论文总字数：23246字

摘 要

论文主要是陆地无人车的转向系统的设计与实施。整项任务主要是关于两个内容的进行。一是如何测量四轮车行驶的实时速度；二是采用何种方法控制四轮车的转向。在论文一开始首先阐述了针对智能车辆的研究意义以及国内外的发展现状，然后对四轮车的设计实施提出整体的设计方案，搭建出车模来。接下来就是对四轮车的关键模块包括摄像头、光电编码器的选择，并对其原理进行简单分析，以便充分了解各项硬件的工作原理。在系统软件设计方面，主要研究了根据51单片机对光电编码器的提出的测速方案、对智能四轮车转向系统的差速设计原理包括PWM脉冲调试、针对电机的PID控制器。论文的最后对所做的研究设计加以总结，并对后续需要改进的地方提出了展望。

关键词：光电编码器 PWM PID控制器

The Design and Implementation of the Turn Numerical Control System in UGV

ABSTRACT

The paper is mainly about the designation and implementation of land shark’s vehicle steering system The whole task is about two main missions. One is how to measure real-time speed carriage driving; The second is to how to control the carriage. At the beginning of this paper ,i firstly explain the significance of the intelligent vehicle research and the domestic and foreign development and puts forward the overall scheme of designing models. The next step is to analyze the key modules of the carriage including cameras, the choice of optical-electricity encoder and its principle , in order to fully understand the working principle of the hardware. In the aspect of the designing system software , this paper is based on 51 single chip microcomputer ,meanwhile, put forward the scheme of measuring speed by photoelectric encoder and the principle of differential steering system of intelligent wagon including the PWM pulse debugging, in view of the PID control algorithm of motor. At the end of the paper,I summarize the research scheme and put forward the outlook ..

Keywords: photoelectric encoder; PWM; PID controller

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 绪 论 1

1.1 基本概念及研究意义 1

1.1.1 智能汽车概述 1

1.1.2 研究意义 1

1.2 智能汽车的发展 2

1.2.1 国外发展历史 2

1.2.2 国内发展历史 2

1.3 汽车转向系统的发展 3

1.3.1 液压助力转向系统 3

1.3.2 电控液压助力转向系统 4

1.3.3 电动助力转向系统 5

1.3.4 线控转向系统 6

1.4 课题研究内容 7

第二章 系统总体设计方案 8

2.1 系统概述 8

2.2 整车布局 9

2.2.1 四轮车重心 9

2.2.2 上位机和摄像头的安装 9

2.3 四轮车转向方案的分析设计 10

2.3.1 四轮车转向的常用两种方法 10

2.3.2 四轮车差速转向分析 11

2.3.3 差速转向系统速度的检测方案设计 12

第三章 系统硬件设计 15

3.1 STM32模块 16

3.2 传感器模块 16

3.3 电源模块 17

3.4 电机驱动模块 18

3.4.1 产品尺寸 18

3.4.2 电气参数 19

3.4.3 接口定义 19

3.4.4 接线方法 20

3.5 基于STM32的PWM调速 20

3.6 速度检测模块 21

3.6.1 设计方案 21

3.6.2 总体设计 22

3.6.3 单片机最小系统 22

3.6.4 系统电源 23

3.6.5 光电编码器电路 24

第四章 四轮车系统软件设计 25

4.1 系统总体软件设计 25

4.2 光电编码器的速度控制 26

4.2.1 光电编码器的测速原理 26

4.2.2 光电编码器常用的测速方法 27

4.2.3 M法测速 27

4.3 电机的控制 29

4.3.1 PID控制器简介 30

4.3.2 增量式PID 30

4.3.3 PWM电机转速调节 31

4.4 转向系统的实施 32

4.5 软件开发环境及程序结果 34

第五章 总结和展望 36

5.1 论文总结 36

5.2 课题研究展望 36

第一章 绪论

1.1 基本概念及研究意义

1.1.1 智能汽车概述

智能四轮车又能称为轮式移动机器人[^[1]]，核心是依据四轮车内的电子计算机系统。依靠智能驾驶仪去实现操作无人行驶[^[2]]。

在普通车辆的基础上添加了更为先进的雷达、摄像等传感器，单片机、PLC等控制器，电机、舵机等执行器。并经由四轮车上装载的摄像头、雷达等传感器系统来感知道路的行驶环境，并根据感知将所取得的路况消息、车辆的实时行驶位置和前方的障碍物信息，传输到车辆的智能系统。并通过车辆的执行机构来控制车辆的实时速度、或执行转向制动等操作。从而保证车辆行驶时的安全、可靠。所以这些可以自主的设计规划车辆的行驶路径并控制车辆可以安全平稳的到达预计目的的车辆可以称为智能汽车。智能汽车是集人工智能、自动化、视觉计算等众多的新兴技术于一体，是计算机科学、模式识别和智能控制技术高度发展的产物。

1.1.2 研究意义

近年来不断推动无人驾驶技术的更新和发展的一个重要因素就是安全驾驶。每一年交通事故发生的主要原因就是驾驶员们的疏忽大意导致的。酒驾、疲劳驾驶、无证驾驶等等，人们的一系列行为促使着汽车生产制造商们必须要集中技术和心血来设计能保证汽车安全行驶的系统。经过对智能四轮车的智能技术的不断研究和试验，不仅可以保证智能四轮车达到普通车辆所不具备的精准控制，而且更能使驾驶员的驾驶体验更加的安全、舒适、高效。对普通车辆的控制系统添加智能化的操作系统，相当于解放了驾驶员[^[3]]。并且它也是对驾驶员的视觉控制和感官功能的扩展延伸，大大的促进了交通管理的便捷与道路行驶的安全。智能车辆对比普通车辆的一项最重要的特点就是以不断发展的高科技来解放驾驶员，弥补因为人为因素的缺陷所造成的重要交通事故，从而使车辆在各种不同的道路环境下，也能自主地操纵车辆来安全高效的行驶，并最终按着计划好的路线行进。

在普通车辆上添加无人驾驶技术的最大优点就是可以使人们的出行更加的安全，并且可以缓解交通压力、减少环境污染。新世纪汽车技术飞速发展的重要标志就是无人驾驶技术的发展状况。更是被拿来标榜一个国家科研实力和工业水平的一个重要标志，同时无人驾驶技术在国防和国民经济领域更是具有广阔的应用前景[^[4]]。

1.2 智能汽车的发展

1.2.1 国外发展历史

上个世纪70年代开始后，欧美等众多的经济科技领先的发达国家逐步开始了针对智能汽车的研究，包括两个重要方面的举措：军事、民用。在军事研究方面，早在1980年初期，美国国防部为了保证军队士兵在战役中的损失，开始投资进行名为自主陆地车辆ALV（Autonomous Land Vehicle）的研究。

2005年，美国谷歌公司设计生产的的斯坦利机器人汽车就在美国国防部高级研究计划局（DARPA）举办的第二届“挑战”大赛中一鸣惊人，并摘得桂冠，它可以在极为恶劣的沙漠环境中自主驾驶，路程超过了212公里。谷歌在2014年5月28日的Code Conference科技大会上，推出了自己设计生产的新产品--无人驾驶汽车。和一般的普通汽车不同，谷歌设计的无人驾驶汽车是没有刹车和方向盘的。

英国的第一辆无人驾驶汽车于2015年2月亮相，可以运送两个人及其行李，最远行驶里程为40英里，速度每小时15英里。

在德国汉堡一家公司设计的无人驾驶汽车是采用了先进的激光传感器技术[^[5]]。这辆经由一般普通轿车改装设计而成的无人驾驶智能汽车名为“路克斯”，它拥有高新的技术支持：先进的激光摄像机、GPS和智能计算机。可以适应各种不同的道路环境。

无人驾驶车在发达国家的得到了迅猛的发展，谷歌是最有可能扫除当前所有短期障碍并将千万辆无人驾驶车带到公路的公司。无人驾驶车已获得加利福尼亚州立法获批，为无人车的发展提供了有利的条件。

1.2.2 国内发展历史

国防科技大学在进行自主无人驾驶车的研制中取得了一定的成绩，最具有代表性的就是HQ3红旗无人车，在2011年7月14日首次由长沙安全的行驶到武汉，全程286公里的高速全程中完成了针对无人驾驶技术的重要实验，这一创举成功的创造了中国自主无人车研究的新纪录。标志着在复杂环境识别、智能行为决策和控制等方面，我国的无人驾驶技术已经有了重大的创新和成果，可以说完全步入到了世界无人车研制的高领域中。红旗HQ3的全程行驶过程中的一系列指令，包括车辆行驶的速度和方向，都是由计算机系统控制的。

我国的无人驾驶车的主要发展历程中包括：2001年研制成功时速达76公里的无人车，2003年研制成功最高时速可达170公里的中国首台无人驾驶轿车，2006年研发出新一代无人驾驶车红旗HQ3[^[6]]。

1.3 汽车转向系统的发展

通常转向系统是用来维持或者调节汽车驾驶方向的，主要是经过改变汽车转向轮相对整车的纵向轴线的偏转角度，来调节或保持汽车行驶的方向。按照向转向系统提供能源的差异来将转向系统分为两大类：机械转向系统、动力转向系统。

通过驾驶员的体力来提供转向能量的系统为机械转向系统，这个系统中的一切传力件都是机械的。我们所熟知的传统汽车的转向系统基本就是机械系统，当驾驶员通过自身的手力来操纵转向盘，此时转向器和一系列的杆件之间就会产生力的传递，它们并将此时产生的力传递到转向轮来实现汽车的转向运动。但是如果前轴所产生的负荷过大时，此时机械系统的转向再依靠人力来实现转向轮的转动就会十分的吃力。

为了改变上述的状况，我们就需要在传统的机械系统中添加发动机来协助驾驶员实现转向。这样的系统就是动力转向系统，主要是添加一套转向助力装置在机械转向系统的上，提高了驾驶员操纵过程的便捷性和汽车的机动性。随着新兴汽车技术和转向系统的发展，动力转向系统主要有液压助力转向系统、电控液压助力转向系统、电动助力转向系统、线控转向系统等。

1.3.1 液压助力转向系统

液压助力转向系统(HPS．Hydraulic power steering)是在添加了液压系统在机械转向系统基础上，通过发动机来牵引转向油泵工作，而油压的大小和油液流动的方向则是依靠转向控制阀来控制，这样就可以产生转向助力，来使操作者在转向盘上的手力的得以减小，这样就可以节省驾驶员的体力。通常工作状态下，液压助力转向系统的能量只需要驾驶员来提供很少的体力，而主要的能量则是靠发动机驱动油泵所产生的液压能来提供。如图1-1所示为液压助力系统示意图。

液压助力转向系统有着相当大的优点，不仅可以节省驾驶员的体力，更可以使操作过程更加的便捷。但是液压助力转向系统也有一些缺点：

(1)能源利用率低

液压助力转向系统是依靠发动机来驱动油泵工作来产生能量的，所以转向系统与发动机是一个整体来进行工作。汽车的正常行驶过程中，转向所占的时间在整个行驶过程中是十分短暂的，但是油泵却需要发动机不停来驱动来保持稳定的工作，油泵持续的工作过程中所产生油液不必要的消耗，这些能量往往得不到合理的利用。使整个系统的能源利用率很低。

(2)助力特性单一

液压助力转向系统主要是由分配阀的结构来决定它的助力特性的，分配阀的结构参数往往在系统的设计中就确定了，那么转向系统的助力特性也就是一定的了，就不能在行驶的过程中再对结构参数来人为的调控了，那么在各种不同路况下就无法满足车辆行驶过程中的转向灵敏性能。

(3)转向回正性差

液压助力转向系统在转向完成后的回正过程中，由于阀芯和阀套之间残余角不能完全的消除，那么就会产生阻力矩影响车辆的回正，降低车辆的回正性能。

(4)体积大

液压助力转向系统由分配阀、动力缸、液压泵、储油罐和油管等组成，体积较大，就会占用汽车的机械空间，严重影响汽车的总体布局。

(5)污染环境

整个系统的油液存在有泄漏问题，容易污染环境，不够环保。

图1-1 液压助力转向系统示意图

1.3.2 电控液压助力转向系统

电控液压助力转向系统(ECHPS-Electronically controlled hydraulic power steering)是增加电控装置在液压助力转向系统的上。

电控液压助力转向系统主要是利用加设的电控单元来控制转向盘上的助力，电控单元可以根据车速的不同进而来产生变化来调节作用在转向盘上的助力。转向控制阀的开启状态的大小可以随时进行改变，那么就可以随时的改变辅助力的大小，就可以实现车速依据不同的辅助力的大小而变化的助力特性。助力的大小要依靠行驶速度的不同来具体而论。汽车在低速状态下，驾驶员操纵转向盘会感觉轻便灵活是因为在低速行驶时助力作用大；而在高速行驶时就需要驾驶员较高的操作力，是因为在高速行驶时，转向系统提供的助力较小。电控液压助力转向系统的产生可以使驾驶过程中对汽车的操纵性和稳定性提高。如图1-2所示为电控液压助力转向系统示意图。

目前，电控液压助力转向系统已被广泛应用于普通轿车中。但是，由于电控液压系统具备的功能更加强大，也就使得针对它的设计维护更加的复杂和昂贵。同时液压助力转向系统的所具有的一些缺点它也无法摆脱。所以仍存在很大的改善空间。

图1-2 电控液压助力转向系统示意图

1.3.3 电动助力转向系统

电动助力转向(EPS-Electric power steering)系统利用电机来提供转向时的助力转矩，电机提供的转向力矩由电控单元(ECU)实时调节与控制，驾驶员通过转向盘所产生的转向力矩与经过减速机构的电机提供的助力转矩一起施加在转向管柱上。车辆在不同行驶车速中，系统产生的助力大小与电控液压助力转向系统工作时的状态是一致的。都是低速时助力辅助大，操纵轻便；高速时助力小，提高驾驶的稳定性。如图1-3所示为电动助力转向示意图。

EPS与液压助力转向系统的主要区别是：将原来依靠液压系统体统转向助力的液压装置用电机来取代。这样在转向系统为汽车提供助力的同时，不仅可以满足液压助力转向系统的所达到的稳定性和轻便性，更是可以降低发动机的功耗，减小环境的污染。虽然说电控助力转向系统具有很高的性能，但是由于本身的缺陷，电动助力只适用于小型汽车。

图1-3 电动助力转向系统示意图

1.3.4 线控转向系统

线控转向系统(SBW-Steer by wire)通过信号和控制器直接与转向轮进行连接的转向操作系统。使得驾驶员的在转向时候的操作更加的便捷，只需要驾驶员直接向车辆输入控制指令，而此时控制器充当智能大脑的作用。控制器根据操作者的指令、目前车辆的行驶现状和道路环境来自主判断车轮转角，进而来实现了转向系统的智能化，不仅大大的改善了汽车行驶过程的稳定性，更是解放了驾驶员。如图1-4所示为线控系统转向示意图。

图1-4 线控系统转向示意图

线控转向的优点主要有：

(1)由于没有了转向盘与转向轮之间的机械连接，驾驶员的操作更加的便捷。并且使转向系统可以直接相对独立的工作，同时大大降低了机械结构的复杂性，传动部件的减少不仅可以使机械构件简单，同时也减少了一些物理影响。如系统摩擦等。大大的提高系统的响应速度和准确性；

(2)线控转向系统也是通过常用的执行器如舵机等来调节控制转向，车辆传感器的控制调整转向，并不会影响到转向盘对车轮的快速调整；

(3)主要是通过软件程序的编写设计来调整转向盘的转动，可以很好的使汽车在行驶过程中根据不同的路况和实时的车速来进行调节，更加的便捷。充分的实现了对车辆的的集成控制，大大提高车辆行驶的稳定性和安全性。

因此，线控转向系统与其余三种依靠液压、电控装置、电机装置等助力转向系统有根本的区别。线控转向系统与其余转向系统的根本区别就是自主性。可以根据自身的控制特性可以监测车辆实时行驶状态和道路环境，可以充分的将操纵者的需求与车辆的实时状态相联系，依据实时的环境和车辆行驶速度做出合适的判断。保证了车辆行驶过程中更加的稳定便捷，属于主动式转向。而液压、电控、电动助力转向系统由于其转向盘与转向轮之间的机械连接不能忽略，从而转向系统的传动比是固定，所以一辆车只能有一个合适的转向传动比。灵敏性能大大降低。同时在采用上述三种转向系统时，当车辆的行驶状态不稳定时，只能依靠驾驶员的操作来改变对车辆行驶状态。大大的增加了驾驶员的负担。所以从本质上讲，液压助力转向系统、电控液压助力转向系统、电动助力转向系统等传统转向系统均属于被动式转向。

1.4 课题研究内容

本课题要求设计一个基于陆地无人车的转向数控系统。根据对转向系统的了解，此次转向系统的设计为一个线控转向系统。陆地无人车车采用四轮机构，两个主动轮和两个万向轮，通过直流电机驱动主动轮为四轮车提供动力，使四轮车可以向前行驶。此次课题主要包含两项内容：首先需要靠光电编码器来对四轮车进行测速，然后根据摄像头所提供的不同道路信息，来远程控制车辆的速度。其次就是转向系统的设计，因为四轮车前轮为两个万向轮，所以四轮车的转向是通过两路PWM脉冲控制两个直流电机产生不同的转速进而使后轮两个轮胎产生差速来实现的。

第二章 系统总体设计方案

2.1 系统概述

四轮车系统的总体工作模式为：CMOS图像传感器拍摄道路图像，输入到STM32微控制器，由微控制器通过串口传输到上位机，进行进一步处理获得主要的道路信息；检测车速则依靠光电编码器来实现，由单片机最小系统来实现对小车实时速度的检测；驱动电机采用PID控制，通过PWM控制驱动电路调整电机的功率[^[7]]；而车速的具体大小由操控者依据道路情况来进行控制。以此来实现四轮车安全高效的行驶。系统的总体设计方案特别指出了四轮车差速转向的原理和方法。

根据以上所述的智能四轮车车系统的设计要求，针对要求制作了系统完整的结构图。如图2-1所示：

图2-1 系统结构图

四轮车车的控制系统同时也是一个典型的自动控制系统，可以分为以下几个模块：

（1）图像处理模块：此模块的任务主要对采集到的道路信息进行处理，提取有效信息，并上传到上位机。并结合当前的道路信息和小车的运行状态，通过远程遥控对四轮车进行快速准确的控制。

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