CN109030018A - 一种无人驾驶车辆的稳定性实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人驾驶车辆的稳定性实验装置，包括：道路模拟系统，道路模拟系统主要由皮带、滚筒和直流电机等部件组成；所述实验装置还包括：无人驾驶车辆模型，无人驾驶车辆模型为与实际无人驾驶车辆结构、功能相似的单片机车辆模型，基于PLC技术和单片机技术实现了皮带速度和无人驾驶车辆模型速度的同步控制；所述实验装置还包括：数据采集系统，固定在支架上的激光器用于测量无人驾驶车辆模型的实时横向位移和姿态。本发明实现了皮带速度和无人驾驶车辆模型速度的同步控制，能够对无人驾驶车辆模型进行稳定性实验，为无人驾驶车辆失稳现象和失稳机理的研究提供基础条件，具有可行性。

Description

一种无人驾驶车辆的稳定性实验装置

技术领域

本发明涉及车辆动力学实验领域，尤其涉及一种无人驾驶车辆的稳定性实验装置。

背景技术

随着车辆运行速度的提高，对车辆动力学的研究显得极为重要。车辆失稳不仅仅会影响乘坐的舒适度，还可能导致车毁人亡的严重后果。因此，车辆稳定性作为车辆动力性能最基本的指标之一，是车辆动力学研究首要考虑的问题。

对无人驾驶车辆来说，稳定性问题研究同样非常重要。只有比有人驾驶车辆更高的稳定性，才更有利于其更快的普及。

车辆失稳临界速度以及失稳机理，是车辆稳定性研究的主要内容，前者决定车辆的最高容许速度，后者则对失稳控制与预防有重要的指导作用。

由于实际车辆的失稳临界速度往往很大，要想通过实车实验来得到所需的结果，可能会给实验装置和实验设备带来无法弥补的损失，并有可能造成非常严重的后果。因此，实车失稳实验还极其少见。然而，要弄清其失稳机理，不仅需要失稳前车辆的行为数据，还需要获得失稳后车辆行为数据并进行分析。因此，迫切需要研究能用于车辆失稳及失稳后行为的实验装置，为控制和预防车辆失稳，提高车辆的失稳临界速度，提供理论支撑和技术指导。

为降低车辆失稳实验的经济损失和危害，控制实验研究成本，开发基于无人驾驶车辆缩比模型的车辆稳定性实验装置是一种可行的技术方案。这种实验装置的建立，具有两方面的意义。在智能驾驶方面，可作为新算法、新控制方案的验证平台；在稳定性研究方面，不仅能为车辆失稳现象和失稳机理的研究提供基础条件，还可为后续实车失稳实验装置开发及实验方案的制定积累宝贵经验。

发明内容

本发明提供了一种无人驾驶车辆的稳定性实验装置，能用于无人驾驶车辆的失稳临界速度、失稳类型研究和失稳现象的演示，有助于揭示无人驾驶车辆失稳的动力学机理，详见下文描述：

一种无人驾驶车辆的稳定性实验装置，包括：道路模拟系统；

道路模拟系统主要由皮带、滚筒和直流电机等部件组成，其中皮带套在前后两端的滚筒上，前端滚筒通过传送带和直流电机相连，所述直流电机通过导线和电机控制器相连；

所述电机控制器通过导线与PLC模块相连接，PLC模块又与速度显示模块相连接，速度显示模块用于显示当前的皮带速度；

进一步地，所述PLC模块为三菱PLC模块。

所述实验装置还包括：无人驾驶车辆模型；

无人驾驶车辆模型为与实际无人驾驶车辆结构、功能相似的单片机车辆模型，基于PLC技术和单片机技术实现了皮带速度和无人驾驶车辆模型速度的同步控制，在给定实验平台直流电机速度信号的同时，通过无线通信模块也将速度信号发送给无人驾驶车辆模型；

进一步地，所述无线通信模块还用于给PLC模块发送速度信号；

无线通信模块包括：分别与Arduino单片机相连接的MAX485子模块、四位数码管、APC220无线通信子模块和按键输入子模块；

进一步地，无人驾驶车辆模型中的视觉模块会对皮带两侧的黑色道路标识进行识别，从而使其在失稳时能够纠正其行驶方向，以保持直线行驶。

进一步地，无人驾驶车辆模型在另一种工作模式下运行时，四路红外循迹子模块会对皮带中间的黑色道路标识进行识别，从而使其在失稳时能够纠正其行驶方向，以保持直线行驶。

所述实验装置还包括：数据采集系统；

在皮带的正上方固定有激光器，摄像机对实验平台进行拍摄，利用图像处理技术，以获得车辆模型的实时横向位移和姿态；

进一步地，所述激光器为网格激光器。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、基于PLC技术和单片机技术实现了皮带的速度和无人驾驶车辆模型速度的同步控制；

2、通过道路模拟系统的设计来模拟车辆的真实行驶场景，使用不同材料的皮带能够在一定程度上模拟不同的路况；

3、无人驾驶车辆模型的视觉模块可识别皮带两侧的黑色道路标识，提取道路轨迹信息，从而自动调整行驶方向；

4、无人驾驶车辆模型的四路红外循迹子模块可对皮带中间的黑色道路标识进行识别，从而自动调整行驶方向；

5、利用网格激光器投射的网格，借助图像处理技术能得到车辆稳定性研究中所需要的横向位移和姿态等数据。

附图说明

图1为无人驾驶车辆的稳定性实验装置的总体结构图；

图2是无线通信模块的结构简图；

图3是无人驾驶车辆模型的结构简图；

图4是实验装置控制系统的结构图；

图5是激光网格运动测量的示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1：皮带； 2：直流电机；

3：无线通信模块； 4：PLC模块；

5：速度显示模块； 6：电机控制器；

7：前端滚筒； 8：摄像机；

9：网格激光器； 10：激光器支架；

11：支撑台； 12：道路标识；

13：后端滚筒； 14：无人驾驶车辆模型。

其中，上述器件1-13共同组成了本实验平台。

进一步地，无线通信模块3包括如下器件：

31：Arduino单片机； 32：MAX485子模块；

33：四位数码管； 34：APC220无线通信子模块。

35：按键输入子模块

进一步地，无人驾驶车辆模型14包括如下器件：

141：四路红外循迹子模块； 142：舵机转向机构；

143：直流电机驱动扩展板； 144：传感器扩展板；

145：无线通信子模块； 146：视觉模块

147：直流电源； 148：直流电机；

149：Arduino单片机； 150：车体；

151：车轮。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

为了解决背景技术中存在的问题，本发明实施例设计的实验装置需要实现的功能如下：

1)皮带1的速度可调，能满足无人驾驶车辆模型14的速度范围要求；

2)皮带1的速度和无人驾驶车辆模型14的速度能实现同步控制；

3)无人驾驶车辆模型14在失稳之后，能够自动调整其行驶方向；

4)以网格激光器9为核心的数据采集系统能够有效地获取无人驾驶车辆模型14的实时横向位移和姿态等数据。

实施例1

参见图1，无人驾驶车辆稳定性实验装置包括：皮带1、直流电机2、无线通信模块3、PLC模块4(例如：三菱PLC模块)、速度显示模块5、电机控制器6、前端滚筒7、摄像机8、激光器9(例如：网格激光器)、激光器支架10、支撑台11、道路标识12、后端滚筒13、以及无人驾驶车辆模型14。其中，上述的器件1-13组合在一起构成了本实验平台。

其中，直流电机2固定在支撑台11上，支撑台11的前后两端分别安装一个滚筒(即前端滚筒7和后端滚筒13)，皮带1套在前后两端的滚筒上，前端滚筒7通过传送带和直流电机2相连，直流电机2通过导线和电机控制器6相连，PLC模块4与无线通信模块3、速度显示模块5、以及电机控制器6均通过导线相连接。

其中，PLC模块4为整个道路模拟系统的控制核心；速度显示模块5显示当前的皮带速度。

参见图2，无线通信模块3，用于给PLC模块4和无人驾驶车辆模型14发送速度信号，该无线通信模块3具体包括：Arduino单片机31、MAX485子模块32、四位数码管33、APC220无线通信子模块34和按键输入子模块35。

其中，上述Arduino单片机31、MAX485子模块32、APC220无线通信子模块34以及按键输入子模块35均为本领域技术人员所公知的电子器件，本发明实施例对此不做赘述。

在皮带1的正上方固定有激光器9，摄像机8对实验平台进行拍摄，利用图像处理技术，以获得无人驾驶车辆模型14的实时横向位移和姿态；

参见图3，无人驾驶车辆模型14包括：四路红外循迹子模块141、舵机转向机构142、直流电机驱动扩展板143、传感器扩展板144、无线通信子模块145、视觉模块146、直流电源147、直流电机148、Arduino单片机149、车体150和车轮151。

其中，直流电机148固定在车体150上，并通过齿轮副和车轮轴相连、进而连接车轮151，固定在车体150上的Arduino单片机149通过排针和直流电机驱动扩展板143、传感器扩展板144堆叠在一起，舵机转向机构142固定在车体150上，与车轮151相连；无线通信子模块145、舵机转向机构142和四路红外循迹子模块141通过导线与传感器扩展板144相连接；直流电机148通过导线分别与直流电源147和直流电机驱动扩展板143相连，直流电源147同时给Arduino单片机149和直流电机驱动扩展板143提供电源。

综上所述，本发明实施例设计的无人驾驶车辆稳定性实验装置，为控制和预防车辆失稳、提高车辆的失稳临界速度，提供了理论支撑和技术指导，降低了对车辆失稳临界速度进行实验研究的各方面成本，本发明实施例主要针对无人驾驶车辆，不仅仅可作为新算法、新控制方案的验证平台，还可为后续实车失稳实验装置的开发及实验方案的制定积累宝贵经验。

实施例2

下面对实施例1中的方案在无人驾驶汽车的场景下的一种工作模式作进一步地介绍，详见下文描述：

参见图4，先启动道路模拟系统和无人驾驶车辆模型14的电源，同时关闭无人驾驶车辆模型14的四路红外循迹子模块141，在无线通信模块3上设定一个速度值，一方面，信号将通过APC220无线通信子模块34发送给无人驾驶车辆模型14；另一方面通过MAX485子模块32进行信号转换，将信号发送给三菱PLC模块4，PLC模块4处理接收到的信号经过A/D转换输出电压信号给电机控制器6，同时将速度值显示在速度显示模块5上，此时道路模拟系统的直流电机2启动，皮带1开始运转。无人驾驶车辆模型14通过无线通信模块3接收到速度信号之后，先将信号返回给Arduino单片机149，Arduino单片机149发送速度信号来驱动无人驾驶车辆模型14的直流电机148。

在无人驾驶车辆模型14行驶过程中，视觉模块146实时感知皮带两侧的道路标识，并将采集的图像信息发送至Arduino单片机149，Arduino单片机149对图像信息进行处理，利用边沿检测算法提取黑色的道路标识，从而制定相应的舵机控制策略，以驱动前端的舵机转向机构142进行转向，从而保持车辆模型的行驶方向。

工作过程中，网格激光器9向实验平台(由器件1-13构成)投射一定面积的网格线，如图5所示，测量出各个网格的具体尺寸和总的投射面积，并在无人驾驶车辆模型上进行标记，摄像机对实验平台进行实时拍摄，对拍摄的图片文件进行处理，就可以得到无人驾驶车辆模型在行驶过程中的横向位移和姿态。完成实验数据的采集之后，根据已有的数据绘制出车辆的最大横向位移随车速变化的曲线，该曲线不仅可以确定车辆的失稳临界速度，还可以确定该车辆系统的失稳类型。

综上所述，本发明实施例设计的无人驾驶车辆稳定性实验装置，为控制和预防车辆失稳、提高车辆的失稳临界速度，提供了理论支撑和技术指导，降低了对车辆失稳临界速度进行实验研究的各方面成本，本发明实施例主要针对无人驾驶车辆，不仅仅可作为新算法、新控制方案的验证平台，还可为后续实车失稳实验装置开发以及实验方案的制定积累宝贵经验。

实施例3

下面对实施例1中的方案在无人驾驶汽车的场景下的另一种工作模式作进一步地介绍，详见下文描述：

参见图4，先启动道路模拟系统和无人驾驶车辆模型14的电源，在无线通信模块3上设定一个速度值，一方面，信号将通过APC220无线通信子模块34发送给无人驾驶车辆模型14；另一方面通过MAX485子模块32进行信号转换，将信号发送给三菱PLC模块4，PLC模块4处理接收到的信号经过A/D转换输出电压信号给电机控制器6，同时将速度值显示在速度显示模块5上，此时道路模拟系统的直流电机2启动，皮带1开始运转。无人驾驶车辆模型14通过无线通信模块3接收到速度信号之后，先将信号返回给Arduino单片机149，Arduino单片机149发送速度信号来驱动无人驾驶车辆模型14的直流电机148。

关闭无人驾驶车辆模型14的视觉模块146，启用四路红外循迹子模块141，行驶过程中，四路红外循迹子模块141实时感知皮带中间的道路标识，并将无人驾驶车辆模型14相对于中间道路标识的位置信息发送至Arduino单片机149，Arduino单片机149对该信息处理，驱动前端的舵机转向机构142进行转向，从而保持车辆模型的行驶方向。

工作过程中，网格激光器9会向实验平台(由器件1-13构成)投射一定面积的网格线，如图5所示，测量出各个网格的具体尺寸和总的投射面积，并在无人驾驶车辆模型上进行标记，摄像机对实验平台进行实时拍摄，对拍摄的图片文件进行处理，就可以得到无人驾驶车辆模型在行驶过程中的横向位移和姿态。完成实验数据的采集之后，根据已有的数据绘制出车辆的横向位移随车速变化的曲线，该曲线不仅可以确定车辆的失稳临界速度，还可以确定该车辆系统的失稳类型。

综上所述，本发明实施例设计的无人驾驶车辆稳定性实验装置，为控制和预防车辆失稳、提高车辆的失稳临界速度，提供了理论支撑和技术指导，降低了对车辆失稳临界速度进行实验研究的各方面成本，本发明实施例主要针对无人驾驶车辆，不仅仅可作为新算法、新控制方案的验证平台，还可为后续实车失稳实验装置开发以及实验方案的制定积累宝贵经验。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种无人驾驶车辆的稳定性实验装置，包括：道路模拟系统，其特征在于，

道路模拟系统主要由皮带、滚筒和直流电机组成，其中皮带套在前后两端的滚筒上，前端滚筒通过传送带和直流电机相连，所述直流电机又通过导线和电机控制器相连；

所述电机控制器通过导线与PLC模块相连接，PLC模块又与速度显示模块相连接，速度显示模块用于显示当前的皮带速度；

所述实验装置还包括：无人驾驶车辆模型；

无人驾驶车辆模型为与无人驾驶车辆结构、功能相似的单片机车辆模型，基于PLC技术和单片机技术实现了皮带速度和无人驾驶车辆模型速度的同步控制，在给定实验平台直流电机速度信号的同时，通过无线通信模块也将速度信号发送给无人驾驶车辆模型；

所述实验装置还包括：数据采集系统；

在皮带的正上方固定有激光器，摄像机对实验平台进行拍摄，利用图像处理技术，获得车辆模型的实时横向位移和姿态。

2.根据权利要求1所述的一种无人驾驶车辆的稳定性实验装置，其特征在于，所述无线通信模块还用于给PLC模块发送速度信号。

3.根据权利要求1所述的一种无人驾驶车辆的稳定性实验装置，其特征在于，

在皮带的两侧和正中间分别粘贴有黑色胶带，用以对道路边线和道路中心位置进行标记。

4.根据权利要求1所述的一种无人驾驶车辆的稳定性实验装置，其特征在于，

所述无人驾驶车辆模型中的视觉模块会对皮带两侧的黑色道路标识进行识别，使其在失稳时能够纠正行驶方向，以保持直线行驶；或，

所述无人驾驶车辆模型中的四路红外循迹子模块会对皮带中间的黑色道路标识进行识别，使其在失稳时能够纠正其行驶方向，以保持直线行驶。

5.根据权利要求1所述的一种无人驾驶车辆的稳定性实验装置，其特征在于，所述实验装置还包括：

激光器向实验平台投射一定面积的网格线，测量出各个网格的具体尺寸和总的投射面积，摄像机对实验平台进行实时拍摄，对拍摄的图片文件进行处理，可得到无人驾驶车辆模型的实时横向位移和姿态。

6.根据权利要求1所述的一种无人驾驶车辆的稳定性实验装置，其特征在于，所述实验装置还包括：

完成实验数据的采集之后，根据已有的数据绘制出车辆的最大横向位移随车速变化的曲线，该曲线不仅可以确定车辆的失稳临界速度，还可以确定该车辆系统的失稳类型。

7.根据权利要求1所述的一种无人驾驶车辆的稳定性实验装置，其特征在于，所述无线通信模块包括：

分别与Arduino单片机相连接的MAX485子模块、四位数码管、APC220无线通信子模块和按键输入子模块。

8.根据权利要求1或5所述的一种无人驾驶车辆的稳定性实验装置，其特征在于，

所述激光器为网格激光器；

所述PLC模块为三菱PLC模块。