车辆大作业2

系统组成如下：（1）动力系统（蓄电池组、直流无刷电机）；（2）传动系统（轮边减速器）：（3）行走系统（轮胎、前车架、后车架、摆动架）：（4）转向系统（电动推杆，铰接体）：（5）通信系统（车载无线AP、网络交换机、遥控装置接收器）；（6）信息采集系统（激光雷达、里程计、惯性导航模块、转角传感器）：（7）控制系统（主控制器、信号采集控制器、DSP电机驱动控制器）：（8）遥控系统（工业遥控器）动力系统由蓄电池组构成（24V蓄电池组2组，48V蓄电池组1组），作为整车的动力源以及控制电源。

四轮独立驱动，动力分别由四个轮边电机经过轮边减速器传递到车轮。

行走系统由前后两个车架组成，车架由槽钢焊接，前后车架通过较接体与摆动架相连，可以实现车体的转向和摆动。

转向系统采用电动推杆（带有减速机构的直流无刷电机）代替转向油缸实现转向。

信息采集系统的构成与实车相同，包括激光雷达、里程计、转角传感器、惯性导航模块等，同样为了实现信息采集从而获取地面信息以及车体位姿信息。

通信系统的构成与实车相同，包括车载无线AP、网络交换机、遥控装置接收器，采用CAN总线和以太网通信，同样为了实现各个系统之间的数据交控制系统采用工控机以及信号采集控制器、DSP电机驱动控制器来实现模型样机的遥控操作以及无人驾驶。

跟实车有所不同的是采用DSP电机驱动控制器取代了实车的执行控制器PLC，原因是DSP在对行驶驱动电机和转向电动推杆的控制上比执行控制器PLC更为方便。

1动力系统地下铰接式自卸车实车采用柴油机作为动力源，而模型样机则采用蓄电池组作为动力源。

本文的研究目的是验证路径跟踪以及速度决策算法，作为研究对象的实车和模型样机均采用铰接转向与电传动结构，在运动关系上相同，所以动力源的不同不会影响到运动控制的研究，同时考虑到实验室环境不便于采用柴油机，因此选取蓄电池作为模型样机的动力源。

模型样机的动力系统由两组24V蓄电池组构成。

其中一组作为主动力源，用来给行驶驱动电机和转向电动推杆供电；另一组作为控制电源，用来给信息采集系统、各传感器以及控制系统的控制器等供电。

2.信息采集系统实车和模型样机的信息采集系统都包括激光雷达、里程计、转角传感器、惯性导航模块等车载传感器，通过对传感器信息的采集，得到地面信息以及铰接车位姿信息（包括航向角、较接转向角以及行驶速度等）。

2.1传感器的选取及布置传感器是实现地下铰接式自卸车等无轨采矿设备无人驾驶的关键元件，传感器在无人驾驶中的作用主要有：目标和障碍物检测、自身位置信息估计。

用于无人驾驶路面环境感知的传感器主要有视觉传感器（摄像头）、激光雷达，超声波雷达、红外传感器。

而其他辅助传感器还包括里程计、转角传感器、陀螺仪等。

每种传感器都有其自身的特点及局限性。

视觉传感器（CCD摄像机）可以获得丰富的井下环境的信息量，并能够对目标边缘信息进行精确估计，但是巷道照明不足导致成像质量不高，数据量大，会使控制器增加处理负担，延长计算时间。

超声波雷达使用方便，价格也较低，但是其探测波束角过大，方向性不好，很难精确确定反射目标点的方位，通常只能提供目标的距离信息，对目标的边界信息量提供不足，而且超声波在传播过程中会有一定的能量衰减，容易发生镜面反射，在较远距离测量时会导致测距误差偏大，同时信号的采集周期长，实时性不好。

红外传感器利用传输时间的原理，通过记录并处理从光脉冲发出到返回被接收所经历的时间，来测定目标距离。

虽然红外传感器具有无盲区、方向性强、测量精度高、反应速度快等优点，但是受环境的影响较大、探测距离近，不满足实际工作要求。

激光雷达的激光波束角小，方向性强，测量精度较高，能对巷道壁进行连续扫描，获取激光雷达扫描平面上的巷道地光和墙壁信息特征，这些信息能够从微观上反映出巷道内小尺寸凹凸情况，同时从宏观上体现巷道走势，同时利用激光雷达的扫描信息也能提供较接车在巷道内的相对位置，从而为无人驾驶提供了非常重要的信息，因此选取激光雷达作为路径跟踪和地形分类的主要传感器。

里程计用来测量实车及模型样机的车速及行驶距离，作为辅助传感器。

转角传感器用来测量较接处的前后车体铰接转向角，作为辅助传感器。

惯性导航模块用来测量整车三轴角速度与三轴加速度，作为辅助传感器。

2.2激光雷达激光雷达作为实现无人驾驶的主要传感器，用来感知井下巷道环境，包括地形起伏与巷道壁走势。

激光雷达安装在实车及模型样机的前车体的前方，最大扫描角度为190度，最大检测距离可达到80m，角分辨率可调：分别为0.25/0.5/1°，对应的扫描频率为35/50/75Hz。

其作用是获取车体前方巷道环境信息，用以实现导航及地形检测。

根据IP通信协议，通过以太网采集激光雷达的数据，提供给主控制器。

2.3里程计里程计用来测量实车及模型样机的行驶速度和距离。

实车所用的里程计是电感式传感器，安装在轮边电机处，并配有一个金属齿盘。

电感式传感器是检测使用铁芯和线圈构成的探头接近金属齿盘齿端面时感应到的磁场变化，并通过外部整流放大电路，将信号调理成方波，当探头每经过一个齿就会对应产生一个方波信号，通过对方波的计数，从而计算出行驶速度和距离模型样机所用的里程计是霍尔传感器，内置在四个行驶驱动电机的控制器中，通过霍尔传感器测量得到电机转动时的脉冲信号输出，采集各个电机的输出脉冲，然后根据模型样机车轮的滚动半径，就可以计算出模型样机的行驶速度和距离。

2．4转角传感器转角传感器安装在前后车体中间铰接处，用来测量敢后车体之间的铰接转向角，转角传感器供电电压24V，测量范围0-135”，输出信号4-20mA或者0-5V。

实车和模型样机所用的转角传感器相同，安装位置均在中间较接处，采用的是电流型输出（4-20mA），采集方式均为在输出端串联2502电阻转换成电压信号后进行采集。

2.5惯性导航模块惯性导航模块安装在激光雷达上方，用来测量雷达和整车姿态。

惯性导航模块中包含三轴陀螺仪和三轴加速度计。

陀螺仪根据谐振器陀螺原理工作，当有角速率输入时，依据科里奥利原理，传感器产生一个正比于此旋转角速率的电压信号，利用采集系统将此电压信号提取出来然后利用时间积分就可以得到旋转角度值。

主要用作测量角度。

电容式加速度计能够感测不同方向的加速度或振动等运动状况。

其主要为利用硅的机械性质设计出的可移动机构，机构中主要包括两组硅梳齿，一组固定，另一组随即运动物体移动：前者相当于固定的电极，后者的功能则是可移动电极。

当可移动的梳齿产生了位移，就会随之产生与位移成比例电容值的改变。

主要用作测最整车振动情况。

3.通信系统实车和模型样机的通信系统构成相同，都包括车载无线AP、网络交换机、遥控装置接收器。

车载无线AP（Access Point）即无线接入点，它是主要用于无线网络的无线交换机，也是整个无线网络的核心。

无线AP是移动计算机用户进入有线网络的接入点，主要用于大楼内部、园区内部以及宽带家庭，覆盖距离几十米至上百米，目前主要的技术协议为802.11系列.在本文中无线AP的作用是将车载系统作为无线工作站与地下通信系统（基站）进行相互通信。

网络交换机在车载系统中的作用是构建内部的有线局域网，实现网内各个系统间的以太网通信。

遥控装置接收器通过与遥控装置之间的无线通信传递遥控控制信号。

4.控制系统实车的控制系统分为硬件部分和软件部分，硬件主要由三部分组成：主控制器、信号采集控制器和执行控制器。

软件分为主控制程序、无人驾驶控制程序和PLC控制程序。

控制系统通过软件和硬件的配合，实现人工操作、遥控操作以及无人驾驶功能。

4.1控制系统设计其中主控制器采用装有Windows7系统的工控机；信号采集控制器使用STM32单片机；执行控制器采用车载PLC控制器。

主控制器带有一路10MW100M的以太网（Ethernet）接口和两路CAN总线接口，其中利用以太网来传输激光雷达原始距离信号的数据；利用CAN总线来进行各系统之间的通信并协调处理各系统之间的动作时序。

它的作用是利用各传感器数据计算导航控制策略，通过CAN总线与执行控制器通信，以控制执行部件的动作。

信号采集控制器以带有一路CAN总线接口，主要作用是采集惯性导航模块、里程计、转角传感器信号，并通过CAN总线发送至主控制器。

执行控制器PLC带有两路CAN总线，其中一路用来与主控制器进行信息交互，另一路用于下载程序。

车载传感器的信号通过PLC的10口检测并且传给主控制器，主控制器通过执行控制器PLC来控制执行部件的动作信号，这些执行部件包括转向步进电机、油门电玻阀、档位电磁阀等。

模型样机的控制系统与实车略有不同。

采用DSP电机驱动电路取代了执行控制器PLC。

信号采集控制器实现车载传感器信号的检测，DSP电机驱动控制器则负责控制行驶驱动电机和转向电动推杆，实现对行驶速度和转向角度的控制。

4.2控制系统软件设计为了实现实车及模型样机的人工操作、遥控操作以及无人驾驶功能，需要通过控制程序来实现各个系统的协调工作。

控制程序包括三部分：第一部分是主控制器的主控制程序，主要作用是完成整个控制系统的协调控制。

第二部分是主控制器的无人驾驶控制程序，主要作用是提供无人驾驶控制策略。

第三部分是执行控制器PLC程序，主要作用是完成三种工作模式下的实车的信号检测和执行部件的操作。

对于模型样机来说，采用信号采集控制器和DSP电机驱动控制器取代了执行控制器PLC，其中，信号采集控制器负责定时对传感器的信号进行采集和预处理，然后将处理过的信号通过CAN总线传输给主控制器，而DSP电机驱动控制器程序的主要作用是控制行驶驱动电机和转向电动推杆，从而实现对行驶速度与转向角度的调整。