自主会车的智能车设计

论文总字数：26437字

目 录

1 引言 1

1.1 本课题研究背景与研究意义 1

1.2 本课题国内外研究现状 1

1.3 本课题主要工作 3

1.4 本文结构安排 3

2 系统的整体方案设计 4

2.1 系统的需求分析 4

2.2 系统的方案论证 4

2.3 系统的整体方案 5

3 系统硬件设计 6

3.1 核心控制器的选择 6

3.2 电源稳压模块 6

3.3 路径检测与测距模块 8

3.3.1 电磁检测模块 8

3.3.2 摄像头传感器模块 8

3.3.3 超声波测距模块 9

3.4 信息存储模块 9

3.4.1 SD卡存储模块 9

3.4.2 FAT32文件系统 9

3.5 调试模块 10

3.5.1 OLED模块 10

3.5.2 按键模块 10

3.5.3 蓝牙模块 10

3.6 NRF无线通信模块 10

3.7 电机驱动模块 11

3.8 测速反馈模块 11

3.9 舵机转向模块 12

3.10 硬件总体 12

4 系统软件设计 13

4.1系统软件整体设计 13

4.2 软件开发环境 14

4.3 会车思路 15

4.3.1 直道会车 15

4.3.2 会车区会车 15

4.3.3 十字交叉路口会车 15

4.4 电磁传感器的数据处理算法 15

4.4.1 滤波算法 15

4.4.2 归一化算法 16

4.4.3 差比和算法 16

4.5 图像处理算法 17

4.6 改进式PID算法 18

5 系统实物调试与分析 18

5.1 图像调试 18

5.1.1 直道图像调试 19

5.1.2 弯道图像调试 19

5.1.3 十字交叉路口图像调试 19

5.1.4 圆环图像调试 20

5.1.5 起跑线图像调试 20

5.1.6 坡道图像调试 21

5.1.7 会车区图像调试 21

5.2 小车实际赛道调试 22

5.2.1 圆环调试 22

5.2.2 双车会车调试 22

5.2.3 赛道其他区域调试 23

5.3 速度跟踪调试 24

6 总结与展望 24

6.1 遇到的问题与解决方案 24

6.2 工作总结 25

6.3 系统不足与展望 26

参考文献 26

致 谢 28

附录 29

自主会车的智能车设计

张鹏鹏

, China

Abstract：A software and hardware design of an intelligent vehicle system is proposed, which can automatically avoid other vehicles when meeting.In the system,the new C-style car model is chosen as the hardware body, where the K60 MCU is selected for the core controller, and electromagnetic and camera sensors for path identification. The center of the camera sensor is no more than 10cm from the ground. The two designed cars run in the opposite direction from the starting line of the track.They can not only recognize and finish the track, but also avoid each other smoothly when meeting. Finally, the two vehicles meet again and stop at the starting line. The design process of the hardware and software of the system is given, as well as the specific implementation of the main algorithms, which provides a feasible technical scheme for the cooperative control of multi-intelligent vehicles.Experimental results show that the system runs stably and has good performance.

Key words: MCU; Intelligent vehicle; Autonomous rendezvous ; Path recognition ; Coordinated control

1 引言

本章主要介绍本课题的研究背景与研究意义，并对比分析本课题的国内外研究现状，同时介绍本课题的主要工作，并给出本文的结构安排。

1.1 本课题研究背景与研究意义

伴随着科学技术的日益发展与人民生活水平的不断提高，汽车已经逐渐成为人们日常生活中不可或缺的代步工具。但是，传统的汽车有着天然的弊端，其需要人为驾驶的特性为道路安全埋下了深深的隐患。因此，发展智能汽车技术具有重要的现实意义与广阔的应用前景。现如今，全球汽车产业正处于深度调整与深刻变革的关键时期，中国政府高度关注智能汽车发展，比如“中国制造2025”明确提出智能制造是我国制造业未来发展的主攻方向^[1]。除此之外，我国也相当重视智能汽车相关人才的培养。其中，“恩智浦”杯全国大学生智能汽车竞赛就是教育部专门为了培养大学生的实践、创新能力与团队精神而设立的一项大型科技类学科竞赛，至今已经成功举办十二届。这项竞赛以迅猛发展的汽车电子为背景，涵盖了自动控制、模式识别、电子信息、传感器技术、机械、计算机等多门学科^[2]。本设计以该项学科竞赛为背景，选取即将举行的第十三届全国大学生智能汽车竞赛规则中的双车会车组作为研究课题，主要研究以单片机为控制器，电磁传感器与摄像头传感器共同识别赛道，使两辆从起跑线处相向而行的小车完成一圈赛道的运行任务，并能够在途中相遇时顺利完成交会。本课题研究的意义在于：

1. 小车能够通过电磁传感器与摄像头传感器综合检测道路信息，这与往届比赛中使用单一传感器检测赛道信息不同。通过多传感器检测路径并对各传感器数据进行一定的融合，可以大大提高数据的稳定性，从而能够显著改善小车在实际赛道上运行时的稳定性和鲁棒性。
2. 小车能够根据传感器测得的数据判断当前小车与赛道中心线的相对位置，并实时地控制电机与舵机，从而能够使小车在合适的路径之中自主运行，在不需要人为干预的情况下实现无人驾驶。因此，它在智能交通领域拥有广阔的发展前景。
3. 两辆小车能够通过无线模块实现数据通信，共享双方的位置信息，顺利实现两车在赛道当中的交会任务，涉及两辆小车间的协同控制，这对于多智能车的协同控制研究具有一定的参考价值。
4. 当今国内对于智能车的研究多为单车识别路况，然后根据路况信息自主地选择合适的运行方式。对于双车的控制，尤其是双车的会车控制研究还比较少。因此，本文给出的方案对于双车交会控制具有重要的参考意义。

1.2 本课题国内外研究现状

智能车，也称作无人地面车辆，是一类集环境感知、动态决策与规划、智能控制与执行等多功能于一体的综合系统^[3]。无人驾驶的智能汽车已经成为当今世界汽车技术前沿研究热点，也是衡量一个国家整体科技水平与工业实力的重要标志。

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