CN111862766A

CN111862766A - 一种缩微智能车实验装置

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Publication number: CN111862766A
Application number: CN202010802655.6A
Authority: CN
Inventors: 闫光辉; 毛福新; 郑永贤; 张淼
Original assignee: Tianjin University of Technology and Education China Vocational Training Instructor Training Center
Current assignee: Tianjin University of Technology and Education China Vocational Training Instructor Training Center
Priority date: 2020-08-11
Filing date: 2020-08-11
Publication date: 2020-10-30

Abstract

本发明公开了一种缩微智能车实验装置，包括车体、驱动装置、转向装置、带有随动转向的激光雷达装置、摄像头装置、巡磁传感器装置、其它信息感应装置、显示装置和控制系统。本发明提供了一种结构设计合理、体积小巧、低压安全、成本较低、智能化程度高并且与真实的智能网联汽车功能完全一致的缩微智能车实验装置。各模块集成化程度高，安装简便，易于学习，通过K66核心板可以对缩微智能车各模块及整车的控制程序进行反复修改并通过实验其控制效果。

Description

一种缩微智能车实验装置

技术领域

本发明属于智能网联汽车技术领域，具体来说涉及一种缩微智能车实验装置。

背景技术

目前，智能网联汽车正在快速发展，为加快推进智能汽车创新发展，国家发改委、工信部、交通运输部等十一部委，于2020年2月份联合印发《智能汽车创新发展战略》，提出了安全、高效、绿色、文明的智能汽车强国愿景。其中C-V2XCellular Vehicle-to-Everything是实现高等级自动驾驶的必要技术路线。为此各汽车企业研发机构、互联网与电信公司都在致力于智能网联汽车的研发，各大中专院校也都非常重视智能网联汽车专业建设及实验室建设。但无论智能网联汽车的研发或是实验教学都需要智能网联汽车的实验和验证装置，目前许多智能网联汽车的实验装置都是针对摄像头或激光雷达的单一实验设备，这些实验设备都是静态的，还无法完成在车路协同的环境C-V2X下动态地对智能网联汽车开展综合性实验验证，与真实环境下的智能网联汽车差距较大。因此，需要开发设计一种具有更真实且更综合实验功能的智能网联汽车实验装置，通过实验装置在真实环境下动态地模拟和验证智能网联汽车运行情况、控制算法、器件性能和综合性能，提升智能网联汽车的开发与实验能力，也提升学生的实践能力和创新意识。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种缩微智能车实验装置。本发明是一种结构设计合理、智能网联化程度高、能够完全模拟智能网联汽车的缩微型智能车实验装置。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种缩微智能车实验装置，包括车体、驱动装置、转向装置、信息采集装置和控制系统；

所述车体包括底盘、前轮、后轮、车架竖杆、横梁、传感器支杆和后背板；所述底盘上安装有独立驱动的后轮和前轮，所述底盘后端设置有后背板，所述底盘前端设置有横梁，在横梁设置有传感器支杆，所述底盘上方设置有2根车架竖杆，车架竖杆的后端固定安装在底盘上，中部连接于所述横梁上，前端由横梁伸出；

所述驱动装置包括电池、驱动电机、驱动齿轮组、编码器和驱动控制板，所述电池和驱动电机安装于所述底盘上，所述驱动电机的输出轴通过驱动齿轮组与后轮相连接，编码器与驱动电机相连，并通过插接线把驱动电机的转速反馈给驱动控制板，驱动控制板与主控制板连接，反馈驱动电机的转速并接受单片机的程序控制；

所述转向装置包括转向舵机、转向摇杆及横拉杆，所述转向舵机设置于2个前轮之间，所述转向舵机的输出轴连接转向摇杆，转向摇杆底端连接横拉杆，横拉杆与前轮的转向轴相连，所述转向舵机与主控制板连接，反馈转向舵机的转向角度并接受单片机的程序控制；

所述信息采集装置包括电磁传感器、摄像头、激光雷达和激光雷达转向电机，所述电磁传感器安装于所述车架竖杆的前端，所述摄像头安装于所述传感器支杆的上端，所述激光雷达转向电机安装于传感器支杆上位于摄像头的下方，激光雷达与激光雷达转向电机相连，可在其驱动下转动；

所述电磁传感器与主控制板连接，反馈道路上预设的电磁线的磁场位置信息；所述摄像头与主控制板连接，反馈道路图像信息；所述激光雷达与主控制板连接，反馈车辆正前方障碍物信息；所述激光雷达转向电机与主控制板连接，接受核心程序的控制，在车辆转弯时产生与转向轮相同的转角，使得激光雷达的探测方向始终是车体的正前方；

所述控制系统包括主控制板、单片机、OLED显示模块和信息传输模块；

所述单片机安装于主控制板上，内置有缩微智能车的所有控制程序，实时地对缩微智能车进行控制；

所述OLED显示模块安装于主控制板上，用于显示电磁传感器及摄像头采集的信息和参数；

所述信息传输模块安装于主控制板上，用于实现上位机与单片机之间的无线通信，传递上位机的控制信息和参数。

在上述技术方案中，所述单片机采用恩智浦K66单片机。

在上述技术方案中，所述实验装置可用于的实验包括自适应巡航行驶ACC、自动制动AEB、传感器标定、车道线识别、车道偏离预警、车路协同V2X和自动驾驶综合实验。

本发明的优点和有益效果为：

1.本发明提供了一种结构设计合理、体积小巧、低压安全、成本较低、智能化程度高并且与真实的智能网联汽车功能完全一致的缩微智能车实验装置。各模块集成化程度高，安装简便，易于学习，通过K66核心板可以对缩微智能车各模块及整车的控制程序进行反复修改并通过实验其控制效果。

2.本发明可用于智能网联汽车技术人员、开发人员、本专业师生及其它相关技术领域人员的学习和实训，也可利用本发明进行智能网联汽车相关的验证性和开发性实验。形象化、真实化、智能化、综合化的实验设备会增加学生的学习兴趣。通过眼、手和脑的共同参与更容易让实验者理解和学习到智能网联汽车结构原理和与整车各部件相关的控制技术，通过本发明装置验证后的控制算法也可移植到真实的智能网联汽车中，能用较低的成本促进我国智能网联汽车的研发速度。

3.单线激光雷达反馈车辆前方障碍物信息，在车辆转弯时激光雷达在随动转向电机的控制下产生与转向轮相同的转角，使得激光雷达的探测方向始终是车体的正前方，激光雷达随动转向电机通过接头与主控制板连接并接受核心程序的控制，在降低产品成本的同时保证了激光雷达始终探测车体正前方区域。

4.核心单片机K66模块通过针脚角安装于主控制板上，内置有缩微智能车的所有控制程序，实验过程中既能反复修改控制程序，又能实时地对缩微智能车的各项功能进行控制，提升实验效果。

附图说明

图1为本发明缩微智能车实验装置的结构示意图一。

图2为本发明缩微智能车实验装置的结构示意图二。

图3为本发明中K66单片机与其它控制模块控制逻辑结构图。

图4为主板电路图。

图5为驱动电路板的电路。

其中：1为主控制板，2为OLED显示模块，3为单片机，4为控制按键，5为无线通信模块，6为编码器，7为转向舵机，8为转向摇杆及横拉杆，9为横梁，10为传感器支杆，11为传感器线束，12为电磁传感器，13为激光雷达，14为激光雷达转向电机， 15为摄像头，16为摄像头安装铰链，17为电池，18为车架竖杆，19为驱动电机，20为驱动齿轮组，21为后背板，22为驱动控制板，23为车轮，24为底盘。

对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他的相关附图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

实施例

如图1、图2所示，本发明缩微智能车实验装置的结构如下所述：包括车体、驱动装置、转向装置和信息采集装置；

所述车体包括底盘24、前轮23、后轮、车架竖杆18、横梁9、传感器支杆10和后背板21；所述底盘上安装有独立驱动的前轮和后轮，所述底盘后端设置有后背板，所述底盘前端设置有横梁，在横梁设置有传感器支杆，所述底盘上方设置有2根车架竖杆，车架竖杆的后端固定安装在底盘上，中部连接于所述横梁上，前端由横梁伸出；

所述驱动装置包括电池17、驱动电机19、驱动齿轮组20、编码器6和驱动控制板22，所述电池和驱动电机安装于所述底盘上，所述驱动电机的输出轴通过驱动齿轮组与后轮相连接，编码器与驱动电机相连，并通过插接线把驱动电机的转速反馈给驱动控制板，驱动控制板与主控制板连接，反馈驱动电机的转速并接受单片机的程序控制；

所述转向装置包括转向舵机7、转向摇杆及横拉杆8，所述转向舵机设置于2个前轮之间，所述转向舵机的输出轴连接转向摇杆，转向摇杆底端连接横拉杆，横拉杆与前轮的转向轴相连；

所述信息采集装置包括电磁传感器12、摄像头15、激光雷达13和激光雷达转向电机14，所述电磁传感器安装于所述车架竖杆的前端，所述摄像头安装于所述传感器支杆的上端，所述激光雷达转向电机安装于传感器支杆上位于摄像头的下方，激光雷达与激光雷达转向电机相连，可在其驱动下转动。

图3为本发明中K66单片机与其它控制模块控制逻辑结构图、图4为主板电路图、图5为驱动电路板的电路，本发明一种缩微智能车实验装置按照功能模块划分，包括驱动模块、线控转向模块、缩微智能车传感器模块、巡航电磁传感器模块、通信模块、OLED 显示模块和核心控制单片机模块。

驱动模块由驱动电机、编码器、传动齿轮和驱动电路板组成。驱动电机5-12V采用PWM控制的直流电机，负责在单片机驱动电路的驱动下驱动缩微智能车运行。电机驱动电路的作用主要有，控制伺服电机的起动、停机、转速等等；对电机进行各种保护过载，短路，欠压等；对外部信号做出反应，通过内部的PID调节，控制伺服电机(位置，速度，扭矩)。编码器是把位移转换成电信号的装置，本缩微智能车发明装置采用增量式编码器，其作用是将位移转换成周期性的电信号，再把该电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。编码器在该缩微车中起到检测车速的作用，将车速反馈到单片机中，单片机根据不同的道路元素做出相对应的速度调整，保证车体能够平稳的运行在既定路线中。

线控转向模块采用了伺服电机的形式，可以通过单片机给定的PWM信号给定转角角度信息，转动至指定角度，并且能够在指定角度保持、承受一定的外力矩。其优点是：使用方便、力矩大；缺点是：转角范围小、只能控制角度。舵机在缩微智能车上的主要作用是控制车体行驶的方向。

传感器模块采用了激光雷达和摄像头图像传感器进行融合，激光雷达通过随动转向电机安装与车体正前方，负责探测车辆在运行过程中前方的障碍物信息，如果车辆距离障碍物达到设定阈值时通过单片机发出指令驱动电机停止，起到自动紧急制动AEB的作用。摄像头传感器负责车辆前方视频图像采集，它利用光电器件光电转换功能，将采集到的图像转换成可用的电信号，再将感光面上的光像转换为与光像成相应比例关系的电信号，通过预定算法识别车道线，引导车辆巡航行驶。

电磁传感器模块由5组电感线圈横向布置在车体前端，电感线圈中将产生交变电压。电磁传感器的作用是检测铺设于道路中间的电磁引导线，通过电磁量的大小判断车体偏离中心的角度，通过预定算法及时纠正巡航路线。

无线通信模块负责车车通信，车路通信等多种通信，本实验系统采用路由器作为服务器来对各个节点的进行信息传送，各个节点配有串口Wifi模块。ESP8266模块采用串口与MCU通信，内置TCP/IP协议栈，能够实现串口与Wifi之间的转换。通过ESP8266 模块，传统的串口设备只是需要简单的串口配置，即可通过网络Wifi传输数据。

OLED显示模块用于缩微智能车辅助调试工具，用来显示摄像头和电磁传感器检测到的参数或图像。

核心控制单片机模块采用恩智浦旗下的一款K66单片机。K66核心板是整个缩微智能车的控制中心，收集到的所有信息经过量化后都要回传给K66，K66综合分析各种参数值，得出合理的结果，再转换成指令发送到各执行机构。

本实施例中的缩微智能车实验装置集成了线控电机驱动，驱动板采用PWM通过接口控制方式对电机进行起动、停机、转速控制，通PID控制伺服电机的位置、速度和扭矩。同时编码器能把位移转换成电信号，将车速和位置反馈到单片机模块中，单片机根据不同的道路元素做出相对应的速度调整，保证车体能够平稳的运行在既定路线中。通过这种方式实现了对车辆的完全闭环线控控制方式，使得本发明的缩微智能车能真实地模拟智能电动汽车的驱动方式。

本实施例中的缩微智能车实验装置集成了线控转向模块，单片机通过PWM信号通过接口控制转向舵机进而控制车辆的转向，同时单片机根据PWM信号能够获取转向角度的大小，形成闭环线控转向控制。本发明的缩微智能车能真实地模拟无人驾驶汽车的线控转向。

本实施例中的缩微智能车实验装置集成了智能车传感器模块，该模块通过摄像头进行图像采集，进而识别道路标志和标线；利用单线激光雷达进行车前障碍物的识别与测距，进而能真实的模拟智能车中的自动制动功能AEB。同时激光雷达经由随动转向电机安装于车体正前方的中间位置，在单片机K66的控制下，随动转向电机与线控转向舵机保持同样的转角，这样使得单线激光雷达能随着车辆的转向而转向，这样才能始终探测车体正前方的障碍物，本发明采用单线激光雷达和随动转向电机的组合能够在节省成本的同时保证了缩微智能车传感器的探测精度和范围，能完全模拟智能车多线激光雷达的功能。

本实施例中的缩微智能车实验装置集成了巡航电磁传感器模块，电磁传感器能够检测铺设于道路中间的电磁引导线，通过电磁量的大小判断车体偏离中心的角度，通过预定算法及时纠正巡航路线，通过模块能使本发明的缩微智能车沿着预定线路稳定行驶，能够完全模拟沿固定路线行驶的智能汽车。

本实施例中的缩微智能车实验装置集成了无线通信模块，通过接口安插于单片机K66上，本实验装置采用路由器作为服务器来对各个节点的进行信息传送，缩微智能车、道路节点、交叉口信号灯和控制终端都配有串口wifi模块。通过ESP8266模块和无线通信模块可以实现缩微智能车之间的V2V通信，缩微智能车与道路之间的V2R通信，缩微智能车与控制单元或其他云设备之间的V2X通信。

本实施例中的缩微智能车实验装置集成了OLED显示模块，通过接口连接在单片机上，用来显示摄像头和电磁传感器检测到的参数或图像，便于实验开发过程中实时观测参数和图像。

本实施例中的缩微智能车实验装置集成了核心控制单片机模块7K66，通过接口与以上各模块相连，收集到所有传感器和执行器信息经过量化后通过内置程序对缩微智能车进行总体控制，K66综合分析各种参数值得出最优的控制策略，再转换成指令发送到各执行机构，最终自动完成闭环控制。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims

1.一种缩微智能车实验装置，其特征在于：包括车体、驱动装置、转向装置、信息采集装置和控制系统；

所述车体包括底盘、前轮、后轮、车架竖杆、横梁、传感器支杆和后背板；所述底盘上安装有独立驱动的前轮和后轮，所述底盘后端设置有后背板，所述底盘前端设置有横梁，在横梁设置有传感器支杆，所述底盘上方设置有2根车架竖杆，车架竖杆的后端固定安装在底盘上，中部连接于所述横梁上，前端由横梁伸出；

2.根据权利要求1所述的一种缩微智能车实验装置，其特征在于：所述单片机采用恩智浦K66单片机。

3.根据权利要求1所述的一种缩微智能车实验装置，其特征在于：所述实验装置可用于的实验包括自适应巡航行驶ACC、自动制动AEB、传感器标定、车道线识别、车道偏离预警、车路协同V2X和自动驾驶综合实验。