表计时等为依据，用户对上位机软件模块的控制算法部分进行修改和调整，然后再次运行上位机软件。经过这样的反复调试后，用户可以找到用于汽车模型控制的最佳控制方法和控制参数。

在实际的教学实验中，一般地经过2～4课时时间，学生就能够完成本实验，对于一般复杂情况的道路模块，汽车模型的平均速度可以达到2-3m/s。

Claims (6)

1.一种硬件在环智能小车教学科研实验平台，包括计算机、通信系统、智能小车系统，计算机的控制指令通过通信系统发送到智能小车系统，智能小车系统的小车状态通过通信系统发送回计算机，实现了计算机对智能小车的实时控制，其特征在于：所述计算机提供上位机软件模块的运行环境和计算机通信接口，上位机软件模块分析处理小车状态信息，并给出针对小车的控制指令，计算机通过计算机通信接口与通信系统进行数据交换，上位机软件模块在接收小车状态数据帧后进行解析，以提取小车状态信息，并对控制指令进行数据帧合成以形成控制指令数据帧后发送；所述智能小车系统为该平台的终端，搭载各种传感器和汽车模型的运动执行部件，传感器采集的信息被合成小车状态数据帧，然后发送到通信系统，智能小车系统接收并解析来自通信系统的控制指令数据帧后，提取其中有效的控制指令信息，并输出分别针对电机和舵机的控制信号，并将该控制信号用于控制电机和舵机。

2.根据权利要求1所述的硬件在环智能小车教学科研实验平台，其特征是，所述的计算机是整个平台的控制中心，它提供上位机软件模块运行所需要的软硬件环境，并且提供与通信系统连接的通信接口，用户可在上位机软件模块的用户操作界面上进行参数配置和导入控制算法，该模块的小车状态显示界面显示出小车当前的运行状态，小车状态作为上位机软件模块的输入，经过计算机上的通信接口读取到计算机里，并且在计算机上实时显示出来，上位机软件模块的输出为控制指令，包括舵机转向指令和电机控制指令，这些控制指令经过计算机的通信接口输出，进入通信系统。

3.根据权利要求1所述的硬件在环智能小车教学科研实验平台，其特征是，所述的上位机软件模块运行在计算机上，面向用户，用于对在地面行驶的实际汽车模型实施控制，上位机软件模块把控制指令形成设定格式的数据帧，称之为指令数据帧，指令数据帧被输出到计算机通信接口，计算机通信接口进一步把数据帧发送到通信系统位于计算机端的输入接口，通信系统中的无线模块可以识别这样格式的数据帧并以无线电波的形式发送，在通信系统的智能小车系统端，首先由该端的无线模块接收周围环境中设定频率和信道无线电波，并还原成指令数据帧输出，然后把该数据帧进一步发送到智能小车系统的单片机系统模块中，从而完成了从计算机到智能小车系统的控制指令传递过程。

4.根据权利要求1所述的硬件在环智能小车教学科研实验平台，其特征是，所述通信系统包括无线模块，计算机的通信接口和智能小车系统的通信接口分别与无线模块相连，计算机和智能小车系统通过无限模块实现数据的交换，或者无线模块和有线通信组合在一起，构成通信系统，无线模块实物和配置的电缆称为通信设备，在计算机端和智能小车系统端都设有这样的一套通信设备，计算机端的通信设备固定放置在能够覆盖实验场地的位置，智能小车端的通信设备搭载安装在汽车模型上。

5.根据权利要求1所述的硬件在环智能小车教学科研实验平台，其特征是，所述智能小车系统由道路模块、汽车模型、单片机系统模块、舵机模块、电机驱动模块、测速编码器、路径识别传感器模块、硬件调试模块、电源模块，道路模块提供汽车模型行驶的场地，道路模块中央有一根与道路颜色明显区分的线条作为引导线，汽车模型是整个系统的底层模块，是被控对象，也是搭载单片机、舵机、电机和各种传感器的载体，单片机系统模块解析通信系统发送过来的控制指令数据帧，提取其中的有效控制指令，再经过舵机模块和电机驱动模块的执行，从而完成汽车模型的转向和加减速控制，测速编码器负责采集汽车模型的实时速度数据，路径识别传感器模块把道路信息采集进来，送入单片机系统模块，经过单片机系统模块的处理和分析，识别前方道路的弯曲状态，并形成转向控制和加减速控制指令，最后形成控制指令数据帧输出到通信系统，硬件调试模块包括面向单片机的各种调试工具，电源模块负责管理智能小车系统中各部分功能模块和各种传感器的稳定供电。

6.根据权利要求1所述的硬件在环智能小车教学科研实验平台，其特征是，所述智能小车系统把汽车模型的状态信息发往计算机，把包含小车速度、路径识别传感器信息的设定格式数据帧称为状态数据帧，智能小车系统在发送状态信息之前，在单片机系统模块中合成状态数据帧，状态数据帧经单片机系统模块的通信端口输出到通信系统的无线模块中，并以无线电波的形式发送，计算机端的无线模块收到信息并解析后，再把状态数据帧传递到计算机的通信接口，供计算机中的上位机软件模块提取其中的状态数据。

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