CN201607231U - 智能导航车 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种智能导航车，旨在克服现有智能车存在易发生失稳的问题。该车由信号采集系统、智能导航系统和行驶系统组成。信号采集系统包括CCD图像传感器、光电编码器、加速度传感器、横摆角速度传感器和轮速传感器。CCD图像传感器、光电编码器、加速度传感器、横摆角速度传感器和轮速传感器分别和智能导航系统的单片机电连接。行驶系统包括的制动机构主要由伺服电机、摆臂及制动闸片组成。伺服电机和单片机电连接，伺服电机固定在驱动机构固定架上，伺服电机的输出端与摆臂中水平横臂花键连接，摆臂的两垂直臂的底端铰接制动闸片。制动闸片和轮辋内圈或脱开或一个脱开另一个贴紧轮辋内圈。本实用新型还提供了智能导航车的操控方法。

Description

智能导航车

技术领域

本实用新型涉及一种行驶稳定性很高的自走式运动装置，更具体地说，本实用新型涉及一种采用电子稳定性程序控制的智能导航车。

背景技术

目前，对于智能车辆的研究目的主要在提高交通安全性和道路通行能力方面及复杂环境作业、军事和航天探测方面。前者通过发展用于交通领域的智能车辆来适应恶劣的交通环境和减少交通事故发生；后者希望制造一种可以在复杂路面上沿规划的路线自主导航及躲避障碍，并在必要时重新规划运行路线的智能车辆。

用于上述各种用途的智能车辆会遇到高速转弯、紧急避障或在恶劣附着的路面(如冰面)行驶的工况，极易发生车辆侧滑等失去行驶稳定性的危险状况。目前智能车辆的研究大多在于道路检测、环境感知、路径规划及躲避障碍等方面，由此，现有的智能车辆的行驶控制对于易发生失稳的危险工况的适应性较低。这给诸如无人侦察、野外巡逻、事故救护、道路除冰等多种工作带来不便并影响到其应用范围和使用效果。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是克服了现有智能车辆对于易发生失稳的危险工况适应性较低的问题，提供了一种采用电子稳定性程序控制的智能导航车。

为解决上述技术问题，本实用新型是采用如下技术方案实现的：所述的智能导航车由信号采集系统、智能导航系统和行驶系统组成。其中：智能导航系统包括有型号为MC9S12DP512的单片机；行驶系统包括有驱动机构固定架、车底盘、摩擦式差速器、转向轮、驱动轮与半轴。所述的信号采集系统主要由高度调节滑块、CCD传感器调节架、型号为1/3″SONY 600线的CCD图像传感器、支撑杆固定盘、碳纤维支撑杆、型号为ZVH-4-50BM的光电编码器、型号为MMA7260的加速度传感器、型号为ADXRS300的横摆角速度传感器和型号为W134的轮速传感器组成。

型号为1/3″SONY 600线的CCD图像传感器通过螺栓固定于CCD传感器调节架一端的端面上，CCD传感器调节架的另一端与高度调节滑块一端铰接，高度调节滑块套装在碳纤维支撑杆上，碳纤维支撑杆通过支撑杆固定盘固定在车底盘上。型号为ZVH-4-50BM的光电编码器安于行驶系统中半轴的左侧，通过光电编码器输入轴上的齿轮与摩擦式差速器上的齿轮相啮合。型号为MMA7260的加速度传感器水平放置在智能导航车质心处。型号为ADXRS300的横摆角速度传感器水平放置在智能导航车质心处。型号为W134的轮速传感器安装在转向轮内。

型号为1/3″SONY 600线的CCD图像传感器、型号为ZVH-4-50BM的光电编码器、型号为MMA7260的加速度传感器、型号为ADXRS300的横摆角速度传感器和型号为W134的轮速传感器分别和智能导航系统中的型号为MC9S12DP512的单片机电线连接。

技术方案中所述的行驶系统包括有制动机构，制动机构主要由型号为Futaba S3010的伺服电机、摆臂及制动闸片组成。

摆臂是由一个水平横臂和两个垂直臂所组成的门字形的构件。型号为Futaba S3010的伺服电机固定在驱动机构固定架的上端面上，型号为FutabaS3010的伺服电机的1号控制接口和型号为MC9S12DP512的单片机的引脚PWM7电线连接，型号为Futaba S3010的伺服电机的转矩输出端与摆臂中水平横臂的居中位置通过花键连接。门字形结构的摆臂的两垂直臂的底端分别铰接有制动闸片，两个制动闸片和两个驱动轮的轮辋内圈或者是完全脱开，或者是其中一个制动闸片脱开另一个所述制动闸片贴紧驱动轮的轮辋内圈；所述的型号为1/3″SONY 600线的CCD图像传感器和智能导航系统中的型号为MC9S12DP512的单片机电线连接是指：型号为1/3″SONY 600线的CCD图像传感器通过型号为LM1881的芯片和型号为MC9S12DP512的单片机电线连接。型号为1/3″SONY 600线的CCD图像传感器的3号引脚与型号为MC9S12DP512的单片机的引脚PAD0电线连接，型号为1/3″SONY 600线的CCD图像传感器的3号引脚同时通过电容C36与型号为LM1881的芯片的引脚COMP VID IN电线连接。型号为LM1881的芯片的引脚

与型号为MC9S12DP512的单片机的引脚PE2电线连接，型号为LM1881芯片的引脚COMP SYNC O与型号为MC9S12DP512的单片机引脚IRQ电线连接；所述的型号为ZVH-4-50BM的光电编码器和智能导航系统中的型号为MC9S12DP512的单片机电线连接是指：型号为ZVH-4-50BM的光电编码器的1号接口与型号为MC9S12DP512的单片机引脚PT7电线连接；所述的型号为MMA7260的加速度传感器和智能导航系统中的型号为MC9S12DP512的单片机电线连接是指：型号为MMA7260的加速度传感器的引脚Y_OUT通过电阻R35与型号为MC9S12DP512的单片机的引脚PAD3电线连接；所述的型号为ADXRS300的横摆角速度传感器和智能导航系统中的型号为MC9S12DP512的单片机电线连接是指：型号为ADXRS300的横摆角速度传感器的引脚RATEOUT与型号为MC9S12DP512的单片机的引脚PAD4电线连接。型号为ADXRS300的横摆角速度传感器的引脚TEMP与型号为MC9S12DP512的单片机的引脚PAD5电线连接；所述的型号为W134的轮速传感器和智能导航系统中的型号为MC9S12DP512的单片机电线连接是指：轮速传感器的1号接口与型号为MC9S12DP512的单片机引脚PT4电线连接。

与现有技术相比本实用新型的有益效果是：

1.目前智能车辆的行驶控制大多是基于道路检测及路径规划，对于易发生失稳的危险工况的适应性较低。在发生高速转弯、紧急避障或在恶劣附着的路面(如冰面)行驶时，车辆极易发生侧滑等失去行驶稳定性的危险状况。本实用新型所述的采用电子稳定性程序控制的智能导航车有效解决了上述问题，通过监控汽车的行驶状态，在车辆出现不稳定状况时介入电子稳定性程序控制，使车辆具有更好的安全性和行驶稳定性。

2.本实用新型所述的智能导航车采用电子稳定性程序控制可使车辆以较高速度安全转向和避障，提高了车辆的效率；并且对于恶劣的工作环境和低附着路面有更好的适应性。这大大拓展了本实用新型的适用范围，它可以搭载附加机构用于事故救援、道路除冰，或配合无线传输设备实现诸如无人侦察、野外巡逻等多种工作。

附图说明

下面结合附图对本实用新型作进一步的说明：

图1-a是本实用新型所述的智能导航车结构组成的轴测投影图；

图1-b是本实用新型所述的智能导航车结构组成的俯视图；

图1-c是本实用新型所述的智能导航车结构组成的后视图；

图2是本实用新型所述的智能导航车中CCD图像传感器通过型号为LM1881的芯片和型号为MC9S12DP512的单片机连接的电原理图；

图3是本实用新型所述的智能导航车中控制电路板上的提供5V电压的稳压电路的电原理图；

图4是本实用新型所述的智能导航车中控制电路板上的提供12V电压的升压电路的电原理图；

图5是本实用新型所述的智能导航车中控制电路板上的提供6V电压的稳压电路的电原理图；

图6是本实用新型所述的智能导航车中控制电路板上的提供3.3V电压的稳压电路的电原理图；

图7-a是本实用新型所述的智能导航车中光电编码器与型号为MC9S12DP512的单片机连接的电原理图；

图7-b是本实用新型所述的智能导航车中轮速传感器与型号为MC9S12DP512的单片机连接的电原理图；

图8是本实用新型所述的智能导航车中加速度传感器与型号为MC9S12DP512的单片机连接的电原理图；

图9是本实用新型所述的智能导航车中横摆角速度传感器相关外部电路及与型号为MC9S12DP512的单片机连接的电原理图；

图10是本实用新型所述的智能导航车的行驶系统中转向机构的结构原理示意图；

图11是本实用新型所述的智能导航车的行驶系统中驱动机构的结构原理示意图；

图12是本实用新型所述的智能导航车的行驶系统中制动机构的结构原理示意图；

图13是本实用新型所述的智能导航车中型号为MC9S12DP512的单片机与型号为VNH3ASP30的H桥电机驱动芯片连接的电原理图；

图14是本实用新型所述的智能导航车中型号为MC9S12DP512的单片机与转向舵机和伺服电机接口连接的电原理图；

图15是本实用新型所述的智能导航车中所采用的型号为MC9S12DP512的单片机各引脚示意图；

图16是本实用新型所述的智能导航车的智能导航系统中状态监控单元参数估算的示意框图；

图17是本实用新型所述的智能导航车的智能导航系统中状态监控单元对智能导航车状态判断的程序示意框图；

图18是本实用新型所述的智能导航车采用电子稳定性程序进行控制的操控方法的流程框图；

图中：1.光电编码器，2.伺服电机，3.驱动电机，4.摆臂，5.驱动机构固定架，6.高度调节滑块，7.CCD传感器调节架，8.CCD图像传感器，9.控制电路板，10.舵机支架，11.转向舵机，12.车底盘，13.支撑杆固定盘，14.碳纤维支撑杆，15.加速度传感器，16.横摆角速度传感器，17.电池支座，18.Ni-Cd电池，19.摩擦式差速器，20.转向轮，21.转向臂，22.转向传动杆，23.销轴，24.驱动轮，25.半轴，26.制动闸片，27.车轮轮辋内圈，28.轮速传感器，L1.电感，FR1.整流二极管，D1.整流二极管，C1～C5、C9、C16～C19、C24、C27、C35～C37、C41～C43.电容，R1～R6、R9、R15、R16、R34～R39、R41、R42电阻。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作详细的描述：

本实用新型所述的智能导航车是由信号采集系统、智能导航系统和行驶系统组成。信号采集系统和智能导航系统都安装在行驶系统中的车底盘12上。

I.智能导航车

一.信号采集系统

参阅图1-a与图1-c，信号采集系统主要采集反映车辆状态和路径的信息，主要由高度调节滑块6、CCD传感器调节架7、CCD图像传感器8、支撑杆固定盘13、碳纤维支撑杆14、型号为ZVH-4-50BM的光电编码器1、型号为MMA7260的加速度传感器15、型号为ADXRS300的横摆角速度传感器16和型号为W134的(霍尔传感器)轮速传感器28组成。CCD图像传感器8通过四个周布的螺栓固定于CCD传感器调节架7一端的端面上，CCD传感器调节架7的另一端呈叉形结构，呈叉形结构的CCD传感器调节架7的另一端安装在高度调节滑块6一端的两侧，采用长螺栓将呈叉形结构的CCD传感器调节架7的另一端与高度调节滑块6的一端铰接，可实现CCD图像传感器8俯角的调节；高度调节滑块6呈分体式结构即它是由左右两部分组成的，高度调节滑块6套装在碳纤维支撑杆14上，由高度调节滑块6另一端的螺栓将其固定在碳纤维支撑杆14上的任何位置，实现CCD图像传感器8高度的调节；高度调节滑块6和CCD传感器调节架7共同决定了CCD图像传感器8的前瞻范围。碳纤维支撑杆14由螺钉通过支撑杆固定盘13上的法兰盘固定在车底盘12上。CCD图像传感器8、型号为ZVH-4-50BM的光电编码器1、型号为MMA7260的加速度传感器15、型号为ADXRS300的横摆角速度传感器16和型号为W134的(霍尔传感器)轮速传感器28分别和智能导航系统中的型号为MC9S12DP512的单片机电线连接。

二.智能导航系统

智能导航系统主要由控制电路板9、安装有可编程的行驶策略控制单元、可编程的图像处理单元和状态监控单元的型号为MC9S12DP512的单片机和电池18组成。型号为MC9S12DP512的单片机安装在控制电路板9上，控制电路板9与电池电线连接。

1.单片机与CCD图像传感器8的连接

参阅图2，型号为1/3″SONY 600线的CCD图像传感器8通过型号为LM1881的芯片和安装有图像处理单元的型号为MC9S12DP512的单片机电线连接。

型号为1/3″SONY 600线的CCD图像传感器8的3号引脚通过电阻R36和CCD图像传感器8的1号引脚电线连接，型号为1/3″SONY 600线的CCD图像传感器8的1号引脚接地，型号为1/3″SONY 600线的CCD图像传感器8的3号引脚与型号为MC9S12DP512的单片机的引脚PAD0电线连接，型号为1/3″SONY 600线的CCD图像传感器8的3号引脚同时通过电容C36与型号为LM1881的芯片的引脚COMP VIP IN电线连接，型号为1/3″SONY 600线的CCD图像传感器8的2号引脚与控制电路板9的升压电路的+12V接口电线连接。型号为LM1881的芯片的引脚与型号为MC9S12DP512的单片机的引脚PE2电线连接，传送场同步信号；型号为LM1881芯片的引脚COMP SYNC O与型号为MC9S12DP512的单片机引脚IRQ电线连接，传送复合同步信号。

所述的智能导航车行驶路面主要为浅色，路面中间有深色引导线表示行驶线路。图像处理单元根据型号为MC9S12DP512的单片机引脚PAD0、引脚PE2和引脚IRQ所获得的图像信息，对CCD图像传感器8传回的图像进行畸变校正、二值化处理和图像去噪，获得正确的引导线中心位置。型号为MC9S12DP512的单片机将依据所获得的道路信息规划出路径，控制车辆的行驶。

2.单片机和驱动电机的连接

型号为MC9S12DP512的单片机通过型号为VNH3ASP30的H桥电机驱动芯片控制驱动电机3的转动继而带动驱动轮24转动。型号为VNH3ASP30的H桥电机驱动芯片可实现对驱动电机3正转、反转及制动的控制。

参阅图13，所述的型号为MC9S12DP512的单片机和驱动电机3的连接是指：型号为VNH3ASP30的H桥电机驱动芯片的引脚INA通过电阻R1与型号为MC9S12DP512的单片机的引脚PM0电线连接；型号为VNH3ASP30的H桥电机驱动芯片的引脚INB通过电阻R5与型号为MC9S12DP512的单片机的引脚PM1电线连接；型号为VNH3ASP30的H桥电机驱动芯片的引脚PWM通过电阻R3与型号为MC9S12DP512的单片机的引脚PWM3电线连接；型号为VNH3ASP30的H桥电机驱动芯片的引脚GNDA和引脚GNDB与型号为MC9S12DP512的单片机引脚GND电线连接。所述的型号为RS-380SH的电机的两输入端M1、M2分别与型号为VNH3ASP30的H桥电机驱动芯片的输出引脚OUTA、输出引脚OUTB电线连接。

型号为MC9S12DP512的单片机引脚PWM3发出的脉宽调制信号控制驱动电机3的转速大小，型号为MC9S12DP512的单片机引脚PMO的信号控制驱动电机3的正转，型号为MC9S12DP512的单片机引脚PM1的信号控制驱动电机3的反转。

3.控制电路板与电池的连接

1)控制电路板

参阅图1-a与图1-b，所述的控制电路板9设计成与车底盘12形状接近的梯形，为防止静电干扰，安装时用垫片将其抬离车底盘12上表面一定距离，用螺钉固定在车底盘12中前端的转向舵机11左侧的位置内。控制电路板是由+5V稳压电路、+12V升压电路、+6V稳压电路、+3.3V稳压电路和型号为VNH3ASP30的H桥电机驱动芯片等组成。

2)控制电路板与电池的连接

在碳纤维支撑杆14和驱动机构固定架5之间借助于电池支座17固定安装有型号为7.2V 2000mAh的Ni-Cd电池18，为整车提供能量。所述的型号为7.2V2000mAh Ni-Cd电池18的供电连接方式为：型号为7.2V 2000mAh Ni-Cd电池18的正极端与控制电路板9的接口BATTERY电线连接，型号为7.2V 2000mAhNi-Cd电池18的负极端与控制电路板9的接口GND电线连接。供电情况如下：

CCD图像传感器8为：12V；驱动电机3为：7.2V；转向舵机11为：6V；伺服电机2为：6V；型号为MC9S12DP512的单片机为：5V；LM1881芯片为：5V；轮速传感器28为：5V；光电编码器1为：5V；横摆角速度传感器16为：5V；加速度传感器15为：3.3V。

参阅图3，主要由型号为LP3853ES-5.0的低压差线性稳压芯片组成的稳压电路完成电池电压+7.2V转为+5V。稳压电路的输入端与控制电路板9的接口BATTERY电线连接，稳压电路输出端与型号为MC9S12DP512的单片机的引脚VCC(参阅图14)、轮速传感器28的3号引脚(参阅图7-b)、光电编码器1的3号引脚(参阅图7-a)、横摆角速度传感器16的引脚AVCC(参阅图9)和LM1881芯片的引脚VCC(参阅图2)电线连接。

参阅图2至图4，主要由型号为LM2577T-12的开关式升压芯片组成的升压电路完成电压+5V升为+12V，升压电路中+5V输入端与图3所示的+5V稳压电路的+5V输出端电连接，+12V输出端与CCD图像传感器8的2号引脚电线连接。

参阅图5与图14，主要由型号为LM1117-ADJ的芯片组成的稳压电路完成电压+7.2V转为+6V，+6V稳压电路中的输入端与控制电路板9的接口BATTERY电线连接，+6V稳压电路中的输出端与转向舵机的2号引脚和伺服电机的2号引脚电连接。

参阅图3、图6与图8，图6中所示的是主要由型号为LM1117-3.3的低压差稳压芯片组成的将电压+5V转为+3.3V的稳压电路，将电压+5V转为+3.3V的稳压电路中型号为LM1117-3.3的低压差稳压芯片的输入端VIN与图3所示的+5V稳压电路的+5V输出端电线连接，+3.3V输出端与图8中所示的加速度传感器的引脚VDD、引脚SLEEP和引脚g-select1电线连接。

4.单片机与转向舵机和制动机构中伺服电机的连接

参阅图10与14，转向舵机11实现智能导航车的路面转向功能。转向舵机11通过左、右两侧的转向传动杆22分别与两侧的转向轮20转动连接，型号为MC9S12DP512的单片机的引脚PWM1发出脉宽调制信号控制转向舵机11转动继而带动转向轮20转向。所述的型号为Futaba S3010的转向舵机11的1号控制接口与控制电路板9上的型号为MC9S12DP512的单片机的引脚PWM1电线连接，转向舵机11的2号引脚接(控制电路板9中的+6V稳压电路输出端)+6V电压，转向舵机11的3号引脚接地。

参阅图12、14，制动机构中的伺服电机2的1号控制接口与控制电路板9上的型号为MC9S12DP512的单片机的引脚PWM7电线连接，型号为MC9S12DP512的单片机的引脚PWM7发出脉宽调制信号控制制动机构中的伺服电机2的转角，转角通过摆臂4转换成制动闸片26作用在车轮轮辋内圈27上的压力，进而产生了制动力，即型号为MC9S12DP512的单片机的引脚PWM7发出的信号控制了制动机构产生的制动力的大小。伺服电机2的2号引脚接(控制电路板9中的+6V稳压电路输出端的)+6V电压，伺服电机2的3号引脚接地。

5.安装在控制电路板上的单片机

参阅图15，本实用新型所采用的型号为MC9S12DP512的单片机，晶振频率16MHz。自编的计算机程序(可编程的行驶策略控制单元、可编程的图像处理单元和状态监控单元)装入型号为MC9S12DP512的单片机中。单片机包括ECT模块、PWM模块、ATD模块等。

1)ECT模块

参阅图7-a，智能导航车在行驶状态下，型号为MC9S12DP512的单片机引脚PT7用于输入捕捉功能，即检测智能导航车上的光电编码器1在一定时间内得到的脉冲数量，进而换算成驱动电机3的转速供计算机程序分析使用。

参阅图7-b，智能导航车在行驶状态下，型号为MC9S12DP512的单片机引脚PT4用于输入捕捉功能，即检测智能导航车上的轮速传感器28在一定时间内得到的脉冲数量，进而换算成转向轮20的转速供状态监控模块分析使用。

2)PWM模块

参阅图13与图14，智能导航车在行驶状态下实现型号为MC9S12DP512的单片机和型号为VNH3ASP30的H桥电机驱动芯片、伺服电机2与转向舵机11间的通信。型号为MC9S12DP512的单片机引脚PWM1控制着转向舵机11的转动，型号为MC9S12DP512的单片机引脚PWM3控制智能导航车的加速和减速，型号为MC9S12DP512的单片机引脚PWM7控制着制动机构中伺服电机2的转动即控制着驱动轮24的制动。智能导航车行驶需减速时，由可编程行驶策略控制单元发出指令通过型号为MC9S12DP512的单片机引脚PWM3输出信号使驱动电机3反转实现车辆减速。在智能导航车将要失稳，由可编程行驶策略控制单元通过型号为MC9S12DP512的单片机引脚PWM7输出信号对伺服电机2发出指令实现单个驱动轮24制动，产生横摆力矩调整智能导航车的姿态。

3)ATD模块

参阅图2，智能导航车在行驶状态下CCD图像传感器8采集的路面信息经过型号为LM1881的(视频同步信号分离)芯片的处理后，传送给型号为MC9S12DP512的单片机，型号为MC9S12DP512的单片机的ATD模块对型号为MC9S12DP512的单片机引脚PAD0接收到的图像信息进行模数转换，转换成程序可操作的数字量，从中获得正确的引导线中心位置供行驶系统规划路径、控制智能导航车行驶使用。

参阅图8，型号为MC9S12DP512的单片机引脚PAD3接受型号为MMA7260的加速度传感器15引脚Y_OUT的信号，将测得的侧向加速度信号送入型号为MC9S12DP512的单片机的ATD模块进行模数转换，得到车辆行驶时的侧向加速度大小。

参阅图9，型号为MC9S12DP512的单片机引脚PAD4与横摆角速度传感器16的引脚RATEOUT电线连接，获得横摆角速度值；型号为MC9S12DP512的单片机引脚PAD5与横摆角速度传感器16的引脚TEMP电线连接得到温度信号。型号为MC9S12DP512的单片机的ATD模块对由型号为MC9S12DP512的单片机引脚PAD4与引脚PAD5获得的信号进行模数转换，进而用由型号为MC9S12DP512的单片机引脚PAD5得到的温度信号对由型号为MC9S12DP512的单片机引脚PAD4得到的横摆角速度信号进行修正，得到更为准确的横摆角速度值。

6.单片机与轮速传感器的连接

参阅图7-b、图10，采用型号为W134的霍尔传感器的轮速传感器28安装在转向轮20内，在转向轮20的轮辋内侧均布小磁片，对转向轮的转速进行测量。轮速传感器28的1号接口与型号为MC9S12DP512的单片机引脚PT4电线连接，这样轮速传感器28所测得的转向轮20的转速信号经由轮速传感器28的1号接口接入型号为MC9S12DP512的单片机引脚PT4。轮速传感器28的2号接口接地，轮速传感器28的3号接口接+5V稳压电路的+5V输出端。由于车轮转动时霍尔传感器能够输出脉冲，通过型号为MC9S12DP512的单片机的ECT模块即可测出转向轮20的轮速大小。

7.单片机与光电编码器的连接

参阅图1-a、图7-a，型号为ZVH-4-50BM的光电编码器1安于驱动机构中半轴25的左侧，通过型号为ZVH-4-50BM的光电编码器1输入轴上的齿轮与摩擦式差速器19上的齿轮相啮合。型号为ZVH-4-50BM的光电编码器1的1号接口与型号为MC9S12DP512的单片机引脚PT7电线连接，并接阻值为3.3KΩ的上拉电阻R39，这样型号为ZVH-4-50BM的光电编码器1输出的信号经由型号为ZVH-4-50BM的光电编码器1的1号接口接入型号为MC9S12DP512的单片机引脚PT7。型号为ZVH-4-50BM的光电编码器1的2号接口接地，型号为ZVH-4-50BM的光电编码器1的3号接口接+5V稳压电路的输出端+5V。由于型号为ZVH-4-50BM的光电编码器每转输出500个脉冲，通过型号为MC9S12DP512的单片机的ECT模块可测出驱动电机3的转速大小。

8.单片机与加速度传感器的连接

参阅图8，加速度传感器15用于测量智能导航车侧向加速度的大小，作为判断智能导航车行驶状态的依据之一，加速度传感器15体积不大，将它置于靠近智能导航车质心位置并水平放置在车底盘12上。型号为MMA7260的加速度传感器15的引脚Y_OUT通过一个阻值为1KΩ的电阻R35与型号为MC9S12DP512的单片机的引脚PAD3电线连接，将测得的侧向加速度信号送入型号为MC9S12DP512的单片机的ATD模块进行模数转换，型号为MMA7260的加速度传感器15的引脚VDD、引脚g-select1接(控制电路板9中的+3.3V稳压电路输出端)+3.3V，型号为MMA7260的加速度传感器15的引脚VSS与引脚g-select2接地，型号为MMA7260的加速度传感器15的引脚SLEEP通过电阻R37接(控制电路板9中的+3.3V稳压电路输出端)+3.3V。

9.单片机与横摆角速度传感器的连接

横摆角速度是表示车辆运行状态的重要参数，由横摆角速度传感器16测得的横摆角速度值与状态监控系统估算的名义横摆角速度相比较，可知智能导航车行驶的状态。将横摆角速度传感器16置于靠近智能导航车质心位置并水平放置在车底盘12上。

参阅图9，型号为ADXRS300的横摆角速度传感器16的引脚RATEOUT与型号为MC9S12DP512的单片机的引脚PAD4电线连接；型号为ADXRS300的横摆角速度传感器16的引脚TEMP与型号为MC9S12DP512的单片机的引脚PAD5电线连接。MC9S12DP512的单片机的引脚PAD5得到的信号主要是对型号为MC9S12DP512的单片机的引脚PAD4得到的横摆角速度信号进行温度补偿，型号为ADXRS300的横摆角速度传感器16的引脚PDD、引脚AVCC接(控制电路板9中的+5V稳压电路输出端)+5V，型号为ADXRS300的横摆角速度传感器16的引脚PGND和引脚AGND均接地。

三.行驶系统

行驶系统主要由车底盘12、转向机构、驱动机构、车轮20和制动机构组成，行驶系统在智能导航系统的操控下实现正常运行。

1.转向机构

参阅图10，所述的转向机构主要由型号为Futaba S3010的转向舵机11、舵机支架10、转向臂21、销轴23和转向传动杆22组成。转向舵机11通过舵机支架10固定于车底盘12前部，转向臂21的一端固定在转向舵机11输出轴上，转向舵机11输出的转角通过转向臂21的摆动拉动固定在转向臂21另一端的转向传动杆22，转向传动杆22拉动和转向传动杆22转动连接的车轮20绕销轴23转动，实现车辆转向。

2.驱动机构

参阅图11，所述的驱动机构主要由驱动轮24、半轴25、驱动机构固定架5、驱动电机3和摩擦式差速器19组成。驱动机构固定架5将型号为RS-380SH的驱动电机3固定在车底盘12的后端，驱动电机3通过输出轴上的齿轮与摩擦式差速器19相啮合，驱动电机3的动力由此分别传给左、右侧的半轴25，左、右侧的半轴25通过(靠近两个驱动轮24的)末端的法兰盘与两个驱动轮24连接，使动力传至两个驱动轮24。

3.制动机构

参阅图12，所述的制动机构主要由型号为Futaba S3010的伺服电机2、摆臂4及制动闸片26组成。摆臂4是由一个水平横臂和两个垂直臂所组成的门字形的构件，伺服电机2固定在已安装在车底盘12左侧的驱动机构固定架5的上端面上，伺服电机2的转矩输出端与摆臂4中横臂的居中位置通过花键连接，门字形结构的摆臂4的两垂直臂的底端铰接有制动闸片26，制动闸片26由摩擦材料制成，伺服电机2转动一定角度，通过摆臂4可使其中一个制动闸片26贴紧驱动轮24的轮辋内圈27上实现机械制动。即智能导航车正常行驶时是两个制动闸片26和两个驱动轮24的轮辋内圈27完全脱开，智能导航车实施制动时是其中一个制动闸片26和驱动轮24的轮辋内圈27脱开另一个制动闸片26和驱动轮24的轮辋内圈27贴紧。

实施例的智能导航车及其所选用零部件的性能参数

1.智能导航车的性能参数

智能导航车重量：2kg；

智能导航车最大负载：1.5kg；

智能导航车体积：20cm×35cm×40cm；

智能导航车行驶限速：5m/s，连续行驶时间：60mins，感知行驶方向上道路信息前瞻距离：≤200cm；

2.智能导航车所选用的零部件

型号为MC9S12DP512的单片机、型号为LP3853ES-5.0的低压差线性稳压芯片、型号为LM2577T-12的开关式升压芯片、型号为LM1117-3.3的低压差稳压芯片、型号为LM1117-ADJ的稳压芯片、型号为ZVH-4-50BM的光电编码器、型号为W134的(轮速传感器)霍尔传感器、型号为MMA7260的加速度传感器、型号为ADXRS300的横摆角速度传感器、型号为LM1881的视频同步信号分离芯片、型号为VNH3ASP30的H桥电机驱动芯片、型号为Futaba S3010的伺服电机、型号为Futaba S3010的转向舵机、型号为RS-380SH的驱动电机、型号为1/3″SONY600线CCD图像传感器、型号为7.2V 2000mAh的Ni-Cd电池。

II.智能导航车的操控方法

参阅图18，所述的智能导航系统中的可编程的图像处理单元、状态监控单元及可编程的行驶策略控制单元均安装在型号为MC9S12DP512的单片机中，实现对智能导航车行驶的操控。其步骤如下：

1.智能导航车在路面为浅色且路面中间有深色引导线表示行驶线路的道路上行驶时，首先CCD图像传感器8采集图像信息通过型号为LM1881的视频分离芯片传至型号为MC9S12DP512的单片机中，可编程的图像处理单元对获得的图像信息进行畸变校正、二值化处理和图像去噪处理，进而提取正确的引导线中心位置，得到智能导航车应遵循的路径信息。

2.可编程的行驶策略控制单元根据得到的路径信息分配目标速度V(m/s)和转向舵机转角δ_f(rad)，并将目标速度V和转向舵机转角δ_f信号通过型号为MC9S12DP512的单片机的引脚PWM3和引脚PWM1输出控制驱动电机3的转速和转向舵机11的转角。

程序执行期间，型号为MC9S12DP512的单片机内ECT定时器会定时产生中断，进入状态监控单元程序，监控智能导航车当前状态。参阅图16，将各传感器传来的信号：侧向加速度a_Y(m/s²)、转向舵机转角δ_f(rad)、横摆角速度γ(rad/s)和转向轮轮速ω(rad/s)作为状态监控单元的输入：

1)型号为MC9S12DP512的单片机中的状态监控单元根据收到的侧向加速度值a_Y，由式 ${\mathrm{\μ}}_e=\frac{K_{\mathrm{\μ}}\·\left|a_Y\right|}{a_{Y\max }}$ 估算出智能导航车转向行驶工况下路面附着系数μ_e，其中：a_Ymax为高附着路面下智能导航车行驶最大侧向加速度(m/s²)；K_μ为估算常数取1～1.1。

2)由式V_x＝ω·r估算车速，其中：ω(rad/s)为转向轮轮速，r为转向轮滚动半径(m)。

3)型号为MC9S12DP512的单片机将根据收到的信号，采用两自由度车辆模型，由式γ_stat＝G_γ·δ_f估算智能导航车稳态行驶下的名义横摆角速度值，其中：γ_stat的单位为rad/s，G_γ为横摆角速度稳态增益(rad·s^-1/rad)； $G_{\mathrm{\γ}}=\frac{V_x/L}{1+\frac{m}{L^2}(\frac{a}{k_2}-\frac{b}{k_1}){V_x}^2}$ 式中：L(m)为轴距，m(kg)为智能导航车质量，a、b分别为质心至前、后轴的距离(m)，k₁、k₂分别为前、后轮侧偏刚度(N/rad)。

4)对γ_stat进行修正得到智能导航车名义横摆角速度值为： ${\mathrm{\γ}}_{\mathrm{NO}}=\min \left\{\right|{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{stat}}|,|\frac{{\mathrm{\μ}}_e\·g}{V_x}\left|\right\}\·\mathrm{sign}\left({\mathrm{\δ}}_f\right),$ g为重力加速度，单位为m/s²。

5)通过得到的侧向加速度值a_Y、车速V_x和横摆角速度γ采用直接积分法估算出车辆的质心侧偏角β，单位为deg。

3.参阅图17，采用计算得到的γ_NO判断智能导航车此刻的运行状态

1)Th_δ为转向舵机11转角阈值，转向舵机11转角绝对值小于该阈值，视智能导航车为直线行驶，记Steer_f＝0；

2)当转向舵机11转角绝对值大于该阈值，且为负值时则表示智能导航车左转向，记Steer_f＝1；

3)当转向舵机11转角绝对值大于该阈值，且为正值时则表示智能导航车右转向，记Steer_f＝2；

4)Th_γ为横摆角速度偏差阈值，实际横摆角速度γ与名义横摆角速度值γ_NO之差(|γ-γ_NO|)的绝对值小于该阈值，视智能导航车能稳定地巡迹行驶，记State_f＝0；

5)实际横摆角速度γ与名义横摆角速度值γ_NO之差(|γ-γ_NO|)的绝对值大于该阈值时，且γ-γ_NO小于零，表明智能导航车处于不足转向，记State_f＝1；

6)实际横摆角速度γ与名义横摆角速度值γ_NO之差(|γ-γ_NO|)的绝对值大于该阈值时，且γ-γ_NO大于零，表明智能导航车处于过多转向，记State_f＝2；Th_γ的取值大小可由反复实验得到，取值过小将使电子稳定性程序控制介入过于频繁，而取值过大将降低其可靠性。

4.根据Steer_f与State_f的取值确定需要制动的车轮

1)当由状态监控单元判断得到的标志State_f＝0时，表明车辆在行驶的过程中未出现失稳的情况，型号为MC9S12DP512的单片机继续根据得到的路径信息分配目标速度V和转角δ_f，控制智能导航车沿既定路径行驶。

2)当由状态监控单元判断得到的标志State_f≠0时，表明车辆在行驶的过程中出现失稳的情况，此时原来的行驶控制已不能及时改善行驶状况，需要附加一个力矩来调整智能导航车的姿态。然后根据程序中两个标志Steer_f，State_f的取值来确定需要制动的驱动轮24：

表1需加制动的驱动轮选择表(RL为后左驱动轮；RR为后右驱动轮)

3)参阅图14与图16，通过型号为MC9S12DP512的单片机的引脚PWM7发送控制信号给伺服电机2使伺服电机2产生一定转角摆动摆臂，实现对相应的驱动轮24的机械制动从而对智能导航车附加了一个横摆力矩纠正智能导航车姿态。型号为MC9S12DP512的单片机的引脚PWM7发出脉宽调制信号占空比的大小由所需施加的横摆力矩大小决定，所需横摆力矩大小通过所得的实际横摆角速度γ、名义横摆角速度值γ_NO与车辆的质心侧偏角β估算，当质心侧偏角小于5度时，利用横摆角速度进行控制，即估算所需横摆力矩由实际横摆角速度γ和名义横摆角速度值γ_NO的偏差得到，使汽车具有较好的轨迹跟随能力；当质心侧偏角大于5度时，估算所需横摆力矩则由车辆的质心侧偏角β得到。

4)施加制动时不断监测此时标志State_f的值，当检测到State_f＝0时，即停止制动，程序进入下一循环。

Claims (7)

1.一种智能导航车，由信号采集系统、智能导航系统和行驶系统组成，所述的智能导航系统包括有型号为MC9S12DP512的单片机；所述的行驶系统包括有驱动机构固定架(5)、车底盘(12)、摩擦式差速器(19)、转向轮(20)、驱动轮(24)与半轴(25)，其特征在于，所述的信号采集系统主要由高度调节滑块(6)、CCD传感器调节架(7)、型号为1/3″SONY 600线的CCD图像传感器(8)、支撑杆固定盘(13)、碳纤维支撑杆(14)、型号为ZVH-4-50BM的光电编码器(1)、型号为MMA7260的加速度传感器(15)、型号为ADXRS300的横摆角速度传感器(16)和型号为W134的轮速传感器(28)组成；

型号为1/3″SONY 600线的CCD图像传感器(8)通过螺栓固定于CCD传感器调节架(7)一端的端面上，CCD传感器调节架(7)的另一端与高度调节滑块(6)一端铰接，高度调节滑块(6)套装在碳纤维支撑杆(14)上，碳纤维支撑杆(14)通过支撑杆固定盘(13)固定在车底盘(12)上，型号为ZVH-4-50BM的光电编码器(1)安于行驶系统中半轴(25)的左侧，通过光电编码器(1)输入轴上的齿轮与摩擦式差速器(19)上的齿轮相啮合；型号为MMA7260的加速度传感器(15)水平放置在智能导航车质心处；型号为ADXRS300的横摆角速度传感器(16)水平放置在智能导航车质心处；型号为W134的轮速传感器(28)安装在转向轮(20)内；

型号为1/3″SONY 600线的CCD图像传感器(8)、型号为ZVH-4-50BM的光电编码器(1)、型号为MMA7260的加速度传感器(15)、型号为ADXRS300的横摆角速度传感器(16)和型号为W134的轮速传感器(28)分别和智能导航系统中的型号为MC9S12DP512的单片机电线连接。

2.按照权利要求1所述的智能导航车，其特征在于，所述的行驶系统包括有制动机构，所述的制动机构主要由型号为Futaba S3010的伺服电机(2)、摆臂(4)及制动闸片(26)组成；

摆臂(4)是由一个水平横臂和两个垂直臂所组成的门字形的构件，型号为Futaba S3010的伺服电机(2)固定在驱动机构固定架(5)的上端面上，型号为Futaba S3010的伺服电机(2)的1号控制接口和型号为MC9S12DP512的单片机的引脚PWM7电线连接，型号为Futaba S3010的伺服电机(2)的转矩输出端与摆臂(4)中水平横臂的居中位置通过花键连接，门字形结构的摆臂(4)的两垂直臂的底端分别铰接有制动闸片(26)，两个制动闸片(26)和两个驱动轮(24)的轮辋内圈(27)或者是完全脱开，或者是其中一个制动闸片(26)脱开另一个所述制动闸片(26)贴紧驱动轮(24)的轮辋内圈(27)。

3.按照权利要求1所述的智能导航车，其特征在于，所述的型号为1/3″SONY600线的CCD图像传感器(8)和智能导航系统中的型号为MC9S12DP512的单片机电线连接是指：型号为1/3″SONY 600线的CCD图像传感器(8)通过型号为LM1881的芯片和型号为MC9S12DP512的单片机电线连接；

型号为1/3″SONY 600线的CCD图像传感器(8)的3号引脚与型号为MC9S12DP512的单片机的引脚PAD0电线连接，型号为1/3″SONY 600线的CCD图像传感器(8)的3号引脚同时通过电容C36与型号为LM1881的芯片的引脚COMP VID IN电线连接，型号为LM1881的芯片的引脚ODD/

O与型号为MC9S12DP512的单片机的引脚PE2电线连接，型号为LM1881芯片的引脚COMPSYNC O与型号为MC9S12DP512的单片机引脚IRQ电线连接。

4.按照权利要求1所述的智能导航车，其特征在于，所述的型号为ZVH-4-50BM的光电编码器(1)和智能导航系统中的型号为MC9S12DP512的单片机电线连接是指：型号为ZVH-4-50BM的光电编码器(1)的1号接口与型号为MC9S12DP512的单片机引脚PT7电线连接。

5.按照权利要求1所述的智能导航车，其特征在于，所述的型号为MMA7260的加速度传感器(15)和智能导航系统中的型号为MC9S12DP512的单片机电线连接是指：型号为MMA7260的加速度传感器(15)的引脚YOUT通过电阻R35与型号为MC9S12DP512的单片机的引脚PAD3电线连接。

6.按照权利要求1所述的智能导航车，其特征在于，所述的型号为ADXRS300的横摆角速度传感器(16)和智能导航系统中的型号为MC9S12DP512的单片机电线连接是指：型号为ADXRS300的横摆角速度传感器(16)的引脚RATEOUT与型号为MC9S12DP512的单片机的引脚PAD4电线连接；型号为ADXRS300的横摆角速度传感器(16)的引脚TEMP与型号为MC9S12DP512的单片机的引脚PAD5电线连接。

7.按照权利要求1所述的智能导航车，其特征在于，所述的型号为W134的轮速传感器(28)和智能导航系统中的型号为MC9S12DP512的单片机电线连接是指：轮速传感器(28)的1号接口与型号为MC9S12DP512的单片机引脚PT4电线连接。

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