遙控車設(shè)計【遙控智能小車】【輪式機器人】

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Whether in the entertainment, defense science, technology and education style and application, has its certain research and exploitation of value. This car is introduced and the remote areas and related robot of intelligent vehicle research status of remote control system of basic car technology is introduced, the system is given based on the summary of remote car design. Detailed introduces remote control system design and the car. The remote control of mechanical structure are studied. Auxiliary motion control system for intelligent car nonlinear boundary environmental uncertainty, using the method of fuzzy logic reasoning, allowing the uncertainty of knowledge boundary, This is based on remote control and drive car parts, we can better understand the remote car design problems involved. Hope to achieve its own research through a certain achievement, intelligent, given the conditions to achieve wireless control, and the structure of the problem, in order to meet the overall design. Keywords: control agencies transmission mechanism of multi-sensor data fusion fuzzy contro 目 錄 第一章 緒論 1 1.1選題背景 1 1.2課題在理論和實際應(yīng)用方面的價值 2 1.3主要研究內(nèi)容 4 第二章 遙控智能小車的研究現(xiàn)狀 5 2.1移動機器人的發(fā)展 5 2.1.1國外移動機器人的發(fā)展 5 2.1.2國內(nèi)移動機器人的發(fā)展 6 2.2智能車輛的研究 7 2.2.1國外智能車輛的研究 7 2.2.2國內(nèi)智能車輛的研究 9 第三章 遙控智能小車的關(guān)鍵技術(shù) 10 3.1機械結(jié)構(gòu) 10 3.1.1車身設(shè)計介紹 13 3.1.2車身設(shè)計技術(shù)要求 13 3.1.3 電機的的選擇 14 3.1.4 主軸的選擇與校核 15 3.2多傳感器系統(tǒng)與數(shù)據(jù)融合 22 3.3智能技術(shù) 23 第四章 遙控小車的硬件系統(tǒng) 24 4.1總體設(shè)計 24 4.2處理器 25 4.2.1常用處理器及其特點 26 4.2.2處理器的選擇 26 4.3傳感器 27 4.3.1位置傳感器 28 4.3.2加速度傳感器 28 4.3.3紅外傳感器 28 4.3.4超聲傳感器 29 4.3.5視覺系統(tǒng) 31 第五章 車體的維護與保養(yǎng) 33 結(jié)論 35 致謝 36 參考文獻(xiàn) 37 第一章 緒論 1.1選題背景 在當(dāng)今社會中，遙控作為一個新興的領(lǐng)域，正在被越來越多的人應(yīng)用到各個領(lǐng)域，小到小孩手中的玩具，大到國防科技，無不有著非常廣泛的應(yīng)用。而這些應(yīng)用也大大提高了工作效率，保障了許多非人易操作的中作的安全性。 例如在外星探測方面，隨著肩負(fù)著人類探測火星使命的“勇氣”號和“機遇”號于2004年1月3日和1月24日在火星不同區(qū)域著陸，并于2004年4月5日和2004年4月26日相繼通過所有“考核標(biāo)準(zhǔn)”。美國宇航局的孿生火星車探測計劃至此正式宣告取得圓滿成功。[1]美國宇航局科學(xué)家和工程師事先設(shè)立了一系列硬指標(biāo)，作為判定兩輛火星車聯(lián)合探測計劃是否成功的依據(jù)。按照規(guī)定，每輛火星車都需要至少工作90個火星日（約相當(dāng)于地球上的92天)，在火星上行駛總里程至少達(dá)到600米，至少造訪8個不同地點，必須拍下周圍環(huán)境的立體和彩色全景照片。“勇氣”號是迄今美國發(fā)射的最尖端的火星探測裝置，其頂部的桅桿式結(jié)構(gòu)上裝有全景照相機及具有紅外探測能力的微型熱輻射分光計?！坝職狻碧柍晒崿F(xiàn)了集通信、拍攝和計算等功能于一身。火星車能夠在火星上自主行駛：當(dāng)火星車發(fā)現(xiàn)值得探測的目標(biāo)，它會驅(qū)動六個輪子向目標(biāo)行駛；在檢測到前進方向上的障礙后，火星車會去尋找可能的最佳路徑。類似火星車，以輪子作為移動機構(gòu)、能夠?qū)崿F(xiàn)自主行駛的機器人，我們稱之為智能小車，又稱輪式機器人。也是遙控小車的一種。 如果將常規(guī)的遙控機器人操作手與掛在多用車或者牽引車的起重機進行比較，可發(fā)現(xiàn)兩者非常相似。它們都具有許多連桿，這些連桿通過關(guān)節(jié)依次連接，這些關(guān)節(jié)由驅(qū)動器驅(qū)動。在上述兩個系統(tǒng)中，操作機的“手”都能在空中運動并可以運動到工作空間的任何位置，它們都能承載一定的負(fù)載，并都用一個中央控制器控制驅(qū)動器。然而，它們一個稱為機器人，另一個稱為操作機（也就是起重機），兩者最根本的不同是起重機是由人來控制驅(qū)動器，而機器人操作手是由計算機編程控制，正是通過這一點可以區(qū)別一臺設(shè)備到底是簡單的操作機還是機器人。通常機器人設(shè)計成由計算機或類似裝置來控制，機器人的動作受計算機監(jiān)控的控制器所控制，該控制器本身也運行某種類型的程序。因此，如果程序改變了，機器人的動作會相應(yīng)改變。我們希望一臺設(shè)備能夠靈活地完成各種不同的工作而無需重新設(shè)計硬件裝置（當(dāng)然在能力范圍以內(nèi)）。簡單的操作機（或者說起重機）除非一直由操作人員操作，否則無法做到這一點。[2] 目前各國關(guān)于機器人的定義都各不相同。在美國標(biāo)準(zhǔn)中，只有易于再編程的裝置才認(rèn)為是機器人。因此，手動裝置（比如一個多自由度的需要操作員來驅(qū)動的裝置）或固定順序機器人（例如有些裝置由強制啟停控制驅(qū)動器，其順序是固定的并且很難更改）都不認(rèn)為是機器人。 2004年4月17日下午，美國“機遇”號火星車在火星上跑完一個“馬拉松式”的長途，輕松駛出140多米，創(chuàng)下人類發(fā)射的火星車迄今在火星上單日行車距離的新紀(jì)錄。在結(jié)束這次長途旅程后，“機遇”號在火星上的累計行駛里程達(dá)到627.7米，突破了600米這道大關(guān)。“機遇”號在這次破紀(jì)錄之旅中，在大多數(shù)路段上都憑借新的自動導(dǎo)航軟件指引。以火星車為代表的遙控智能小車，依靠自動導(dǎo)航軟件實現(xiàn)在一定道路條件下的自動行駛，這是智能車輛的另一個基本特征。 遙控智能小車，是一個集環(huán)境感知、規(guī)劃決策，自動行駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)，它集中地運用了計算機、傳感、信息、通信、導(dǎo)航、人工智能及自動控制等技術(shù)，是典型的高新技術(shù)綜合體。 1.2課題在理論和實際應(yīng)用方面的價值 遙控智能小車，也就是輪式機器人，最適合在那些人類無法工作的環(huán)境中工作，它們已在許多工業(yè)部門獲得廣泛應(yīng)用。它們可以比人類工作得更好并且成本低廉。以下列舉了機器人的一些應(yīng)用，所有這些用途正逐步滲入到工業(yè)和社會的各個層面。 1、焊接: 這時機器人與焊槍及相應(yīng)配套裝置一起將部件焊接在一起，這是機器人在自動化工業(yè)中最常見的一種應(yīng)用。由于機器人連續(xù)運動，可以焊接得非常均勻和準(zhǔn)確。 2、噴漆:這是另一種常見的機器人應(yīng)用，尤其是在汽車工業(yè)上。由于人工噴漆時要保持通風(fēng)和清潔，因此創(chuàng)造適合人們工作的環(huán)境是十分困難的，而且與人工操作相比，機器人更能持續(xù)不斷地工作，因此機器人非常適合噴漆工作。 3、檢測:對零部件、線路板及其它類似產(chǎn)品的檢測也是機器人比較常見的應(yīng)用。一般說來檢測系統(tǒng)中還集成有其他一些設(shè)備，它們是視覺系統(tǒng)、X射線裝置、超聲波探測儀或其他類似儀器。 4、醫(yī)療應(yīng)用:由于要求機器人完成的許多操作（如切開顱骨、在骨體上鉆孔等）比人工操作更為準(zhǔn)確，因此手術(shù)中許多機械操作部分都由機器人來完成。 5、幫助殘疾人在日常生活中，機器人可以做很多事情來幫助殘疾人，諸如將盛著食品的盤子放入微波爐，從微波爐中取出盤子，并且將盤子放到殘疾人面前給他用餐等。其他許多任務(wù)也可通過編程讓機器人來執(zhí)行。 6、危險環(huán)境機器人非常適合在危險的環(huán)境中使用。在這些險惡的環(huán)境下工作，人類必需采取嚴(yán)密的保護措施。而機器人可以進入或穿過這些危險區(qū)域進行維護和探測工作，且不需要得到像對人一樣的保護。 7、水下、太空及遠(yuǎn)程機器人也可以用于水下、太空及遠(yuǎn)程的服務(wù)和探測。雖然尚沒有人被送往火星，但已有許多太空漫游車在火星登陸并對火星進行探測。如美國的“勇氣”號和“機遇”號的主要任務(wù)是在火星上探水，它們已分別在其著陸區(qū)域附近找到火星上過去曾有過水的證據(jù)。 另外，遙控智能小車自動行駛功能的研究將有助于智能車輛的研究。智能車輛駕駛?cè)蝿?wù)的自動完成將給人類社會的進步帶來巨大的影響，例如能切實提高道路網(wǎng)絡(luò)的利用率、降低車輛的燃油消耗量，尤其是在改進道路交通安全等方面提供了新的解決途徑。 1.3主要研究內(nèi)容 本課題的主要研究內(nèi)容包括： （1） 遙控智能小車相關(guān)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀。本文首先概要介紹了與遙控小車相關(guān)的機器人、智能車輛和月球車的發(fā)展歷史、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。 （2） 遙控智能小車的關(guān)鍵技術(shù)。論文簡單介紹了智能小車的關(guān)鍵技術(shù)，包括：機械結(jié)構(gòu)、多傳感器系統(tǒng)與數(shù)據(jù)融合和智能技術(shù)。主要研究遙控智能小車的機械結(jié)構(gòu)。 第二章 遙控智能小車的研究現(xiàn)狀 2.1移動機器人的發(fā)展 2.1.1國外移動機器人的發(fā)展 移動機器人的研究始于60年代末期，斯坦福研究院（SRI）的Nils Nilssen和Charles Rosen等人，在1966年至1972年間研制出了名為Shakey的自主移動機器人。[3] 進入20世紀(jì)80年代以后，人們的研究方向逐漸轉(zhuǎn)移到了面向?qū)嶋H應(yīng)用的室內(nèi)移動機器人的研究，并逐步形成了自主式移動機器人AMR（IndoorAutonomous Mobile Robot）概念。美國國防高級研究計劃局（DARPA）專門立項，制定了地面天人作戰(zhàn)平臺的戰(zhàn)略計劃。從此，在全世界掀開了全面研究室外移動機器人的序幕，如DARPA的“戰(zhàn)略計算機”計劃中的自主地面車輛（ALV）計劃（1983～1990），能源部制訂的為期10年的機器人和智能系統(tǒng)計劃（RIPS）（1986～1995)，以及后來的空間機器人計劃；日本通產(chǎn)省組織的極限環(huán)境下作業(yè)的機器人計劃；歐洲尤里卡中的機器人計劃等。初期的研究，主要從學(xué)術(shù)角度研究室外機器人的體系結(jié)構(gòu)和信息處理，并建立實驗系統(tǒng)進行驗證。雖然由于80年代對機器人的智能行為期望過高，導(dǎo)致室外機器人的研究未達(dá)到預(yù)期的效果，但卻帶動了相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，為探討人類研制智能機器人的途徑積累了經(jīng)驗，同時，也推動了其它國家對移動機器人的研究與開發(fā)。 進入90年代，隨著技術(shù)的進步，移動機器人開始在更現(xiàn)實的基礎(chǔ)上，開拓各個應(yīng)用領(lǐng)域，向?qū)嵱没M軍。美國NASA研制的火星探測機器人索杰那于1997年登上火星，這一事件向全世界進行了報道。為了在火星上進行長距離探險，又開始了新一代樣機的研制，命名為Rocky7，并在Lavic湖的巖溶流上和干枯的湖床上進行了成功的實驗。德國研制了一種輪椅機器人，并在烏爾姆市中心車站的客流高峰期的環(huán)境和1998年漢諾威工業(yè)商品博覽會的展覽大廳環(huán)境中進行了實地現(xiàn)場表演。該輪椅機器人在公共場所擁擠的、有大量乘客的環(huán) 境中，進行了超過36個小時的考驗，所表現(xiàn)出的性能是其它現(xiàn)存的輪椅機器人或移動機器人所不可比的。這種輪椅機器人是在一個商業(yè)輪椅的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的。 2004年，美國的火星車“勇氣”號和“機遇”號登上火星，并且圓滿完成了預(yù)期的探索任務(wù)：每輛火星車都需要至少工作90個火星日（約相當(dāng)于地球上的92天)，在火星上行駛總里程至少達(dá)到600米，至少造訪8個不同地點，必須拍下周圍環(huán)境的立體和彩色全景照片。“勇氣”號和“機遇”號火星車，代表著當(dāng)前世界上移動機器人的最高水平。 2.1.2國內(nèi)移動機器人的發(fā)展 國內(nèi)對于移動機器人的起步比較晚。從“七五”開始，我國的移動機器人研究開始起步，經(jīng)過多年來的發(fā)展，己經(jīng)取得了一定的成績。清華大學(xué)智能移動機器人于1994年通過鑒定。涉及到五個方面的關(guān)鍵技術(shù)：基于地圖的全局路徑規(guī)劃技術(shù)研究（準(zhǔn)結(jié)構(gòu)道路網(wǎng)環(huán)境下的全局路徑規(guī)劃、具有障礙物越野環(huán)境下的全局路徑規(guī)劃、自然地形環(huán)境下的全局路徑規(guī)劃）；基于傳感器信息的局部路徑規(guī)劃技術(shù)研究（基于多種傳感器信息的“感知一動作”行為、基于環(huán)境勢場法的“感知一動作”行為、基于模糊控制的局部路徑規(guī)劃與導(dǎo)航控制）；路徑規(guī) 劃的仿真技術(shù)研究（基于地圖的全局路徑規(guī)劃系統(tǒng)的仿真模擬、室外移動機器人規(guī)劃系統(tǒng)的仿真模擬、室內(nèi)移動機器人局部路徑規(guī)劃系統(tǒng)的仿真模擬）；傳感技術(shù)、信息融合技術(shù)研究（差分全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)、磁羅盤和光碼盤定位系統(tǒng)、超聲測距系統(tǒng)、視覺處理技術(shù)、信息融合技術(shù)）；智能移動機器人的設(shè)計和實現(xiàn)（智能移動機器人THMR－III的體系結(jié)構(gòu)、高效快速的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、自動駕駛系統(tǒng)）。香港城市大學(xué)智能設(shè)計、自動化及制造研究中心的自動導(dǎo)航車和服務(wù)機器人。中國科學(xué)院沈陽自動化研究所的AGV和防爆機器人。中國科學(xué)院自動化所自行設(shè)計、制造的全方位移動式機器人視覺導(dǎo)航系統(tǒng)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)于1996年研制成功的導(dǎo)游機器人等。 2.2智能車輛的研究 智能車輛作為智能交通系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，是許多高新技術(shù)綜合集成的載體。智能車輛駕駛是一種通用性術(shù)語，指全部或部分完成一項或多項駕駛?cè)蝿?wù)的綜合車輛技術(shù)。智能車輛的一個基本特征是在一定道路條件下實現(xiàn)全部或者部分的自動駕駛功能。 2.2.1國外智能車輛的研究 智能車輛的研究始于20世紀(jì)50年代初，美國Barrett Electronics公司開發(fā)出的世界上第一臺自動引導(dǎo)車輛系統(tǒng)（Automated Guided Vehicle System，AGVS）。1974年，瑞典的VolvoKalmar轎車裝配工廠與Schiinder－Digitron公司合作，研制出一種可裝載轎車車體的AGVS，并由多臺該種AGVS組成了汽車裝配線，從而取消了傳統(tǒng)應(yīng)用的拖車及叉車等運輸工具。由于Kalmar工廠采用AGVS獲得了明顯的經(jīng)濟效益，許多西歐國家紛紛效仿Volvo公司，并逐步使AGVS在裝配作業(yè)中成為一種流行的運輸手段。 在世界科學(xué)界和工業(yè)設(shè)計界中，眾多的研究機構(gòu)正在研發(fā)智能車輛，其中具有代表性的智能車輛包括：[4] 意大利MOB－LAB的研究。MOB－LAB是開放“移動試驗室”的代名詞，后來用來研發(fā)車載實時圖像處理系統(tǒng)，通過計算機視覺系統(tǒng)來檢測車道軌跡，實現(xiàn)車輛自主駕駛。MOB-LAB有以下主要特點：車輛前后裝備彩色攝像機，用來檢測車輛外部環(huán)境；兩個實時數(shù)字圖像處理器（利用相應(yīng)算法結(jié)構(gòu)，以200ms一幅圖像速度分析圖像）；4個車載傳感器來測量橫向和縱向車輛加速度；在車輛左右側(cè)安裝的毫米波雷達(dá)感知道路左右兩側(cè)環(huán)境；兩個PC處理器處理雷達(dá)和其他融合的傳感器數(shù)據(jù)； 德意志聯(lián)邦大學(xué)的研究。德意志聯(lián)邦大學(xué)已經(jīng)研發(fā)出多輛智能原型車輛。在1985年，第一輛VaMoRs智能原型車輛就已經(jīng)在戶外高速公路上以100km/h的速度進行了測試。使用機器視覺來保證橫向和縱向的車輛控制。1988年，在都靈的PROMETHEUS項目第一次委員會會議上，智能車輛維塔（VITA，7t）也進行了展示，該車可以自動停車、行進，并可以向后車傳送相關(guān)駕駛信息。這兩種車輛都配備UBM視覺系統(tǒng)。這是一個雙目視覺系統(tǒng)，具有極高的穩(wěn)定性，同時還包括一些其他種類的傳感器：三個加速度計、一個車輪位置編碼器（可作為里程表或速度計），在VaMoRs車中，GPS接收機可以實現(xiàn)車輛位置的初步估算。 美國俄亥俄州立大學(xué)的研究。美國俄亥俄州立大學(xué)智能交通研究所所研發(fā)的三輛智能原型車輛，配備不同的傳感器來實現(xiàn)數(shù)據(jù)融合和錯誤檢測技術(shù)：基于視覺的系統(tǒng)；雷達(dá)系統(tǒng)（檢測與車道的橫向位置）；激光掃描測距器（障礙物檢測）；其他傳感器，如側(cè)向雷達(dá)、轉(zhuǎn)向陀螺儀。利用基于視覺的方法實現(xiàn)道路檢測。利用一臺安裝在后視鏡處的CCD攝像機，位置要盡可能高，車道檢測系統(tǒng)可以處理這樣的單幅灰度圖像。算法假設(shè)道路是水平地，并且有連續(xù)或點化的車道標(biāo)志線。前幾幀檢測的車道標(biāo)志線數(shù)據(jù)也用來決定下一步興趣熱點區(qū)域，以簡化圖像處理。算法從圖像中提取出重要的亮域，并以向量行駛存儲，如道路消失點或道寬這樣的數(shù)據(jù)參數(shù)，都可以作為計算車道標(biāo)志線的參考，最后為了處理點劃車道線，可以通過一階多項式曲線來擬合，在進行向量計算。如果檢測到左右車道標(biāo)志線，就可以利用左右標(biāo)志線來估計車道中心線；否則也可以利用估計的車道寬度及相關(guān)可視標(biāo)志來估算中心線。 另外，斯特拉斯堡（Strasbourg）試驗中心、英國國防部門的研究、美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)、奔馳公司、美國麻省理工學(xué)院、韓國理工大學(xué)對智能車輛也有較多的研究。 2.2.2國內(nèi)智能車輛的研究 吉林大學(xué)智能車輛課題組長期從事智能車輛自主導(dǎo)航機理及關(guān)鍵技術(shù)研究。20世紀(jì)90年代以來，課題組開展的組態(tài)式柔性制造單元及圖像識別自動引導(dǎo)車的研究對我國獨立自主開發(fā)一種新型自動引導(dǎo)車輛系統(tǒng)，從而為我國生產(chǎn)組織模式向柔性或半柔性生產(chǎn)組織轉(zhuǎn)化提供了有意義的技術(shù)支撐和關(guān)鍵設(shè)備。課題組已開發(fā)出JUTIV—1、JUTIV—2、JLUIV—3三種型號的自動引導(dǎo)車輛，其中JLUIV—3實用型視覺導(dǎo)航AGV已投入工廠進行中試，并得到吉林省科委“新型視覺引導(dǎo)AGV及自動物流運輸系統(tǒng)開發(fā)”項目、長春市政府科計引導(dǎo)計劃新星創(chuàng)業(yè)項目、吉林大學(xué)科技園高新技術(shù)產(chǎn)品孵化項目的立項資助，目前該種AGV已完成商品化研制，即將投入市場[5]。由于JUTIV—3型AGV性能優(yōu)越，智能化程度高，屬國內(nèi)首創(chuàng)，必將會產(chǎn)生重大的社會效益和經(jīng)濟效益。 中國第一汽車集團公司和國防科技大學(xué)機電工程與自動化學(xué)院于2003年7月研制成功我國第一輛自主駕駛轎車。該自主駕駛轎車在正常交通情況下，在高速公路上行駛的最高穩(wěn)定速度為130公里/小時，最高峰值速度為170公里/小時，并且具有超車功能，其總體技術(shù)性能和指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到世界先進水平。轎車自主駕駛的基本原理是仿人駕駛。車內(nèi)的環(huán)境識別系統(tǒng)識別出道路狀況，測量前方車輛的距離和相對速度，相當(dāng)于駕駛員的眼睛；車載主控計算機和相應(yīng)的路徑規(guī)劃軟件根據(jù)計算機視覺提供的道路信息、車前車輛情況以及自身的行駛狀態(tài)，決定是沿道路前進還是換道準(zhǔn)備超車，相當(dāng)于駕駛員的大腦；接著，自動駕駛控制軟件按照需要跟蹤的路徑和汽車行駛動力學(xué)，向方向盤控制器、油門控制器和剎車控制器發(fā)出動作指令，操縱汽車按規(guī)劃好的路徑前進，起到駕駛員的手和腳的作用。 另外，我國清華大學(xué)、北京理工大學(xué)等單位也正在研發(fā)智能車輛。汽車自主駕駛技術(shù)是集模式識別、智能控制、計算機科學(xué)和汽車操縱動力等多門學(xué)科于一體的綜合性技術(shù)，汽車自主駕駛功能水平的高低常被用來作為衡量一個國家控制技術(shù)水平的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。 第三章 遙控智能小車的關(guān)鍵技術(shù) 遙控智能小車要想走向?qū)嵱?，必需擁有能勝任的運動系統(tǒng)、可靠的導(dǎo)航系統(tǒng)、精確的感知能力和具有既安全而又友好地與人一起工作的能力。遙控智能小車的智能指標(biāo)為自主性、適應(yīng)性和交互性。適應(yīng)性是指小車具有適應(yīng)復(fù)雜工作環(huán)境的能力（主要通過學(xué)習(xí)），不但能識別和測量周圍的物體，還有理解周圍環(huán)境和所要執(zhí)行任務(wù)的能力，并做出正確的判斷及操作和移動等能力。自主性是指小車能根據(jù)工作任務(wù)和周圍環(huán)境情況，自己確定工作步驟和工作方式；交互性是智能產(chǎn)生的基礎(chǔ)，交互包括小車與環(huán)境、小車與人及小車之間三種，主要涉及信息的獲取、處理和理解。智能小車是一個綜合系統(tǒng)，包括以下關(guān)鍵技術(shù)： 3.1機械結(jié)構(gòu) 作為機械專業(yè)，機械結(jié)構(gòu)式本次論文的重中之中重。因此遙控智能小車機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計，應(yīng)根據(jù)實際需要進行。例如：美國NASA發(fā)射的“機遇”號火星車，長1.6米、寬2.3米、高1.5米，重174千克，具有6個輪子，如圖3.1。它有自己的所謂大腦、頸、頭、眼睛和手臂。它的“大腦”是一臺每秒能執(zhí)行約2000萬條指令的計算機，不過與人類大腦位置不同，計算機在火星車身體內(nèi)部?！邦i”和“頭”是火星車上伸出的一個桅桿式結(jié)構(gòu)，距火星車輪子底部高度約為1.4米；“眼睛”是一對可拍攝火星表面彩色照片的全景照相機，有了它們，火星車能像站在火星表面的人一樣環(huán)視四周。 美國著名發(fā)明家迪恩·卡門設(shè)計了一種可以防止傾倒顛覆的由電腦控制的輪椅，如圖3.2。這種輪椅的全稱是“iBOT3000獨立機動系統(tǒng)”（簡稱iBOT），從外表看上去，iBOT與普通輪椅不大一樣：它有6個輪子，前面一對為直徑10厘米的實心腳輪，后面兩對為直徑30厘米的充氣輪胎。iBOT通過復(fù)雜的陀螺儀系統(tǒng)來保持平衡，當(dāng)輪椅上分布的傳感器感受到重心變化時，它們馬上把這些信息傳輸?shù)轿挥谧蜗旅娴目刂坪兄??？刂坪欣镉袔讉€“奔騰III”處理器和預(yù)先設(shè)計好的程序，這些程序會“命令”輪椅的機械系統(tǒng)進行自我調(diào)整，保持平衡。[14] 日本一家公司新推出的可以上下樓梯的輪椅，采用的是四星輪式結(jié)構(gòu)，如圖3.3。在智能小車機構(gòu)方面，應(yīng)當(dāng)結(jié)合智能小車在各個領(lǐng)域及各種場合的應(yīng)用，開展豐富而富有創(chuàng)造性的工作。 圖3.1美國“機遇”號火星車模型圖[6] 圖3.2美國卡門設(shè)計的能爬樓梯的新型輪椅 圖3.3日本的新型輪椅車 3.1.1車身設(shè)計介紹 遙控車身設(shè)計尤其是新車型的設(shè)計，是根據(jù)該車的使用要求而提出的整車參數(shù)與性能指標(biāo)進行計算的，顯然，要從宏觀入手，即從整車的總體設(shè)計開始，然后通過總體設(shè)計的分析與計算，將整車參數(shù)和性能指標(biāo)分解為有關(guān)總成的參數(shù)和功能后，再進行總成和部件設(shè)計，進而進行零件甚至某一更細(xì)微的局部設(shè)計與研究，選擇材料以及校核。 車身的設(shè)計過程：[10] （1）調(diào)查與初始決策；其任務(wù)是選定設(shè)計目標(biāo)，并制定設(shè)計工作方針及設(shè)計原則。調(diào)查研究。的內(nèi)容應(yīng)包括：查閱以往與本次設(shè)計相關(guān)的設(shè)計內(nèi)容，比較其優(yōu)劣，改進技術(shù)，包括材料及零件的選擇，制定大體的設(shè)計方案。 （2）總體方案設(shè)計；其任務(wù)是根據(jù)查閱資料后所選定的目標(biāo)及開發(fā)目標(biāo)制定的工作方針，設(shè)計原則等主導(dǎo)思想提出整車設(shè)想，因此又稱為概念設(shè)計（concept desion）或構(gòu)思設(shè)計。為此要繪制不同的總體圖供選擇。在總體方案圖上進行初步布置和分析，對主要總成只要畫出大輪廓而突出各方案間的主要差別，使方案對比簡明清晰，經(jīng)方案論證選出其中最佳者。 （3）繪制總布置草圖，確定整車主要尺寸，質(zhì)量參數(shù)與性能指標(biāo)以及各總成的基本形式。在總布置草圖上較準(zhǔn)確地畫出各總成及部件的外形和尺寸并進行仔細(xì)的布置；對軸荷分配和質(zhì)心高度作計算與調(diào)整，以便準(zhǔn)確地確定車體的軸距，總長，總寬，總高，離地間隙，備件或車身高度等，并使之符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)；進行性能計算及參數(shù)匹配。 （4）車身造型設(shè)計及繪制車身布置圖；繪制不同外形，不同方向，不同配比的車身外形圖；制作相應(yīng)造型的模型；從中優(yōu)選后再制作精確模型。并繪制相應(yīng)的車身布置圖。 3.1.2車身設(shè)計技術(shù)要求 車身設(shè)計的主要技術(shù)要求主要包括材質(zhì)的選定，電機的選擇以及主軸的選擇與校核。[11] 3.1.3 電機的的選擇 選擇電動機包括：確定類型、結(jié)構(gòu)、容量（功率）和轉(zhuǎn)速，并在產(chǎn)品目錄中查出其型號和尺寸。 （1）選擇電動機的類型和結(jié)構(gòu)型式 按工作要求和條件，選用兩相籠型異步電動機，封閉式結(jié)構(gòu)，電壓220v,Y型。 （2）選擇電動機的容量 由,得： 卷筒軸工作的轉(zhuǎn)速： 電動機所需工作效率： 由,得 由電動機至運輸帶的傳動總效率： ηɑ=η1×η24×η32×η4×η5 式中：η1，η2 ，η3 ，η4 ，η5分別為帶傳動，軸承，齒輪傳動，聯(lián)軸器和卷筒的傳動效率。 取η1=0.96（V帶），η2=0.98（滾子軸承），η3=0.97（齒輪精度為8級，不包括軸承效率），η4=0.99（彈性聯(lián)軸器），η5=0.96，則： ηɑ=0.96×0.984×0.972×0.99×0.96=0.79 所以， ( 3 )確定電動機的轉(zhuǎn)速 由上可知，卷筒軸工作的轉(zhuǎn)速為n=76.43r/min 按表1推薦的傳動比合理范圍，取V帶傳動的傳動比i1ˊ=2～4，二級圓柱齒輪減速器傳動比i2ˊ=8～40. 則總傳動比合理范圍為i0ˊ=16～160，故電動機轉(zhuǎn)速的可選范圍為 ndˊ=iaˊ×n=(16～160)×76.43=(1222.88～12228.8) r/min 符合的同步轉(zhuǎn)速有1500，2200r/min。 根據(jù)容量和轉(zhuǎn)數(shù)，由有關(guān)資料查出二種使用的電動機型號，如表1.中和考慮電動機和傳動裝置的尺寸，重量，價格和帶傳動，減速器的傳動比。可見第二方案比較合適。因此選定電動機型號為Y132M-4其主要性能如下 型號 額定功率（w） 滿載時 額定 轉(zhuǎn)矩 額定 電量 轉(zhuǎn)速 效率（%） 功率因數(shù) Y132M-4 95 2200 87.0 0.85 2.2 7.0 3.1.4 主軸的選擇與校核 1.軸的選擇[12] 根據(jù)工作條件，初選軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理。按扭轉(zhuǎn)強度法進行最小直徑估算，即，初算軸徑時，若最小直徑軸段開有鍵槽，還要考慮鍵槽對軸的強度的影響。當(dāng)該軸段截面上有一個鍵槽時，d增大5%～7%，兩個鍵槽時，d增大10%～15% A0值由教材表15-3確定:高速軸A01=126，中間軸A02=120，低速軸A03=112. 因為最小直徑處有連接聯(lián)軸器，則 d1min=d1min ′×(1+7%)=×(1+0.07)mm=17.3mm 取整數(shù)d1min=20mm 因中間軸最小直徑處安裝滾動軸承，取為標(biāo)準(zhǔn)值d2min=25mm. 因從動軸最小直徑處安裝聯(lián)軸器，設(shè)有一個鍵槽，則： d3min=d3min ′×(1+7%)=45.57×(1+0.07)mm=48.76mm 取為聯(lián)軸器的孔徑d3min=50mm. 2 )減速器裝配草圖的設(shè)計 根據(jù)軸上零件的結(jié)構(gòu)，定位，裝配關(guān)系，軸向?qū)挾燃傲慵g的相對位置等要求，初步設(shè)計減速器裝配草圖 3 ）軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 1.主動的結(jié)構(gòu)設(shè)計 ⑴ 各軸段直徑的確定 d11:最小直徑，安裝大帶輪的外伸軸段，d11=d1min=20mm d12:密封處軸段，根據(jù)大帶輪的軸向定位要求，定位高度h=(0.07～0.1)d11,以及密封圈的標(biāo)準(zhǔn)（擬采用氈圈密封），d12=30mm d13:滾動軸承處軸段，d13=45mm.滾動軸承選取30209，其尺寸為d×D×T×B=45mm×85mm×20.15mm×19mm d14:過渡軸段，由于各級齒輪傳動的線速度均小于2m/s,滾動軸承采用脂潤滑，考慮擋油盤的軸向定位，d14=55mm 齒輪處軸段：由于小齒輪直徑較小，采用齒輪軸結(jié)構(gòu)。所以軸和齒輪的材料和熱處理方式需一樣，均為45鋼，調(diào)質(zhì)處理。 d15:滾動軸承處軸段，d15=d13=25mm 2.軸的校核 這里以主動軸為例。 1 )軸的力學(xué)模型的建立。 1.軸上力的作用點位置和支點跨距的確定 齒輪對軸的力作用點按簡化原則應(yīng)在齒輪寬度的中間，因此可決定中間軸上兩齒輪力的作用點位置。軸上安裝的30210軸承，從機械設(shè)計指導(dǎo)書表12-6可知它的負(fù)荷作用中心到軸承外端面的距離a=20mm，故可計算出支點跨距和軸上各力作用點相互位置尺寸。支點跨距L≈264mm（實際263.5mm）；低速級小齒輪的力作用點C到左支點A距離L1≈87mm（實際86.75mm）；兩齒輪的力作用點之間的距離1 L2≈13mm（實際112.5mm）；高速級大齒輪的力作用點D到右支點B距離L3≈64mm（實際64.25mm）。 2.繪制軸的力學(xué)模型圖 初步選定高速級小齒輪為右旋，高速級大齒輪為左旋；根據(jù)中間所受軸向力最小的要求，跟要求的傳動速度方向，繪制的軸力學(xué)模型圖見圖. 2 ）計算軸上的作用力 齒輪2： 齒輪3： 3 ）計算支反力 1.垂直面支反力（XZ平面）參考圖。 由繞支點B的力矩和ΣMBV=0,得： ,方向向下。 同理，由繞支點A的力矩和ΣMAV=0,得： ，方向也向下。 由軸上的合力ΣFv=0，校核： ，計算無誤。 2.水平面支反力（XY平面）。 由繞支點B的力矩和ΣMBH=0,得 ，方向向下。 同理，由繞支點A的力矩和ΣMAH=0,得： ，方向向下。 由軸上合力ΣFH=0,校核： ，計算無誤。 3.A點總力 B點總力 繪轉(zhuǎn)矩、彎矩圖 1.垂直面內(nèi)的彎矩圖參看圖。 C處彎矩： D處彎矩： 2.水平面內(nèi)的彎矩圖參看圖。 3.合成彎矩圖，參看圖。 C 處 D處: 4.轉(zhuǎn)矩圖，參看圖。 T2=TⅡ=628654N.mm 5.當(dāng)量彎矩圖，參看圖。 因為是單向回轉(zhuǎn)軸，所以扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力視為脈動循環(huán)變應(yīng)力，折算系數(shù)α=0.6。 αT2=0.6×628654N.mm=377192.4N.mm C處：M′C左=MC左=704956.75N.mm D處： M′D右=MD右=429687.36N.mm 5 )彎扭合成強度校核 進行校核時，通常只校核軸上承受最大彎矩和轉(zhuǎn)矩的截面（即危險截面C）的強度。 根據(jù)選定的軸的材料45鋼，調(diào)質(zhì)處理，由教材表15-1查得 [σ-1]=60Mpa。 因σca> [σ-1]，故強度足夠。 6 )安全系數(shù)法疲勞強度校核 對一般減速器的轉(zhuǎn)軸僅使用萬扭合成強度校核即可，而不必進行安全系數(shù)法校核。本處僅對安全系數(shù)校核法作應(yīng)用示例 1.判定校核的危險截面 對照彎矩圖、轉(zhuǎn)矩圖和結(jié)構(gòu)圖，從強度、應(yīng)力集中方面分析，C截面是危險截面。需對C截面進行校核。 2.軸的材料機械性能 根據(jù)選定的軸的材料45鋼，調(diào)質(zhì)處理，由教材表15-1查得： σ-1=275Mpa，τ-1=155Mpa。取Ψσ=0.2，Ψτ=0.5Ψσ=0.5×0.2=0.1。 因C截面有一鍵槽 b×h=18mm×11mm,t=7mm 抗彎截面系數(shù) 彎曲應(yīng)力幅， 彎曲平均應(yīng)力σm=0 扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力幅 平均切應(yīng)力τm=τα=7.79MPa4.影響系數(shù) C截面受有鍵槽與齒輪的過盈配合的共同影響，但鍵槽的影響比過盈配合的影響小，所以只需考慮過盈配合的綜合影響系數(shù)。由教材附表3-8用插值法求處：軸按磨削加工，由教材附圖3-4求出表面質(zhì)量系數(shù)： βσ=βτ=0.92。 故得綜合影響系數(shù)： 所以軸在C截面的安全系數(shù)為： 取許用安全系數(shù)S=1.8，有Sca>S，故C截面強度足夠。 3.2多傳感器系統(tǒng)與數(shù)據(jù)融合 由于工作環(huán)境的復(fù)雜性、自身狀態(tài)的不確定性和單一傳感器只能獲得環(huán)境特征的部分信息段的局限性，僅僅依靠一種傳感器難以完成對外部環(huán)境的感知。為完成在復(fù)雜、動態(tài)及不確定性環(huán)境下的自主性，遙控智能小車通常裝有多種傳感器，通常用到視覺、超聲波、紅外線、光敏、雷達(dá)等傳感器來完整、準(zhǔn)確地反映環(huán)境特征。它們提供的信息有些是互補的，有些是冗余的，必須以一定的方法融合這些互補或冗余的傳感器信息，以充分利用多傳感器提供的信息，才能獲得最佳的、可靠的信息，從而更準(zhǔn)確，更全面地反映出外界環(huán)境的特征，為導(dǎo)航?jīng)Q策提供快速、正確的依據(jù)。[7] 如何有效的利用多傳感器提供的信息，并應(yīng)用到導(dǎo)航?jīng)Q策中，這就需要用到數(shù)據(jù)融合技術(shù)。傳感器之間的冗余數(shù)據(jù)增強了系統(tǒng)的可靠性，傳感器之間的互補數(shù)據(jù)擴展了單個的性能。 多傳感器數(shù)據(jù)融合是一項內(nèi)容廣泛的技術(shù)，涉及傳感器、信號處理、機器人學(xué)、控制理論、系統(tǒng)分析、概率統(tǒng)計、計算機科學(xué)、仿生學(xué)等很多方面的知識，同時它也是一項用途廣泛的技術(shù)，是信息融合的基礎(chǔ)。信息融合技術(shù)不僅包括傳感信息，而且包括社會信息。信息融合技術(shù)現(xiàn)在拓展到大型數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)挖掘、遙感、戰(zhàn)場監(jiān)控、環(huán)保等方面。 一般而言，多傳感器融合系統(tǒng)具有以下優(yōu)點： （1）可提供同一特征的冗余信息； （2）可提供有關(guān)特征的互補信息； （3）提高系統(tǒng)的可靠性和魯捧性； （4）增強數(shù)據(jù)的可信任度； （5）增強系統(tǒng)的分辨能力。 （6）擴展時間上和空間上的觀測范圍； （7）多個信息可以并行快速地分析當(dāng)前的場景； （8）在某傳感器發(fā)生故障的情形下，很快可以重組，重新投入工作。[8] 3.3智能技術(shù) 由于人體太復(fù)雜，人類的智能行為至今仍是一個謎，像生命科學(xué)中生物具有生命一樣，今天我們知之甚少。而智能技術(shù)是用機器來模擬人的外在認(rèn)識和思想行為的技術(shù)總稱。目前，對于智能技術(shù)的研究，主要分為兩大派：間接進化和直接進化。前者主要以符號主義的人工智能為代表；后者以計算智能技術(shù)為代表，包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、模糊技術(shù)、進化計算（遺傳算法、進化策略、進化規(guī)劃等）和基于個體的復(fù)雜系統(tǒng)的研究。前者采用自頂向下的技術(shù)路線，后者采用自底向上的技術(shù)路線。其實，人在處理問題時，兩者是混合使用的。因此，兩者的有機結(jié)合更恰當(dāng)。對于智能小車來說，關(guān)鍵智能技術(shù)是自動規(guī)劃技術(shù)和基于傳感的智能。小車的智能行為包括知識理解、推測、感覺、認(rèn)識、推理、歸納、推斷、計劃、反應(yīng)、學(xué)習(xí)和問題求解等。涉及的領(lǐng)域包括圖像理解、語音和文字符號的處理與理解、知識的表達(dá)和獲取、學(xué)習(xí)和運動。[9] 第四章 遙控小車的硬件系統(tǒng) 4.1總體設(shè)計 遙控智能小車通過位置傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、紅外傳感器、超聲傳感器、視覺傳感器等多種傳感器感知小車周圍的道路信息以及小車自身的運動狀態(tài)信息，并對多傳感器的數(shù)據(jù)進行分析、融合，動態(tài)調(diào)整小車的運動狀態(tài)，實現(xiàn)在一定條件下的自主行駛。智能小車作為一個系統(tǒng)，它由以下軟硬件構(gòu)成： 遙控小車機械結(jié)構(gòu)為主題部分，由車身，輪子、變速器、傳動軸等結(jié)構(gòu)部件構(gòu)成。輪式小車還包括提供動力的驅(qū)動器。傳感器傳感器用來收集智能小車的自身狀態(tài)信息或外部環(huán)境信息。人即使在完全黑暗中，也會知道胳膊和腿在哪里，這是因為肌腱肉的中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的神經(jīng)傳感器將信息反饋給了人的大腦，大腦利用這些信息來判定肌肉的伸縮程度，進而確定胳膊和腿的狀態(tài)。智能小車也同樣如此，安裝在智能小車上的傳感器將智能小車自身的狀態(tài)信息以及外部環(huán)境信息發(fā)給控制器，于是控制器就能決定智能小車的行駛速度和方向。智能小車通常的傳感器包括：視覺傳感器、加速度傳感器、紅外傳感器、超聲傳感器等。 控制器遙控智能小車的驅(qū)動器與人的小腦十分相似，雖然小腦的功能沒有人的大腦功能強大，但是卻控制著人的運動。智能小車控制器從計算機獲取數(shù)據(jù)，控制驅(qū)動器的動作，并與傳感器反饋信息一起協(xié)調(diào)智能小車的運動。假如要智能小車?yán)@過某障礙物，到達(dá)其后面的指定位置。智能小車在接近障礙物時必需轉(zhuǎn)過一定的角度，然后回轉(zhuǎn)相應(yīng)的角度。如果轉(zhuǎn)過的角度尚未達(dá)到這一角度，控制器就會發(fā)出一個信號到驅(qū)動器（輸送電流到電動機，輸送氣體到氣缸或發(fā)送信號到液壓缸的伺服閥），使驅(qū)動器運動，然后通過輪子上的反饋傳感器（電位器或編碼器等）測量角度的變化，當(dāng)達(dá)到預(yù)定角度時，停止發(fā)送控制信號。對于更復(fù)雜的智能小車，智能小車的運動速度和力也由控制器控制。 導(dǎo)航算法模糊控制是以模糊集理論為基礎(chǔ)的一種新興的控制手段，它是模糊集理論和模糊技術(shù)與自動控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。模糊邏輯控制系統(tǒng)既可以用來控制智能小車，也可用于將智能加入到其他系統(tǒng)不適合或難以使用的應(yīng)用中。模糊邏輯可以用來代替經(jīng)典控制系統(tǒng)或與經(jīng)典控制系統(tǒng)相結(jié)合控制智能小車。在智能小車的應(yīng)用中，雖然模糊邏輯不能說是唯一的方法，但也許是更適合的方法。 數(shù)據(jù)融合算法多傳感器數(shù)據(jù)融合是針對智能小車系統(tǒng)中使用多個傳感器對道路、障礙物以及智能小車自身狀態(tài)等信息進行綜合感知這一特定問題展開的一種數(shù)據(jù)處理方法。多傳感器融合的常用方法有加權(quán)平均法、貝葉斯估計法、卡爾曼濾波、統(tǒng)計決策理論、D－S證據(jù)推理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊推理法以及帶置信因子的產(chǎn)生式規(guī)則。這里我們利用模糊推理的方法來對多傳感器進行數(shù)據(jù)融合。 4.2處理器 現(xiàn)在通用的電機大多都是采用單片機來控制，應(yīng)用較多的是8096系列產(chǎn)品。但單片機的處理能力有限，特別是采用矢量變換控制的系統(tǒng)，由于需要處理的數(shù)據(jù)量大，實時性和精度要求高，單片機往往不再能滿足要求。因此人們自然而然地又想到了數(shù)字信號處理器（DSP）。近年來各種集成化的單片DSP的性能得到很大改善，軟件和開發(fā)工具也越來越多，越來越好；價格卻大幅度下滑，目前低端產(chǎn)品已接近單片機的價格水平，且具有更高的性能價格比。從而使得DSP器件及技術(shù)更容易使用，價格也能夠為廣大用戶接受。越來越多的單片機用戶開始選用DSP器件來提高產(chǎn)品性能，DSP器件取代高檔單片機的時機已經(jīng)成熟。而且隨著DSP在各行各業(yè)中的廣泛普及，專業(yè)人才方面的供需矛盾也會很快解決。 4.2.1常用處理器及其特點 與單片機相比DSP器件具有較高的集成度。DSP具有更快的CPU，更大容量的存儲器，內(nèi)置有波特率發(fā)生器和FIFO緩沖器。提供高速、同步串口和標(biāo)準(zhǔn)異步串口。有的片內(nèi)集成了A/D和采樣/保持電路，可提供PWM輸出。更為不同的是，DSP器件為精簡指令系統(tǒng)計算機（RISC）器件，大多數(shù)指令都能在一個指令周期內(nèi)完成，并且通過并行處理技術(shù)，使一個指令周期內(nèi)可完成多條指令。DSP采用改進的哈佛結(jié)構(gòu)，具有獨立的程序和數(shù)據(jù)空間，允許同時存取程序和數(shù)據(jù)。內(nèi)置高速的硬件乘法器，增強的多級流水線，使DSP器件具有高速的數(shù)據(jù)運算能力。而單片機為復(fù)雜指令系統(tǒng)計算機（CISC），多數(shù)指令要2～3個指令周期來完成。單片機采用諾依曼結(jié)構(gòu)，程序和數(shù)據(jù)在同一空間存取，同一時刻只能單獨訪問指令或數(shù)據(jù)。ALU只能做加法，乘法需要由軟件來實現(xiàn)，因此占用較多的指令周期，也就是說速度比較慢。所以，結(jié)構(gòu)上的差異使DSP器件比16位單片機單指令執(zhí)行時間快8～10功能強，而單片機的事務(wù)處理能力強。DSP器件還提供了高度專業(yè)化的指令集，提高了FFT快速傅里葉變換和濾波器的運算速度。此外，DSP器件提供JTAG（Joint Test Action Group)接口，具有更先進的開發(fā)手段，批量生產(chǎn)測試更方便。 4.2.2處理器的選擇 智能小車運動控制系統(tǒng)的核心由TI公司的TMS320F2812構(gòu)成。它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖，如圖4.2所示TMS320F2812是世界上第一塊片上帶Flash，處理速度達(dá)150MIPS的控制用32位DSPs。TMS320F2812的主要特性如下：32位定點TMC28 xDSP內(nèi)核；150-MIPS高速處理能力；1.9V核心電壓，3.3V外設(shè)電壓；最多12路的PWM輸出；片上集成128K的FLASH、一個12-位、80ns轉(zhuǎn)換時間（12.5MSPS）、0～3V量程的ADC、2個SCI異步串口、1個McBS同步串口、SPI同步串口和1個eCAN總線。 圖4.1處理器內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 4.3傳感器 傳感器既用于內(nèi)部反饋控制，也用于感知與外部環(huán)境的相互作用。動物和人類都具有類似的但性能各異的傳感器，例如：一覺醒來，即使未睜開眼睛，人們就能感覺和知道四肢的位置，而不必留心身邊的胳膊和彎曲的腿。這是因為人的四肢隨肌肉的收縮、伸展或放松而活動時，肌肉神經(jīng)中的信號也隨之發(fā)生變化，該神經(jīng)信號傳給大腦，大腦即可判斷出每塊肌肉的狀態(tài)。類似地，在智能小車中，當(dāng)小車運動時，傳感器等將信號傳送給控制器，由其判定小車的運動狀態(tài)。智能小車傳感器可分為智能小車內(nèi)部傳感器和智能小車外部傳感器兩大類。智能小車內(nèi)部傳感器的功能是測量運動學(xué)及動力學(xué)參數(shù)，其提供信息的目的是控制智能小車按規(guī)定的軌跡、速度、加速度大小進行運動。智能小車外部傳感器的功能是認(rèn)識運動環(huán)境，其提供信息的目的是識別道路和障礙物。本節(jié)介紹智能小車主要傳感器的基本原理及其接口電路。 4.3.1位置傳感器 位置傳感器既可以用來測量位移，包括線位移和角位移，也可以用來檢測運動。在很多情況下，位置信息也可用來計算速度。常見的位置傳感器有：電位器、編碼器、霍爾傳感器、線位移差動變壓器、旋轉(zhuǎn)變壓器傳輸時間測量（磁反射）型位移傳感器。[13] 4.3.2加速度傳感器 加速度計是常用的測量加速度的傳感器。在智能小車系統(tǒng)中，加速度傳感器完成數(shù)據(jù)采集任務(wù)，獲得小車瞬時加速度值，以確定小車的運動狀態(tài)；加速度傳感器也可以測出小車與障礙物發(fā)生碰撞的劇烈程度；加速度傳感器還可以判斷小車所處斜坡的坡度；另外，通過推算定位法還可以計算出智能小車當(dāng)前位置相對于已知參考位置之間的偏移，從而得到小車的絕對位置。在短時間內(nèi)，利用這種方法得到的定位精度相對較高；但是可以想象，由于時間的增加，誤差積累效應(yīng)會越來越大，嚴(yán)重影響導(dǎo)航的精度。因此，加速度傳感器通常和GPS一起組合成為組合導(dǎo)航系統(tǒng)，以提高定位精度，增強系統(tǒng)性能。 4.3.3紅外傳感器 紅外傳感器對紅外線敏感。由于紅外線對人眼來說是不可見光，所以在需要發(fā)射光線的設(shè)備中使用不會對人造成干擾。在智能小車中，需要用光測量一段距離來進行導(dǎo)航，就可以使用紅外線。這里簡單介紹紅外傳感器的工作原理，而不詳細(xì)討論智能小車選用紅外傳感器的具體型號、參數(shù)特性。 紅外傳感器的電阻隨著投射在其上面光強的變化而變化。如果入射的光強為零，電阻就最大。光強越大，電阻就越小，相應(yīng)流過的電流就越大，結(jié)果壓降就越小。紅外傳感器可以用以測量距離，它可以探測障礙物和物體表面的形狀，并且用于向系統(tǒng)提供早期信息。兩種常用的測量方法是三角法和測量傳輸時間法。 三角法：用單束光線照射物體，會在物體上形成一個光斑，形成的光斑由攝像機或光敏三極管等接收器接收。距離或深度可根據(jù)接收器、光源及物體上的光斑所形成的三角形計算出來。 測量傳輸時間法：信號傳輸?shù)木嚯x包括從發(fā)射器到物體和被物體反射到接收器兩部分。傳感器與物體之間的距離是信號行進的一半，知道了傳播速度，通過測量信號的往返時間即可計算出距離。為了測量精確，時間的測量必須很快。若被測的距離短，則要求信號的波長必須很短。紅外傳感器是一個相對比較獨立的系統(tǒng)，在設(shè)計智能小車的控制電路時，只需預(yù)留相應(yīng)的接口即可獲取傳感的信號。 4.3.4超聲傳感器 超聲波系統(tǒng)結(jié)構(gòu)堅固、簡單、廉價并且能耗低，可以很容易地用于攝像機調(diào)焦、運動探測報警、智能小車導(dǎo)航和測距。它的缺點是分辨率和最大工作距離受到限制，分辨率地限制來自聲波的波長、傳輸介質(zhì)中溫度和傳播速度的不一致性。最大距離的限制則來自介質(zhì)對超聲波能量的吸收。目前超聲波測距設(shè)備的頻率范圍在20kHz到2MHz之間。這里簡單介紹超聲波傳感器的工作原理，而不詳細(xì)討論智能小車選用超聲波傳感器的具體型號、參數(shù)特性。 在這種傳感器中，超聲波發(fā)射器能夠間斷地發(fā)射出高頻聲波。超聲波傳感器由兩種工作模式，即對置模式和回波模式。在對置模式中，接收器放置在發(fā)射器對面，而在回波模式中，接收器放置在發(fā)射器旁邊或與發(fā)射器集成在一起，負(fù)責(zé)接收發(fā)射回來的聲波。如果接收器在其工作范圍內(nèi)（對置模式）或回波被靠近傳感器的物體表面發(fā)射（回波模式），則接收器就會檢測出聲波，并將產(chǎn)生相應(yīng)的信號。否則，接收器就檢測不到聲波，也就沒有信號。所有的超聲波傳感器在發(fā)射器的表面附近都有一盲區(qū)，在此盲區(qū)內(nèi)，傳感器不能測距也不能檢測物體的有無。在回波模式中，超聲波傳感器不能探測表面是橡膠或泡沫材料的物體，這些物體不能很好地反射聲波。 絕大部分的超聲波測距設(shè)備采用測量時間的方法進行測距。工作原理是，發(fā)射器發(fā)射高頻聲波脈沖，它在介質(zhì)中行進一段距離，遇到障礙物后返回，由接收器接收，發(fā)射器和物體之間的距離等于超聲波行進距離的一半，行進距離則等于傳輸時間與聲速的乘積。當(dāng)然，測量精度不僅與信號的波長有關(guān)，還與時間測量精度和聲速精度有關(guān)。超聲波在介質(zhì)中的傳輸速度與聲波的頻率（2MHz以上時）、介質(zhì)密度及介質(zhì)溫度有關(guān)。為提高測量精度，通常在超聲波發(fā)射器前1英寸處放置一個校正塊，用于不同溫度下系統(tǒng)的校正。這種方法只在傳輸路徑上介質(zhì)溫度一致的情況下才有效，而這種情況有時能滿足，有時則不能滿足。時間測量的準(zhǔn)確性對距離的測量精度也至關(guān)重要。通常，如果接收器一旦收到達(dá)到最小閾值的信號計時就停止的話，則該方法的最大測量誤差約為±1/2個波長。所以，測距儀所用超聲波的頻率越高，得到的精度越高。例如，對于20kHzhe 200kHz的系統(tǒng)，工作波長分別是17mm和1.7mm，對應(yīng)最壞情況下的最小測量誤差分別是8.5mm和0.85mm。采用互相關(guān)、相位比較、頻率調(diào)制、信號整合等方法可以提高超聲波測距儀的分辨率和測量精度。必須提到的是：雖然頻率越高得到的分辨率越高，但和頻率較低的信號相比，它們衰減的更快，這會嚴(yán)重限制作用距離。反之，低頻發(fā)射器的波束散射角度寬，又會影響橫向分辨率。所以，在選擇頻率時要協(xié)調(diào)好橫向分辨率和信號衰減之間的關(guān)系。 4.3.5視覺系統(tǒng) 視覺系統(tǒng)是應(yīng)用在智能小車中的最為復(fù)雜的傳感器。視覺系統(tǒng)實際上也是傳感器，和其他傳感器一樣，它們把智能小車的功能與所處環(huán)境聯(lián)系了起來。目前，有大量的工作與圖像處理、視覺系統(tǒng)以及模式識別有關(guān)，它們提出了許多與軟硬件相關(guān)的研究題目。自20世紀(jì)50年代以來，這方面的只是已慢慢得到積累，并且隨著工業(yè)和經(jīng)濟的不同領(lǐng)域?qū)@一問題的持續(xù)升溫，相關(guān)技術(shù)也發(fā)展得非常迅速。每年有大量的這方面得文章發(fā)表，這一方面說明確實有許多有用的技術(shù)不斷地在文獻(xiàn)中出現(xiàn)，另一方面也說明許多技術(shù)并不適合某些應(yīng)用。 視覺系統(tǒng)是一個復(fù)雜的課題，其內(nèi)容已經(jīng)超出本文的討論范圍，本小節(jié)將簡單介紹視覺系統(tǒng)的基本術(shù)語和關(guān)鍵技術(shù)。 1．圖像 圖像是對一個真實場景的表示。這種表示可能是黑白的也可能是彩色的，還有可能是打印出來的或者是數(shù)字格式的。雖然所有的實際場景都是三維的，但圖像卻可以是二維的或者是三維的。當(dāng)不需要確定場景的深度或場景特征時，就可以使用二維圖像；三維圖像處理主要用于那些需要