CN105843071A - 一种智能车辆运动控制实物仿真系统 - Google Patents

Abstract

一种智能车辆运动控制实物仿真系统，涉及机器人技术领域，包括智能车辆运动仿真模块、通讯模块、智能车辆人机界面模块、智能车辆控制器模块和定位模块。其中，智能车辆运动仿真模块和通讯模块设置于Arduino小车内，智能车辆人机界面模块、智能车辆控制器模块和定位模块设置于计算机内，Arduino小车通过通讯模块与计算机相连并进行通讯。能够模拟真实智能车辆的运动状态，并将传感器数据返回给控制器，动态显示智能车辆在交通系统中的运动情况，从而代替以真实智能车辆对控制器性能进行现场测试或者软件仿真的方式，为智能车辆控制器提供了一种调试和性能测试的新的方法。

Description

一种智能车辆运动控制实物仿真系统

技术领域

本发明涉及一种运动控制仿真系统，具体涉及一种智能车辆运动控制实物仿真系统，属于机器人技术领域。

背景技术

智能车辆是智能交通系统的重要组成部分，先进的智能车辆运动控制器对于减少交通事故的发生、大幅优化道路通行效率、减少能源的消耗与尾气的排放具有重大意义。

目前，智能车辆运动控制器的调试和性能的测试主要有实车测试与软件仿真两种方法，但是存在着以下问题：

1.实车测试：首先，若智能车辆运动控制器存在较大问题，在真实车辆上进行测试，一旦智能车辆不受控制会对调试人员造成很大的安全威胁；其次，使用全尺寸的车辆耗资巨大，当不受控制器件烧坏带来较大的经济损失；最后，不便于测试智能车辆运动控制器在传感器、执行器和通讯出现故障时的响应情况。

2.软件仿真：使用仿真软件(如ADVISOR)测试控制器，与现实的车辆运行环境脱节，不能体现真实车辆的动态特性，测试效果与实际效果不一致。

发明内容

本发明目的在于针对现有智能车辆运动控制器的调试和性能测试在真实车辆上进行和软件仿真环境进行所带来的一系列问题，提出了一种智能车辆运动控制实物仿真系统，其能够模拟真实智能车辆的运动状态，并将传感器数据返回给控制器，动态显示智能车辆在交通系统中的运动情况，从而代替以真实智能车辆对控制器性能进行现场测试或者软件仿真的方式，以此来达到节约成本、确保安全、避免经济损失、方便各种交通路况并能真实的反应控制器的性能的效果，为智能车辆控制器提供了一种调试和性能测试的新的方法。

本发明解决技术问题采用的技术方案如下：

一种智能车辆运动控制实物仿真系统，所述的仿真系统包括：智能车辆运动仿真模块、通讯模块、智能车辆人机界面模块、智能车辆控制器模块和定位模块，其中，智能车辆运动仿真模块和通讯模块设置于Arduino小车内，智能车辆人机界面模块、智能车辆控制器模块和定位模块设置于计算机内，Arduino小车通过通讯模块与计算机相连并进行通讯。所述的智能车辆运动仿真模块在接收所述智能车辆控制器模块的命令后，通过各传感器计算小车的运动情况与周围环境情况，并将相应的结果反馈给该智能车辆控制器模块。

智能车辆运动仿真模块，包括Arduino小车车身、电源模块、直流电机模块、转向舵机模块、制动舵机模块、红外测距模块、编码器模块、加速度计与陀螺仪模块、摄像头模块和Arduino核心板。所述的小车车身包括车架与前后两组轮，其中，前车轮与转向舵机模块相连来控制小车的转向，后车轮与直流电机模块和制动舵机模块相连用来提供小车前进的动力和刹车制动，所述的车身结构与真实车辆很相似，能够反映真实车辆的情况。所述的电源模块分别与直流电机模块和Arduino核心板相连，用来为小车运行提供能源，该电源模块可以提供12V的直流电机用电和7.2V Arduino核心板供电。所述的直流电机模块分别与小车后轮、Arduino核心板和电源模块相连，用来提供小车前进的动力，该直流电机模块从Arduino核心板获得智能车辆控制器模块发送的电机指令转速。所述的转向舵机模块分别与小车前轮和Arduino核心板相连，模拟真实车辆的转向装置，用来控制小车的转向，该转向舵机模块从Arduino核心板获得智能车辆控制器模块发送的车轮指令转角。所述的制动舵机模块分别与后轮和Arduino核心板相连，模拟真实车辆的制动装置，用来控制小车减速制动，该制动舵机模块从Arduino核心板获得智能车辆控制器模块发送来的指令制动。所述的红外测距模块与Arduino核心板相连，置于车头部位，用来检测与车前物体的距离，该模块测得的数据通过Arduino核心板和通讯模块发送给智能车辆控制器模块。所述的编码器模块分别与后车轮和Arduino核心板相连，用来检测车轮转动的距离与速度，该模块测得的数据通过Arduino核心板和通讯模块发送给智能车辆控制器模块。所述的加速度计与陀螺仪模块与Arduino核心板相连，置于的车身的中间位置，用来检测小车的加速度与旋转角速度，该模块测得的数据通过Arduino核心板和通讯模块发送给智能车辆控制器模块。所述的摄像头模块与Arduino核心板相连，置于车身前部的加高杆上，用来检测小车前进方向的障碍物、车道线和信号灯，该模块测得的数据通过Arduino核心板和通讯模块发送给智能车辆控制器模块。所述的Arduino核心板分别与电源模块、直流电机模块、转向舵机模块、制动舵机模块、红外测距模块、编码器模块、加速度计与陀螺仪模块和摄像头模块相连，该模块通过通讯模块获得智能车辆控制器模块发送来的指令转速、指令转角和指令制动，然后控制相应的模块动作；红外测距模块、编码器模块、加速度计与陀螺仪模块和摄像头模块测得的各种数据传送给该模块，然后该模块通过通讯模块将数据传送给智能车辆控制器模块。

通讯模块包括一个WIFI模块和无线路由器，WIFI模块设置在小车上，通过串口与Arduino核心板相连，计算机通过网线与路由器相连，最后计算机与智能车辆运动仿真模块通过通讯模块相连并通讯。

智能车人机界面模块包括显示模块和输入模块；其中，显示模块通过计算机的显示屏实现，输入模块通过计算机的键盘和鼠标实现。

智能车辆控制器模块处理计算通讯模块和定位模块传送过来的数据，通过一定的智能车辆控制算法，给出Arduino小车的动作指令，通过通讯模块发送到智能车辆运动仿真模块。

定位模块包括摄像头模块和定位算法模块，该定位模块通过摄像头采集的图像定位Arduino小车的位置、速度和角度等信息。

其具体的运行步骤如下：

(1)t时刻，智能车辆运动仿真模块通过各传感器检测小车的运动情况与周围环境情况，并将相应的检测到的数据发送给Arduino核心板；Arduino核心板将各传感器模块传送来的数据进行过滤筛选通过通讯模块上传至智能车辆控制器模块；定位模块检测小车的位置、速度和角速度信息上传至智能车辆控制器模块；

(2)智能车辆控制器模块通过智能车辆控制算法对传送来的各传感器数据进行筛选、处理，生成t+1时刻的小车控制方案，并将控制方案通过通讯模块下发至智能车运动仿真模块中的Arduino核心板。

(3)Arduino核心板接收智能车辆控制器的控制方案，在下一时刻即t+1时刻通过直流电机模块、转向舵机模块和制动舵机模块执行该控制方案中的转速指令、转角指令和制动指令，控制小车运行。

步骤(1)到步骤(3)依次执行，重复循环

作为优选，一个智能车辆控制器模块可以连接多个智能车辆运动仿真模块做队列算法的调试和性能测试。

本发明将本发明将Arduino智能小车融合到智能车辆运动控制系统，形成一套智能车辆运动控制实物仿真系统，克服了以往在真实车辆上进行和软件仿真环境进行所带来的一系列问题的缺点。

本发明具有以下优点：

(1)针对以往实车测试和软件仿真这两种调试和评价智能车辆运动控制器的方法，本发明将Arduino智能小车融合到智能车辆运动控制系统，克服了以往在真实车辆上进行和软件仿真环境进行所带来的一系列问题的缺点。

(2)能够模拟真实智能车辆的运动状态，并将传感器数据返回给控制器，动态显示智能车辆在交通系统中的运动情况。

(3)节约成本、确保安全、避免经济损失、方便各种交通路况。

(4)可以用于智能车辆专业学生的教学实验。

(5)系统可连接多个智能车辆运动仿真模块做队列算法的调试和性能测试。

附图说明

图1是本发明的系统结构框图。

图2是本发明的智能车辆运动仿真模块的结构框图。

图3是本发明的智能车辆运动仿真模块的各模块布局图。

图4是一种智能车辆运动控制实物仿真系统的工作流程图。

图中：电源模块6、直流电机模块7、转向舵机模块8、制动舵机模块9、红外测距模块10、编码器模块11、加速度计与陀螺仪模块12、摄像头模块13和Arduino核心板14。

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，但本发明的保护范围并不限于此。

参照图1，本实例是在Arduino小车上实现整个仿真系统的，所述智能车辆运动控制实物仿真系统包括以下五部分：智能车辆运动仿真模块1、通讯模块2、智能车辆人机界面模块3、智能车辆控制器模块4和定位模块5，其中智能车辆运动仿真模块1和通讯模块2设置于Arduino小车内，智能车辆人机界面模块3、智能车辆控制器模块4和定位模块5设置于计算机内，Arduino小车通过通讯模块2与计算机相连并进行通讯。

所述的智能车辆运动仿真模块1在接收所述智能车辆控制器模块4的命令后，通过各传感器计算小车的运动情况与周围环境情况，并将相应的结果反馈给该智能车辆控制器模块4。参阅图2和图3，所述的智能车辆运动仿真模块1包括如下子模块：电源模块6、直流电机模块7、转向舵机模块8、制动舵机模块9、红外测距模块10、编码器模块11、加速度计与陀螺仪模块12、摄像头模块13和Arduino核心板14。

所述的小车车身包括车架与前后两组轮，其中，前车轮与转向舵机模块8相连来控制小车的转向，后车轮与直流电机模块7和制动舵机模块9舵机相连用来提供小车前进的动力和刹车制动，所述的车身结构与真实车辆很相似，能够反映真实车辆的情况。

所述的电源模块6分别与直流电机模块7和Arduino核心板14相连，用来为小车运行提供能源，该电源模块6可以提供12V的直流电机模块7用电和7.2VArduino核心板14供电。

所述的直流电机模块7分别与小车后轮、Arduino核心板14和电源模块6相连，用来提供小车前进的动力，该直流电机模块7从Arduino核心板14获得智能车辆控制器4模块发送的电机指令转速，该直流电机模块7是通过PWM调速的。

所述的转向舵机模块8分别与小车前轮和Arduino核心板14相连，模拟真实车辆的转向装置，用来控制小车的转向，该转向舵机模块8从Arduino核心板14获得智能车辆控制器模块4发送的车轮指令转角，该转向舵机模块8是通过调节PWM波的占空比来调节的。

所述的制动舵机模块9分别与后轮和Arduino核心板14相连，模拟真实车辆的制动装置，用来控制小车减速制动，该制动舵机模块9从Arduino核心板获得智能车辆控制器模块4发送来的指令制动，该制动舵机模块9是通过调节PWM波的占空比来调节的。

所述的红外测距模块10通过模拟口与Arduino核心板14相连，置于车头部位，用来检测与车前物体的距离，该红外测距模块10测得的数据通过Arduino核心板14和通讯模块2发送给智能车辆控制器模块4。

所述的编码器模块11分别与后车轮和Arduino核心板14相连，用来检测车轮转动的距离与速度，该编码器模块11测得的数据通过Arduino核心板14和通讯模块2发送给智能车辆控制器模块4，该编码器模块11是通过外部中断与Arduino核心板14相连的。

所述的加速度计与陀螺仪模块12通过模拟口与Arduino核心板相连，置于的车身的中间位置，用来检测小车的加速度与旋转角速度，该加速度计与陀螺仪模块12测得的数据通过Arduino核心板14和通讯模块2发送给智能车辆控制器模块4。

所述的摄像头模块13通过串口与Arduino核心板14相连，置于车身前部的加高杆上，用来检测小车前进方向的障碍物、车道线或信号灯，该摄像头模块13测得的数据通过Arduino核心板14和通讯模块2发送给智能车辆控制器模块4。

所述的Arduino核心板14分别与电源模块6、直流电机模块7、转向舵机模块8、制动舵机模块9、红外测距模块10、编码器模块11、加速度计与陀螺仪模块12和摄像头模块13相连，该Arduino核心板14通过通讯模块2获得智能车辆控制器模块4发送来的指令转速、指令转角和指令制动，然后控制相应的模块动作；红外测距模块10、编码器模块11、加速度计与陀螺仪模块12和摄像头模块13测得的各种数据传送给该模块，然后该模块通过通讯模块2将数据传送给智能车辆控制器模块4。

参阅图1，通讯模块2包括一个WIFI模块和无线路由器，WIFI模块设置在小车上，通过串口与Arduino核心板14相连，计算机通过网线与路由器相连，最后计算机与智能车辆运动仿真模块1通过通讯模块2相连并通讯。

智能车人机界面模块3包括显示模块和输入模块；其中，显示模块通过计算机的显示屏实现，输入模块通过计算机的键盘和鼠标实现，显示模块通过计算机的显示屏可以显示Arduino小车的运动状态和周围环境信息通过定位模块5的摄像头可以观看全局图像；输入模块可以通过键盘和鼠标实现控制参数的初始化、简单的性能调试比如通讯能力和数据的显示选取。

智能车辆控制器模块4处理计算通讯模块2和定位模块5传送过来的数据，通过一定的智能车辆控制算法，给出Arduino小车的动作指令，通过通讯模块2发送到智能车辆运动仿真模块1，这里的智能车辆控制算法是可以根据具体的需要来修改的，也是本发明的意义所在，用于智能车辆运动控制器的调试与性能测试。

定位模块5包括摄像头模块和定位算法模块；定位模块5通过摄像头采集的图像定位Arduino小车的位置、速度和角度等信息。

参照图4，一种智能车辆运动控制实物仿真系统的具体运行步骤如下：

(1)开始进入程序，控制器参数初始化。

(2)智能车辆运动仿真模块1中的红外测距模块10检测与车前物体的距离，编码器模块11检测车轮转动的距离与速度，加速度计与陀螺仪模块12检测小车的加速度与旋转角速度，摄像头模块13检测小车前进方向的障碍物、车道线或信号灯，上述的各模块检测到的数据发送给Arduino核心板14；Arduino核心板14将各传感器模块传送来的数据进行过滤筛选通过通讯模块2上传至智能车辆控制器模块4；定位模块5检测小车的位置、速度和角速度信息上传至智能车辆控制器模块4；

(3)智能车辆控制器模块4通过智能车辆控制算法对传送来的各传感器数据进行筛选、处理，生成下一时刻的小车控制方案，并将控制方案通过通讯模块2下发至智能车运动仿真模块1中的Arduino核心板14。

(4)Arduino核心板14接收智能车辆控制器4的控制方案，在下一时刻通过直流电机模块7、转向舵机模块8和制动舵机模块9执行该控制方案中的转速指令、转角指令和制动指令，控制小车运行。

步骤(2)到步骤(4)依次执行，重复循环。

最后，应当说明的是：以上所述的是本发明的一种较好的实施例，但本发明的保护范围并不限于此，依本发明权利要求所作的等同变化仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (5)

1.一种智能车辆运动控制实物仿真系统，其特征在于，包括智能车辆运动仿真模块、通讯模块、智能车辆人机界面模块、智能车辆控制器模块和定位模块；

其中，智能车辆运动仿真模块和通讯模块设置于Arduino小车内，智能车辆人机界面模块、智能车辆控制器模块和定位模块设置于计算机内，Arduino小车通过通讯模块与计算机相连并进行通讯；

所述的智能车辆运动仿真模块在接收所述智能车辆控制器模块的命令后，通过各传感器计算小车的运动情况与周围环境情况，并将相应的结果反馈给该智能车辆控制器模块；

所述的智能车辆运动仿真模块包括如下子模块：电源模块、直流电机模块、转向舵机模块、制动舵机模块、红外测距模块、编码器模块、加速度计与陀螺仪模块、摄像头模块和Arduino核心板；其中：

所述的小车车身包括车架与前后两组轮，其中，前车轮与转向舵机模块相连来控制小车的转向，后车轮与直流电机模块和制动舵机模块相连用来提供小车前进的动力和刹车制动，所述的车身结构与真实车辆很相似，能够反映真实车辆的情况；

所述的电源模块分别与直流电机模块和Arduino核心板相连，用来为小车运行提供能源，该电源模块可以提供12V的直流电机用电和7.2V Arduino核心板供电；

所述的直流电机模块分别与小车后轮、Arduino核心板和电源模块相连，用来提供小车前进的动力，该直流电机模块从Arduino核心板获得智能车辆控制器模块发送的电机指令转速；

所述的转向舵机模块分别与小车前轮和Arduino核心板相连，模拟真实车辆的转向装置，用来控制小车的转向，该转向舵机模块从Arduino核心板获得智能车辆控制器模块发送的车轮指令转角；

所述的制动舵机模块分别与后轮和Arduino核心板相连，模拟真实车辆的制动装置，用来控制小车减速制动，该制动舵机模块从Arduino核心板获得智能车辆控制器模块发送来的指令制动；

所述的红外测距模块与Arduino核心板相连，置于车头部位，用来检测与车前物体的距离，该模块测得的数据通过Arduino核心板和通讯模块发送给智能车辆控制器模块；

所述的编码器模块分别与后车轮和Arduino核心板相连，用来检测车轮转动的距离与速度，该模块测得的数据通过Arduino核心板和通讯模块发送给智能车辆控制器模块；

所述的加速度计与陀螺仪模块与Arduino核心板相连，置于的车身的中间位置，用来检测小车的加速度与旋转角速度，该模块测得的数据通过Arduino核心板和通讯模块发送给智能车辆控制器模块；

所述的摄像头模块与Arduino核心板相连，置于车身前部的加高杆上，用来检测小车前进方向的障碍物、车道线和信号灯，该模块测得的数据通过Arduino核心板和通讯模块发送给智能车辆控制器模块；

所述的Arduino核心板分别与电源模块、直流电机模块、转向舵机模块、制动舵机模块、红外测距模块、编码器模块、加速度计与陀螺仪模块和摄像头模块相连，该模块通过通讯模块获得智能车辆控制器模块发送来的指令转速、指令转角和指令制动，然后控制相应的模块动作；红外测距模块、编码器模块、加速度计与陀螺仪模块和摄像头模块测得的各种数据传送给该模块，然后该模块通过通讯模块将数据传送给智能车辆控制器模块。

2.如权利要求1所述的智能车辆运动控制半实物仿真系统，其特征在于，所述的通讯模块包括一个WIFI模块和无线路由器，WIFI模块设置在小车上，通过串口与Arduino核心板相连，计算机通过网线与路由器相连，最后计算机与智能车辆运动仿真模块通过通讯模块相连并通讯。

3.如权利要求1或2所述的智能车辆运动控制半实物仿真系统，其特征在于，智能车人机界面模块包括显示模块和输入模块；其中，显示模块通过计算机的显示屏实现，输入模块通过计算机的键盘和鼠标实现。

4.如权利要求3所述的智能车辆运动控制半实物仿真系统，其特征在于，智能车辆控制器模块处理计算通讯模块和定位模块传送过来的数据，通过一定的智能车辆控制算法，给出Arduino小车的动作指令，通过通讯模块发送到智能车辆运动仿真模块。

5.如权利要求1、2或4所述的智能车辆运动控制半实物仿真系统，其特征在于，定位模块包括摄像头模块和定位算法模块，该定位模块通过摄像头采集的图像定位Arduino小车的位置、速度和角度。